響應面法優化超聲輔助法提取油茶枯非水溶性膳食纖維

盧忠英，陳仕學，魯道旺，姚元勇，謝勇

（銅仁學院材料與化學工程學院，貴州銅仁554300）

響應面法優化超聲輔助法提取油茶枯非水溶性膳食纖維

盧忠英，陳仕學，魯道旺，姚元勇，謝勇

（銅仁學院材料與化學工程學院，貴州銅仁554300）

以油茶枯為試驗原材料，采用超聲輔助法提取油茶枯非水溶性膳食纖維（IDF），在超聲功率強度、液料比、超聲溫度、超聲時間4個單因素試驗基礎上，采用Box-Behnken中心組合試驗設計原理進行響應面設計優化提取工藝參數。結果表明：超聲功率強度為450 W，液料比為25 mL/g，超聲溫度為60℃，超聲時間40 min，該條件下油茶枯IDF得率可達69.11%，與IDF得率理論值比較，其相對誤差約為0.51%，驗證了數學模型的有效性。且在IDF性能測試中，提取所得IDF持水力為2.837g/g，膨脹力1.25mL/g。

油茶枯；非水溶性膳食纖維；響應面法；超聲輔助法

油茶（Camellia oleifera Abel）系山茶科山茶屬植物，油茶枯是油茶種子經提油后剩下的殘渣，其中營養成分豐富，主要富含多糖、皂素、粗蛋白等物質［1］。但目前主要用其提取皂素，其余大多被廢棄，顯然未能充分有效合理的利用，從而造成了資源的浪費和環境污染［2］。

膳食纖維是指不能被人體所消化，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［3］。其根據水溶性可分為水溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）［4-5］，據報道，水不溶膳食纖維吸水性和膨脹性良好，能加速胃腸道蠕動，同時能清除胃腸道毒素，且能將毒素從體內排出，對便秘，結腸癌，高血壓，動脈硬化等具有預防和治療的生理作用［6-7］，因此已廣泛應用于保健品、肉制品、面制品等產業中［8］。

目前從油茶枯中提取IDF的方法主要采用酸溶堿沉法，謝勇等［9］用堿提取法獲得油茶蒲不溶性膳食纖維提取率40.4%。由于酸溶堿沉提取不僅需用大量的強酸強堿，且對設備酸、堿耐受性要求高，提取后酸堿排放會引起二次污染，所以選擇可減少酸堿用量的各種輔助提取方法在油茶枯IDF的提取中為目前主要方法。李怡杰［10］采用微波輔助法從油茶枯中提取IDF得率68.91%。IDF得率與傳統酸溶堿沉法相當。微波輔助法簡單可靠，對于IDF的提取還有待進一步優化；而超聲輔助法技術能使溶劑最大程度滲透原料細胞，并促使細胞壁破壞，加速溶質溶出，具有時間短、效率高，且溶劑用量少等特點［11］，因此在天然產物化學成分提取的應用中倍受關注。當前，有關超聲輔助法提取油茶枯IDF的文獻鮮見報道，本文采用超聲輔助法提取油茶枯中的IDF，并結合響應面（response surface methodology，RSM）法對其工藝條件進行了優化，為減少資源的浪費和環境的污染、提高油茶枯資源利用經濟價值提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

油茶枯：貴州銅仁市玉屏縣茶廠；氫氧化鈉、乙醇、乳酸：成都金山化學試劑有限公司。

JJ-500精密電子天平：上海恒平科學儀器有限公司；ZQ-650CT多用途恒溫超聲波提取機：上海爭巧科學儀器有限公司；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；PHS-3C型pH計：雷磁儀器廠。

1.2方法

1.2.1油茶枯IDF超聲輔助提取工藝流程

樣品干燥→粉碎過篩→加蒸餾水→加入乳酸調pH值→超聲輔助提取→提取液離心→取上清液→加NaOH溶液調pH值→離心→取沉淀→水洗至中性→60℃干燥→成品IDF［12］

1.2.2IDF超聲輔助提取操作要點

取一定量干燥油茶枯粉末，加蒸餾水，繼續加入一定體積1.0 mol/L乳酸調pH在4.5～5.0范圍，采用超聲輔助提取一定時間，將提取液于4 500 r/min離心15 min除渣，取上清液，向其加入0.1 mol/LNaOH溶液中和酸，調pH為8～9，使IDF充分析出，將中和液于4 500 r/min離心15 min，取沉淀，將其用水洗至中性，置60℃烘干，平行試驗3次，取平均值，計算IDF得率。

IDF得率/%=干燥IDF粉末質量（g）/干燥原料質量（g）×100

1.2.3油茶枯IDF提取單因素試驗

設定超聲功率強度450 W，液料比25 mL/g，超聲溫度60℃，考察超聲時間在10、20、30、40、50、60 min時對油茶枯IDF得率的影響。

設定液料比25 mL/g，超聲溫度60℃，超聲時間40 min，考察超聲功率強度在300、350、400、450、500、550 W時對油茶枯IDF得率的影響。

設定超聲功率強度450 W，超聲溫度60℃，超聲時間40 min，考察液料比15、20、25、30、35、40 mL/g時對油茶枯IDF得率的影響。

設定超聲功率強度450 W，液料比25 mL/g，超聲時間40 min，考察超聲溫度在30、40、50、60、70、80℃時對油茶枯IDF得率的影響。

1.2.4響應面試驗

根據單因素試驗結果分析，據Box-Behnken中心組合試驗設計原理，以超聲功率強度（A）、液料比（B）、超聲溫度（C）、超聲時間（D）為自變量，以油茶枯IDF得率為響應值，采用四因素三水平的響應面分析方法求取優化的工藝參數［13］，試驗因素水平設計見表1。

表1　Box-Behnken設計試驗因素水平及編碼Table 1　Four factors，levels and codes of Box-Behnken design

1.3IDF特性測定

1.3.1IDF持水力測定試驗

準確稱取IDF粉末1.0 g（m1），放入量筒中，加入15 mL蒸餾水飽和2 h后，置于濾紙上，瀝干后將其轉移在培養皿中稱重量（m2），重復3次，取平均值，計算IDF持水力（WHC）［14］。持水力/（g/g）=（m2-m1）/m1。

1.3.2IDF膨脹力測定試驗

準確稱取IDF粉末1.0 g（m），置于干燥的量筒中，讀取IDF膨脹前體積VA，將樣品轉入100 mL量筒中，加入蒸餾水20 mL，搖勻后在室溫下放置24 h，再讀取液體中IDF體積VB，重復3次，取平均值，計算IDF膨脹力［15］。

1.4數據分析處理

單因素試驗數據用Microsoft Office Excel 2007分析作圖。響應面優化試驗數據采用Design-ExpertV8.0進行分析處理和作圖。

2　結果與分析

2.1單因素結果及分析

2.1.1超聲功率強度對油茶枯IDF得率的影響

超聲功率強度對油茶枯IDF得率的影響如圖1所示。

圖1　超聲功率強度對油茶枯IDF得率的影響Fig.1　Effect of ultrasonic power intensity on the rate of Camellia cakes IDF

如圖1所示，當超聲功率強度在300 W～450 W時，油茶枯IDF得率隨超聲功率強度升高逐漸上升，但當超聲功率強度超過450 W時，油茶枯IDF得率有下降的趨勢，分析可能由于超聲功率強度過高，使細胞內大部分物質釋放出來，包括一些能促使IDF降解的酶，從而影響了IDF得率，因此，確定最佳超聲功率強度為450 W。

2.1.2液料比對油茶枯IDF得率的影響

液料比對油茶枯IDF得率的影響如圖2所示。

圖2　液料比對油茶枯IDF得率影響Fig.2　Effect of liquid-to-solid ratio on the rate of Camellia cakes IDF

如圖2所示，當液料比在15 mL/g～25 mL/g時，隨著液料比增加，油茶枯IDF得率相應提高，液料比超過25 mL/g后，油茶枯IDF得率顯著下降，這是由于料液比越大，油茶枯IDF容易滲透出來，但由于油茶枯中IDF含量有限，繼續增加料液比，可能導致已溶出來的IDF裸露后發生水解，致使IDF得率降低，因此，確定最佳液料比為25 mL/g。

2.1.3超聲溫度對油茶枯IDF得率的影響

超聲溫度對油茶枯IDF得率的影響如圖3所示。

圖3　超聲溫度對油茶枯IDF得率的影響Fig.3　Effect of ultrasonic temperature on the rate of Camellia cakes IDF

圖3結果顯示，當超聲溫度在30℃～60℃之間，隨超聲溫度升高油茶枯IDF得率顯著上升，當超聲溫度高于60℃時，油茶枯IDF得率有下降趨勢，分析可能是一定溫度范圍內，隨溫度升高，提取劑的滲透能力也相應增強，使油茶枯得率升高；超聲溫度過高使纖維素和半纖維氫鍵遭破壞，加速纖維素的溶解使得率降低。

2.1.4超聲時間對油茶枯IDF得率的影響

超聲時間對油茶枯IDF得率的影響如圖4所示。

圖4　超聲時間對油茶枯IDF得率的影響Fig.4　Effect of ultrasonic time on the rate of Camellia cakes IDF

如圖4所示，當超聲累計時間從10 min～40 min時，油茶枯IDF得率隨超聲累計時間的延長顯著升高，當作用時間大于40 min時，油茶枯IDF得率隨超聲時間的延長有下降趨勢，這可能因為超聲時間的過長加速其降解，使IDF得率降低，因此，最佳超聲時間為40 min。

2.2響應面法優化超聲輔助法提取IDF

2.2.1響應面優化試驗設計與結果

響應面試驗結果、響應面方差分析結果見表2、表3。

表2　響應面試驗結果Table 2　The experimental results for response surface analysis

表3　回歸方程方差分析Table 3　Analysis of variance for the regression equation

表3　回歸方程方差分析Table 3　Analysis of variance for the regression equation

2.2.2響應面試驗結果分析

經回歸擬合后，由響應面分析法得出關于超聲輔助法提取IDF得率的二次回歸擬合方程：

IDF得率/%=69.42-0.76A+0.42B-0.71C+0.69D+ 0.32AB-0.66AC-0.90AD+0.12BC+1.01BD-1.17CD-8.01A2-7.51B2-8.56C2-8.02D2。

從表3可以看出，回歸方程擬合檢驗P＜0.000 1，表現極顯著水平，預測值和實際值非常吻合，具有高度相關性（R2=0.978 3），回歸方程失擬檢驗P=0.145 8> 0.05，差異不顯著，說明殘差均由隨機誤差引起，即未知因素對試驗結果干擾很小；同時各因素一次項A、B、C、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AD交互作用的影響差異極顯著（P＜0.010），AC、BD、CD交互作用的影響差異顯著（P＜0.05），AB、BC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，表明該模型對于油茶枯IDF得率的預測值和實際值具有很好的擬合度，可以用其確定最佳提取工藝條件，影響超聲輔助法提取IDF得率的主次因素為A＞C＞D＞B，即超聲功率強度>超聲溫度>超聲時間>液料比。

2.2.3響應面分析

考察各交互項對IDF得率的影響，結果見圖5。

由圖5可知，AD曲線峰陡峭，對IDF得率的影響表現極顯著，AC、BD、CD的曲線峰較陡，對IDF得率的影響顯著，AB、BC曲線峰平緩，對IDF得率的影響不顯著，與方差分析結果吻合。

2.2.4確定最優條件及驗證試驗

圖5　超聲功率強度、液料比、超聲溫度、超聲時間與IDF得率交互影響響應面圖Fig.5　Response surface plots showing the effects of ultrasonic power intensity，liquid-to-solid ratio，ultrasonic temperature and time on IDF yield

根據回歸模型，利用Design-ExpertV8.0軟件對試驗結果進行分析處理，得到超聲輔助法提取IDF的最佳條件為：超聲功率強度為447.6 W，液料比為25.15 mL/g，超聲溫度為59.58℃，超聲時間40.51 min，在此條件下油茶枯IDF得率為69.47%，考慮實驗操作的可行性，對各因素進行調整數，超聲功率強度為450 W，液料比為25 mL/g，超聲溫度為60℃，超聲時間40 min，在此最優條件下進行3次驗證試驗，油茶枯IDF得率可達69.11%，與IDF的提取理論值比較，其相對誤差約為0.51%，驗證了數學模型的有效性。

2.3IDF性能測定結果

2.3.1IDF持水力

在超聲功率強度為450 W，液料比為25 mL/g，超聲溫度為60℃，超聲時間40 min條件下，根據1.3.1測定方法，代入公式可得出油茶枯IDF持水力為283.7 g/g。

2.3.2IDF膨脹力

在超聲功率強度為450 W，液料比為25 mL/g，超聲溫度為60℃，超聲時間40 min條件下，根據1.3.2測定方法，代入公式可得油茶枯IDF膨脹力1.25 mL/g。

3　結論

本文在單因素試驗=驗的基礎上，采用Design-ExpertV8.0軟件設計響應面試驗優化油茶枯中IDF超聲輔助法提取工藝。試驗表明：影響超聲輔助法提取IDF得率的主次因素為：超聲功率強度＞超聲溫度＞超聲時間＞液料比。超聲波輔助提取油茶枯中IDF的最佳工藝參數為超聲功率強度為450 W，液料比為25 mL/g，超聲溫度為60℃，超聲時間40 min，該條件下油茶枯IDF得率可達69.11%，與IDF得率理論值比較，其相對誤差約為0.51%，驗證了數學模型的有效性，且提取所得IDF持水力為2.837 g/g，膨脹力1.25 mL/g。

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Optimization of Ultrasound Assisted Extraction of Camellia Insoluble Dietary Fiber by Response Surface Method

LU Zhong-ying，CHEN Shi-xue，LU Dao-wang，YAO Yuan-yong，XIE Yong
（Institute of Material and Chemical Engineering，Tongren University，Tongren 554300，Guizhou，China）

Ultrasonic assisted extraction of insoluble dietary fiber（IDF）from oil-tea Camellia cakes was investigated based on the single factor experiments.Box-Behnken central composite design and response surface design were used to simultaneously optimize four process parameters，including ultrasonic power intensity，liquidto-solid ratio，ultrasonic temperature and time.The results showed that the optimum extraction conditions were as follows：the power intensity of ultrasonic，450 W，liquid-to-solid ratio，25 mL/g；ultrasonic temperature，60℃；and ultrasonic time，40 min.The rate of Camellia cakes IDF was 69.11%，compared with the theoretical value，the relative error was about 0.51%，and the validity of the mathematical model was verified.And in testing property of watery insuluble fiber，water holding capacity was 2.837 g/g，the expansion force was 1.25 mL/g.

oil-tea Camellia cakes；water insoluble dietary fiber；response surface method；ultrasonic assisted method

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.21.006

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）；貴州省教育廳自然科學研究項目（黔教合KY字2013184）；貴州省普通高等學校特色重點實驗室（黔發合K字［2011］005）

盧忠英（1987—），女（苗），講師，碩士，研究方向：天然藥物化學成分與新藥研發。

2015-12-29