響應(yīng)面法優(yōu)化爬山虎不溶性膳食纖維反提取工藝

南昌職業(yè)大學(xué) 高麗娟 郜春霞 吳佳琪 吳修禎 李 凱

被稱為“第七營養(yǎng)素”的膳食纖維（DF）[1]是指植物性食用部分或類似碳水化合物的總稱，既不能被腸道消化吸收，也不能產(chǎn)生能量，被認(rèn)為是一種“無營養(yǎng)物質(zhì)”而長期得不到重視。然而，近年來的多項科學(xué)研究表明，糖尿病、高血壓、心腦血管病、肥胖、便秘等疾病的發(fā)生與缺少膳食纖維有關(guān)[2]。膳食纖維主要生理作用有：增強飽腹感、減少熱量攝入、抑制脂肪吸收、維持腸道健康、提高免疫力、減輕便秘、排出毒素、促進鈣質(zhì)吸收、抑制脂肪合成。按其溶解性分為可溶性膳食纖維（SDF）與不溶性膳食纖維（IDF）[3-5]。可溶性膳食纖維包括果膠、植物膠等，主要存在于水果、藻類、魔芋等食物中；纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素存在于細(xì)胞壁中，它們不能溶于水中，故稱為不可溶性膳食纖維。日常飲食中多攝入膳食纖維，可促進胃腸蠕動，調(diào)節(jié)血糖血脂，改善腸道環(huán)境，對身體十分有益。

我國擁有豐富的膳食纖維原料。郭趙瑞[6]、馬思雨[7]、葉秋 萍[8]、呂孟 玲[9]、覃 引[10]、吳 婧[11]、劉俊紅[12]、劉 映萍[13]、張喬會[14]分別研究了白蘿卜、竹葉、茶梗、沙棘果渣、刺梨-紅棗果渣、滇橄欖果渣、葡萄皮渣、甘薯、白柚皮中膳食纖維的提取方法、工藝及性質(zhì)功能。在中草藥和中成藥的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的藥渣，由于藥渣主要成分是不溶性膳食纖維，故藥渣也是不溶性膳食纖維的優(yōu)質(zhì)原料，但相關(guān)研究報道較少。本文以爬山虎落葉為原料，研究提取多糖之后的殘渣中提取不溶性膳食纖維的提取工藝，為不溶性膳食纖維的原料來源開辟資源，也為中藥渣的有效利用開辟新領(lǐng)域。

一、材料與方法

（一）材料與儀器

試劑：無水乙醇，硫酸，硫酸亞鐵銨，重鉻酸鉀，均為分析純。

儀器：分析天平（精度0.1mg），超級恒溫水浴，循環(huán)水式真空泵，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DZTW調(diào)溫電熱套，篩子（80目），粉碎機（1000Y），離心機（L04-2）。

原料：纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為53.29%、18.52%、10.77%的爬山虎落葉。

（二）試驗方法

1、以處理后的落葉殘渣為原料提取不溶性膳食纖維。按照[15]對爬山虎粉末進行處理，按（爬山虎粉末5g 為原料）料液比1g:10mL加入3%氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)pH值至12后放入離心管離心，倒去上清液，將所得濾渣洗滌至中性；按（爬山虎粉末5g 為原料）料液比1g:2mL 的量加蒸餾水，用10%的鹽酸調(diào)節(jié)pH 值為1～2，送入水浴鍋加熱至60℃；按（爬山虎粉末5g 為原料）料液比1g：10mL 加入95%無水乙醇溶液，脫水，在室溫下，浸提5～6h；過濾，得濾渣；濾渣在110℃下干燥，恒重，得到不溶性膳食纖維提取物。按公式（1）計算爬山虎粉末中不溶性膳食纖維的提取率。

式中：m為不溶性膳食纖維提取物的質(zhì)量（g），s為爬山虎落葉粉末的質(zhì)量（g）。

2、測定不溶性膳食纖維的純度。取提取物粉末0.05～0.06g，數(shù)值記為n，加入10mL0.5N 的重鉻酸鉀溶液和8mL濃硫酸，攪勻，放入開水中15min，并定期攪拌。冷卻，放入錐形瓶中，用少許蒸餾水沖洗沉淀，滴入三滴亞鐵靈試劑，用0.1N的硫酸亞鐵銨溶液滴定，用去bmL，由黃綠色至紅褐色為終點。做一組對照試驗用0.1N 的硫酸亞鐵銨溶液單獨滴定加入8mL 濃硫酸和10mL0.5N 重鉻酸鉀溶液，用去amL。濾渣中提取物的純度計算公式：

式中：K為硫酸亞鐵銨濃度（mol/L），a為對照空白滴定所消耗硫酸亞鐵銨的體積（mL），b為樣品溶液所消耗硫酸亞鐵銨的體積（mL），n為提取物質(zhì)量（g），0.675為滴定系數(shù)。

3、提取率。

（三）響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝試驗設(shè)計

為了優(yōu)化爬山虎落葉中不溶性膳食纖維提取工藝實驗條件，以爬山虎落葉為原料，選取對不溶性膳食纖維提取率影響較為顯著的浸提溫度、浸提時間、浸提溶劑3個因素作為自變量，由單因素試驗確定3個單因素的水平，然后再以不溶性膳食纖維提取率作為響應(yīng)值，采取響應(yīng)面法來優(yōu)化提取工藝參數(shù)。利用Disign-Expert 軟件的Box-Behnken Design（BBD）對實驗數(shù)據(jù)進行分析。

二、結(jié)果與討論

（一）單因素對提取率的影響

浸提溫度、浸提時間及浸提溶劑乙醇濃度適宜的水平范圍結(jié)果見圖1。

圖1 浸提溫度、浸提時間及浸提劑乙醇濃度對不溶性膳食纖維提取率、純度、得率的影響

由圖1 可知，不溶性膳食纖維提取率隨浸提時間的延長、浸提劑乙醇含量的提高而提高，隨浸提溫度的升高而升高，在浸提溫度60℃時出現(xiàn)了極大值；提取率隨浸提時間的延長、浸提劑乙醇含量的提高而升高，在浸提時間60min、浸提劑乙醇含量95%時，提取率出現(xiàn)了極大值。

（二）響應(yīng)面法優(yōu)化試驗

采用Disign-Expert 8.0.6 軟件中的Box-Behnken Design（BBD）試驗設(shè)計方法設(shè)計了三因素共17個試驗點的響應(yīng)面試驗。根據(jù)提取溫度、浸提時間、乙醇濃度（體積比）3個單因素試驗結(jié)果進行組合優(yōu)化，其編碼取值見表1。

表1 Box-Behnken Design實驗因素和編碼取值

以提取溫度、浸提時間、乙醇濃度（體積比）3個單因素為自變量，爬山虎干葉不溶性膳食纖維提取得率（Y）為響應(yīng)值，擬合二次多項式回歸模型的Box-Behnken Design設(shè)計及試驗，結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken Design實驗設(shè)計與結(jié)果

（三）響應(yīng)面數(shù)據(jù)處理

1、數(shù)值模型的擬合與模型回歸分析。采用多元回歸分析，試驗?zāi)Ｐ突貧w方程方差分析結(jié)果見表3。建立二次回歸模型，得回歸方程為：

表3 回歸方程方差分析

從回歸方程的方差分析表3 可見，回歸模型的概率（Prob）=0.0002＜0.05，表示其響應(yīng)面回歸模型達到了極顯著水平，模型F 值為23.59，意味著該模型具有重要意義。模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.9681，表示用該回歸方程對實驗結(jié)果的處理是可靠的。表3 顯著性檢驗結(jié)果顯示A、B、C、BC、A2、B2、C2對不溶性膳食纖維的提取率影響顯著，其影響顯著大小依次為：B＞C＞A。

2、各因素交互影響。各因素交互影響的響應(yīng)面及其等高線如圖2所示，直觀地表達了爬山虎落葉不溶性膳食纖維提取的各因素對提取率的影響。

圖2 影響因素間交互作用的響應(yīng)面和等高線

圖2（a）-（b）顯示了提取溫度（A）和浸提時間（B）交互作用（AB）對不溶性膳食纖維提取率的影響。當(dāng)浸提時間（B）在40～80min，提取溫度（A）在50～60℃時，不溶性膳食纖維提取率隨提取溫度（A）的升高而增加；提取溫度（A）在60～70℃時，不溶性膳食纖維提取率隨提取溫度（A）的升高而降低。提取溫度在50-70℃，浸提時間（B）在40-67min時，浸提率隨浸提時間（B）的延長而提高，浸提時間（B）在67-80min 時，浸提率隨浸提時間（B）的延長而降低。通過觀察提取溫度和浸提時間交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出曲圖為開口向下的平滑曲面，曲面上存在最大響應(yīng)值。圖2（b）等高線圖可以看出，沿著浸提時間（B）方向等高線較密，提取溫度（A）等高線較疏，等高線越密集說明兩因素交互作用越顯著，越稀疏則相反。由圖2 可知，浸提時間（B）方向上等高線較為密集，變化更加顯著。在浸提時間（B）和提取溫度（A）交互影響作用中，對不溶性膳食纖維提取率的影響，浸提時間（B）＞提取溫度（A），表明浸提時間（B）占有主要作用。

通過觀察提取溫度和乙醇濃度交互作用的響應(yīng)面圖（圖2（c）-（d））以及浸提時間和乙醇濃度交互作用的響應(yīng)面圖（圖2（e）-（f）），曲圖皆為為開口向下的平滑曲面，存在最大響應(yīng)值。且轉(zhuǎn)換到等高線圖中看到曲線較密集，可以看出乙醇濃度的變化對不溶性膳食纖維的提取率影響很大，浸提時間和乙醇濃度的變化對不溶性膳食纖維的提取率影響也很大。

3、殘差的分布及優(yōu)化結(jié)果。圖3 展示了殘差的分布情況，圖中可看出殘差擬合曲線基本呈線性關(guān)系，故擬合模型內(nèi)部殘差呈正態(tài)分布。采用響應(yīng)曲面優(yōu)化，結(jié)合實際操作條件，對最優(yōu)結(jié)果保留整數(shù)部分，得到提取工藝條件為：提取溫度60℃、浸提時間73min、乙醇濃度（體積比）96%，不溶性膳食纖維提取率預(yù)測值為83.07%。

圖3 殘差的正態(tài)概率分布曲線

（四）響應(yīng)面模型預(yù)測驗證

在響應(yīng)面預(yù)測條件下：提取溫度60℃、提取時間73min、乙醇濃度（體積比）96%。按“（二）試驗方法”的操作步驟進行，混合均勻，放入60℃熱水中浸提73min，做五組平行實驗，提取率分別為80.98%、81.78%、81.91%、81.88%、80.95%，平均值為81.50%，與預(yù)測值的相對誤差為1.9%，實驗值與模型預(yù)測值擬合性良好。

三、結(jié)論

以纖維素為考察指標(biāo)，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用三因素三水平響應(yīng)面法優(yōu)化，對不溶性膳食纖維提取率影響顯著性因素由大到小依次為浸提時間、浸提劑乙醇濃度、浸提溫度。最佳提取工藝參數(shù)為：提取溫度60℃、浸提時間73min、乙醇濃度96%，纖維素提取率預(yù)測值為83.07%。