响应面优化西兰花水溶性膳食纤维提取及其理化性质

蓝志福

(漳州职业技术学院食品工程学院，福建，漳州363000)

西兰花（Brassica oleraceaL.var.botrytis L.）又名青花菜、绿菜花、花椰菜，原产于地中海东海岸，是十字花科一年生植物甘蓝的变种，于19世纪初引进我国[1-3]。西兰花的食用部分是花蕾的嫩茎，富含蛋白质、矿物质、维生素、脂肪及膳食纤维及等多种营养成分，具有抗衰老、抗肿瘤、抗癌、抗氧化等多种生理功能[4-5]。其中膳食纤维是指不能被人体消化的非淀粉多糖类和木质素的总称。膳食纤维根据水溶性可分为水溶性膳食纤维（SDF）和水不溶性膳食纤维（IDF），其中SDF是包括阿拉伯胶、果胶和葡聚糖等植物细胞中的贮存物或分泌物，具有调节肠道功能、清除自由基、提高免疫力、抗肿瘤、调节血糖血脂等多种生理活性功能[6-8]。本研究以西兰花为原料，采用超声波辅助柠檬酸提取西兰花中SDF，对影响SDF得率的液料比、超声时间、提取温度和柠檬酸浓度等因素进行考察，得到了最佳的工艺参数，为西兰花资源高值化开发提供科学依据和理论参考。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验过程采用上海冰都电器有限公司生产的Q-250B型高速多功能粉碎机对西兰花进行粉碎，采用上海声彦超声波有限公司生产的 SCQ-3201E超声波清洗机进行辅助提取。

西兰花，购于漳州北桥菜市场，蒸馏水，自制；乙醇，食品级，河南浩宇食品添加剂有限公司，其它试剂均为分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1 SDF的提取及测试

西兰花→洗净→蒸馏水润洗→烘干（50 ℃）→柠檬酸溶液→超声提取→离心（5000 r/min）→滤渣重复进行2次及3次浸提→离心（5000 r/min）→合并3次滤液→旋转蒸发（45 ℃）→乙醇沉淀（3倍体积）→过滤→干燥（50 ℃）→称重，上述实验进行3次平行实验，取平均值，SDF得率由下式计算得到。

其中：m为西兰花SDF的质量/mg；M为西兰花质量/g。

1.2.2 单因素实验

固定超声时间30 min、超声温度70 ℃、柠檬酸浓度6%，考察了液料比（5、10、15、20、25、30 mL/g）对SDF得率的影响。

固定液料比15 mL/g、超声温度70 ℃、柠檬酸浓度6%，考察了超声时间（15、20、25、30、35、40 min）对SDF得率的影响。

固定液料比15 mL/g、超声时间30 min、柠檬酸浓度 6%，考察了超声温度（55、60、65、70、75、80 ℃）对SDF得率的影响。

固定液料比15 mL/g、超声时间30 min、超声温度70℃，考察了柠檬酸浓度（4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%、7.0%）对SDF得率的影响。

1.2.3 SDF提取工艺优化

根据单因素的实验结果，选择液料比（A）、超声时间（B）、超声温度（C）和柠檬酸浓度（D）为自变量，SDF得率为响应值进行Box-Behnken响应面实验设计[9]，编码及水平如表1所示。

表1 响应面因素及编码水平Table 1 Factors and coding levels of response surface

1.2.4 SDF的理化性能

1.2.4.1 持水力的测试

准确称取质量为m0的SDF放入量筒中，后加入一定量的20 ℃的蒸馏水进行饱和1.0 h，后将纤维过滤，并在滤纸上沥干，转移到表面皿中进行称量得mt，持水力计算式如下：

1.2.4.2 膨胀力测试

准确称取质量为m0的SDF放入量筒中，读出SDF干粉的体积V0，后加入一定量的20℃的蒸馏水，并使总体积达到50 mL，摇匀后，放置24 h，再次读取量筒中 SDF的体积 Vt，膨胀力计算式如下：

2 结果与分析

2.1 单因素结果

2.1.1 液料比对SDF得率的影响

图1 液料比对SDF得率的影响Fig.1 Effect of liquid to material ratio on SDF yield

从图1中可知，随着液料比的增加，西兰花SDF得率也增加；当液料比为15 mL/g时，SDF得率达到最大；继续增加液料比，SDF得率反而下降。这是因为随着液料比的增加，溶剂量增大，促进了西兰花颗粒在溶剂中的接触与溶胀，从而增加了SDF的溶出；当液料比过大时，过大的溶剂用量会对超声造成一定的损失，同时也会造成其它物质与SDF的溶出竞争[10]。因此最佳的液料比选择为15 mL/g。

2.1.2 超声时间对SDF得率的影响

图2 超声时间对SDF得率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on SDF yield

从图2中可知，随着超声时间的延长，西兰花SDF得率也增加；当超声时间达到30 min时，SDF的得率达到最大；继续增加超声时间，SDF得率反而下降，这是因为随着超声时间的延长，西兰花中SDF逐渐溶出，SDF得率增大；当超声时间过长时，SDF在长时间的超声作用下易发生分解[11]，使得SDF得率下降。因此最佳的超声时间选择为30 min。

2.1.3 超声温度对SDF得率的影响

图3 超声温度对SDF得率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on SDF yield

从图3中可知，随着提取温度的升高，西兰花SDF得率也增加；当提取温度达到70 ℃时，SDF得率达到最大；继续增加提取温度，SDF得率反而下降。这是因为随着超声温度的升高，促进了膳食纤维中糖苷键的断裂，提高了SDF的溶出；但当超声温度过高时，容易导致SDF分子的解聚与降解[12]。因此，最佳的超声温度选择为70 ℃。

2.1.4 柠檬酸浓度对SDF得率的影响

图4 柠檬酸浓度对SDF得率的影响Fig.4 Effect of citric acid concentration on SDF yield

从图4中可知，随着柠檬酸浓度的增加，西兰花SDF得率也增加；当柠檬酸浓度达到6.0%时，SDF得率达到最大；继续增加柠檬酸浓度，SDF得率反而又下降。这是因为随着柠檬酸浓度的增加，溶液酸性增强，促进了部分不溶性膳食纤维水解成SDF，使得SDF得率增大；但当柠檬酸浓度过大时，pH过低，容易导致部分SDF的变性，影响了SDF的醇沉[13]。因此，最佳的柠檬酸浓度选择为6.0%。

2.2 西兰花SDF提取的响应法优化

2.2.1 回归模型分析

根据表1中的编码与水平，利用Design-Expert 8.05b软件中的Box-Benhnken进行试验设计，并进行响应面分析，实验结果如表2和表3所示。

表2 响应面实验设计及结果Table 2 Experiment design and results of response surface

表3 回归模型方差分析Table 3 The variance of regression model analysis

利用Design-Expert 8.05b软件对表2的数据进行分析，得到四元二次回归模型：

由表3可以看出，该回归模型F=62.29，P＜ 0.0001，表明该回归模型极显著（P＜ 0.01）；失拟项P=0.0633 ＞ 0.05，差异不显著，表明该模拟方程试验误差小，对实验的拟合较好；变异系数（C.v.%=1.84）＜5%，说明该模型的数据重现性较好；模型的相关系数R2（0.9842）和校正系数Radj2（0.9684）相差较小，说明SDF的提取率预测值与实验值有高度的相关性，该模型的准确性较好。一次项A、B、C、D，交互项AB、AC、BD，二次项A2、B2、C2、D2影响极显著（P＜ 0.01）；交互项AD影响显著（P＜ 0.05）；交互项CD，影响不显著（P＞ 0.05），表明所考察的各工艺条件与西兰花SDF得率之间不是简单的线性关系。另外，通过F及P值的分析，可以得到影响超声辅助提取西兰花SDF提取率的主次效应顺序为：超声温度 ＞ 液料比 ＞ 柠檬酸浓度 ＞超声时间。

2.2.2 响应面结果

各工艺条件的交互作用对西兰花 SDF得率影响的响应面图及等高线如图5所示。图中表示的液料比、超声时间、超声温度和柠檬酸浓度四个工艺中，当其中的两个工艺为零水平时，另两个工艺条件的交互作用对西兰花SDF得率的影响，可以通过响应面曲线坡度和等高线的形状来判断各工艺条件交互作用的显著程度。从图5中可以看出，超声时间与柠檬酸浓度的响应面曲线最陡，等高线偏离圆形最厉害，说明超声时间与柠檬酸浓度的交互作用对西兰花SDF得率的影响最显著；而液料比与超声温度的响应面曲线陡度次之，等高线偏离圆形厉害程度次之，说明液料比与超声温度的交互作用对西兰花SDF得率的影响程度次之，同理可得，影响超声波辅助提取西兰花 SDF得率的主次因素顺序为超声温度 ＞ 液料比 ＞ 柠檬酸浓度 ＞ 超声时间。

图5 各工艺条件交互作用对SDF得率的影响Fig.5 Effect of interaction of various process conditions on SDF yield

2.2.3 验证试验

超声波辅助柠檬酸提取西兰花 SDF的最佳工艺条件可以通过 Design-Expert 8.05b软件分析得到：液料比15.83 mL/g，超声时间30.53 min，超声温度71.88 ℃和柠檬酸浓度6.09%，在该条件下西兰花SDF的理论提取率为14.76 %。为了便于工艺条件的操作，将各工艺条件修正为：液料比16 mL/g，超声时间 30 min，超声温度 72 ℃和柠檬酸浓度6.1%。在修正后的最佳提取工艺条件下，进行验证性实验（n=3），得西兰花 SDF的平均得率为14.61%，与模型预测值相比，其相对误差为1.02%，验证了该模型的有效性。说明响应面优化超声辅助柠檬酸提取西兰花SDF的工艺准确、可靠，对西兰花SDF的提取与应用具有一定的指导意义。

2.3 SDF理化特性分析

SDF的持水力和膨胀力是影响 SDF品质的指标，SDF分子中含有较多亲水性羟基结构的亲水性基团，具有较好的持水力和膨胀力，而超声波辅助提取过程更能促进SDF亲水基团网状结构的外露，使得SDF能够具有更高的品质。理化分析表明，西兰花 SDF 的持水力和膨胀力分别为 4.94 g/g 和5.87 mL/g，具有良好的品质，可应用于蛋糕、饼干、面包及相关焙烤食品中，具有广阔的应用前景。

3 小结

以西兰花为原料，利用Design-Expert 8.05b软件，在单因素的基础上，对超声辅助柠檬酸提取西兰花SDF的提取工艺进行了响应面优化，建立了西兰花SDF得率的二次多项式回归模型，该回归模型准确、可靠。各工艺条件影响西兰花SDF得率的主效应顺序为：超声温度 ＞ 液料比 ＞ 柠檬酸浓度 ＞超声时间。最佳工艺条件为：液料比16 mL/g，超声时间30 min，超声温度72 ℃、柠檬酸浓度6.1%。在此提取工艺条件下进行3次平行实验进行验证，计算西兰花SDF得率为14.61%，与模型预测值相比，其相对误差为1.02%，验证了该模型的有效性，说明响应面优化超声辅助柠檬酸提取西兰花 SDF的工艺准确、可靠；所得西兰花SDF的持水力和膨胀力分别为4.94 g/g 和5.87 mL/g，具有良好的品质，可应用于相关焙烤食品中。本研究对西兰花SDF的提取与应用具有一定的指导意义。