響應面法優化超聲-微波輔助提取蓮藕膳食纖維工藝研究

唐小閑，邱培生，段振華，商飛飛，*，湯泉，磨正遵，劉艷

（1.賀州學院廣西果蔬保鮮和深加工研究人才小高地，廣西賀州542899；2.賀州學院食品與生物工程學院，廣西賀州542899；3.賀州學院食品科學與工程技術研究院，廣西賀州542899；4.賀州學院材料與環境工程學院，廣西賀州542899）

蓮藕（Nelumbo nucifera Gaertn.）為睡蓮科多年生植物[1]，中國有3 000多年栽培史，國內蓮藕種植較為廣泛。蓮藕制品主要有如腌制類的醬汁藕片、調味藕片、糖漬藕脯；罐頭類的糖水蓮藕罐頭、酸甜蓮藕罐頭；藕粉、藕汁飲料、休閑蓮藕脆片[2]。目前藕粉、藕汁的生產仍存在不少小規模、小作坊，工藝落后，加工較粗糙，所生產的藕節、藕頭、藕皮及藕渣等下腳料被作為廢棄物丟棄，此廢棄物若被微生物分解利用會發生腐敗，產生惡臭的氣味，加重環境壓力；而其含有豐富的膳食纖維成分，未被很好的開發利用，造成原料的嚴重浪費，造成了經濟損失。

膳食纖維被定義為不能被人體消化的多糖類碳水化合物及木質素的總稱[3]。在維持消化系統健康中起著重要作用，潔凈消化壁，吸附腸道中的有害物質；促進腸胃蠕動，預防便秘[4]。目前關于蓮藕膳食纖維的研究較少，白青云等[5]采用酶-重量法對蓮藕膳食纖維的提取工藝進行了研究；蔡寶玉等[6]采用堿液浸提法制備蓮藕膳食纖維；吳疆鄂[7]利用酸堿法、酶法、生物浸提法提取蓮藕膳食纖維。而采用超聲-微波輔助提取蓮藕膳食纖維的研究還未報道。本研究以蓮藕為原料，采用響應面法優化對超聲-微波輔助提取蓮藕膳食纖維工藝進行研究，以期為蓮藕和膳食纖維的研究提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮蓮藕：賀州市泰興超市，選擇大小均勻、無機械損傷蓮藕；耐高溫α-淀粉酶（40 000 U/g）、纖維素酶（50 000 U/g）：江蘇銳陽生物科技有限公司；檸檬酸、乙醇（95%）：成都市科龍化工試劑廠；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器

高壓均質機（GYB60-6）：上海東華高壓均質機廠；精密恒溫箱（DH411C）：日本雅馬拓公司；分析天平（BSA124S）：德國賽多利斯；微波·紫外·超聲波三體合成萃取反應儀（UWave-100）：上海新儀微波化學科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 試驗工藝流程

新鮮蓮藕→清洗→破碎打漿→均質→過濾→蓮藕渣→熱風干燥（45℃）→粉碎→過篩（60目）→膳食纖維提取→干燥→粉碎→成品

1.3.2 蓮藕渣膳食纖維提取單因素試驗

1.3.2.1 蓮藕渣膳食纖維提取方法

稱取蓮藕渣10.00 g，加入蒸餾水，90℃水浴，加入α-淀粉酶0.10 g以除去蓮藕渣中溶出的淀粉，酶解至碘液滴定不變藍。冷卻室溫后，調pH 4.0～5.5，加入纖維素酶，啟動超聲波-微波輔助處理（超聲波與微波同時運行，微波功率為24 W）。收集處理液，加入3倍處理液體積的95%乙醇，醇沉過夜，抽濾，沉淀物干燥得到膳食纖維[8]。膳食纖維，按式（1）計算：

式中：Y為膳食纖維得率，%；m1為提取的膳食纖維重量，g；m2為蓮藕渣樣品重量，g。

1.3.2.2 料液比對膳食纖維提取的影響

在超聲功率300 W、超聲時間20 min、纖維素酶用量0.5%、酶解溫度50℃條件下，考查料液比1∶5、1∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25（g/mL）對蓮藕渣膳食纖維提取效果的影響。

1.3.2.3 超聲功率對膳食纖維提取的影響

在料液比 1 ∶15（g/mL）、超聲時間 20 min、纖維素酶用量0.5%、酶解溫度50℃條件下，考查超聲功率100、200、300、400、500 W 對蓮藕渣膳食纖維提取效果的影響[9]。

1.3.2.4 超聲時間對膳食纖維提取的影響

在料液比 1∶15（g/mL）、超聲功率 300 W、纖維素酶用量0.5%、酶解溫度50℃條件下，考查超聲時間10、15、20、25、30 min對蓮藕渣膳食纖維提取效果的影響。

1.3.2.5 纖維素酶用量對膳食纖維提取的影響

在料液比 1∶15（g/mL）、超聲功率 300 W、超聲時間15 min、酶解溫度50℃條件下，考查纖維素酶用量0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%對蓮藕渣膳食纖維提取效果的影響。

1.3.2.6 酶解溫度對膳食纖維提取的影響

在料液比 1∶15（g/mL）、超聲功率 300 W、超聲時間15min、纖維素酶用量0.6%條件下，考查酶解溫度30、40、50、60、70℃對蓮藕渣膳食纖維提取效果的影響。

1.3.3 響應面優化試驗設計

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Benhnken試驗設計原理，以纖維素提取率（Y）作為響應值，選取料液比、超聲功率、超聲時間、纖維素酶用量4個因素設計響應面試驗，優化超聲-微波輔助提取蓮藕膳食纖維的工藝參數。響應面試驗設計見表1。

1.3.4 驗證試驗

在響應面優化試驗所得超聲-微波輔助提取的最佳工藝條件下，進行5次平行驗證試驗。

1.3.5 對比試驗的提取方法

1.3.5.1 超聲波輔助法

參照文獻[10-11]的方法，進行超聲波輔助提取蓮藕膳食纖維。

表1 響應面試驗設計的因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface experimental design

1.3.5.2 微波輔助法

參照文獻[12]的方法，得到微波輔助法提取蓮藕膳食纖維。

1.4 數據處理與分析

文中采用origin 7.5、Design-Expert-10.0軟件進行數值分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 料液比對膳食纖維提取的影響

料液比對蓮藕膳食纖維提取效果的影響見圖1。

圖1 料液比對膳食纖維提取的影響Fig.1 The effect of material and liquid ratio on the extraction of dietary fiber

由圖1可知，隨著料液比增大，膳食纖維的提取率先增大后快速減小。在料液比1∶5（g/mL）～1∶15（g/mL），蓮藕渣粉中膳食纖維與乙醇溶液的濃度差隨著液料比增大而增大，膳食纖維提取率增大，原因是隨著溶劑增加，固液兩相接觸面積增大[13]，膳食纖維較易析出。在料液比1∶15（g/mL）時，提取率達到最大值，36.12%；在料液比 1∶15（g/mL）～1∶25（g/mL）階段提取率急劇下降，原因是料液比越大，溶劑用量越增加，單位體積的提取溶液受到超聲-微波的熱效應、機械作用、空化作用及穿透力等強度均減弱[14]，不利于膳食纖維的提取，提取率下降。故選擇料液比1∶10、1∶15、1∶20（g/mL）進行響應面優化試驗為宜。

2.1.2 超聲功率對膳食纖維提取的影響

超聲功率對蓮藕膳食纖維提取效果的影響見圖2。

圖2 超聲功率對膳食纖維提取的影響Fig.2 The effect of ultrasonic power on the extraction of dietary fiber

由圖2可知，隨著超聲功率增加，膳食纖維提取率先快速升高后快速降低，在超聲功率300 W時，膳食纖維提取率最大，35.15%。原因是超聲波能在物料內部產生振動，超聲功率較小對植物細胞和分子間的作用較小，超聲功率增大，空化效應更強烈[15]，膳食纖維的提取率增大；但功率過大時致使膳食纖維結構破壞，提取率下降。故選擇超聲功率在200、300、400 W進行響應面優化試驗為宜。

2.1.3 超聲時間對膳食纖維提取的影響

超聲時間對蓮藕膳食纖維提取效果的影響見圖3。

圖3 超聲時間對膳食纖維提取的影響Fig.3 The effect of ultrasonic time on the extraction of dietary fiber

由圖3可知，隨著超聲時間增加，膳食纖維提取率先迅速增大后減小。在超聲處理15 min時，膳食纖維提取率達到最大，33.42%，但隨著超聲時間的繼續延長，提取率反而減小。原因是超聲波能在物料內部產生強烈振動，加速度和空化效應對植物細胞和分子間的產生強大作用[11]，從而快速提高提取率；超聲時間過長，膳食纖維結構會被破壞，提取率下降。故選擇超聲時間10、15、20 min進行響應面優化試驗為宜。

2.1.4 纖維素酶用量對膳食纖維提取的影響

酶用量對蓮藕膳食纖維提取效果的影響見圖4。

圖4 酶用量對膳食纖維提取效果的影響Fig.4 Effect of enzyme dosage on the extraction effect of dietary fiber

由圖4可知，隨著纖維素酶用量增加，膳食纖維提取率提高，當纖維素酶用量為0.6%時，提取率達到最大，35.16%，當纖維素酶用量繼續增大時，提取率卻減小。底物濃度對酶解反應影響較大，剛開始隨著酶用量增加底物的濃度增大[16]，樣品與酶的接觸機會增大，不溶性膳食纖維被纖維素酶水解，部分轉化成了可溶性膳食纖維[17]，膳食纖維提取率上升；纖維素酶的添加達到一定量時，其與底物作用完全，可溶性膳食纖維不再增加；酶用量繼續增加，致使一部分可溶性大分子物質被降解成不能被乙醇沉淀的小分子物質[18]，膳食纖維提取率下降。故選酶用量0.5%、0.6%、0.7%進行響應面優化試驗為宜。

2.1.5 酶解溫度對膳食纖維提取的影響

酶解溫度對蓮藕膳食纖維提取效果的影響見圖5。

圖5 酶解溫度對膳食纖維提取效果的影響Fig.5 Effect of enzymolysis temperature on the extraction effect of dietary fiber

由圖5可知，蓮藕渣膳食纖維提取率隨溫度升高而增大，在60℃時提取率最大，35.37%，溫度繼續升高時提取率減小。溫度升高能增加不同分子間的布朗運動[11]，分子振動更劇烈，促進底物的酶解，前期膳食纖維提取率呈上升趨勢；根據酶促反應動力學原理[8]，溫度過高使酶變性，反應速度下降，且高溫下溶劑汽化不利于提取，導致膳食纖維提取率降低。故選擇酶解溫度60℃最適宜溫度進行后續試驗。

2.2 響應面試驗結果分析

在單因素試驗的基礎上，酶解溫度60℃，以纖維素提取率（Y）作為試驗設計的響應值，料液比（A）、超聲功率（B）、超聲時間（C）、纖維素酶用量（D）為自變量，根據Box-Benhnken試驗設計原理，設計29個試驗點，響應面試驗設計及結果見表2。

表2 響應面試驗設計與結果Table 2 Response surface test design and results

對試驗數據（膳食纖維提取率）進行多元回歸擬合，得到膳食纖維提取率（Y）的二次多項式回歸模型：Y=+36.21-2.21×A+0.087×B-0.18×C-0.088×D+0.25×A×B-0.63×A×C-0.16×A×D-1.10×B×C-0.54×B×D+0.35×C×D-2.77×A2-1.98×B2-1.17×C2-1.71×D2。從二次多項式回歸方程看出方程中二次項A2、B2、C2和D2系數都為負數，說明了二次多項式回歸方程存在穩定點，即存在極大值[19]。方差分析結果見表3。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Variance analysis table of regression equation

由表3可知回歸模型P＜0.000 1，在α=0.01水平下為極顯著；失擬值P=0.583 3，在α=0.01或α=0.05下不顯著，因變量和全體自變量之間的線性關系極顯著（R2=0.977），說明了該模型能解釋97.7%的響應值變化，誤差也較小，模型的F值為33.97。通過觀察回歸方程可知，各因素之間有相互影響，從表3可知A、A2、BC、B2、C2、D2呈極顯著（P＜0.01），AC 為顯著（P＜0.05），B、C、D、AB、AD、BD、CD 均不顯著。

觀察表3可知，4個試驗因素料液比（A）、超聲功率（B）、超聲時間（C）、纖維素酶用量（D）對蓮藕膳食纖維提取率的影響主次關系順序為：A＞C＞D＞B，4個因素之間相互影響的主次關系順序為：BC＞BD＞CD＞AD。

料液比、超聲功率、超聲時間和纖維素酶用量4個因素在反應過程中的相互作用見圖6～圖11。

如果響應曲面的曲線走勢越陡，則表明兩個因素相互作用影響越顯著，如果響應曲面的曲線走勢越平滑，則表明兩個因素的相互作用影響較小；等高線為橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則說明

交互作用不顯著[20]。從圖7的A和C、圖10的B和C、圖11的C和D，圖形曲線走勢較陡，等高線呈現橢圓形，說明其影響顯著。

2.3 驗證試驗

由DesignExpert-10.0軟件擬合，得出最佳超聲波-微波輔助法提取蓮藕膳食纖維的工藝參數為：料液比1∶13（g/mL）、超聲波功率299 W、超聲時間15.015 min、纖維素酶用量0.6%。此條件下膳食纖維素提取率為36.646 4%。考慮實際操作簡便性，將工藝參數調整為：料液比1∶13（g/mL）、超聲波功率300 W、超聲時間15 min、纖維素酶用量0.6%。

為驗證響應面優化法的結果可靠性和穩定性，采用上述優化提取條件進行5次重復試驗，蓮藕膳食纖維素平均值為36.83%，與模型理論最大值36.646 4%非常接近，說明模型可以較好地反映出蓮藕纖維素提取條件，用響應面法對蓮藕纖維素提取條件參數進行優化可行。

圖6 料液比與超聲功率交互作用對蓮藕膳食纖維提取率影響的等高線及響應曲面Fig.6 Contour and response surface of lotus root's dietary fiber extraction rate influenced by interaction of material to liquid ratio and ultrasonic power

圖7 料液比與超聲時間交互作用對蓮藕膳食纖維提取率影響的等高線及響應曲面Fig.7 Contour and response surface of lotus root's dietary fiber extraction rate influenced by interaction ratio of material to liquid and ultrasonic time

圖8 料液比與酶用量交互作用對蓮藕膳食纖維提取率影響的等高線及響應曲面Fig.8 Contour and response surface of lotus root's dietary fiber extraction rate affected by ratio of material to liquid and enzyme dosage

圖9 超聲功率與酶用量交互作用對蓮藕膳食纖維提取率影影響的等高線及響應曲面Fig.9 Contour and response surface of the interaction between ultrasonic power and enzyme dosage on the extraction rate of lotus root dietary fiber

圖10 超聲功率與超聲時間交互作用對蓮藕膳食纖維提取率影響的等高線及響應曲面Fig.10 Contour and response surface of the interaction betwee ultrasonic power and ultrasonic time on the extraction rate of lotus root dietary fiber

圖11 超聲時間與酶用量交互作用對蓮藕膳食纖維提取率影響的等高線及響應曲面Fig.11 Contour and response surface of the interaction betwee ultrasonic time and enzyme dosage on the extraction rate of lotus root dietary fiber

2.4 不同提取方法的對比

超聲-微波輔助提取與超聲波輔助提取、微波輔助提取蓮藕膳食纖維素3種方式的提取率比較，在料液比1∶15（g/mL）、提取時間 15 min、酶用量 0.6% 相同條件下，膳食纖維素提取率見表4。

表4 超聲波-微波輔助法與超聲波輔助法、微波輔助法的提取率比較Table 4 Comparison of ultrasonic microwave assisted ultrasonic assisted extraction and microwave assisted extraction

由表4可知，在料液比、提取時間、酶用量相同條件下，超聲-微波輔助提取、超聲波輔助提取、微波輔助提取蓮藕膳食纖維素的平均提取率分別為36.83%、32.39%、34.06%，超聲-微波輔助提取＞微波輔助提取＞超聲波輔助提取。原因是超聲-微波輔助法集合了超聲波輔助法、微波輔助法兩個方法特有的優勢，因此超聲波-微波輔助法的提取率相對高一點。

3 結論

本研究在單因素試驗的基礎上，根據Box-Benhnken設計響應面試驗，建立蓮藕膳食纖維提取率的二次多項式回歸模型，并應用響應面分析法對影響蓮藕膳食纖維素重要因素進行優化。研究結果顯示，超聲-微波輔助提取蓮藕膳食纖維素最優工藝參數為，料液比1∶13（g/mL）、超聲波功率300 W、超聲時間15 min、纖維素酶添加量0.6%，該條件下蓮藕膳食纖維的提取率達到36.83%。利用響應面法優化超聲-微波輔助提取蓮藕膳食纖維素工藝，可為蓮藕膳食纖維提取研究提供理論依據，促進傳統蓮藕膳食纖維加工業的技術進步。