響應面法優化木薯渣可溶性膳食纖維提取工藝

付晶晶，藍 蔚，覃小珊，吳源夗，孫 健*

（1.廣西衛生職業技術學院 醫學技術學院，廣西南寧 530021；2.廣西醫科大學 基礎醫學院，廣西南寧 530021）

廣西是我國木薯淀粉的主要產區，產量位居全國首位，占全國總產量的60%～70%。據不完全統計，廣西木薯加工企業有50多個，主要分布在南寧、欽州、北海等地。木薯加工產業的快速發展，產生了大量的木薯渣，即一種木薯淀粉加工廢棄物。據報道我國的木薯渣年產生量約為300 000 t，僅廣西就有近20萬t。淀粉加工過程中產生的木薯渣由于水分含量高并富含營養，在堆放、運輸過程中極易滋生微生物，污染環境，同時還會產生有毒物質氫氰酸[1]。

目前木薯渣主要通過以下幾種方法進行處理：①發酵用來生產沼氣；②經過一定的處理后作為動物飼料，但要解決毒性問題；③作為燃料直接燃燒；④用作真菌生產，作為菇類的培養基。這些方法直接經濟價值較低，處理量有限，仍有大量木薯渣無法利用，從而造成資源浪費及環境污染?？紤]到木薯渣中含有大量纖維素，如果可以有效利用木薯渣提取膳食纖維，則不僅可以增加企業的生產附加值，同時也可以減少環境污染[2]。

膳食纖維又被稱為“第七大營養素”，按照其能否在水中溶解分為水溶性膳食纖維及不溶性膳食纖維兩類[3]。水溶性膳食纖維主要用來調節機體代謝[4]（碳水化合物、脂類代謝），與抑制血糖升高、降低血清膽固醇[5]等有密切聯系。目前膳食纖維提取原料主要有豆及谷物類[6]、果蔬[7]、菌類[8]等。以木薯及木薯渣為原料提取膳食纖維的研究較少。本研究以木薯淀粉生產中產生的木薯渣為實驗原料，采用纖維素酶對其進行水解獲取可溶性膳食纖維，應用響應面分析法優化工藝，希望能夠提高木薯淀粉生產企業的收入，增強企業的競爭力，同時也可以開拓膳食纖維提取原料的資源。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯渣（木薯淀粉生產廢棄物）：由廣西隆安縣富達淀粉廠提供，原料經烘干、粉碎后過50目篩網，得到木薯渣粉。無水乙醇、纖維素酶、檸檬酸和檸檬酸鈉等試劑均為分析純。

TDL-5-A離心機（上海安亭）；TS-110X30恒溫水浴搖床（上?？瞥剑?/p>

1.2 方法

1.2.1 木薯渣中可溶性膳食纖維的提取方法

稱取10 g木薯渣粉，置于三角瓶中，加入一定體積檸檬酸緩沖溶液，攪拌均勻后置于一定溫度水浴中預熱10 min，加入一定量的纖維素酶，保溫一定時間后，酶解液于沸水浴中處理5 min后抽濾，濾液加入無水乙醇，加入比例為1∶4，靜置1 d，4 000 r·min-1離心20 min，收集沉淀，即為可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）。

1.2.2 可溶性膳食纖維含量測定

在60 ℃恒溫條件下，將分離得到的木薯渣SDF烘至質量恒定后稱重，以10 g木薯渣粉中獲得的可溶性膳食纖維量表示SDF得率（g/10 g）。

1.2.3 單因素實驗

每次單因素實驗分別選取一個因素作為變量，其他因素固定不變，分別按1.2.1中提供的方法進行提取，每組實驗重復3次，測定木薯渣SDF得率。對各單因素實驗的結果進行分析，選取各因素的較優水平進行響應面實驗。

（1）pH對木薯渣SDF提取效果的影響。固定酶解溫度50 ℃，纖維素酶50 U·g-1，液料比1∶20，酶解時間4 h，在pH分別為4.0、4.4、4.8、5.2、5.6和6.0的緩沖環境中提取可溶性膳食纖維。

（2）料液比對木薯渣SDF提取效果的影響。固定酶解溫度50 ℃，pH為4.8，纖維素酶50 U·g-1，酶解時間4 h，分別以料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30和1∶35（g∶mL）提取可溶性膳食纖維。

（3）酶濃度對木薯渣SDF提取效果的影響。固定酶解溫度50 ℃，pH為4.8，纖維素酶50 U·g-1，料液比1∶20，酶解時間4 h，分別以酶制劑添加量為40 U·g-1、45 U·g-1、50 U·g-1、55 U·g-1、60 U·g-1和65 U·g-1提取可溶性膳食纖維。

（4）酶解溫度對木薯渣SDF提取效果的影響。固定pH為4.8，纖維素酶50 U·g-1，料液比1∶20，酶解時間4 h，分別以酶解溫度30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃為變量提取可溶性膳食纖維。

（5）酶解時間對木薯渣SDF提取效果的影響。固定酶解溫度50 ℃，pH為4.8，纖維素酶50 U·g-1，料液比1∶20，分別以酶解時間3 h、4 h、5 h和6 h為變量提取可溶性膳食纖維。

1.2.4 響應面實驗設計

對單因素實驗結果進行分析，選取4個因素，每個單因素選取較優的3個水平進行響應面實驗設計，設置4因素3水平響應面實驗，共27個實驗點，其中包含3個中心點，具體的響應面設計因素和水平詳見表1，其中1、0、-1代表各因素的高、中、低水平。運用Design Expert軟件對實驗結果進行回歸分析，對木薯渣中SDF提取條件進行優化。

表1 響應面設計因素水平表

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

2.1.1 pH對木薯渣SDF得率的影響

pH對木薯渣SDF得率的影響見圖1，隨著pH值的增大，木薯渣SDF得率呈現先上升后下降的趨勢。緩沖溶液pH在4.0～5.6時，木薯渣SDF得率變化較快，pH為5.6時SDF得率達到最大值，隨后木薯渣SDF得率隨pH升高而降低。因此，選取緩沖溶液pH為5.2、5.6、6.0這3個水平進行后續的響應面實驗。

圖1 pH對木薯渣SDF得率的影響

2.1.2 料液比對木薯渣SDF得率的影響

如圖2所示，隨著提取液的增加，木薯渣SDF得率整體處于上升趨勢，但后期增加趨勢趨緩。當料液比處于1∶30（g∶mL）之前時，木薯渣SDF得率增加較快；持續增加提取液比例，木薯渣SDF得率增加速度逐漸減慢；這可能是由于當料液比達到一定程度，大部分木薯渣SDF都已溶出，料液比的邊際效應逐漸顯現。另外料液比越大成本越高，基于木薯渣SDF得率與成本的雙重考慮，選擇料液比1∶25、1∶30、1∶35（g∶mL）3個水平值，進行響應面實驗。

圖2 料液比對木薯渣SDF得率的影響

2.1.3 酶濃度對木薯渣SDF得率的影響

如圖3所示，當酶添加量低于50 U·g-1時，木薯渣SDF得率隨著酶濃度增加快速增大，繼續增加酶濃度，木薯渣SDF得率雖有增大，但較為平緩。最終選擇酶濃度 45 U·g-1、50 U·g-1、55 U·g-13 個水平進行響應面實驗。

圖3 酶濃度對木薯渣SDF得率的影響

2.1.4 酶解溫度對木薯渣SDF得率的影響

如圖4所示，當酶解溫度低于50 ℃時，木薯渣SDF得率隨著酶解溫度的增加而增加，但繼續增加酶解溫度，木薯渣SDF得率降低，這可能是由于高溫使酶失活導致，選擇酶解溫度40 ℃、50 ℃、60 ℃進行響應面實驗。

圖4 酶解溫度對木薯渣SDF得率的影響

2.1.5 酶解時間對木薯渣SDF得率的影響

如圖5所示，木薯渣SDF得率隨著酶解時間的增加而增加，但影響不大，基于木薯渣SDF得率與成本的雙重考慮，選擇酶解時間為5 h，直接設定為進行響應面實驗中的固定值。

圖5 酶解時間對木薯渣SDF得率的影響

2.2 響應面分析法優化結果與分析

2.2.1 響應面分析方案及結果

單因素實驗結果表明時間對于SDF的影響不大，而pH、酶解溫度、料液比、酶濃度4個自變量對SDF的得率影響較大，因此響應面實驗以這4種因素為響應因子，每個因素取3個較優水平，進行響應面分析實驗，實驗方案及實驗結果見表2。

表2 響應面實驗設計及結果

利用Design-Expert 8.0.6軟件對所得的實驗數據進行多元回歸擬合，得到木薯渣SDF得率pH（A）、酶解溫度（B）、料液比（C）、酶濃度（D）的回歸模型 方 程：SDF=3.21-0.082A+0.015B+0.71C+1.16D-0.54AB+0.27AC+0.32AD-1.550×10-3BC-0.080BD+0.059CD-0.54A2-0.95B2-0.24C2+0.23D2

由于該回歸模型方程的大部分二次項系數為負值，推斷具有極大值點，進行優化分析。

2.2.2 回歸方程的方差分析及系數顯著性分析

對依據實驗結果分析得到的上述方程進行統計學分析，方差分析結果見表3。由表可知F值=21.76，P值＜0.000 1，達到極顯著水平，失擬項的P值為0.060 2＞0.05，說明該模型有效可靠。由F值判斷，影響木薯渣SDF得率的最主要因素為酶濃度，其次是料液比，最后為pH和酶解溫度。R2=0.962 1，表明96.21%的響應值都可以用該模型解釋，R2Adj=0.917 9，說明可信度較好。該回歸方程為木薯渣中可溶性膳食纖維的提取工藝條件提供了一個良好的模型。

表3 響應面優化回歸方程的方差分析

2.2.3 響應面分析與優化

通過 Design Expert 8.0.6軟件對4個因素之間的交互作用進行分析，見圖6～圖11。

圖6 pH與提取溫度對木薯渣SDF得率的響應面

圖7 pH與料液比對木薯渣SDF得率的響應面

圖8 pH與酶濃度對木薯渣SDF得率的響應面

圖9 溫度與料液比對木薯渣SDF得率的響應面

圖10 溫度與酶濃度對木薯渣SDF得率的響應面

圖11 料液比與酶濃度對葉綠素得率的響應面

分析圖6、圖7、圖8可知，當pH低于5.8時隨著pH的增加木薯渣SDF得率不斷增大；pH繼續增大木薯渣SDF得率開始下降。對圖6、圖9進行分析，木薯渣SDF得率達到最高值時的提取溫度為50 ℃，超過該高溫度后木薯渣SDF得率開始下降，這可能是由于高溫下酶活性受到影響。由圖7、圖9、圖11可知，隨著提取液的增加木薯渣SDF得率不斷增大，但增加到1∶34（g∶mL）以上時得率增速緩慢，但其提取成本會極大增加。由圖8、圖10、圖11可知，酶濃度對木薯渣SDF得率的影響是正向的，但酶濃度增加到53 U·g-1以上時，增速趨緩，出于酶添加量對提取成本的影響考慮，不會無限增加酶濃度。

通過軟件分析計算得出木薯渣SDF提取的理論最佳實驗條件是pH值5.8、酶解溫度48.51 ℃、料液比1∶34.96（g∶mL）、酶濃度54.97 U·g-1，在此條件下，木薯渣SDF得率的理論值達到5.256 7 g/10 g原料。考慮到實際實驗過程的可行性，將理論最佳實驗條件進行微調。調整后工藝條件為pH值5.8，酶解溫度48 ℃，料液比1∶35（g∶mL），酶濃度55 U·g-1，通過3次平行實驗進行驗證，求其平均值，評價響應面法分析得到數據的可靠性。實測木薯渣SDF得率為5.392 2 g/10 g原料，與理論值相比，相對誤差為2.58%。因此，本研究得到木薯渣SDF提取條件的模型準確可靠，具有實用價值。

3 結論

本實驗以木薯淀粉在生產過程中的廢棄物木薯渣為原料，通過酶法水解木薯渣中的膳食纖維，得到可溶性膳食纖維。對單因素實驗結果進行分析，選取對SDF的得率影響較大的4個自變量為響應因子，進行了4因素3水平共的響應面實驗，根據實驗結果建立了數學模型，得到了優化后的木薯渣SDF提取的最優工藝。影響木薯渣SDF得率的最主要因素為酶濃度，其次是料液比，最后為pH和酶解溫度。確定其最佳提取工藝條件為pH值5.8，酶解溫度48 ℃，料液比1∶35（g∶mL），酶濃度55 U·g-1，本實驗能夠提高木薯渣利用價值，為進一步開發利用食品加工廢棄物資源提供了科學的理論依據，同時為膳食纖維提取原料開拓了新的資源。