響應(yīng)面優(yōu)化西蘭花中水不溶膳食纖維的提取工藝
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盧忠英1，魯?shù)劳?，陳仕學(xué)1，姚元勇1，朱苗1，文靜2
1．銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院（銅仁554300）；2．畢節(jié)市植保植檢站（畢節(jié)551700）
摘要 以西蘭花作為材料，采用堿提法對(duì)水不溶膳食纖維進(jìn)行提取。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取液料比、堿濃度、浸提時(shí)間和浸提溫度為自變量，IDF提取率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究各自變量及其交互作用對(duì)IDF提取率的影響；結(jié)果表明：西蘭花IDF提取率的最佳提取工藝條件為液料比18：1(mL/g)，堿濃度0.15 mol/L，提取溫度35℃，提取時(shí)間74 min。西蘭花IDF提取率可達(dá)55.31%，與IDF的提取理論值比較，其相對(duì)誤差約為0.54%，且重復(fù)性也很好，說(shuō)明響應(yīng)面法建立的西蘭花IDF提取模型對(duì)西蘭花IDF提取具有穩(wěn)定可靠性，且提取的IDF持水力為2.853 g/g，溶脹度8.6 mL/g。
關(guān)鍵詞 西蘭花；水不溶膳食纖維；持水力；溶脹肚；響應(yīng)面
西蘭花（Brassica oleracea var．Italica），十字花科蕓苔屬甘藍(lán)變種，又名綠菜花、青花菜。西蘭花營(yíng)養(yǎng)豐富，主要成分含蛋白質(zhì)、多糖、脂肪、維生素和胡蘿卜素，營(yíng)養(yǎng)成份位居同類蔬菜之首，被譽(yù)為“蔬菜之王”。據(jù)報(bào)道，西蘭花具有防癌抗癌的功效，特別在防止胃癌、肝癌方面效果更佳。膳食纖維（Dietary fiber，DF）是指不被消化的多糖類碳水化合物和木質(zhì)素的總稱。根據(jù)溶解性不同可分兩類：水溶性膳食纖維( Soluble dietary fiber，SDF)和水不溶性膳食纖維( Insoluble dietary fiber，IDF) 。其中水不溶膳食纖維主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，其吸水性和膨脹性良好，能加速胃腸道蠕動(dòng)、對(duì)胃腸道毒素吸附作用顯著，并且能將其從體內(nèi)排出，并且具有預(yù)防便秘、結(jié)腸癌、高血壓、動(dòng)脈硬化等生理作用。IDF是西蘭花主要成分之一，試驗(yàn)以西蘭花為材料，在預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)之上采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)，響應(yīng)面法優(yōu)化了西蘭花IDF的提取條件，為西蘭花的開發(fā)利用提供理論參考。
1 材料與方法
1.1材料、儀器與設(shè)備
西蘭花：市售，洗凈切成條狀，自然晾干，于50℃烘箱中干燥，粉碎，過(guò)80目篩備用。H2O2:天津市永大化學(xué)試劑有限公司；乙酸乙酯：成都金山化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉成都金山化學(xué)試劑有限公司；鹽酸：成都金山化學(xué)試劑有限公司；試劑均為分析純。
DHG-9146型真空干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋：國(guó)華電器有限公司；FW80型萬(wàn)能粉碎機(jī)：北京科偉永興儀器有限公司；JJ-500精密電子天平：上海恒平科學(xué)儀器有限公司。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1工藝流程
1.2.2 IDF的提取操作要點(diǎn)
取一定量烘干的西蘭花樣品，室溫條件下用8-倍體積的乙酸乙酯浸泡2.5 h，用蒸餾水清洗殘留的有機(jī)溶劑至樣品無(wú)味，將其置于50℃的烘箱內(nèi)烘干，得脫脂樣品。取脫脂樣品提取SDF，過(guò)濾得濾渣，烘干后作為IDF的試驗(yàn)材料備用。將試驗(yàn)材料與Na OH液按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合，在一定溫度下水浴恒溫浸提一定時(shí)間；用鹽酸調(diào)pH至中性，加入10 m L 5% H2O2，在50℃恒溫水浴鍋中加熱脫色20 min;離心速率控制轉(zhuǎn)速3 500 r/min左右，離心分離20 min，棄去上清液；用一定量的無(wú)水乙醇反復(fù)洗滌IDF后，并將樣品置于60℃烘箱中烘干，平行試驗(yàn)3次，取平均值，計(jì)算IDF的提取率。
1.3 IDF性能測(cè)定
1.3.1持水力測(cè)定
準(zhǔn)確稱取IDF粉末1.000 g（m A），放人100 m L量筒中，加入20 m L蒸餾水飽和2h后，置于濾紙上，瀝干后將其轉(zhuǎn)移在培養(yǎng)皿中稱其質(zhì)量( m B，g)，重復(fù)3次，取平均值，計(jì)算IDF持水力(WHC)。
1.3.2溶脹度測(cè)定
準(zhǔn)確稱取IDF粉末1.000 g（m），置于10 m L量筒中，使表面平整，讀取IDF膨脹前體積(VA，m L)，將樣品轉(zhuǎn)入100 m L量筒中，加入蒸餾水50 m L，搖勻后在室溫下放置24 h，讀取液體中IDF體積(VBm L)，重復(fù)3次，取平均值，計(jì)算IDF溶脹度。
1.4試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.4.1西蘭花IDF提取單因素試驗(yàn)
設(shè)定液料比20：1（m L/g），提取溫度34 ℃，堿濃度0.15 mol/L，考察堿(Na OH)濃度0.05，0.10，0.15, 0.20和0.25 mol/L時(shí)對(duì)西蘭花IDF提取率的影響；設(shè)定液料比20：1(m L/g)，堿濃度0.15 mol/L，提取時(shí)間70 min，考察提取溫度在16 0C，25℃，34℃，43℃和52℃時(shí)對(duì)西蘭花IDF提取率的影響。
設(shè)定提取溫度34 0C，堿濃度0.15 mol/L，提取時(shí)間70 min，考察液料比為5:1，10：1，15：1，20：1和25：1(m L/g)時(shí)對(duì)西蘭花IDF提取率的影響；設(shè)定液料比20：1（m L/g），提取溫度34℃，堿濃度0.15mol/L，考察提取時(shí)間在20，45，70，95和120 min時(shí)對(duì)西蘭花IDF提取率的影響。
1.4.2響應(yīng)面試驗(yàn)
由單因素結(jié)果，依據(jù)Box-Behnken Design的中心組合設(shè)計(jì)原理。以液料比、堿濃度、提取溫度和提取時(shí)間為自變量，以西蘭花IDF提取率為響應(yīng)值，采取4因素3水平的響應(yīng)面分析方法求優(yōu)化工藝參數(shù)，試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。
1.5數(shù)據(jù)分析
單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2007分-析作圖。響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert V 8.0進(jìn)行分析處理和作圖。
2結(jié)果與分析
2.1單因素試驗(yàn)分析
2.1.1 液料比對(duì)西蘭花IDF提取率的影響
如圖1所示，當(dāng)液料比在5：1～15：1（m L/g）之間隨著液料比的增加，IDF提取率明顯升高，在15：1( m L/g)處達(dá)到最大，繼續(xù)增加液料比，IDF提取率顯著下降，分析可能是液料比較大時(shí)，部分裸露纖維素發(fā)生水解，從而導(dǎo)致提取率下降。因此，確定最佳液料比為15：1(m L/g)。
2.1.2堿濃度對(duì)西蘭花IDF提取率的影響
如圖2所示，堿濃度在0.05～0.15 mol/L時(shí)，堿濃度逐漸增大，IDF提取率顯著上升，在0.15 mol/L處達(dá)到最大值，繼續(xù)增加堿濃度，IDF提取率反而呈下降趨勢(shì)，原因是堿濃度過(guò)高可能導(dǎo)致半纖維素與纖維素之間的氫鍵破壞，引起纖維素降解。因此，確定最佳濃度為0.15 mol/L。
2.1.3提取溫度對(duì)西蘭花IDF提取率的影響
如圖3所示，當(dāng)提取溫度在16℃～34℃時(shí)，隨溫度升高IDF提取率顯著提高，當(dāng)超過(guò)34℃時(shí)，IDF提取率有下降趨勢(shì)，分析可能是溫度過(guò)高使纖維素和半纖維素之間的氫鍵遭破壞，加速纖維素的溶解。
2.1.4提取時(shí)間對(duì)西蘭花IDF提取率的影響
如圖4所示，提取時(shí)間在20～70 min之間，IDF提取率明顯上升，繼續(xù)延長(zhǎng)提取時(shí)間，IDF提取率有下降趨勢(shì)，分析可能是提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使產(chǎn)物、原材料及堿液混合黏稠降低纖維素的溶出。因此，確定最佳時(shí)間為70 min。
2.2響應(yīng)面優(yōu)化提取IDF
2.2.1響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果
根據(jù)單因素試驗(yàn)，選取各因素的最佳試驗(yàn)范圍，以液料比(A)、堿濃度(B)、提取溫度(C)和提取時(shí)間(D)為自變量，以西蘭花IDF提取率(Y)為響應(yīng)值。響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果、響應(yīng)面方差分析結(jié)果見(jiàn)表2和3。
2.2.2響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析
經(jīng)回歸擬合后，由響應(yīng)面分析法得出關(guān)于西蘭花IDF提取率的二次回歸擬合方程：IDF提取率=
對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析可得方差分析，見(jiàn)表3。由表3可知，回歸方程失擬檢驗(yàn)p>0.05，差異不顯著，說(shuō)明未知因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果干擾很��；回歸方程擬合檢驗(yàn)p <0.000 1，差異極顯著，說(shuō)明模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值非常吻合，模型成立。因此，該回歸方程可以較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系，可以用其確定最佳提取工藝條件。此外，各因素中一次項(xiàng)A、B、C和D及二次項(xiàng)A2、B2、C2和D2對(duì)IDF提取率均表現(xiàn)出了差異顯著水平，AD、BC、BD和CD交互作用的影響差異顯著(p<0.05)，AB、AC交互作用差異不顯著。影響西蘭花IDF提取率的主次因素為C>B>D>A，即提取溫度>堿濃度>提取時(shí)間>液料比。
2.2.3各交互項(xiàng)對(duì)IDF提取率影響的分析
為考察各交互項(xiàng)對(duì)IDF提取率的影響，對(duì)各響應(yīng)面三維圖進(jìn)行分析。由圖5可直觀觀察各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，其中AD的響應(yīng)面曲線陡峭，對(duì)IDF提取率影響顯著，BC、BD和CD的響應(yīng)面曲線較陡，對(duì)IDF提取率影響僅次于AD曲線，AB和AC響應(yīng)面曲線較平緩，對(duì)IDF提取率影響不顯著，與方差分析一致。
2.2.4最優(yōu)條件的確定及驗(yàn)證試驗(yàn)
根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析，得到影響西蘭花IDF提取率的最佳條件為：液料比18.32：1(m L/g)，堿濃度0.15 mol/L，提取溫度34.89 0C，提取時(shí)間73.52 min，實(shí)際測(cè)得西蘭花IDF提取率55.61%。為檢驗(yàn)響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果的可靠性，分別取各因素的整數(shù)值，液料比18：1（m L/g），堿濃度0.15 mol/L，提取溫度35 0C，提取時(shí)間74 min。在此最優(yōu)條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，西蘭花IDF提取率可達(dá)55.31%，與IDF的提取理論值比較，其相對(duì)誤差約為0.54%，且重復(fù)性也很好，因此該優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。
2.3 IDF性能測(cè)定結(jié)果
2.3.1 IDF持水力
根據(jù)1.3.1測(cè)定方法，代入公式可得出西蘭花IDF持水力為2.853 g/g，如表4。
2.3.2 IDF溶脹度
根據(jù)1.3.2測(cè)定方法，代入公式可得西蘭花IDF溶脹度8.6 m/g，如表5。
3結(jié)論
采用響應(yīng)面優(yōu)化堿提取法提取西蘭花中IDF，結(jié)果表明：西蘭花IDF提取率的最佳提取工藝條件為液料比18：1（m L/g），堿濃度0.15 mol/L，提取溫度35 0C，提取時(shí)間74 min。西蘭花IDF提取率可達(dá)55.31%，與IDF的提取理論值比較，其相對(duì)誤差約為0.54%．且重復(fù)性也很好，說(shuō)明響應(yīng)面法建立的西蘭花IDF提取l莫型對(duì)西蘭花IDF提取具有穩(wěn)定可靠性，且提取的IDF持水力為2.853 g/g，溶脹度8.6 m L/g。
