響應面優化微波輔助法提取刺梨水不溶性膳食纖維工藝

盧忠英,魯道旺,陳仕學,姚元勇

(銅仁學院材料與化學工程學院,貴州銅仁 554300)

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響應面優化微波輔助法提取刺梨水不溶性膳食纖維工藝

盧忠英,魯道旺,陳仕學,姚元勇

(銅仁學院材料與化學工程學院,貴州銅仁 554300)

以刺梨為原材料,采用微波輔助法提取刺梨水不溶性膳食纖維。在單因素實驗的基礎上,采用Design-ExpertV8. 0.6軟件設計響應面實驗優化微波輔助法提取刺梨中水不溶性膳食纖維(IDF)的工藝。結果表明:影響微波輔助法提取IDF得率的主次因素為:提取溫度>微波功率強度>液料比>微波時間。微波輔助提取刺梨IDF的最佳工藝參數為微波功率強度345 W/g,提取溫度:63 ℃,微波時間:12 min,液料比:20 mL/g,此條件下刺梨IDF得率可達80.02%,與IDF得率理論值比較,其相對誤差約為0.22%,且重復性好,驗證了數學模型的準確可靠性。

刺梨,微波輔助法,響應面,水不溶性膳食纖維

刺梨(Rosaroxburghiitratt)是貴州、鄂西山區、湘西等地的天然野果,是我國特有的果樹資源之一,在貴州省有大面積的人工種植[1]。刺梨有效成分豐富,主要活性成分有維生素C、超氧化物歧化酶(superoxide dism utase,SOD)和膳食纖維等。據文獻報道,其中膳食纖維在增強免疫力、抗動脈粥樣硬化、延緩衰老、抗癌防癌(尤其在防止胃癌、肝癌方面效果較佳)、促進消化等方便效果顯著[2-5]。

膳食纖維(dietary fiber,DF)被人類稱為“第七大營養素”,是由纖維素、果膠、半纖維素和木質素等組成的非淀粉多糖類為主的化合物總稱[6],其特點是不能被人體所消化,根據溶解性可分為水溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)[7],水不溶性膳食纖維主要包括纖維素、半纖維素、木質素等,其在人體內主要作用是填充胃腸腔,增強飽腹感,刺激腸壁蠕動,使糞便多水、疏松、增加容量,同時促進各種內源性和外源性毒素的排泄,從而預防多種疾病,養顏防老,預防便秘、肥胖、結腸癌、高血壓、動脈硬化等作用[8-9]。因此目前在保健品、食品等產業中廣泛開發。

微波技術在天然產物提取方面備受關注,其原理是其吸收微波能,加速細胞內部溫度迅速上升,使其細胞內部壓力超過細胞壁膨脹承受能力,導致細胞破裂,使細胞內有效成分自由流出,從而達到提取目的。其技術具有節省溶劑和時間,提取率高等特點[10]。

目前從刺梨提取IDF的報道甚少,劉玉倩[9]等人測定刺梨果渣中膳食纖維含量高達70%以上。IDF是刺梨膳食纖維主要成分之一,本研究以刺梨為材料,在單因素實驗基礎之上采用Box-Behnken 中心組合設計,響應面優化微波輔助提取刺梨IDF的提取條件,為刺梨的開發利用提供理論參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

刺梨干果于2015年1月購自銅仁市中草藥材店,粉碎,過80目篩,加入適量石油醚除脂,于50 ℃烘箱中干燥備用;氫氧化鈉、乙醇、乳酸成都金山化學試劑有限公司,均為國產分析純。

EG7KCGW2-NW型微波爐美的集團股份有限公司;DHG-9146型真空干燥箱上海精宏實驗設備有限公司;HH-2型數顯恒溫水浴鍋國華電器有限公司;FW80型萬能粉碎機北京科偉永興儀器有限公司;JJ-500精密電子天平上海恒平科學儀器有限公司;PHS-3C型pH計雷磁儀器廠。

1.2實驗方法

1.2.1刺梨IDF提取工藝取樣品→粉碎過篩→加一定量石油醚除脂→過濾→干燥濾渣→Sevag試劑除蛋白→加入乳酸→微波輔助提取→提取液→離心→取上清液→加NaOH溶液→IDF析出→脫色→離心→取沉淀→水洗至中性→60 ℃干燥→成品IDF[11]。

1.2.2刺梨IDF提取方法準確稱取 10.00 g粉碎刺梨粉末,加6～8倍石油醚浸泡3 h,過濾取濾渣,用蒸餾水清洗殘留的有機溶劑,置于50 ℃的烘箱內烘干,得脫脂樣品。取干燥脫脂樣品,采用Sevag(三氯甲烷:正丁醇體積比=4∶1)試劑除蛋白,得干燥樣品。向干燥樣品中加入蒸餾水混勻,繼續加入適量1.0 mol/L乳酸調pH在 4.5左右,采用微波輔助提取一定時間,將提取液于4000 r/min離心15 min除渣,取上清液,向其加入0.1 mol/L NaOH溶液中和酸,調pH為8.5左右,使IDF充分析出,繼續加入10 mL 5% H2O2,在50 ℃恒溫水浴鍋中加熱脫色30 min,將溶液于4000 r/min離心15 min,取沉淀,用蒸餾水洗至中性,置60 ℃烘干,重復實驗3次,取平均值,計算IDF得率[11]。

IDF得率(%)=干燥IDF粉末質量(g)/干燥原料質量(g)×100

1.3刺梨基本成分測定方法

粗脂肪的測定:GB/T 5512-2008;粗蛋白的測定:GB 5009.5-2010;水分及揮發物的測定:GB/T 5528-2008;灰分的測定:GB/T 5505-2008;纖維素、半纖維素的測定:近紅外光譜法[12];IDF的測定:酶-重量法[13];木質素的測定:紫外分光光度法[14]。

1.4實驗設計

1.4.1刺梨IDF提取單因素實驗設定微波功率強度350 W/g,液料比20 mL/g,提取溫度65 ℃,考查微波時間在6、9、12、15、18、21 min時對刺梨IDF得率的影響;

設定液料比20 mL/g,提取溫度65 ℃,微波時間12 min,考查微波功率強度在200、250、300、350、400、450 W/g時對刺梨IDF得率的影響;

設定微波功率強度350 W/g,提取溫度65 ℃,微波時間12 min,考查液料比10、15、20、25、30、35 mL/g時對刺梨IDF得率的影響;

設定微波功率強度350 W/g,液料比20 mL/g,微波時間12 min,考查提取溫度在35、45、55、65、75、85 ℃時對刺梨IDF得率的影響。

1.4.2響應面實驗以單因素實驗結果為基礎,利用Box-Behnken中心組合實驗設計,選取自變量的四因素分別為:微波功率強度(A)、提取溫度(B)、微波時間(C)、液料比(D),響應值為刺梨IDF得率,采用4因素3水平的響應面分析方法求取優化的工藝參數,實驗因素水平設計見表1。

表1　Box-Behnken設計實驗因素水平及編碼

2　結果與分析

2.1刺梨基本成分分析

由表2可得,刺梨中含量較高的有粗蛋白、粗脂肪及IDF。植物體中粗蛋白和粗脂肪含量高會導致IDF得率降低,欲提高IDF得率,應盡量將其除去。

表2　刺梨基本成分及含量(%)

2. 2單因素實驗分析

2.2.1微波功率強度對刺梨IDF得率的影響如圖1所示,由圖1可知,微波功率強度在 200～350 W/g 之間時IDF得率緩慢增加,在350 W/g時達到最大值,之后隨著微波功率增大,IDF得率有下降趨勢。分析隨著微波功率強度的增大能夠加快擴散速度,促使細胞壁出現孔洞,有利于IDF的溶出,但是功率強度過大可能會對IDF分解而造成破壞[15]。

圖1　微波功率強度對刺梨IDF得率的影響Fig.1　Effect of microwave power intensity on the rate of Rosa roxburghii IDF

2.2.2提取溫度對刺梨IDF得率的影響如圖2所示,由圖2可知,當提取溫度在35～65 ℃時,隨溫度升高IDF得率持續穩定上升,在65 ℃達到最大值,當超過65 ℃時,IDF得率有顯著下降,分析是IDF本身具有不溶性,高溫加速纖維素的溶解,同時溫度過高使纖維素和半纖維氫鍵遭破壞,故使IDF得率降低[16]。

圖2　提取溫度對刺梨IDF得率的影響Fig.2　Effect of extraction temperature on the rate of Rosa roxburghii IDF

2.2.3微波時間對刺梨IDF得率的影響如圖3所示,由圖3可知,隨著微波時間的延長,IDF得率有上升的趨勢,在12 min 時達到最大值,隨后開始緩慢下降。分析原因可能是在一定范圍內,微波時間的延長有助于IDF的溶出,但是在長時間的微波加熱提取狀態下,IDF小部分可能會發生水解[16],從而使得率降低。

圖3　微波時間對刺梨IDF得率的影響Fig.3　Effect of microwave time on the n rate of Rosa roxburghii IDF

2.2.4液料比對刺梨IDF得率的影響如圖4所示,由圖4可知,液料比對IDF得率具有一定的影響,液料比在10～20 mL/g之間時,IDF得率顯著升高,在20 mL/g時IDF得率達到最大值。隨液料比加大,IDF得率有所下降。這是由于在適當的范圍內,料液比的增加有利于IDF 的溶出,但液料比超過一定量時,原料對微波能的吸收會影響,從而使 IDF 得率有所下降。

圖4　液料比對刺梨IDF得率的影響Fig.4　Effect of liquid-to-solid ratio on the rate of Rosa roxburghii IDF

2.3刺梨IDF提取工藝響應面法優化

根據單因素實驗結果,建立響應面實驗因素水平見表1,Box-Benhnken 設計及實驗結果見表3,方差分析結果見表4。

表3　響應面實驗設計及結果

2. 3. 1響應面實驗結果分析用Design Expert8.0.6軟件對表3經回歸擬合后,得到二次多元回歸方程:

IDF得率(%)=80.59-0.92A-1.39B+0.31C+0.57D+0.42AB-1.27AC-0.07AD-0.76BC-1.16B D+0.27 CD-4.83A2-4.81B2-4.25C2-3.8D2。

表4　回歸方程方差分析

注:*模型或因素差異顯著(p<0.05);**模型或因素差異極顯著(p<0.01)。該式中一次項A、B、D及二次項A2、B2、C2、D2對IDF得率均表現顯著水平(p<0.05,p<0.01),交互項AC交互作用差異最為顯著(p<0.01),BC、BD交互作用差異顯著(p<0.05)AB、AD、CD交互作用差異不顯著(p>0.05);表明各因素與響應值之間不能用簡單線性關系解釋,而是一種非線性關系。對模型進行方差分析,據表4所示,模型的F值為,值<0.0001,說明模型是極顯著的。失擬項的F值為42.69,p值為0.3182(p>0.05)模型失擬度不顯著,說明與實測值擬合程度較好,可以用此模型預測IDF得率的最佳提取工藝條件,綜合分析其影響IDF得率的主次因素為B>A>D>C,即提取溫度>微波功率強度>液料比>微波時間。

2. 3. 2各交互項對IDF得率影響分析通過Design Expert8.0.6軟件,考察各因素交互作用對IDF得率的影響,以極顯著項B與其余各項分別進行分析比較,做出響應曲面圖(圖5～圖7),根據等高線的形狀顯示交互作用的強弱,橢圓形說明兩因素交互作用顯著,而圓形則反之。觀察圖5～圖7可知,其中AC的響應面曲線與BC、BD比較表現為陡峭,對IDF得率顯著影響,BC、BD的響應面曲線較陡,對IDF得率影響僅次于AC曲線,AB、AC響應面曲線較平緩,與方差分析一致。

圖5　微波功率強度與微波時間對IDF得率影響Fig.5　Influence of microwave power and microwave-assisted extraction time interaction on IDF extraction rate

圖6　提取溫度與微波時間對IDF得率影響Fig.6　Influence of extraction temperature and microwave-assisted extraction time interaction on IDF extraction rate

表6　刺梨IDF基本成分分析(%)

圖7　提取溫度與液料比對IDF得率影響Fig.7　Influence of extraction temperature and liquid-to-solid ratio interaction on IDF extraction rate

2.3.3最優提取工藝條件的確定及驗證根據響應面實驗設計及結果分析,可得到刺梨IDF得率的最佳理論條件為:微波功率強度:345.41 W/g,提取溫度:63.32 ℃,微波時間:12.22 min,液料比:20.42 mL/g,在此條件下刺梨IDF得率為81.80%。綜合考慮實驗可行度,將各因素理論值調整數,微波功率強度345 W/g,提取溫度:63 ℃,微波時間:12 min,液料比:20 mL/g,在此最優條件下進行3次驗證實驗,刺梨IDF得率可達80.02%,與IDF得率理論值比較,其相對誤差約為0.22%,驗證了數學模型的準確可靠性,具有實用價值。

2.4刺梨IDF基本成分分析

由表6可知,通過微波輔助法提取刺梨中 IDF 主要成分為纖維素、半纖維素和木質素,其含量比較:纖維素>半纖維素>木質素,其粗蛋白和粗脂肪含量均較低(1.24%和 2.12%),表明所提取的膳食纖維純度較高。

3　結論

本文在單因素實驗的基礎上,采用Design-ExpertV8. 0.6軟件設計響應面實驗優化刺梨IDF微波輔助法提取工藝。實驗表明:影響微波輔助法提取IDF得率的主次因素為:提取溫度>微波功率強度>液料比>微波時間。微波輔助提取刺梨IDF的最佳工藝參數為微波功率強度345 W/g,提取溫度:63 ℃,微波時間:12 min,液料比:20 mL/g,此條件下刺梨IDF得率可達80.02%,與IDF的提取理論值比較,其相對誤差約為0.22%,且重復性也很好,驗證了數學模型的準確可靠性。

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Optimization of microwave-assisted extraction of insoluble dietary fiber(IDF)fromRosaroxburghiiby response surface method

LU Zhong-ying,LU Dao-wang,CHEN Shi-xue,YAO Yuan-yong

(Institute of Material and Chemical Engineering,Tongren University,Tongren 554300,China)

Insoluble dietary fiber(IDF)was extracted fromRosaroxburghiiby microwave-assisted extraction method. Based on the results of single factor experiments,the extraction procedure was optimized using response surface methodology(RSM)and Design-Expert V8.0.6 software. The order of influencing factors of IDF yield was:extraction temperature>the power of microwave>liquid-to-solid ratio>microwave-assisted extraction time. The optimum extraction conditions were as follows:the microwave power of 345 W/g;extraction temperature of 63 ℃;microwave-assisted extraction time of 12 min;and liquid-to-solid ratio of 20 mL/g. Under the above optimum extraction conditions,the actual yield of IDF fromRosaroxburghiiwas 80.02%. The relative standard deviation between theoretical and practical yields was 0.22% and the results demonstrated a good reproducibility,indicating the effectiveness and reliability of RSM model.

Rosaroxburghii;microwave assisted;response surface;water insoluble dietary fiber

2016-03-01

盧忠英(1987-)，女，碩士，講師，研究方向：天然藥物化學成分與新藥研發，E-mail：luzhongying@126.com。

梵凈山特色苗藥資源保護與開發產學研基地(黔教合KY字[2014]233);教育廳省級重點支持學科(黔學位合字ZDxk[2015]34號。

TS255.1

B

1002-0306(2016)17-0195-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.030