Box-Behnken设计优化不老莓果渣不溶性膳食纤维提取工艺研究

张 卉, 杨楠楠, 刘姝含, 臧淑艳

(1.沈阳化工大学 制药与生物工程学院, 辽宁 沈阳 110142; 2.沈阳化工大学 理学院, 辽宁 沈阳 110142)

不老莓(Aroniaprunifolia‘Viking’),又名野樱莓,原产于北美,已有近百年的栽培历史,20世纪90年代首次引入我国,是一种集食用、药用、园林和生态等价值于一身的经济树种[1-3].不老莓的果实中营养丰富,还富含花青素、花色苷、黄酮等生物活性成分[4-5],具有预防心脑血管疾病、保肝、免疫调节、保护胃黏膜[6-9]等功效,是果汁、果酒及功能性食品生产的优质原料.在不老莓的加工过程中会产生大量的果渣,由于其果渣中鞣质含量较高,酸涩味严重,使其开发应用受到一定限制.经过前期研究发现,不老莓果渣中含有丰富的膳食纤维(dietary fiber,DF),其中以不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)为主.膳食纤维可以预防心血管疾病、癌症、糖尿病以及其他疾病[10].近年来,膳食纤维的缺乏问题,已不是个体问题,而成为一个公众问题.未来,膳食纤维作为功能性食品配料和添加剂在食品、药品等领域有广阔的应用前景.

膳食纤维提取的常用方法有酶法、化学法和酶-化学法等.采用单一化学法制得的膳食纤维产品色泽较差,不易漂白[11].采用酶法制备膳食纤维,生产成本相对较高.作为一种新兴的物理加工方法,超声波辅助提取技术,因其具有空化效应、机械效应、热效应以及协同效应等复合优势[12],所以具有操作简便、提取率高、提取时间较短等优点[13],在天然产物活性成分提取等方面应用广泛.目前膳食纤维的提取主要以大豆、花生壳、麦麸和一些水果皮渣为原料,而关于不老莓膳食纤维的研究尚未见报道.因此,不老莓不溶性膳食纤维提取工艺的优化,将为进一步进行其功能性、改性方法等方面的研究,以及开发功能性食品奠定基础.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

不老莓果渣,辽宁华益农业开发有限公司;耐酸耐高温α-淀粉酶,酶活力2×104U/mL,浙江玛雅试剂有限公司;糖化酶,酶活力1×105U/mL,上海源叶生物科技有限公司;木瓜蛋白酶,酶活力800 U/mg,浙江玛雅试剂有限公司;氢氧化钠,分析纯,西陇化工股份有限公司.

A11BS25型分析用研磨机,德国IKA公司;DZF-6050SA真空干燥箱,上海谱振生物有限公司;KH-250B超声波清洗器,昆山禾创超声仪器有限公司;HHS-S型电子恒温不锈钢水浴锅,上海康路仪器装备有限公司;T200Y型电子天平,昆山天金岗金属制品有限公司;H1650离心机,湘仪离心机仪器有限公司.

1.2 试验方法

1.2.1 APIDF提取工艺

不老莓果渣经水洗、干燥、粉碎、过筛(40目)后,采用超声辅助碱液处理;混合物经水洗、干燥、粉碎后,即得APIDF.

1.2.2 单因素试验

以氢氧化钠质量分数、氢氧化钠作用时间、氢氧化钠作用温度、超声功率为考察因素,通过改变单一因素来探讨其对APIDF提取率的影响.氢氧化钠质量分数分别为2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%;氢氧化钠作用时间分别为30 min、60 min、90 min、120 min、150 min;氢氧化钠作用温度分别为20 ℃、35 ℃、50 ℃、65 ℃、80 ℃;超声功率分别为100 W、175 W、250 W、325 W.

1.2.3 APIDF提取条件的优化试验

采用Box-Behnken设计方法和Design-Expert软件,以APIDF提取率为响应值进行响应面优化试验,因素水平表见表1.

表1 响应面因素水平表Table 1 Response surface factors and levels

1.2.4 APIDF测定纯度的方法及提取率的计算

按照GB/T 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》进行检测.

(1)

其中：m1为不溶性膳食纤维干质量,g;m2为不老莓果渣干质量,g.

1.3 数据分析

所有试验设置3次重复,并通过SPSS 17.0软件进行方差分析,试验结果用Origin 9.0软件绘图.

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 氢氧化钠质量分数对APIDF提取率的影响

由图1可见,APIDF的提取率随着氢氧化钠质量分数的增加而呈现下降趋势.原因在于当质量分数超过一定值时,破坏了相对惰性的纤维素结构,提取出来的纤维素类物质变成碱纤维素[14],使不溶性膳食纤维的纯度降低.此外,不溶性膳食纤维部分降解,生成水溶性低聚糖或单糖.二者皆导致APIDF提取率下降[15].

图1 氢氧化钠质量分数对APIDF提取率的影响Fig.1 Effect of sodium hydroxide concentration on the extraction rate of APIDF

2.1.2 氢氧化钠处理时间对APIDF提取率的影响

由图2可见：当超声波辅助氢氧化钠处理时间由30 min延长至60 min时,提取率略微升高,这可能是由于超声波产生的复合效应,使细胞壁结构遭到破坏,细胞内水分子运动加剧,增强了物料和水溶液之间的接触[16];提取时间超过60 min后,由于超声波的复合效应,导致IDF降解率提高,纤维素聚合度减小,因而APIDF的提取率降低.

图2 氢氧化钠处理时间对APIDF提取率的影响Fig.2 Effect of sodium hydroxide processing time on the extraction rate of APIDF

2.1.3 氢氧化钠作用温度对APIDF提取率的影响

氢氧化钠作用温度对APIDF提取率的影响见图3.

图3 氢氧化钠作用温度对APIDF提取率的影响Fig.3 Effect of reaction temperature of sodium hydroxide on the extraction rate of APIDF

由图3可见：APIDF的提取率随着氢氧化钠作用温度的升高,呈先升高再降低后略微升高的趋势.在20～35 ℃时APIDF的提取率变化不明显;当提取温度超过35 ℃,APIDF的化学结构可能会因超声复合效应发生部分降解,如结构中的主要成分纤维素与半纤维素降解为低聚糖,再降解成单糖,木质素将降解成酚类物质[17],因而导致APIDF提取率下降.

2.1.4 超声波功率对APIDF提取率的影响

由图4可见：APIDF的提取率随着超声波功率的增大,呈先升高后降低的趋势.超声功率为175 W时提取率达到最大.这可能是由于高功率的超声波产生较强的复合效应,细胞的细胞壁更易破裂,提高了APIDF进入溶剂的速率,但是过大的超声功率,会强化空化效应,导致溶液局部高温,膳食纤维分子易被破坏[18],从而造成提取率下降.

图4 超声功率对APIDF提取率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power on the extraction rate of APIDF

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1 回归模型的构建及方差分析

APIDF提取试验设计方案以及结果见表2,回归方差分析见表3,拟合所得多元二次回归方程为：

表2 响应面试验设计和试验结果Table 2 Response surface test design and test results

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

续表

Y=39.03-1.25A-1.30B-

0.89C-1.84AB-0.59AC-0.87BC-

0.82A2-3.13B2-2.55C2.

(2)

由表3可见：此回归模型达到极显著水平(P<0.01),说明此方法可靠;失拟项不显著,R2=0.969 9,表明该模型的拟合度良好,即可以用该模型进行分析、预测APIDF提取率.通过对比表3中的F值可以看出,影响APIDF提取率的主次顺序为：B>A>C,即氢氧化钠作用温度>氢氧化钠质量分数>超声功率.

2.2.2 各因素间的交互作用分析

响应面优化试验中各因素间交互作用的分析结果见图5.

图5 每两因素交互作用的响应面Fig.5 Response surfaces of the interaction of each two factors

从响应面的陡峭程度与等高线的形状可以看出：氢氧化钠质量分数(A)和氢氧化钠作用温度(B)交互作用对APIDF提取率的影响极显著;氢氧化钠质量分数(A)和超声功率(C)、氢氧化钠作用温度(B)和超声功率(C)交互作用对APIDF提取率的影响不显著.

2.2.3 最优条件的确定及验证试验

用Design-Expert 8.06软件对试验结果进行计算分析,得到APIDF制备的最优工艺条件：氢氧化钠质量分数为1.0%,氢氧化钠作用温度为42 ℃,超声波功率为225 W,在此条件下得出APIDF提取率为37.25%.按照计算所得最优条件进行3次验证试验,得到APIDF实测平均提取率为35.47%,与理论值的相对误差为1.78%,样品纯度为90.04%(质量分数).说明该优化提取工艺具有一定的实际可操作性.

3 讨 论

膳食纤维是健康饮食不可缺少的一类营养素,具有十分重要的研究价值和广阔的应用前景[19],而膳食纤维的提取是其进一步应用的基础.张华等[20]采用化学法提取红枣渣中IDF,其提取率为17.01%.程水明等[21]采用化学法提取桑椹果渣IDF,其提取率为28.77%.吴珏等[22]采用酶-化学法提取脱脂米糠IDF,其提取率为37.40%.王崇队等[23]采用复合酶-碱法提取西兰花老茎IDF,其提取率为33.54%.本研究采用超声波辅助碱法提取APIDF,其提取率为35.47%,可见通过该工艺提取可获得较好的提取率.迄今为止,尚未见到国内外文献对不老莓果渣不溶性膳食纤维提取工艺研究的报道.本研究为进一步研究不老莓膳食纤维理化性质和改性奠定了基础,也为不老莓加工副产物的资源化利用提供了新思路.