響應面優化超聲波輔助提取紅參渣中不溶性膳食纖維工藝

王祿，張宇，孟慶偉

1.吉林省經濟管理干部學院（長春 130012）；2.長春中醫藥大學附屬醫院（長春 130021）；3.吉林加一健康產業股份有限公司（長春 130012）

人參是五加科植物，學名Panax ginseng，在我國的應用有4 000多年歷史。人參中含有復雜多樣的化學成分，其中最主要的活性成分是人參皂苷[1-2]。中醫學認為，人參具有大補元氣、復脈固脫、補脾益腎、生津養血、安神益智之功效[3]。現代藥理學研究表明人參具有抗腫瘤、改善心血管系統、抗炎、抗過敏、抗衰老等作用[4-7]。人參加工制品中，紅參是主要的加工品種，鮮人參的70%被用來加工紅參[8]。由于含有較多的稀有人參皂苷如Rg3和Rh2，所以通常紅參被認為比白參具有更強的藥物活性[9]。在紅參的全部加工品中，紅參膏由于其在食品工業中應用面比較廣而被認為是最重要的紅參產品。紅參膏主要由人參皂苷和酸性多糖構成，可以直接通過熱水提取或乙醇水溶液提取獲得[10]。水不溶性的紅參渣，是這種提取過程的副產物，通常是作為廢物丟棄，不僅浪費資源，還會造成環境污染[11]。紅參渣中不只含有大量膳食纖維，還含有淀粉、蛋白質、皂苷等成分[12]。

膳食纖維（DF）通常來自一些谷物、水果、蔬菜和豆類，是一種具有有益生理特性的碳水化合物聚合物[13]。DF對人體小腸的消化和吸收具有抗性，而在大腸中可以部分或完全發酵。近年來，由于具有較低的價格而且具有對人體健康有益的生理作用，比如減低糖尿病、結腸癌、動脈硬化和心血管疾病等的風險，因而DF獲得學術界和工業界越來越多的關注[14-15]。根據水溶性不同，DF被分為可溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）。IDF主要成分包括纖維素、木質素和不溶性半纖維素，具有高吸水膨脹能力和持水能力，可以增強飽腹感，降低肥胖、結腸癌和便秘風險。紅參渣與人參渣一樣含有豐富IDF[12]，可以作為IDF來源。

膳食纖維的實驗室提取工藝主要包括化學法和酶法[16-17]，而在工業生產中，堿法提取工藝被廣泛采用，原因在于此種工藝操作簡單，生產成本低[18]。超聲波輔助提取技術作為一種新興的物理加工方法，因其具有機械效應、空化效應、熱效應及協同作用，廣泛應用于天然產物與食品中生物活性成分提取[19]，這種提取方法操作簡單，可顯著縮短提取時間。試驗采用超聲波輔助堿法提取紅參渣中IDF工藝，在單因素試驗基礎上進行響應面優化，確定最佳提取工藝，為紅參渣IDF工業化提取工藝的建立提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

紅參渣（長白加一生態科技有限公司紅參膏加工過程中產生的廢棄物）；熱穩定α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶（愛爾蘭Megazyme公司）；純凈水；其他試驗（均為分析純，北京化學試劑公司）。

FW-100型高速萬能粉碎機（天津泰斯特儀器有限公司）；HH-6型恒溫水浴鍋（北京華瑞新成科技有限公司）；SHZ-D型循環水真空泵（鞏義市予華儀器有限公司）；DZF-6050型真空干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；08-2G型恒溫磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司）；SHA-B型水浴恒溫振蕩器（常州國華儀器有限公司）；KQ2200DV型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

紅參渣（含水量7.94%）→粉碎（60目）→超聲輔助提取→過濾→水洗（pH 7.0）→干燥（60 ℃，24 h）→粉碎（60目）→紅參渣IDF提取物

1.2.2 單因素試驗

首先進行單因素試驗，考察提取溫度A（℃）、提取時間B（min）、液固比C（mL/g）和NaOH溶液濃度D（%）對IDF得率的影響，每個因素取6個水平，考察各個因素對IDF得率的影響。

1.2.2.1 提取溫度的選擇

設定液固比10∶1 mL/g，提取時間60 min，NaOH溶液濃度1.0%，提取溫度分別為30，40，50，60，70和80 ℃，考察不同提取溫度對IDF得率的影響。

1.2.2.2 提取時間的選擇

設定液固比10∶1 mL/g，提取溫度60 ℃，NaOH溶液濃度1%，提取時間分別為20，40，60，80，100和120 min，考察不同提取時間對IDF得率的影響。

1.2.2.3 液固比的選擇

設定提取時間80 min，提取溫度60 ℃，NaOH溶液濃度1.0%，液固比分別設定為5∶1，10∶1，15∶1，20∶1，25∶1和30∶1 mL/g，考察不同液固比對IDF得率的影響。

1.2.2.4 堿液濃度的選擇

設定液固比20∶1 mL/g，提取時間80 min，提取溫度60 ℃，NaOH溶液濃度分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%和3.0%，考察不同堿液濃度對IDF得率的影響。

1.2.3 響應面試驗

根據Box-Behnken中心組合試驗設計的原理，在單因素試驗結果的基礎上，選定提取溫度A（℃）、提取時間B（min）、液固比C（mL/g）、堿液濃度D（%）4個因素為自變量，紅參IDF的得率為響應值，每個因素取3個水平，進行響應面優化試驗。試驗因素設計水平見表1。

表1 響應面試驗因素水平表

1.2.4 不溶性膳食纖維得率的計算方法

式中：W1和W分別為紅參渣提取物中IDF與紅參渣原料不含水樣品質量，g。

1.2.5 不溶性膳食纖維含量的計算方法

紅參渣提取物中IDF含量按照GB/T 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》方法進行計算。

1.3 數據分析

每次試驗進行3次重復，試驗結果取平均值。利用軟件Excel 2007和Design-Expert 8.0進行統計分析和圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 提取溫度對IDF提取率的影響

由圖1（a）可知，在紅參渣IDF提取過程中，隨著超聲波輔助提取溫度增加，紅參渣IDF得率逐漸增加，在提取溫度60 ℃時IDF得率達到最大，超過60 ℃之后IDF得率開始下降。這是因為溫度較低時，達到溶解平衡的時間較長，造成IDF得率較低；提取溫度超過60 ℃時，由于高溫導致IDF發生降解，從而造成IDF得率降低。因此，超聲波輔助提取紅參渣IDF的溫度選擇60 ℃左右較合適。

2.1.2 提取時間對IDF提取率的影響

由圖1（b）可知，在紅參渣IDF提取過程中，隨著超聲波輔助提取時間增加，IDF得率逐漸增加，提取時間80 min時達到最大值，超過80 min之后IDF得率開始下降，這是由于提取時間較短時，IDF在溶劑中尚未達到溶解平衡，造成IDF得率較低；超聲波提取時間超過80 min后由于超聲波的機械振動導致IDF發生降解，聚合度降低，從而造成IDF得率下降。因此，超聲波輔助提取紅參渣IDF的時間選擇90 min左右較合適。

圖1 單因素對IDF得率的影響

2.1.3 液固比對IDF提取率的影響

由圖1（c）可知，隨著溶劑與紅參渣液固比增加，紅參渣IDF得率逐漸增加，液固比20∶1（mL/g）時IDF得率達到最大值，隨著液固比進一步增加，IDF得率逐漸趨于穩定。這是因為在提取過程中，溶劑用量較低時，由于IDF不能與溶劑充分接觸，造成得率偏低；溶劑用量過量時，會造成提取效率降低，而且會增加后處理的能耗。綜合考慮，超聲波輔助提取紅參渣IDF的液固比選擇20∶1（mL/g）左右較合適。

2.1.4 堿液濃度對IDF提取率的影響

由圖1（d）可知，隨著氫氧化鈉溶液濃度增加，紅參渣IDF得率逐漸增加，堿液濃度1.0%時IDF得率達到最大，隨著堿液濃度進一步增加，IDF得率逐漸降低。這是因為較低的堿液濃度有利于IDF的提取，堿液濃度較高時，由于氫氧化鈉的氧化作用，對纖維素和半纖維素氫鍵造成破壞，從而影響了IDF得率。因此，超聲波輔助提取紅參渣IDF的堿液濃度選擇1.0%左右較合適。

2.2 響應面試驗

根據單因素試驗結果，選取提取溫度（A）、提取時間（B）、液固比（C）和堿液濃度（D）作為主要因素，以紅參IDF得率作為評價指標，采用Design-Expert 8.0軟件，按照Box-Behnken中心組合原理設計四因素三水平的響應面分析試驗，試驗設計與試驗結果見表2，方差分析結果見表3。

通過對試驗結果的統計分析，可以建立關于紅參IDF得率（Y）的二次回歸方程：Y=56.97+0.74A+0.65B+0.97C+0.66D-0.71AB-0.30AC-0.23AD-0.55BC-0.51BD-0.23CD-1.34A2-0.49B2-0.60C2-0.93D2。

表2 Box-Behnken試驗設計及試驗結果

從表3方差分析的結果可知，此二次回歸方程的模型項F值為29.52，p＜0.001，表明此模型達到極顯著的水平；R2=0.971 8，表明所建立的模型具有較好的擬合程度；失擬項p=0.186 6，表明失擬項不顯著，IDF得率可用二次方程進行預測。二次回歸方程影響極顯著的因素包括A、B、C、D這4個一次項、AB、BC、BD這3個交互項、A2、B2、C2這3個二次項；影響顯著的因素包括D21個二次項；其他項影響不顯著。根據F值可知影響IDF得率的4個因素的主次順序為C＞A＞D＞B，即液固比對IDF得率的影響最大，提取溫度和堿液濃度的影響次之，提取時間的影響最小。

表3 回歸模型的方差分析和顯著性檢驗結果

圖2使用三維響應面預測自變量和因變量之間的關系。其他變量保持零水平時，響應面圖描繪試驗范圍內的2個變量之間的關系。

圖2 各因素交互作用對IDF得率影響的響應面圖

對IDF得率取最大值，Design-Expert 8.0軟件建議的紅參渣中IDF最佳提取工藝為：液固比23.57∶1 mL/g、超聲波提取溫度61.74 ℃、提取時間80.06 min、堿液濃度1.12%。此條件下IDF得率最大為57.46%。為方便試驗操作，選取液固比24∶1 mL/g、超聲波提取溫度62 ℃、提取時間80 min、堿液濃度1.1%，進行3次重復試驗，IDF得率平均值為57.39%，接近理論值，驗證試驗表明，此模型能很好地反映預期的優化效果。

3 結論與討論

在單因素試驗基礎上，采用響應面優化紅參渣中IDF的超聲波輔助提取工藝，得到最佳提取條件：液固比24∶1 mL/g、超聲波提取溫度62 ℃、堿液濃度1.1%、提取時間80 min。在此條件下紅參渣中IDF的得率為57.39%，理論上得率（57.46%）與實際提取得率之間的差異微小，表明超聲波輔助堿法提取紅參渣中IDF的工藝可行，此工藝可為紅參渣中IDF提取和應用提供理論參考。