响应面法优化超声辅助碱法提取莴笋皮中的膳食纤维

关红艳 杨梦昕 宗宝 唐昭 付晶晶

摘 要：莴笋皮中含有丰富的膳食纤维，利用超声辅助碱法提取莴笋皮中的可溶性膳食纤维，可以充分利用莴笋商品化过程中的废弃物资源，对于环境保护、降低成本以及提高农副产品附加值和经济效益都有重要的促进作用。通过单因素试验探讨碱液浓度、超声提取时间、超声提取温度和料液比对莴笋皮中膳食纤维提取率的影响，运用Box-Behnken原理设计4因素3水平的响应面优化分析试验，研究各因素及其交互作用对莴笋皮中可溶性膳食纤维提取率的影响，得到预测的回归方程模型。分析响应面确定最佳提取工艺参数为NaOH浓度6%、超声提取时间40 min、超声提取温度65 ℃、超声提取料液比1∶30。在此条件下试验得到的莴笋皮中可溶性膳食纤维提取率为17.63%，与理论值的相对误差为0.34%。优化得到的工艺参数可为莴笋皮可溶性膳食纤维的提取和利用提供参考。

关键词：莴笋皮；可溶性膳食纤维；提取；响应面法

Abstract： Lettuce peel contains rich dietary fiber. Extracting soluble dietary fiber from lettuce peel by ultrasonic-assisted alkaline method can fully utilize the waste resources during the commercialization process of lettuce， which plays an important role in promoting environmental protection， reducing costs， and improving the added value and economic benefits of agricultural by-products. A single factor experiment was conducted to investigate the effects of alkali concentration， ultrasonic extraction time， ultrasonic extraction temperature， and material liquid ratio on the extraction rate of dietary fiber from lettuce peel. A response surface optimization analysis experiment with 4 factors and 3 levels was designed using Box Behnken principle to study the effects of various factors and their interactions on the extraction rate of soluble dietary fiber from lettuce peel， and a predicted regression equation model was obtained. The optimal extraction process parameters were determined by response surface analysis as NaOH concentration of 6%， ultrasonic extraction time of 40 minutes， ultrasonic extraction temperature of 65 ℃， and ultrasonic extraction material liquid ratio of 1∶30. Under these conditions， the extraction rate of soluble dietary fiber in lettuce peel obtained from the experiment was 17.63%， with a relative error of 0.34% compared to the theoretical value. The optimized process parameters can provide reference for the utilization of soluble dietary fiber extraction from lettuce peel.

Keywords： lettuce peel; soluble dietary fiber; extraction; response surface methodology

膳食纤维由纤维素、木质素、果胶、半纤维素及树胶等组成[1]，是一种被营养学界认定为“第七类营养素”的多糖成分。膳食纤维包括通过物理法、化学法及酶法从食品原料中获得的天然碳水化合物，也包括对人体有益的合成碳水化合物。膳食纤维价格较低，可以增加饱腹感、促排便以及调节肠道菌群动态平衡，对人体健康大有益处，获得了学术界和工业界越来越多的关注。膳食纤维在减肥[2]、降血糖[3]、抗肿瘤、降低胆固醇等方面的功效也得到了证实[4-6]。按照膳食纤维在水中溶解性的不同，可将其分为可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）和水不溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber，IDF）[7]。其中，可溶性膳食纤维对食品乳化和凝胶形成有重要作用，在饮料或食品中融入水溶性膳食纤维不仅可以增加饮料的黏稠度，更好地保留水分，而且不会影响其原有的味道[8]。其溶解快，无色无味，因此在食品工业中较水不溶性膳食纤维有着更广泛的應用，已成为保健食品行业的主导产品，不仅广泛用于食品和饮料中，在调味品及果冻制品中也有应用，市场需求较大。

莴笋（Lactuca sativa）属菊科植物，又名莴苣、莴苣笋、青笋、千金菜等。莴笋营养价值高，被中医认为具有清热、利尿、凉血、通乳、增进骨骼发育等功效，莴笋作为一种很适合鲜切加工处理的蔬菜[9]，具有很大的开发价值。莴笋皮的重量占其总重量的30%～40%[10]，在莴笋商品化加工过程中，莴笋皮通常会作为废弃物被丢弃，对莴笋皮的开发和再利用不仅有助于促进鲜切蔬菜加工产业化，同时可以为莴笋加工副产物的综合开发利用提供新的路径和方法，对于提高莴笋的附加值及经济效益尤为重要。本研究以新鲜莴笋皮为试验原料，采用超声波辅助碱法提取莴笋皮中的可溶性膳食纤维，在单因素试验的基础上，对试验条件用Design-Expert软件进行响应面优化，确定最优提取工艺参数，为莴笋皮中可溶性膳食纤维的提取利用提供试验依据及理论基础，以期提高莴笋加工副产物的综合利用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

莴笋皮，收集于南宁市纬五路菜市场；氢氧化钠（分析纯）、盐酸（分析纯）、无水乙醇，国药集团化学试剂有限公司。

Practum124-1CN型电子分析天平，德国赛多利斯；TGD-22MC型台式高速离心机，湖南湘鑫仪器仪表有限公司；JP-020S型超声波清洗机，深圳市洁盟清洗设备有限公司；PHS-3E型pH计，上海仪电分析仪器有限公司；DHG9245A型数显鼓风干燥箱，上海精密仪器仪表有限公司；BILON-DFY系列高速万能粉碎机，上海比朗仪器制造有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 碱法提取莴笋皮中可溶性膳食纤维

（1）原料预处理。菜市收集新鲜莴笋皮→清水冲洗→切成2 cm左右的小块→70 ℃烘干12 h→用4倍体积的乙酸乙酯在30 ℃条件下浸泡4 h脱脂→清水冲洗→70 ℃烘干至恒重→粉碎→过60目筛→原料备用。

（2）碱法提取可溶性膳食纤维工艺流程。预处理后的莴笋皮粉→称样品5 g（精确至0.001 g）置于锥形瓶内→按一定料液比加入碱液→摇匀→超声辅助提取→4 500 r·min-1离心20 min→取上清液→用3 mol·L-1的盐酸溶液调节滤液的pH值至7.0→用4倍体积的无水乙醇与上清液混合均匀→静置24 h，过夜→4 500 r·min-1离心20 min→取沉淀，并用无水乙醇清洗→70 ℃烘干至恒重→可溶性膳食纤维成品。可溶性膳食纤维提取率计算为

1.2.2 单因素试验

称取5.00 g样品，分别考察NaOH浓度（%）、超声提取时间（min）、超声提取温度（℃）、提取料液比（g∶mL）4个因素对莴笋皮中SDF提取率的影响。

（1）NaOH浓度对SDF得率的影响。设定超声提取时间为30 min，提取温度为60 ℃，料液比为1∶25，NaOH浓度分别为1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%和10.0%，考察不同碱液浓度对莴笋皮中SDF提取率的影响。

（2）提取时间对SDF得率的影响。设定超声温度为60 ℃，料液比为1∶25，NaOH浓度为6.0%，考察超声时间分别为5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min对莴笋皮中SDF提取率的影响。

（3）提取温度对SDF得率的影响。设定超声时间为30 min，NaOH浓度为6.0%，料液比为1∶25，考察温度分别为30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃对莴笋皮中SDF提取率的影响。

（4）料液比对SDF得率的影响。设定超声提取时间为30 min，超声提取温度为60 ℃，NaOH浓度为6.0%，考察料液比分别为1∶5、1∶15、1∶25、1∶35、1∶45、1∶55对莴笋皮中SDF提取率的影响。

1.2.3 响应面试验

通过单因素试验结果分析，选取NaOH浓度、超声提取时间、超声提取温度和提取料液比为自变量，进行4因素3水平中心组合试验，如表1所示。运用Design Expert 8.0.6软件进行响应面分析与优化，以莴笋皮中可溶性膳食纤维提取率为响应值，寻求最优提取工艺参数。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 NaOH浓度对提取率的影响

由图1可以看出，在NaOH浓度为1%～6%时，莴笋皮中可溶性膳食纤维的提取率随着NaOH浓度的增大而不断升高。在NaOH浓度为6%时，提取率最高，为15.56%。在提取过程中，NaOH可以破坏细胞壁基质，促进超声波作用，增加膳食纤维的溶出，提高提取率。但是当碱液浓度达到一定水平，就会促使膳食纤维进一步分解[11]，反而降低SDF的提取率。碱液浓度过大会导致提取的膳食纤维碱味过重，不利于后续加工利用。因此，综合考虑选取NaOH浓度4%、6%、8%进行后续响应面优化试验。

2.1.2 超声提取时间对提取率的影响

由图2可知，当提取时间在5～30 min时，莴笋皮中膳食纤维的提取率随着超声提取时间的增加而不断提高，在30 min时提取率达到峰值，之后提取率开始下降。原因可能是膳食纤维在碱液中水解需要一定的时间，时间过短时水解不完全，导致提取率低；水解时间过长又会造成果胶裂解[12]，降低SDF的提取率。综合分析，选择超声时间为20 min、30 min、40 min进行后续响应面分析试验。

2.1.3 超声提取温度对提取率的影响

超声提取的温度可能会对SDF的提取率产生影响[13]。由图3可知，超声提取的温度在30～60 ℃时，SDF的提取率与温度成正相关。分析原因可能是加热会促使膳食纤维的溶解速率提高，从而增加得率，但是过高的温度又会使膳食纖维发生部分降解[14]。综合分析，选择超声提取温度为50 ℃、60 ℃、70 ℃进行后续响应面优化试验。

2.1.4 料液比对提取率的影响

由图4可知，当料液比为1∶5～1∶25时，莴笋皮中SDF的提取率不断增加，其峰值为15.43%。分析其原因可能是在料液比较低时，由于溶液的黏度过大，与碱液接触不充分，较难离心分离。随着料液比的增加，提取率提高，但当体系中存在大量碱液时，又会因为膳食纤维自身被水解而损失，使提取率降低[15]。综合分析，选择料液比为1∶15、1∶25、1∶35做后续响应面分析试验。

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面试验设计结果及模型建立

在单因素试验的基础上，选择NaOH浓度（A）、超声提取时间（B）、超声提取温度（C）、超声提取料液比（D）为自变量，莴笋皮SDF的提取率为响应值，设计4因素3水平的响应面试验，试验结果见表2，方差分析见表3。

将表2所得试验结果利用Design-Expert 8.0.6软件进行多元回归拟合，得到莴笋皮中SDF提取率（Y）对于NaOH浓度（A）、超声提取时间（B）、超声提取温度（C）、超声提取料液比（D）影响因子的二次回归模型方程为Y=15.41+0.367 5A+1.53B+1.55C+0.73D-0.327 5AB-0.587 5AC-1.05AD+0.547 5BC-0.192 5BD+0.06CD-3.12A2-0.115 3B2-1.89C2-0.019 1D2。该方程中二次项系数均为负，表明该回归方程有极大值点。

2.2.2 回归方程的方差分析及系数显著性分析

依据表3响应面优化回归方程显著性检验及方差分析可知，该模型的F值为31.38，P值＜0.0001，为极显著水平。失拟项的P值为0.237 0＞0.05，差异不显著，说明此模型拟合度好，可进行SDF提取工艺的优化。该模型的R2=0.969 1，表明96.91%的响应值都可以用该模型解释；R2Adj=0.938 2，R2Pred=0.842 3，R2Adj-R2Pred＝0.095 9＜0.2，说明该模型可信度好，数据可靠，与实际情况接近。该模型显示出一次项B、C、D，交互项AD，二次项A2、C2对Y影响极显著，4个因素对提取率的影响顺序为超声提取温度＞超声提取时间＞超声提取料液比＞NaOH浓度。该回归方程为莴笋皮中可溶性膳食纤维的提取工艺优化提供了一个良好可信的模型。

2.2.3 响应面结果分析与优化

通过Design Expert 8.0.6软件分析，得到回归方程的响应面试验曲面图，图5～图10直观反映了各交互因素对SDF得率的影响。由图中曲面可以看出，各因素对响应值SDF提取率的影响均存在最大值，随着各因素的不断增加，响应值也逐渐增大，到一定程度后逐渐下降。在交互项对莴笋皮SDF提取率的影响中，NaOH浓度和料液比的交互作用影响最为显著。

通过响应面软件进行参数分析得出超声辅助碱法提取莴笋皮中SDF理论最优提取工艺条件为NaOH浓度6.15%、超声提取时间39.58 min、超声提取温度65.79 ℃、超声提取料液比1∶32.85，在此条件下，莴笋皮中SDF提取率的预测理论值达到17.69%。为方便实际试验操作，将提取工艺条件调整为NaOH浓度6%、超声提取时间40 min、超声提取温度65 ℃、超声提取料液比1∶30，在此条件下进行3次重复试验，实测得到莴笋皮SDF提取率3次平均值是17.63%，与理论值的相对误差为0.34%。实测值接近理论值，表明该模型具有良好的拟合性，准确可靠，用该模型优化超声辅助碱法提取莴笋皮SDF的工艺是可行的，具有较强的实用价值。

3 结论

本试验以莴笋鲜切加工过程中的废弃物莴笋皮为原料，通过加碱水解同时辅助超声波提取莴笋皮中的可溶性膳食纤维。通过单因素试验与响应面优化试验得到了莴笋皮SDF提取最佳工艺条件。影响莴笋SDF提取率的因素大小顺序为超声提取温度＞超声提取时间＞提取料液比＞NaOH浓度。通过响应面优化得到超声辅助碱法提取莴笋皮中SDF最优提取工艺条件为NaOH浓度6%、超声提取时间40 min、超声提取温度65 ℃、超声提取料液比1∶30。本研究结果有助于莴笋的综合开发利用，为莴笋加工废弃物资源利用提供理论依据和支撑，为膳食纤维提取原料提供了新思路，有利于增加莴笋产业的附加值。

参考文献

[1]王丽，康晶晶.发酵技术在膳食纤维改性中的应用[J].食品工业科技，2002，43（6）：400-409.

[2]MEENU M，XU B.Acritical review on anti-diabetic and anti-obesity effects of dietary resistant starch[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2019，59（18）：3019-3031.

[3]王梦阳，曾庆梅.香蕉皮膳食纤维的酶法提取优化及理化性质分析[J].粮食與油脂，2023，36（4）：83-87.

[4]刘莉，王燕，黄华，等.响应面法优化红薯叶中水溶性膳食纤维提取工艺[J].粮食与油脂，2023，36（4）：122-125.

[5]ESSA R Y，ELSEBAIE E M.New fat replacement agent comprised of gelatin and soluble dietary fibers derived from date seed powder in beef burger preparation[J].LWT-Food Science and Technology，2022，156：113051.

[6]朱梦岩，孔文桐，周靖，等.黑豆皮水溶性膳食纤维的提取及其在食品中的应用[J].现代食品，2021（5）：32-34.

[7]郑洪梨，刘俊辰，徐巧玲，等.竹笋膳食纤维提取，功能特性及应用研究进展[J].食品工业，2022（10）：239-244.

[8]DAOU C，ZHANG H.Functional and physiological properties of total， soluble， and insoluble dietary fibres derived from defatted rice bran[J].Journal of Food Science and Technology，2014，51：3878-3885.

[9]陆胜民.莴苣MP加工工艺及贮藏研究[J].食品科学，2002，23（4）：142-143.

[10]杜传来，胡艳群.莴苣皮中膳食纤维提取工艺的研究[J].保鲜与加工，2007，7（6）：42-45.

[11]高晓丽，王瑞，闫艳华，等.碱法提取黍米粉膳食纤维的研究[J].安徽农学通报，2017，23（21）：105-107.

[12]吴婧，刘祚祚，吴杰，等.滇橄榄果渣膳食纤维的提取及其体外吸附性能研究[J].食品工业科技，2022，43（2）：174-181.

[13]GARCIA-AMEZQUITA L E，TEJADA-ORTIGOZA V，SERNA-SALDIVAR S O，et al.Dietary fiber concentrates from fruit and vegetable by-products： processing， modification， and application as functional ingredients[J].Food and Bioprocess Technology，2018，11：1439-1463.

[14]郭艳峰，李晓璐.菠萝叶可溶性膳食纤维碱法提取工艺的优化[J].保鲜与加工，2019，19（5）：104-108.

[15]邹兰，任国文，李梁.碱法制备苹果梨渣膳食纤维工艺优化及物化特性研究[J].粮食与油脂，2019，32（4）：72-75.