响应面法优化微波提取牡丹果壳水溶性膳食纤维工艺

陈法志，翟敬华，刘克华，李秀丽，陈 镇，任钟毓

（1. 武汉市农业科学院林业果树研究所，湖北 武汉 430075；2. 潜江市园林局，湖北 潜江 433100）

油用牡丹是国家大力扶持发展的新兴木本油料之一，已在山东、河南、河北、山西、陕西等十多个省区广泛栽培，面积达12 万hm2，油用牡丹综合利用价值高，其花、果实、根、叶等均可开发利用［1］。牡丹果壳是油用牡丹取种子之后剩余的果壳，是油用牡丹主要副产物，每生产100 kg 牡丹籽可产生50 ～60 kg 的牡丹果壳，初步估算我国每年牡丹果壳产量高达5 万吨以上，目前几乎被作为废弃物处理，其潜在的资源价值未被有效利用，造成资源的严重浪费。

水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）包括部分微生物多糖和合成多糖，它可溶解于水，是能被乙醇沉淀且不被人体消化道酶消化的膳食纤维，被称为调节机体功能的“第七类营养素”。水溶性膳食纤维广泛存在于各种食品加工的副产品中，因其特殊的营养功能受到医学界、食品界乃至普通民众的广泛关注［2−3］。水溶性膳食纤维不仅能够降低血脂和胆固醇，降低心血管疾病的发病率；还可以降低血糖，预防糖尿病，减少次生胆汁酸——石胆酸和脱氧胆酸的形成，而这两种物质与肿瘤的发生有关［4−6］。目前，SDF 主要从米糠、香菇柄、花生壳、花生杆、小麦麸皮、绿豆皮、玉米芯等原料中提取［7−11］，主要的提取方法有酶提取、酸碱提取、微波提取、超声波提取、微波预处理—超声波碱解、超滤膜提取和微生物发酵［6］。油用牡丹果壳富含纤维素、半纤维素、多糖等成分，是加工膳食纤维的优质资源，目前未见有关油用牡丹果壳膳食纤维提取的研究报道。本文以牡丹果壳为原料，采用微波辅助法提取可溶性膳食纤维，通过响应面法优化，获得水溶性膳食纤维的最佳提取工艺，可直接应用于水溶性膳食纤维提取，既为牡丹果壳资源化利用提供新技术，也为水溶性膳食纤维加工提供新的资源，对提高牡丹综合利用价值，提高产业效益具有应用意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

于2018 年7 月采摘武汉市农科院林业果树研究所基地栽培的7 年生牡丹‘凤丹’植株成熟果实，取出果实内种子后剩余的果壳备用。柠檬酸：国药集团化学试剂有限公司；95%乙醇：天津市凯通化学试剂有限公司。

本文所用的主要仪器具体参数见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 牡丹果壳SDF 提取物的制备流程 牡丹果壳SDF 提取物的制备流程见图1。将牡丹果壳于60 ℃恒温箱中烘干至恒重，用小型粉碎机粉碎后50 目过筛，称取样品粉末1 g，加入柠檬酸，置于70 ℃水浴恒温振荡器中振荡30 min，然后微波中火萃取，再进行离心分离（转速6 000 r/min，时间15 min），取上清液。将滤渣按照上述流程重复提取一次，取上清液。合并两次上清液，用真空旋转蒸发器在75 ℃条件下将滤液浓缩至一定体积。浓缩液用4 倍体积的95%乙醇沉淀2 h，过滤沉淀，然后进行离心分离（转速6 000 r/min，时间15 min），将收集到的固体物质放在电热鼓风干燥箱中60 ℃条件下干燥3 h，得到SDF 粗提取物，称取质量（g），计算SDF 提取率为

表1 主要仪器型号及厂家Tab.1 Major instruments and manufacturers

图1 牡丹果壳SDF 提取物的制备流程图Fig.1 Preparation flowchart of SDF extract from peony husk

1.2.2 单因素试验 （1）柠檬酸质量分数对牡丹果壳SDF 提取率的影响

准确称取5 份经过预处理的牡丹果壳，每份样品1 g，分别加入25 mL 质量分数为1%、2%、3%、4%、5%的柠檬酸溶液，微波中火萃取60 s，平行试验3 次取平均值，考察柠檬酸质量分数对牡丹果壳水溶性膳食纤维的影响。

（2）料液比对牡丹果壳SDF 提取率的影响

准确称取5 份经过预处理的牡丹果壳，每份样品1 g，分别加入4%质量分数的柠檬酸溶液10、15、20、25、30 mL，微波中火萃取60 s，考察料液比对牡丹果壳水溶性膳食纤维的影响。

（3）微波功率对牡丹果壳SDF 提取率的影响

本次研究在以手术病理检查结果为依据基础上，对乳腺肿块患者提供超声检查联合超声弹性成像检查，结果得出，联合检查的诊断符合率较常规超声检查、超声弹性成像检查（P＜0.05），和殷一飞等[3]人研究成果相符，提示超声弹性成像联合常规超声检查在乳腺肿块鉴别诊断中具有较高的应用价值。另外，超声弹性成像联合常规超声检查的特异性、敏感度均较超声弹性成像检查、常规超声检查高（P＜0.05），进一步体现出超声弹性成像联合常规超声检查的可行性、有效性。

准确称取5 份经过预处理的牡丹果壳，每份样品1 g，分别加入4%的柠檬酸溶液25 mL，微波功率调至小火、中低火、中火、中高火、大火各60 s 萃取，考察微波功率对牡丹果壳水溶性膳食纤维的影响。

（4）微波时间对牡丹果壳SDF 提取率的影响

准确称取5 份经过预处理的牡丹果壳，每份样品1 g，分别加入4%的柠檬酸溶液25 mL，置于70 ℃水浴恒温振荡器中振荡 30 min，微波调至最优功率，微波时间设为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 min，考察微波处理时间对牡丹果壳水溶性膳食纤维的影响。

1.2.3 响应面法试验设计 在以上4 种单因素试验的基础上，运用Design−Expert8.6.0 软件，根据Box−Benhnken 中心组合试验设计原理，确定响应面法试验设计每个因素的变量范围，选取SDF 得率较高的3 个因素：料液比（A）、微波处理时间（B）、微波功率（C）作为自变量，固定柠檬酸质量分数为4%，以水溶性膳食纤维的提取率作为响应值（Y），采用3 因素3 水平的响应面试验，共17 个试验点，试验因素水平见表2。

表2 响应面法试验设计因素水平表Tab.2 Factors and levels of response surface experiment

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 质量分数对SDF 提取率的影响 由图2 可知，在考察的柠檬酸质量分数1% ～5%范围内，SDF 得率呈现先增加后下降的趋势，当柠檬酸质量分数为4%，SDF 提取率最高，达到17.07%，分析原因可能是低质量分数柠檬酸时SDF 析出不充分，而过高质量分数又阻碍了SDF 的析出。因此，选取的柠檬酸最适质量分数为4%。

图2 柠檬酸质量分数对牡丹果壳SDF 提取率的影响Fig.2 Effect of the citric mass fraction on SDF extraction rate from peony husk

2.1.2 料液比对SDF 提取率的影响 由图3 可知，当料液比从1∶10 到1∶30 逐渐增大时，溶液黏稠度逐步降低，传质阻力小，SDF 提取率呈现上升趋势，当料液比1∶25 时，SDF 提取率达到峰值。因此，选取的最佳料液比为1∶25。

图3 料液比对牡丹果壳SDF 提取率的影响Fig.3 Effect of material/liquid ratio on SDF extraction rate from peony husk

2.1.3 微波时间对SDF 提取率的影响 由图4 可见，当微波时间从30 s 到150 s 逐渐增加时，SDF的提取率先上升后下降，微波时间为60 s 时，SDF 提取率最高，达到33.78%。分析原因可能是微波时间过短时，目标物析出不充分，而微波时间过长时，对目标物有一定的破坏作用，导致提取率下降。因此，选择微波最佳时长为60 s。

图4 微波处理时间对牡丹果壳SDF 提取率的影响Fig.4 Effect of microwave treatment time on SDF extraction rate from peony husk

2.1.4 微波功率对SDF 提取率的影响 由图5 可见，当微波功率从低火到高火逐渐增大时，SDF的提取率先上升后下降，且微波功率为中火时，SDF 提取率最高，达到45.50%。分析原因可能是微波功率过低时，目标物分子振动速率较小，不足以达到SDF 的析出条件，而功率过高时，对分子有一定的破坏作用，导致提取率下降。因此选择微波最佳功率为中火。

图5 微波功率对牡丹果壳SDF 提取率的影响Fig.5 Effect of microwave power on SDF extraction rate from peony husk

2.2 响应面法优化试验

2.2.2 回归方程方差分析 响应面试验设计结果的回归分析见表4。

从表 3 可见，A、C、A²、B²、C²对 SDF 提取率的影响达到极显著水平，B、AC对 SDF 提取率的影响达到显著水平，由F数据可知，影响微波萃取SDF 提取率的主次因素为A>C>B，即料液比>微波功率>微波时间。

试验结果经回归拟合后，得到SDF 提取率（Y）对自变量料液比（A）、微波处理时间（B）、微波功率（C）的二次回归拟合方程为

由表3 可以看出，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，具有高表现相关性（R² = 0.997 4），回归方程失拟检验P= 0.099 1 > 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及二次项A²、B²、C²对 SDF 提取率均表现显著水平（P< 0.05，P< 0.01），交互项AC（P< 0.05），交互项AB、BC（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，表明该模型对于牡丹果壳SDF 提取率的预测值和实际值具有很好的拟合度。

表3 响应面试验设计及结果Tab.3 Response surface test design and results

表4 回归方程方差分析Tab.4 Regression equation variance analysis

2.2.3 响应面法分析 各因素对SDF 提取率交互影响的等高线和响应面曲面图，分别见图6、图7 和图 8。

图6 料液比、微波功率及其交互作用对提取率的影响和等高图Fig. 6 Effects of material/liquid ratio,microwave power,and their interactions on extraction rate and their contour plot

图7 料液比、微波时间及其交互作用对提取率的影响和等高图Fig. 7 Effects of material/liquid ratio, microwave time, and their interactions on extraction rate and their contour plot

图8 微波时间、微波功率及其交互作用对提取率的影响和等高图Fig. 8 Effects of microwave time, microwave power, and their interactions on extraction rate and their contour plot

由图7 可知，AC曲线峰陡峭，对SDF 提取率的影响表现显著，二者存在一定交互作用，AB、BC的曲线峰平缓，对SDF 提取率的影响不显著，与方差分析结果吻合。

2.2.5 确定最优条件及验证试验 根据回归模型，按照Design−Expert8.6.0 软件设计来对试验结果进行分析处理，得到微波萃取的最佳工艺条件为：微波功率为中火，微波时间为63.6 s，液料比为1∶26.19，在此条件下牡丹果壳SDF 提取率最高可达45.99%。考虑试验操作的便利性，对各因素进行调整，微波时间为60 s，液料比为1∶25，在此最优条件下进行5 次平行验证试验，提取率分别为45.25%、45.5%、45.62%、45.76%、45.97%，平均提取率为45.62%，与SDF 的提取理论值比较，其相对误差为0.36%，验证了数学模型的有效性。与理论值基本上相符，表明回归方程是可靠的。

3 结论

本研究以油用牡丹果壳为材料，采取微波辅助法提取果壳中的水溶性膳食纤维。首先开展单因素试验，分别考察柠檬酸质量分数、料液比、微波功率和微波时间对SDF 提取率的影响，获得各单因素的最优条件。在单因素试验基础上，选取料液比、微波功率和微波时间3 个因素，设计3 因素3 水平响应面法优化试验，建立了水溶性膳食纤维提取的回归模型。结果表明，影响微波萃取SDF 提取率的主次因素为料液比> 微波功率> 微波时间，微波辅助提取SDF 的最佳条件为：微波功率为中火，微波时间为63.6 s，液料比为1∶26.19，牡丹果壳SDF 提取率为45.99%。采取此方法提取油用牡丹果壳水溶性膳食纤维操作简便易行、提取时间短、提取效率高，可为油用牡丹果壳资源的开发利用提供技术依据。