響應面優化復合酶法提取竹筍膳食纖維工藝

楊 光，吳嘉豪，鄭 炯，2，*（.西南大學食品科學學院，重慶40075；2.重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶40075）

響應面優化復合酶法提取竹筍膳食纖維工藝

楊 光1，吳嘉豪1，鄭 炯1，2，*
（1.西南大學食品科學學院，重慶400715；2.重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶400715）

以竹筍為原料，在酶解時間、酶解溫度、復合酶質量分數、復合酶質量比值4個單因素實驗的基礎上，通過響應面法對竹筍膳食纖維提取工藝條件進行優化。結果表明：最佳提取工藝條件為酶解時間95 min、酶解溫度56℃、復合酶質量分數0.52%、復合酶質量比值為蛋白酶∶纖維素酶=3∶1，在此條件下竹筍膳食纖維提取率最大，為53.21%。

竹筍膳食纖維，響應面，復合酶，蛋白酶，纖維素酶

竹筍含有豐富的膳食纖維，具有促進消化，降低血清膽固醇以及預防心血管疾病和癌癥等作用，是一種理想的膳食纖維原料［1-3］。目前，我國的竹筍資源利用率僅為30%，在竹筍加工和保鮮過程中容易老化，尤其是纖維素、木質素等含量迅速增加，而這些老化部分往往被作為下腳料廢棄，導致資源浪費［4-5］。因此，利用筍罐頭、筍干和筍汁飲料等生產過程中的廢棄物提取膳食纖維，既提高了廢棄物的使用價值，也防止其腐敗而污染環境，從而使廢料盡其用［6-9］。

膳食纖維的提取方法主要有物理法、化學法、膜分離法、發酵法、生物酶法等。其中，生物酶法提取條件溫和，不需要高溫高壓，而且節約能源、操作方便、環境友好，在生產領域越來越受歡迎，也是當前膳食纖維提取研究的主要熱點之一［10-13］。復合酶在實驗過程中可以起到協同作用從而取得更好酶解效果，但采用復合酶法提取竹筍膳食纖維的相關報道較少。因此，本實驗擬以竹筍膳食纖維提取率為考察目標，在單因素實驗的基礎上，采用響應曲面法對酶解溫度、酶解時間、復合酶質量分數、復合酶質量比值等關鍵因素進行優化，建立并驗證相關的工藝數學模型。以期為竹筍膳食纖維的提取及工業化生產提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麻竹筍 采自重慶市北碚區施家梁鎮麻竹筍種植基地；蛋白質酶（1萬U/g）、纖維素酶（3000 U/g） 美國Sigma公司；無水乙醇、硫酸、鹽酸、氫氧化鈉等均為國產分析純，成都市科龍化工試劑廠。

JP-500B高速多功能粉碎機 永州市九品工貿有限公司；HHS11-2電熱恒溫水浴鍋 上海醫療器械五廠型；SX-2.5-10馬弗爐 浙江嘉興東誠儀器廠；DHG-101電熱鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司；PHS-3C型精密pH計 南京東邁科技儀器有限公司；KDN-04B定氮儀 上海新嘉電子有限公司；循環水真空泵 上海精科實業有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 竹筍膳食纖維提取工藝 新鮮麻竹筍→去殼、切片→烘干→粉碎→稱取5.0 g加水→調pH→酶解→滅酶→過濾→洗滌→干燥→粉碎→過篩→成品。

參考馮志強等［11］和劉昊飛等［12］的方法，準確稱取5.0 g竹筍粉末，以40∶1（mL∶g）的水料比，在不同酶解時間、酶解溫度、復合酶質量分數、復合酶質量比值等條件下進行酶解，在95℃溫度下滅酶10 min，抽濾，然后用無水乙醇洗滌3～5次，干燥粉碎后即可得到竹筍膳食纖維。

1.2.2 單因素實驗 每個單因素選取5個水平變量，酶解時間為30、60、90、120、150 min；酶解溫度為30、40、50、60、70℃；復合酶質量分數為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%；復合酶質量比值為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1。以酶解溫度55℃、酶解時間1 h、復合酶質量分數0.5%和復合酶質量比值1∶1為固定水平，變換各個單因素水平進行實驗，考察各因素對竹筍膳食纖維提取率的影響。

1.2.3 響應面優化實驗 參考相關文獻［14-16］，在單因素實驗的基礎上，選取酶解溫度、酶解時間、復合酶質量分數、復合酶質量比值為自變量，竹筍膳食纖維的提取率為響應值，根據Box-Behnken實驗設計方法，進行4因素3水平的響應面分析實驗，因素與水平見表1。通過Design Expert 8.0.7軟件對實驗數據進行回歸分析，預測酶法提取竹筍膳食纖維的最佳工藝。平行實驗3次，進行驗證實驗。

表1 響應面實驗因素水平表Table1 Factors and levels of the response surface test（RSA）

1.2.4 膳食纖維含量和提取率的測定

1.2.4.1 膳食纖維含量的測定 參考GB/T 5009.88-2008［17］方法。

1.2.4.2 膳食纖維提取率的計算

式中：Y—竹筍膳食纖維提取率，%；m—竹筍樣品中提取的膳食纖維含量，g；M—竹筍樣品處理前的質量，g。

1.3 數據處理

使用Origin 8.6、Excel以及響應面分析軟件（Design Expert 8.0.7）進行相關圖表的繪制和數據處理。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 不同酶解時間對膳食纖維提取率的影響 由圖1可知，當酶解時間在30～90 min時，竹筍膳食纖維提取率快速上升；當酶解時間超過90 min時，膳食纖維提取率仍在上升，但上升速度較慢，趨于平穩。這可能是因為在90 min的時候酶解反應的所用酶消耗完全，增加時間，膳食纖維提取率也不會有明顯改變。這一反應趨勢與牟建樓等［18］對蘋果渣中膳食纖維提取的實驗結果一致。因此，酶解時間選擇90 min。

圖1 不同酶解時間對竹筍膳食纖維提取率的影響Fig.1 Effect of different enzymolysis time on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.1.2 不同酶解溫度對膳食纖維提取率的影響 由圖2可知，在酶解溫度低于60℃時，隨著溫度的增加，膳食纖維的提取率逐漸增加，60℃時膳食纖維的提取率達到最高，說明此溫度下酶解速度可能達到最快。當酶解溫度大于60℃后，隨著溫度的升高，膳食纖維得率顯著下降（p＜0.05），這可能是由于較高的溫度會抑制酶的反應活性。因此，復合酶在上述反應條件下的較適酶解溫度為50～60℃。

圖2 不同酶解溫度對竹筍膳食纖維提取率的影響Fig.2 Effect of different enzymolysis temperature on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.1.3 不同復合酶質量分數對膳食纖維提取率的影響 由圖3可知，當酶質量分數在0.2%～0.5%時，隨著酶質量分數的增加膳食纖維的提取率顯著提高（p＜0.05），并在0.5%時達到最大；當酶質量分數大于0.5%時，提取率的變化趨于平緩。這可能是因為酶質量分數為0.5%時，與底物的結合已趨于飽和。根據該實驗結果，以選擇復合酶質量分數為0.5%左右為宜。

圖3 不同復合酶質量分數對竹筍膳食纖維提取率的影響Fig.3 Effect of different complex enzyme mass fraction on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.1.4 不同復合酶質量比值對膳食纖維提取率的影響 由圖4可知，當蛋白酶與纖維素酶的質量比值在1∶1～3∶1之間時，膳食纖維提取率迅速增加；當兩者之比大于3∶1時，膳食纖維提取率逐漸下降；而蛋白酶與纖維素酶比值為3∶1時，膳食纖維提取率達到最大。因此，復合酶質量比（蛋白酶∶纖維素酶）為3∶1左右作為較佳的質量配比。

圖4 不同復合酶比值對竹筍膳食纖維提取率的影響Fig.4 Effect of different complex enzyme ratio on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.2 響應面優化竹筍膳食纖維提取工藝

2.2.1 中心組合實驗 根據Box-Benhnken中心組合實驗設計原理，依據單因素實驗結果，以酶解時間、酶解溫度、復合酶質量分數、復合酶質量比值作為主要因素，設計4因素3水平響應面分析實驗。共有29個實驗點，其中24個為分析因子，5個為零點。零點實驗進行5次，以估計誤差。中心組合實驗方案及結果如表2所示。

根據表2中的數據使用Design-Expert軟件進行多元回歸擬合分析，得到模型的擬合曲線方程為：Y= 50.90+0.70A-1.41B+0.27C+0.11D-0.49AB-0.15AC-0.16AD-0.82BC+0.63BD+0.51CD-2.26A2-2.31B2-1.15C2-3.53D2。

同時對模型進行了回歸系數和方差分析的顯著性檢驗，分析和檢驗結果見表3。

由表3的方差分析可知，該模型的Prob＞F的值為0.0019，小于0.01，表明該模型的回歸方程極顯著。失擬項p＞0.05，不顯著，實驗誤差較小，故可用此模型對竹筍中總膳食纖維的提取工藝結果進行分析和預測。

表2 響應面實驗設計和實驗結果Table2 Experimental results of RSA

2.2.2 響應面分析因素之間的交互作用 為了考察各個交互項對膳食纖維提取率的影響，在其他因素固定不變的情況下，利用Design-Expert 8.0.7軟件對回歸方程進行運算，作出交互項的響應曲面圖及等高線圖，結果如圖5所示。

由圖5可知，隨著每個因素的增大，響應值增大；當響應值增大到極值后，隨著因素的增大，響應值逐漸減小；比較圖5并結合表3中p可知：模型的一次項酶解溫度B（p＜0.01）極顯著，二次項酶解時間A2（p＜0.01）、酶解溫度B2（p＜0.01）和復合酶質量分數D2都極顯著（p＜0.01），復合酶比值C2（p＜0.05）表明各影響因素對膳食纖維的提取率的影響不是簡單的線性關系。

2.2.3 最佳提取條件的確定和驗證 利用Design Expert 8.0軟件，綜合考慮竹筍膳食纖維提取率和實驗可操作性等因素，得到最優提取工藝為酶解時間95 min，酶解溫度56℃，復合酶質量分數0.52%，復合酶比值為3∶1，在此條件下膳食纖維提取率的預測值為53.25%。采用上述最優工藝條件進行驗證，重復實驗3次，實際測定值為53.21%，與預測值接近，說明膳食纖維提取工藝條件的可靠性和準確性。

表3 響應面方差分析二次模型方差分析表Table3 ANOVA for response surface model analysis of variance table

3 結論

采用響應曲面法對復合酶法提取竹筍膳食纖維的工藝進行了優化，建立了竹筍膳食纖維提取率的二次響應面回歸模型。通過響應面法優化出最佳提取工藝條件為酶解時間95 min、酶解溫度56℃、復合酶質量分數0.52%、復合酶比值為3∶1，該條件下膳食纖維提取率預測值為53.25%，驗證值為53.21%，與預測值接近。結果說明該優化工藝條件科學可靠，能夠為竹筍膳食纖維的提取研究提供一定的參考。

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圖5 交互影響的三維曲面圖Fig.5 The interaction of 3D surface figure

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Optimization of complex enzyme extraction condition of dietary fiber from bamboo shoots using response surface analysis

YANG Guang1，WU Jia-hao1，ZHENG Jiong1，2，*
（1.College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China；2.Chongqing Research Center of Special Food Engineering and Technology，Chongqing 400715，China）

Bamboo shoots was used as raw material to optimize the complex enzyme extraction condition of dietary fiber through response surface methodology on the basis of four single factor:time，temperature，complex enzyme adding dose and the quality of compound enzyme ratio.The results showed that the optimum extraction conditions as followings:time was 95 minutes，temperature was 56℃，complex enzyme adding dose was 0.52%，the mass ratio of protease to cellulase was 3∶1.Under these conditions，the experimental yield of bamboo shoot dietary fiber was 53.21%，which was the largest.

bamboo shoot dietary fiber；response surface methodology；complex enzyme；protease；cellulase

TS255.1

A

1002-0306（2016）02-0213-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.02.035

2015－06－30

楊光（1994-），女，大學本科，研究方向：食品化學與營養學，E-mail：muyixiaopai@sina.com。

*通訊作者：鄭炯（1982-），男，博士，講師，研究方向：果蔬加工與質量控制，E-mail：zhengjiong_swu@126.com。

重慶市特色食品工程技術研究中心能力提升項目（cstc2014pt-gc8001）；重慶市社會事業與民生保障項目（cstc2015shmszx80007）。