响应面优化柚叶水溶性膳食纤维的提取工艺

陈平清 李小玉 王春晓

(1. 茂名职业技术学院，广东 茂名 525000；2. 中山火炬职业技术学院，广东 中山 528436)

不能被人体消化道酵素分解的木质素、碳水化合物、 纤维素、多糖类等被称为膳食纤维[1]，是一种不易被消化的食物营养素，膳食纤维按其在水中的溶解性可分为水溶性膳食纤维(SDF)和水不溶性膳食纤维(IDF)。人体有六大营养素：糖、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和水，膳食纤维被称为人体的“第七大营养素”[2]。膳食纤维具有许多有益的生理功能，如降低血液中的胆固醇含量、预防心脏病、控制血糖、预防糖尿病、促进肠胃蠕动、预防便秘、有利于减肥、清除人体内的有害物质以及对肿瘤有一定的抵抗能力等[3，4]。广东高州市从福建省平和县引进了红肉蜜柚后，该品种已成为高州市的新兴果品，市场潜力巨大[5]，然而目前对柚子的综合加工利用还较少，柚子叶是柚子除柚子皮以外的另一种富含膳食纤维的物质，本文利用柠檬酸提取柚叶中的水溶性膳食纤维，选取柠檬酸浓度、提取时间、提取温度和液料比作为参数进行单因素试验，确定其对柚叶水溶性膳食纤维提取率的影响，得出最佳提取工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

柚子叶采自于高州市沙田优质蜜柚示范基地，柚子叶洗净后，再恒温干燥完全，粉碎过40目筛，置于干燥器内保存备用。乙醇，食品医药级，河南鑫河阳酒精有限公司；柠檬酸，食品级，潍坊英轩实业有限公司。

1.2 仪器与设备

AR124CN电子天平(奥豪斯仪器上海有限公司)；FW-100高速万能粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)；80-2电动离心机(金坛市科析仪器有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

柚子叶洗净→干燥→粉碎→40目过筛→酸水解→抽滤→乙醇沉淀→抽滤→50 ℃恒温干燥→冷却→称重

1.3.2 试验操作过程

选取粉碎过40目筛的柚叶粉末，准确称取1.000 0 g的柚叶加入到100 mL的圆底烧瓶中，加入14 mL浓度为8%(质量浓度)的柠檬酸溶液，在 80 ℃的水浴锅中进行水浴加热，60 min后进行真空抽滤，将柚叶渣与溶液分离，收集的溶液加入4倍体积的95%乙醇静置30 min，醇沉出柚叶水溶性膳食纤维，抽滤后，将水溶性膳食纤维放置在50 ℃的干燥箱中干燥至恒重，称重，计算得出1 g柚叶所含有的膳食纤维的量与提取率。

1.3.3 水溶性膳食纤维提取的单因素试验

通过控制变量，研究提取时间、提取温度、液料比和柠檬酸浓度对柚子叶水溶性膳食纤维(SDF)提取率的影响。

1.3.4 响应面优化试验

通过单因素试验，得到各因素对柚叶水溶性膳食纤维提取的大致影响范围，运用Design-Expert 8.0.5b软件，根据Box-Benhnken试验设计原理，设计响应面实验，选取提取时间、提取温度、液料比和柠檬酸浓度4个因素作为自变量，以水溶性膳食纤维的提取率作为响应值，响应面因素和水平见表1。

表1 设计因素与水平

1.3.5 指标测定计算

准确称取1.000 0 g柚叶进行酸提，反应结束后，将醇沉得到柚叶水溶性膳食纤维烘干至恒重，通过下式计算得柚叶中水溶性膳食纤维的提取率。

1.3.6 持水力的测定

准确称取水溶性膳食纤维0.1 g粉末放置在干燥后的离心管中，加入10 mL的蒸馏水振动30 min后，放置在离心机中4 000 r/min离心15 min，倒出上清液，用吸管吸出剩余水分，再称重，计算持水力。

1.3.7 膨胀力的测定

准确称取0.1 g水溶性膳食纤维粉末放置在25 mL 的试管中加入15 mL的蒸馏水振荡均匀，静置读取体积，随后密封放置在室温中静置24 h，再读取膨胀后的体积。

2 结果分析

2.1 水溶性膳食纤维的单因素试验

2.1.1 提取时间对柚叶水溶性膳食纤维提取率的影响

当提取温度为80 ℃，液料比为14 mL/g，柠檬酸浓度为8%时，研究提取时间的长短(50、60、70、80和90 min)对提取率的影响。由图1可知，当提取时间为40～60 min时，提取率随着提取时间的增加而上升，当提取时间为60～80 min时，提取率则不断下降，在时间为60 min时达到峰值，这是因为随着提取时间的延长，膳食纤维被不断的分解，呈游离状态，提取率增大[6]；但提取时间过长时，柚子叶中的其他成分亦被不断的分解游离，限制了膳食纤维的分解，导致提取率降低，因此提取时间选择60 min。

图1 提取时间对提取率的影响Fig. 1 Effect of extraction time on extraction rate

2.1.2 提取温度对柚叶水溶性膳食纤维提取率的影响

当提取时间为60 min，料液比为14 mL/g，柠檬酸浓度为8%时，研究不同提取温度(50、60、70、80和90 ℃)对柚叶水溶性膳食纤维提取率的影响。由图2可知，在50～80 ℃内，随着温度的升高提取率逐渐增加，在80～90 ℃内提取率缓慢减小，这是因为随着温度的增加，样品中的分子碰撞不断增加，分解加快，提取率不断上升。但当温度过高时，部分纤维分子被破坏[7]，导致提取率下降。因此提取温度选择80 ℃。

图2 提取温度对提取率的影响Fig. 2 Effect of extraction temperature on extraction rate

2.1.3 液料比对柚叶水溶性膳食纤维提取率的影响

当提取时间为60 min，提取温度为80 ℃，柠檬酸浓度为8%时，研究不同液料比(8、11、14、17和20 mL/g)对柚叶水溶性膳食纤维提取率的影响。由图3可知，当液料比为8～14 mL/g时提取率呈现快速上升的趋势，在14～17 mL/g之间时变化缓慢，17～20 mL/g之间呈现明显的下降趋势。这是因为在较低液料比进行酸提时，大量柚叶中的膳食纤维无法被酸提取，溶液过于饱和，只能提取部分样品。但当液料比过大时，样品中的其他物质也被提取出来，且液料比过大时，还会增大醇沉过程的损失，导致膳食纤维提取率的下降[8]。因此液料比选择14 mL/g。

图3 液料比对提取率的影响Fig. 3 Effect of liquid-material ratio on extraction rate

2.1.4 柠檬酸浓度对水溶性膳食纤维提取的影响

在提取时间为60 min，提取温度为80 ℃，液料比为14 mL/g时，研究不同柠檬酸浓度(4%、6%、8%、10%和12%)对柚叶水溶性膳食纤维提取率的影响。由图4可知，当柠檬酸浓度为4%～8%时，提取率随着柠檬酸浓度的增加而增加，分析其原因为当柠檬酸的浓度过低时，柚叶粉末中的膳食纤维分解较慢，随着浓度的增加，分解速率加快。当柠檬酸的浓度达到8%～12%，提取率逐渐减小，其原因为浓度过高的溶液抑制了膳食纤维的分解，导致提取量降低[9]。因此可以得出提取的最佳柠檬酸浓度为8%。

图4 柠檬酸的浓度对提取率的影响Fig. 4 Effect of citric acid concentration on extraction rate

2.2 响应面法优化提取工艺

2.2.1 响应面优化试验设计与结果分析

根据单因素试验，选择单因素最优范围，以提取时间(A)、提取温度(B)、液料比(C)和柠檬酸浓度(D)为自变量，水溶性膳食纤维的提取率(Y)为响应值，做四因素三水平共29个点的响应面试验设计，其中包括5个中心点用以估计试验的误差，结果见表2。

表2 响应面试验结果

2.2.2 响应面实验结果分析

经过回归线拟合后，通过响应面分析法得到柠檬酸提取水溶性膳食纤维提取率的二次回归方程：提取率=9.84-0.19A+1.48B+0.53C+0.75D-0.25AB+0.000AC+0.030AD+0.31BC -0.23BD -0.48CD -1.86A2-2.14B2-1.20C2-1.61D2。

表3为对水溶性膳食纤维的提取结果进行的多元回归分析。由表3可知B-提取温度和D-柠檬酸浓度对水溶性膳食纤维的提取率差异极显著，C-液料比对提取率的影响为显著，A-提取时间对提取率的差异不显著，说明提取时间的变化对提取率的影响较小，AB、AC、AD、BC、BD与CD的交互作用不显著。模型F值为14.83，P<0.000 1，即模型回归极显著，失拟度F值为5.13，P=0.064 4，差异不显著，说明该模型的拟合程度较好，外界未知因素对实验的影响性小，可用于预测柠檬酸提取水溶性膳食纤维的最佳提取条件。

表3 回归方程方差分析

2.2.3 各因素之间的交互作用分析

为了考察各交互项对实验提取率的影响，采用响应面的模型降维分析，由图5到图10可清晰的观察到各个因素对提取率的影响。观察图5，响应面坡度相对较陡，A(时间)50 min～60 min、B(温度)70 ℃～80 ℃曲线逐渐上升。在60 min与80 ℃ 之间达到最大值，随后曲线开始下降，这是因为随着提取时间的延长和提取温度的上升，柚叶中的物质开始熔融，形成可移动的粒子，在60 min，80 ℃ 时实验所要提取的物质充分分离，达到最大值，此时的最大值均大于时间与温度的单因素实验，说明两者的交互作用显著，促进了膳食纤维的提取，当时间大于60 min，温度超过80 ℃时，由于柚叶中的其他物质的分解抑制了膳食纤维的分解，导致提取率下降。

观察图10发现响应面坡度陡峭，C(液料比)为11～14 mL/g与D(浓度)从6%～8%时，响应面曲线上升较快，在料液比为14 mL/g、浓度为8%时达到顶峰，此时的峰值均大于单因素试验的最大值，表明液料比与柠檬酸浓度的交互作用显著。超过顶峰后曲线坡度开始下降，下降曲线较为平缓，分析其原因为在酸提浓度较低时，物质中的大部分膳食纤维不能被提取出，再加上此时液料比较小，溶液过于饱和，导致提取率低，随着浓度与液料比的增大，柚叶中的膳食纤维被充分提取，达到最大值，超过这个条件后随着液料比的增加，溶液开始不饱和，柚叶中的其他物质被继续分解，限制了膳食纤维的提取，柠檬酸浓度的增加使部分被提取的膳食纤维被继续分解，从而导致提取率开始下降。

图5 提取时间与提取温度对提取率的影响Fig. 5 Effect of extraction time and temperature on extraction rate

图6 提取时间与液料比对提取率的影响Fig. 6 Effect of extraction time and liquid material ratio on extraction rate

图7 提取时间与柠檬酸溶液浓度对提取率的影响Fig. 7 Effect of extraction time and concentration of citric acid solution on extraction rate

观察图6，图7，图8，发现响应面坡度较为平缓，等高线接近圆形，两两因素的交互作用对响应值的变化无较大的影响，说明AC、AD、BC与BD之间的交互作用不显著，分析曲线的变化，发现温度、浓度对响应值的影响为极显著，液料比对响应值的变化为显著，时间变化不显著。

图8 提取温度与液料比对提取率的影响Fig. 8 Effect of extraction temperature and liquid material ratio on extraction rate

图9 提取温度与柠檬酸浓度对提取率的影响Fig. 9 Effect of extraction temperature and concentration of citric acid on extraction rate

图10 液料比与柠檬酸浓度对提取率的影响Fig. 10 Effect of liquid ratio and citric acid concentration on extraction rate

2.2.4 最佳条件的确定与验证

通过Design-Expert 8.0.5b软件得出提取的最佳工艺条件为：时间59.26 min、温度为83.58 ℃、液料比为14.70 mL/g和浓度为8.34%，此时的提取率为10.24%。结合实际情况确定为时间60 min、温度84 ℃、液料比为15 mL/g，浓度为8%，为保证试验的可靠性，重复最佳工艺条件5次，得到的平均提取率为10.15%，与预测值相对误差为0.88%，表明该模型能较好的预测柚叶水溶性膳食纤维的提取率。

2.2.5 理化特性值

通过试验测定柚叶水溶性膳食纤维的膨胀力以及持水力，得到其膨胀力为9.63 g/g，持水力为4.77 mL/g，说明柚叶水溶性膳食纤维具有良好的膨胀力和持水力，可作为添加剂使用，以增加饱腹感。

3 结论

以柚叶粉末为原料，提取水溶性膳食纤维，选取提取时间、提取温度、液料比和柠檬酸浓度作为参数进行单因素试验，确定各工艺因素对水溶性膳食纤维提取率的影响。通过响应面进行优化，得到最佳提取条件为提取时间60 min、提取温度84 ℃、液料比15 mL/g 和柠檬酸浓度8%，此时提取率为10.15%，与预测值相对误差为0.88%，说明建立的模型稳定可靠。柚叶水溶性膳食纤维的膨胀力为9.63 g/g，持水力为4.77 mL/g。