响应面法优化超声辅助法提取油茶枯非水溶性膳食纤维

卢忠英，陈仕学，鲁道旺，姚元勇，谢勇

（铜仁学院材料与化学工程学院，贵州铜仁554300）

响应面法优化超声辅助法提取油茶枯非水溶性膳食纤维

卢忠英，陈仕学，鲁道旺，姚元勇，谢勇

（铜仁学院材料与化学工程学院，贵州铜仁554300）

以油茶枯为试验原材料，采用超声辅助法提取油茶枯非水溶性膳食纤维（IDF），在超声功率强度、液料比、超声温度、超声时间4个单因素试验基础上，采用Box-Behnken中心组合试验设计原理进行响应面设计优化提取工艺参数。结果表明：超声功率强度为450 W，液料比为25 mL/g，超声温度为60℃，超声时间40 min，该条件下油茶枯IDF得率可达69.11%，与IDF得率理论值比较，其相对误差约为0.51%，验证了数学模型的有效性。且在IDF性能测试中，提取所得IDF持水力为2.837g/g，膨胀力1.25mL/g。

油茶枯；非水溶性膳食纤维；响应面法；超声辅助法

油茶（Camellia oleifera Abel）系山茶科山茶属植物，油茶枯是油茶种子经提油后剩下的残渣，其中营养成分丰富，主要富含多糖、皂素、粗蛋白等物质［1］。但目前主要用其提取皂素，其余大多被废弃，显然未能充分有效合理的利用，从而造成了资源的浪费和环境污染［2］。

膳食纤维是指不能被人体所消化，由纤维素、果胶、半纤维素和木质素等组成的非淀粉多糖类为主的化合物总称［3］。其根据水溶性可分为水溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）［4-5］，据报道，水不溶膳食纤维吸水性和膨胀性良好，能加速胃肠道蠕动，同时能清除胃肠道毒素，且能将毒素从体内排出，对便秘，结肠癌，高血压，动脉硬化等具有预防和治疗的生理作用［6-7］，因此已广泛应用于保健品、肉制品、面制品等产业中［8］。

目前从油茶枯中提取IDF的方法主要采用酸溶碱沉法，谢勇等［9］用碱提取法获得油茶蒲不溶性膳食纤维提取率40.4%。由于酸溶碱沉提取不仅需用大量的强酸强碱，且对设备酸、碱耐受性要求高，提取后酸碱排放会引起二次污染，所以选择可减少酸碱用量的各种辅助提取方法在油茶枯IDF的提取中为目前主要方法。李怡杰［10］采用微波辅助法从油茶枯中提取IDF得率68.91%。IDF得率与传统酸溶碱沉法相当。微波辅助法简单可靠，对于IDF的提取还有待进一步优化；而超声辅助法技术能使溶剂最大程度渗透原料细胞，并促使细胞壁破坏，加速溶质溶出，具有时间短、效率高，且溶剂用量少等特点［11］，因此在天然产物化学成分提取的应用中倍受关注。当前，有关超声辅助法提取油茶枯IDF的文献鲜见报道，本文采用超声辅助法提取油茶枯中的IDF，并结合响应面（response surface methodology，RSM）法对其工艺条件进行了优化，为减少资源的浪费和环境的污染、提高油茶枯资源利用经济价值提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

油茶枯：贵州铜仁市玉屏县茶厂；氢氧化钠、乙醇、乳酸：成都金山化学试剂有限公司。

JJ-500精密电子天平：上海恒平科学仪器有限公司；ZQ-650CT多用途恒温超声波提取机：上海争巧科学仪器有限公司；DHG-9146型真空干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；HH-2型数显恒温水浴锅：国华电器有限公司；FW80型万能粉碎机：北京科伟永兴仪器有限公司；PHS-3C型pH计：雷磁仪器厂。

1.2方法

1.2.1油茶枯IDF超声辅助提取工艺流程

样品干燥→粉碎过筛→加蒸馏水→加入乳酸调pH值→超声辅助提取→提取液离心→取上清液→加NaOH溶液调pH值→离心→取沉淀→水洗至中性→60℃干燥→成品IDF［12］

1.2.2IDF超声辅助提取操作要点

取一定量干燥油茶枯粉末，加蒸馏水，继续加入一定体积1.0 mol/L乳酸调pH在4.5～5.0范围，采用超声辅助提取一定时间，将提取液于4 500 r/min离心15 min除渣，取上清液，向其加入0.1 mol/LNaOH溶液中和酸，调pH为8～9，使IDF充分析出，将中和液于4 500 r/min离心15 min，取沉淀，将其用水洗至中性，置60℃烘干，平行试验3次，取平均值，计算IDF得率。

IDF得率/%=干燥IDF粉末质量（g）/干燥原料质量（g）×100

1.2.3油茶枯IDF提取单因素试验

设定超声功率强度450 W，液料比25 mL/g，超声温度60℃，考察超声时间在10、20、30、40、50、60 min时对油茶枯IDF得率的影响。

设定液料比25 mL/g，超声温度60℃，超声时间40 min，考察超声功率强度在300、350、400、450、500、550 W时对油茶枯IDF得率的影响。

设定超声功率强度450 W，超声温度60℃，超声时间40 min，考察液料比15、20、25、30、35、40 mL/g时对油茶枯IDF得率的影响。

设定超声功率强度450 W，液料比25 mL/g，超声时间40 min，考察超声温度在30、40、50、60、70、80℃时对油茶枯IDF得率的影响。

1.2.4响应面试验

根据单因素试验结果分析，据Box-Behnken中心组合试验设计原理，以超声功率强度（A）、液料比（B）、超声温度（C）、超声时间（D）为自变量，以油茶枯IDF得率为响应值，采用四因素三水平的响应面分析方法求取优化的工艺参数［13］，试验因素水平设计见表1。

表1　Box-Behnken设计试验因素水平及编码Table 1　Four factors，levels and codes of Box-Behnken design

1.3IDF特性测定

1.3.1IDF持水力测定试验

准确称取IDF粉末1.0 g（m1），放入量筒中，加入15 mL蒸馏水饱和2 h后，置于滤纸上，沥干后将其转移在培养皿中称重量（m2），重复3次，取平均值，计算IDF持水力（WHC）［14］。持水力/（g/g）=（m2-m1）/m1。

1.3.2IDF膨胀力测定试验

准确称取IDF粉末1.0 g（m），置于干燥的量筒中，读取IDF膨胀前体积VA，将样品转入100 mL量筒中，加入蒸馏水20 mL，摇匀后在室温下放置24 h，再读取液体中IDF体积VB，重复3次，取平均值，计算IDF膨胀力［15］。

1.4数据分析处理

单因素试验数据用Microsoft Office Excel 2007分析作图。响应面优化试验数据采用Design-ExpertV8.0进行分析处理和作图。

2　结果与分析

2.1单因素结果及分析

2.1.1超声功率强度对油茶枯IDF得率的影响

超声功率强度对油茶枯IDF得率的影响如图1所示。

图1　超声功率强度对油茶枯IDF得率的影响Fig.1　Effect of ultrasonic power intensity on the rate of Camellia cakes IDF

如图1所示，当超声功率强度在300 W～450 W时，油茶枯IDF得率随超声功率强度升高逐渐上升，但当超声功率强度超过450 W时，油茶枯IDF得率有下降的趋势，分析可能由于超声功率强度过高，使细胞内大部分物质释放出来，包括一些能促使IDF降解的酶，从而影响了IDF得率，因此，确定最佳超声功率强度为450 W。

2.1.2液料比对油茶枯IDF得率的影响

液料比对油茶枯IDF得率的影响如图2所示。

图2　液料比对油茶枯IDF得率影响Fig.2　Effect of liquid-to-solid ratio on the rate of Camellia cakes IDF

如图2所示，当液料比在15 mL/g～25 mL/g时，随着液料比增加，油茶枯IDF得率相应提高，液料比超过25 mL/g后，油茶枯IDF得率显著下降，这是由于料液比越大，油茶枯IDF容易渗透出来，但由于油茶枯中IDF含量有限，继续增加料液比，可能导致已溶出来的IDF裸露后发生水解，致使IDF得率降低，因此，确定最佳液料比为25 mL/g。

2.1.3超声温度对油茶枯IDF得率的影响

超声温度对油茶枯IDF得率的影响如图3所示。

图3　超声温度对油茶枯IDF得率的影响Fig.3　Effect of ultrasonic temperature on the rate of Camellia cakes IDF

图3结果显示，当超声温度在30℃～60℃之间，随超声温度升高油茶枯IDF得率显著上升，当超声温度高于60℃时，油茶枯IDF得率有下降趋势，分析可能是一定温度范围内，随温度升高，提取剂的渗透能力也相应增强，使油茶枯得率升高；超声温度过高使纤维素和半纤维氢键遭破坏，加速纤维素的溶解使得率降低。

2.1.4超声时间对油茶枯IDF得率的影响

超声时间对油茶枯IDF得率的影响如图4所示。

图4　超声时间对油茶枯IDF得率的影响Fig.4　Effect of ultrasonic time on the rate of Camellia cakes IDF

如图4所示，当超声累计时间从10 min～40 min时，油茶枯IDF得率随超声累计时间的延长显著升高，当作用时间大于40 min时，油茶枯IDF得率随超声时间的延长有下降趋势，这可能因为超声时间的过长加速其降解，使IDF得率降低，因此，最佳超声时间为40 min。

2.2响应面法优化超声辅助法提取IDF

2.2.1响应面优化试验设计与结果

响应面试验结果、响应面方差分析结果见表2、表3。

表2　响应面试验结果Table 2　The experimental results for response surface analysis

表3　回归方程方差分析Table 3　Analysis of variance for the regression equation

表3　回归方程方差分析Table 3　Analysis of variance for the regression equation

2.2.2响应面试验结果分析

经回归拟合后，由响应面分析法得出关于超声辅助法提取IDF得率的二次回归拟合方程：

IDF得率/%=69.42-0.76A+0.42B-0.71C+0.69D+ 0.32AB-0.66AC-0.90AD+0.12BC+1.01BD-1.17CD-8.01A2-7.51B2-8.56C2-8.02D2。

从表3可以看出，回归方程拟合检验P＜0.000 1，表现极显著水平，预测值和实际值非常吻合，具有高度相关性（R2=0.978 3），回归方程失拟检验P=0.145 8> 0.05，差异不显著，说明残差均由随机误差引起，即未知因素对试验结果干扰很小；同时各因素一次项A、B、C、D及二次项A2、B2、C2、D2对IDF得率均表现显著水平（P＜0.05，P＜0.01），交互项AD交互作用的影响差异极显著（P＜0.010），AC、BD、CD交互作用的影响差异显著（P＜0.05），AB、BC交互作用差异不显著（P>0.05）；表明各因素与响应值之间不能用简单线性关系解释，而是一种非线性关系，表明该模型对于油茶枯IDF得率的预测值和实际值具有很好的拟合度，可以用其确定最佳提取工艺条件，影响超声辅助法提取IDF得率的主次因素为A＞C＞D＞B，即超声功率强度>超声温度>超声时间>液料比。

2.2.3响应面分析

考察各交互项对IDF得率的影响，结果见图5。

由图5可知，AD曲线峰陡峭，对IDF得率的影响表现极显著，AC、BD、CD的曲线峰较陡，对IDF得率的影响显著，AB、BC曲线峰平缓，对IDF得率的影响不显著，与方差分析结果吻合。

2.2.4确定最优条件及验证试验

图5　超声功率强度、液料比、超声温度、超声时间与IDF得率交互影响响应面图Fig.5　Response surface plots showing the effects of ultrasonic power intensity，liquid-to-solid ratio，ultrasonic temperature and time on IDF yield

根据回归模型，利用Design-ExpertV8.0软件对试验结果进行分析处理，得到超声辅助法提取IDF的最佳条件为：超声功率强度为447.6 W，液料比为25.15 mL/g，超声温度为59.58℃，超声时间40.51 min，在此条件下油茶枯IDF得率为69.47%，考虑实验操作的可行性，对各因素进行调整数，超声功率强度为450 W，液料比为25 mL/g，超声温度为60℃，超声时间40 min，在此最优条件下进行3次验证试验，油茶枯IDF得率可达69.11%，与IDF的提取理论值比较，其相对误差约为0.51%，验证了数学模型的有效性。

2.3IDF性能测定结果

2.3.1IDF持水力

在超声功率强度为450 W，液料比为25 mL/g，超声温度为60℃，超声时间40 min条件下，根据1.3.1测定方法，代入公式可得出油茶枯IDF持水力为283.7 g/g。

2.3.2IDF膨胀力

在超声功率强度为450 W，液料比为25 mL/g，超声温度为60℃，超声时间40 min条件下，根据1.3.2测定方法，代入公式可得油茶枯IDF膨胀力1.25 mL/g。

3　结论

本文在单因素试验=验的基础上，采用Design-ExpertV8.0软件设计响应面试验优化油茶枯中IDF超声辅助法提取工艺。试验表明：影响超声辅助法提取IDF得率的主次因素为：超声功率强度＞超声温度＞超声时间＞液料比。超声波辅助提取油茶枯中IDF的最佳工艺参数为超声功率强度为450 W，液料比为25 mL/g，超声温度为60℃，超声时间40 min，该条件下油茶枯IDF得率可达69.11%，与IDF得率理论值比较，其相对误差约为0.51%，验证了数学模型的有效性，且提取所得IDF持水力为2.837 g/g，膨胀力1.25 mL/g。

［1］干丽，李嘉滢，蔡帧艳，等.茶枯饼主要化学成分的研究及综合利用［J］.中南药学，2013，11（11）：823-825

［2］邓桂兰，彭超英，卢峰.油茶饼粕的综合利用研究［J］.现代食品科技，2005，41（3）：130-132

［3］Montagne L，Pluske J R，Hampson D J.A review of interactions between dietary fibre and the intestinal mucosa，and their consequences on digestive health in young non-ruminant animals［J］.Animal Feed Science&Technology，2003，108（1/4）：95-117

［4］修建成，曹荣安，孔保华，等.膳食纤维的分类与应用［J］.农产品加工，2006（10）：31-33

［5］卢忠英，姚元勇，陈仕学，等.响应面微波辅助酶法提取油茶枯水溶性膳食纤维的工艺优化［J］.食品工业科技，2015（20）：289-292

［6］李海云，王秀丽.荔枝壳水不溶性膳食纤维吸陈NO2-、胆酸钠的研究［J］.食品研究与开发，2006，27（8）：167-170

［7］陈亚非，赵谋明.水溶性与水不溶性膳食纤维对油脂、胆固醇和胆酸钠吸附作用研究［J］.现代食品科技，2005，21（3）：58-60

［8］Elleuch M，Bedigian D，Roiseux O，et al.Dietary fibre and fibrerich by-products of food processing：Characterisation，technological functionality and commercial applications：A review［J］.Food Chemistry，2011，124（2）：411-421

［9］谢勇，陈诗强，池香莲，等.油茶蒲中不溶性膳食纤维的提取及其特性分析［J］.浙江大学学报（农业与生命科学版），2013，39（2）；149-154

［10］李怡杰，陆海南，覃江克，等.微波辅助提取油茶枯中膳食纤维的工艺优化［J］.食品科技，2013，38（5）：188-192

［11］潘利华，徐学玲，罗建平.超声辅助提取水不溶性大豆膳食纤维及其物理特性［J］.农业工程学报，2011，27（9）：387-392

［12］刘芳，黄科瑞，黎远成.微波辅助提取油茶籽油的工艺优化［J］.中国农学通报，2012，28（3）：290-294

［13］GIOVINNIM.Response surface methodology and product optimization［J］.Food Technology，1999，37（2）：41-45

［14］陈仕学，胡明念，鲁道旺，等.野生阳荷水不溶性膳食纤维的提取及性能测定［J］.食品与发酵工业，2014，40（1）：250-253

［15］潘英明，梁英，王恒山，等.从罗汉果渣中提取水不溶性膳食纤维的研究［J］.广西植物，2003，23（4）：370-372

Optimization of Ultrasound Assisted Extraction of Camellia Insoluble Dietary Fiber by Response Surface Method

LU Zhong-ying，CHEN Shi-xue，LU Dao-wang，YAO Yuan-yong，XIE Yong
（Institute of Material and Chemical Engineering，Tongren University，Tongren 554300，Guizhou，China）

Ultrasonic assisted extraction of insoluble dietary fiber（IDF）from oil-tea Camellia cakes was investigated based on the single factor experiments.Box-Behnken central composite design and response surface design were used to simultaneously optimize four process parameters，including ultrasonic power intensity，liquidto-solid ratio，ultrasonic temperature and time.The results showed that the optimum extraction conditions were as follows：the power intensity of ultrasonic，450 W，liquid-to-solid ratio，25 mL/g；ultrasonic temperature，60℃；and ultrasonic time，40 min.The rate of Camellia cakes IDF was 69.11%，compared with the theoretical value，the relative error was about 0.51%，and the validity of the mathematical model was verified.And in testing property of watery insuluble fiber，water holding capacity was 2.837 g/g，the expansion force was 1.25 mL/g.

oil-tea Camellia cakes；water insoluble dietary fiber；response surface method；ultrasonic assisted method

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.21.006

梵净山特色苗药资源保护与开发产学研基地（黔教合KY字 ［2014］233）；贵州省教育厅自然科学研究项目（黔教合KY字2013184）；贵州省普通高等学校特色重点实验室（黔发合K字［2011］005）

卢忠英（1987—），女（苗），讲师，硕士，研究方向：天然药物化学成分与新药研发。

2015-12-29