响应曲面法优化可溶性膳食纤维提取工艺条件

姚鹏程，王 鑫，吴媛媛，徐丽萍

（1.牡丹江市食品药品检验检测中心，黑龙江牡丹江 157000；2.哈尔滨商业大学食品工程学院高校食品科学与工程重点实验室，黑龙江哈尔滨 150076）

可溶性膳食纤维包括部分微生物多糖和合成多糖，主要是指存在于植物细胞内的储存物质和分泌物[1]，它可溶解于温、热水，能被乙醇再沉淀且不可以被人体消化道酶消化的那部分膳食纤维，被称为调节机体功能的“第七类营养素”[2]。近二三十年来，膳食纤维的保健作用日益受到重视，被各国营养学家认识到，膳食纤维研究在国外成为最活跃的课题之一。国外对于膳食纤维的提取主要应用物理法；在国内，可溶性膳食纤维的传统提取方法主要是化学法，包括酸法、碱法[4]。目前，国内提取香蕉皮中可溶性膳食纤维的研究报道主要集中在化学法、酶法、酶与化学试剂结合的方法。

香蕉是世界第二大水果，约占世界水果总产量的17%，香蕉皮作为香蕉深加工的主要废弃物，如果没有被合理利用，既浪费资源又破坏环境。香蕉皮中的营养素含量也相对丰富，含有果胶、半纤维素、蛋白质、维生素等[4]，若对香蕉及香蕉深加工后的香蕉皮等废弃物进行加工处理，将会给香蕉的综合利用提供新的途径[5]。但在诸多产品中，以香蕉皮为膳食纤维原料的产业化研究较少，主要原因是对于香蕉皮膳食纤维的功能特性认知方面存在不足，加工技术及设备相对匮乏，从而导致香蕉皮膳食纤维的加工相对落后。所以，深入研究香蕉皮的膳食纤维结构组成与其生理特性及其加工技术与设备的完美结合必将成为今后的研究热点[6]。中心组合设计是国际上一种较常见的响应曲面试验方法，中心组合设计不仅可以对各因子进行优化，还可以对影响生物过程中的因子及其交互作用进行评价，进一步得到影响试验过程的最佳条件[7]。试验采用超声波法结合酸解提取可溶性膳食纤维，并通过单因素试验和响应曲面设计分析，建立二次回归模型，考查了超声时间、酸解温度、酸解时间、磷酸体积分数、料液比对可溶性膳食纤维得率的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

香蕉，超市购买；食用花生油，山东鲁花集团有限公司提供。

浓硫酸（分析纯），哈尔滨市化工试剂厂提供；无水乙醇（分析纯），天津市天新精细化工开发中心提供。

DHG-9203A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限责任公司产品；SHZ-D（III）型循环水式多用真空泵，巩义市予华仪器有限责任公司产品；MC型精密电子天平、ALC-1100.2型电子分析天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司产品；ZDF-6090型真空干燥箱、DK-98型电子恒温水浴箱，上海恒一科学仪器有限公司产品；KQ-500VDE型双频数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限责任公司产品；DK-98型电子恒温水浴箱、R-205型旋转蒸发仪，上海申胜生物技术有限公司产品；DL-5-B型低速容量离心机，上海安亭科学仪器厂产品。

1.2 试验方法

1.2.1 香蕉皮的预处理

取新鲜的香蕉皮，于室温下浸泡30 min，取出后用40℃的温水重复洗涤3次，以除去可溶性糖和色素，烘干后粉碎，过直径为0.35 mm的40目筛，备用。

1.2.2 可溶性膳食纤维提取的单因素试验

称取5份香蕉皮粉末，每份3.00 g。分别按料液比为 1∶5，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25 （g∶mL）加入体积分数为2%，4%，6%，8%，10%的稀磷酸溶液中，置于超声波清洗器中，超声处理0，5，10，15，20 min，分别在 60，70，80，90，100 ℃恒温水浴60，90，120，150，180 min，离心、抽滤，液体经旋转蒸发仪浓缩至原溶液体积的1/3，向浓缩液中加入4倍体积的无水乙醇，静置2 h，固液分离后进行干燥，所得固体即为可溶性膳食纤维。计算香蕉皮中可溶性膳食纤维的得率。

1.2.3 响应曲面法优化提取可溶性膳食纤维的工艺条件

试验运用Box-Behnken模型，以X1，X2，X3为自变量，分别代表酸解温度、磷酸体积分数和料液比，作为试验过程中的考查因子；以+1，0，-1分别代表自变量的高、中、低水平，根据方程xi=（Xi-Xo）/X对自变量进行编码[8]。

Box-Behnken试验设计因素水平及编码见表1。

表1 Box-Behnken试验设计因素水平及编码

如表1，X为自变量的变化步长，Xo为试验中心点处自变量的真实值，Xi为自变量的真实值，xi为自变量的编码值[9]。试验采用多元回归分析方法，拟合二次多项式回归模型的Box-Behnken设计试验，进行结果分析。在模型拟合出的最优条件下重复3次试验，以验证响应曲面拟合结果的可靠性。

1.2.4 可溶性膳食纤维理化性能的测定

（1）香蕉皮中可溶性膳食纤维持水力的测定。称取1.000 g膳食纤维固体置于三角瓶中，加入70mL蒸馏水后，充分搅拌24 h，设置离心机参数3 000 r/min，离心10 min后弃去上清液，吸干离心管内壁残留的水分，称质量。

（2）香蕉皮中可溶性膳食纤维持油力的测定。称取3.000 g膳食纤维固体置于离心管中，加入10 g食用花生油，室温静置1 h，设置离心机参数3 000 r/min，离心10min后弃去上层油，吸干离心管内壁残留的油，称质量。

（3） 香蕉皮中可溶性膳食纤维膨胀力的测定。称取1.000 g膳食纤维固体置于量筒中，测干粉体积，加室温水使总体积至25 mL处，用玻璃棒将其搅匀，使其充分吸收水分，在室温下放置24 h，读取样品吸水膨胀后的体积数。

2 结果与讨论

2.1 可溶性膳食纤维提取单因素试验结果与分析

2.1.1 超声时间单因素试验结果分析

超声时间对可溶性膳食纤维得率的影响见图1。

图1 超声时间对可溶性膳食纤维得率的影响

由图1可见，当超声时间为10 min时可溶性膳食纤维得率为试验中的最大值，随后可溶性膳食纤维得率逐渐降低，即超声处理的得率明显高于未超声处理的。超声波能促进溶质和溶剂的相互作用，从而提高得率；但超声时间过长会导致香蕉皮中的大分子链断裂，得率降低。

2.1.2 酸解温度单因素试验结果分析

酸解温度对可溶性膳食纤维得率的影响见图2。

图2 酸解温度对可溶性膳食纤维得率的影响

由图2可知，当酸解温度达到80℃时，得率达到最高；当酸解温度处于60～80℃时，产品的得率增长较为缓慢；随着酸解温度的继续升高，可溶性膳食纤维得率迅速下降，原因是高温使可溶性膳食纤维中的某些成分发生水解，导致得率下降[10]。即酸解温度为80℃时，可溶性膳食纤维得率最大。

2.1.3 酸解时间单因素试验结果分析

酸解时间对可溶性膳食纤维得率的影响见图3。

图3 酸解时间对可溶性膳食纤维得率的影响

由图3可知，酸解时间为60～90min时，可溶性膳食纤维得率逐渐增大；酸解时间为90～180 min时，得率有所减小，即酸解时间为90 min可溶性膳食纤维得率最大。当酸解时间过短时，可溶性膳食纤维溶解不充分，得率不高；随着酸解时间的延长，可溶性膳食纤维中的果胶大分子被氢离子裂解，导致得率降低。

2.1.4 磷酸体积分数单因素试验结果分析

磷酸体积分数对可溶性膳食纤维得率的影响见图4。

由图4可知，磷酸体积分数低于8%时，酸解反应过程较为缓慢，得率降低；当磷酸体积分数为8%时，得率达到最高；可溶性膳食纤维的得率随着磷酸体积分数的增大而逐渐上升，当磷酸体积分数超过8%时，可溶性膳食纤维的得率逐渐减小，原因是过高的磷酸体积分数使可溶性膳食纤维中的果胶裂解[11]。

2.1.5 料液比单因素试验结果分析

图4 磷酸体积分数对可溶性膳食纤维得率的影响

料液比对可溶性膳食纤维得率的影响见图5。

图5 料液比对可溶性膳食纤维得率的影响

由图5可知，当料液比在1∶5～1∶15（g∶mL）时，料液比与得率成正比，但随着料液比持续增大，可溶性膳食纤维的得率逐渐降低，原因是过多的酸液使可溶性膳食纤维水解，使得产量降低。当料液比为1∶5（g∶mL） 时，可溶性膳食纤维得率最高。

2.2 响应曲面法优化可溶性膳食纤维工艺条件结果与分析

采用多元回归分析，拟合二次多项式回归模型。

Box-Behnken设计及试验结果见表2，响应面模型方差分析见表3，回归方程系数显著性检验见表4。

表3为利用Design Expert软件对数据进行多元回归拟合的数据图，二次多项回归模型方程为[8]：

式中：Y——可溶性膳食纤维得率，%；

X1——酸解温度，℃；

X2——磷酸体积分数，%；

X3——料液比，g∶mL。

从表3可以看出，试验所选用的模型高度显著（p＜0.000 1），顺序残差与期望值得相关系数R2=0.993 6，接近线性关系；模型的校正决定系数R2adj=0.985 5，说明该模型能解释98.55%响应值的变化，仅有约1.5%不能用此模型来解释；相关系数R=0.996 8，即该模型拟合程度良好，试验误差小。

综上所述，该模型是合适的，可以用此来分析香蕉皮中可溶性膳食纤维的提取。

由表4可知，模型一次项X3不显著，X1，X2显著；二次项X12显著，X22，X32极显著；交互项X1X2

表2 Box-Behnken设计及试验结果

表3 响应面模型方差分析

表4 回归方程系数显著性检验

不显著，X1X3，X2X3显著。

2.2.1 酸解温度与磷酸体积分数交互作用的分析与优化

酸解温度、磷酸体积分数及其交互作用对可溶性膳食纤维的等高线图和响应曲面见图6。

从图6可以看出，二者交互作用不显著，酸解温度为80℃时，可溶性膳食纤维的得率达到试验中的最大值；当酸解温度处于75～80℃时，产品的得率逐渐增大；随着酶解温度继续升高，产品的得率随温度的增加而逐渐降低。在试验水平范围内，酸解温度和磷酸体积分数分别在80.0～82.5℃和7.5%～8.0%时，可溶性膳食纤维得率达到试验中的最大值。

2.2.2 酸解温度与料液比交互作用的分析与优化

酸解温度、料液比及其交互作用对可溶性膳食纤维的等高线图和响应曲面见图7。

图7 酸解温度、料液比及其交互作用对可溶性膳食纤维的等高线图和响应曲面

由图7可见，两因素的交互作用较显著，可溶性膳食纤维的得率随着酸解温度的增大而增大；当酸解温度大于80℃时，产品的得率逐渐减小。在试验水平范围内，当酸解温度和料液比分别处于80.0～82.5℃和1∶15～1∶17.5（g∶mL） 时，酸解温度和料液比对产品得率都有较大影响，此时可溶性膳食纤维的得率在试验中达到最大值。

2.2.3 磷酸体积分数与料液比交互作用的分析与优化

磷酸体积分数、料液比及其交互作用对可溶性膳食纤维的等高线图和响应曲面见图8。

由图8可知，酸解温度为最佳值80℃时，磷酸体积分数与料液比对可溶性膳食纤维的交互影响效应。当磷酸体积分数在7%～8%时，可溶性膳食纤维的得率逐渐增大；当磷酸体积分数大于8%时，产品的得率随磷酸体积分数的增大而逐渐减少。在试验水平范围内，磷酸体积分数和料液比分别在7.5%～8.0%和1∶15～1∶17.5（g∶mL） 时，可溶性膳食纤维的提取量可以达到试验中的最大值。

通过响应曲面分析，确定可溶性膳食纤维的最佳工艺条件，即酸解温度81.5℃，磷酸体积分数7.84%，料液比1∶14.75（g∶mL）。采用此工艺条件，通过验证试验，可溶性膳食纤维的得率为20.75%。

2.3 可溶性膳食纤维理化性能的测定结果与分析

可溶性膳食纤维理化性能测定试验值与理论值对比见表5。

表5 可溶性膳食纤维理化性能测定试验值与理论值对比

通过公式计算出可溶性膳食纤维理化性能指标结果，且将得到的试验结果与参考资料中的理论值进行对比。

图8 磷酸体积分数、料液比及其交互作用对可溶性膳食纤维的等高线图和响应曲面

3 结论

以香蕉皮为原料，采用磷酸水解法提取可溶性膳食纤维。采用超声波辅助处理，考查酸解温度、酸解时间、磷酸体积分数、料液比4个单因素，试验结果显示，通过响应曲面优化试验确定香蕉皮中可溶性膳食纤维的最佳提取工艺条件为酸解温度80℃，酸解时间90 min，磷酸体积分数8%，料液比1∶15（g∶mL），在此条件下可溶性膳食纤维的得率为20.75%。通过对可溶性膳食纤维的理化性能进行测定可知，可溶性膳食纤维的持水力为4.93，持油力为2.83，膨胀力为9.76mL/g。

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