响应面法优化纤维素酶提取苹果渣中水溶性膳食纤维

牟建楼，王 颉*，孙剑锋

(河北农业大学食品学院，河北 保定 071000)

响应面法优化纤维素酶提取苹果渣中水溶性膳食纤维

牟建楼，王 颉*，孙剑锋

(河北农业大学食品学院，河北 保定 071000)

以苹果渣为原料，研究纤维素酶作用提取苹果渣中水溶性膳食纤维，通过单因素试验和响应面优化试验确定适宜的提取条件。结果表明：在纤维素酶用量0.67%、缓冲液pH5.55、酶解时间1.90h、酶解温度45℃条件下，水溶性膳食纤维提取率最高，为17.50%。

苹果渣；纤维素酶；水溶性膳食纤维；响应面

我国是世界上最大的苹果生产国，苹果渣是苹果加工厂的副产物，大部分作为废弃物丢弃，严重地污染了环境，而且还造成极大的资源浪费，苹果渣含有24%的粗纤维[1]。若将苹果渣中的纤维提取，可以提高产品的附加值。

水溶性纤维(soluble dietary fiber，SDF)是膳食纤维中具有重要生理功能的组分，水溶性膳食纤维对人体具有多种营养保健功能，而且有利于人体的消化吸收。水溶性膳食纤维的提取方法主要是化学法[2-7]，酸、碱对膳食纤维尤其是水溶性膳食纤维的破坏较大，产品品质较差，而且环境污染大。物理法[8-9]和酶法[10-11]报道比较少，酶法应用于苹果渣水溶性膳食纤维提取未见报道。

本实验以纤维素酶提取苹果渣中水溶性膳食纤维，通过响应面分析方法得到酶法提取的最佳工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苹果渣 河南灵宝饲料有限公司；无水乙醇、醋酸钠、冰醋酸(均为分析纯) 天津天大化工实验厂；纤维素酶(10000U/g) 北京奥博星公司。

1.2 仪器与设备

电子天平、PB-20酸度计 北京赛多利斯仪器有限公司；水浴锅 上海东星建材试验设备有限公司；QE-200g中药粉碎机 武义县屹立工具有限公司；DL-101-2电热鼓风干燥箱 天津市中环实验电炉有限公司；标准检验筛(40目) 浙江上虞市华丰五金仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程及操作要点

工艺流程：苹果渣粉碎→过筛→酶解→过滤→醇沉→过滤→干燥→成品。

操作要点：将苹果渣粉碎后，过40目筛，待用。准确称取10.0g，按1:20加入一定pH值的醋酸盐缓冲液，在一定温度下加入适量纤维素酶，酶解一段时间后，在80℃条件下保温10min灭活。滤液冷却后加入四倍体积的无水乙醇，60℃醇沉1h，抽滤得到沉淀物，在干燥箱中干燥，得苹果渣水溶性膳食纤维，称质量计算得率。

1.3.2 苹果渣水溶性膳食纤维提取单因素试验

称取10.0g苹果渣，按料液比1:20加入一定pH值的醋酸盐缓冲液，在一定温度条件下加入一定量的纤维素酶酶解一定时间，然后按照1.3.1节要点操作计算得率。各因素水平为：加酶量0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%；pH3.5、4.0、4.5、5.0、5.5；酶解时间0.5、1.0、1.5、2.0、2.5h；酶解温度40、45、50、55、60℃。每个试验重复3次。

1.3.3 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，以加酶量、pH值、酶解时间，酶解温度为试验因素，水溶性膳食纤维得率为响应值，进行响应面优化试验。采用Design Expert 7.12统计软件，进行Box-Behnken设计及响应面分析试验。试验因素水平表见表1。

表1 Box-Behnken中心组合设计因素及水平表Table 1 Factors and levels of Box-Behnken design

1.4 结果统计分析方法

单因素试验使用SPSS11.0软件进行统计分析。响应面试验采用Design Expert7.12统计软件，进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 纤维素酶加酶量对SDF得率的影响

图1 纤维素酶加酶量对SDF得率的影响Fig.1 Effect of enzyme concentration on SDF yield

由图1可见，随着加酶量的增加，水溶性膳食纤维得率逐渐增加，当加酶量达到0.6%时其得率最高达14.76%，随着加酶量的进一步的增加得率反而减少。因为苹果渣内含有大量不溶性纤维，加酶量过低，不溶性纤维水解不完全，而加酶量过高，使膳食纤维中可溶性纤维素分解，造成提取率降低，这是由于适量的纤维素酶可以使一部分水不溶性半纤维素变成可溶的半纤维素，以及一些不溶性膳食纤维转变成可溶性的葡聚糖，提高SDF含量。当酶的加入量超过一定值时，可溶性的膳食纤维进一步降解，生成分子质量更低的小分子多糖、低聚糖或者单糖，无法被乙醇沉淀，使得SDF得率反而有所降低。0.6%加酶量的处理组纤维素得率明显高于其他处理组(P＜0.05)。

2.1.2 溶液pH值对SDF得率的影响

图2 缓冲液pH值对SDF得率的影响Fig.2 Effect of pH on SDF yield

由图2可以看出， pH 值由4.0 上升到5.0 SDF得率迅速增加，在pH5.0时，SDF得率达到最高(P＜0.05)，所以选pH5.0的缓冲液作为提取缓冲液。

2.1.3 酶解时间对SDF得率的影响

图3 酶解时间对SDF得率的影响Fig.3 Effect of extraction time on SDF yield

由图3可知，随着酶解时间的延长，膳食纤维的提取率逐渐增加，当酶解时间在2h以后，得率基本不变，处理2h与处理2.5h膳食纤维的提取率差异不显著(P＞0.05)，这两个处理的得率明显高于其他处理(P＜0.05)，从提取效率和生产成本考虑，选择酶解时间在2h为宜。

2.1.4 酶解温度对SDF得率的影响

图4 温度对得率的影响Fig.4 Effect of temperature on SDF yield

由图4可知，在未达到酶的最适宜温度的时候，随着温度的升高，膳食纤维的提取率明显增加，当温度达到55℃时，提取率达到最高，膳食纤维的提取率与其他4个处理有显著差异(P＜0.05)，所以选55℃为纤维素酶酶解的适宜温度。

2.2 响应面分析结果

2.2.1 响应面法的试验结果及方差分析

表2 苹果渣SDF提取响应面试验设计方案及结果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

响应面试验设计及结果见表2，利用Design Expert 7.12对表2中的试验数据进行多元回归拟合及对模型进行方差分析，分析结果如表3所示。

表3 响应面试验结果方差分析Table 3 Variance analysis for the fitted regression equation

由表3可知，失拟项不显著(P＝0.1318＞0.05)，而模型的P值为0.0005，小于0.01，表明模型极显著，模型的确定系数R2＝0.90，模型调整确定系数R2Adj＝0.80，表明模型拟合度较好，能较好地反映各因素与响应值变化的关系，可用于预测可溶性膳食纤维得率的实际情况。从表3还可以看出，一次项(X1、X4)对结果影响显著(P＜0.05)、一次项(X2)、交互项(X3X4)和二次项(X12、X22、X32)对结果影响极显著(P ＜ 0.01)， X3、X42和交互项(X1X2、X1X3、X1X4、X2X3、X2X4)对结果影响不显著(P＞0.05)。因此去除交互项X1X2、X1X3、X1X4、X2X3和X2X4，得到SDF得率对加酶量(X1)、pH(X2)、酶解时间(X3)、酶解温度(X4)的回归模型为：

利用Design Expert软件对表2数据进行二次多元回归，拟合得到二次回归方程的响应曲面及其等高线。提取温度和提取时间对SDF得率的影响见图5。由图5可见，提取时间保持不变，随着提取温度的增加，SDF得率呈现逐渐降低的趋势；当提取温度一定时，随着提取时间的延长，SDF得率呈现先升高后降低的趋势。在较低温度水平下，控制提取时间有利于SDF得率的增加。

图5 酶解温度与酶解时间等高线及响应面图Fig.5 Response surface and contour plots for the interactive effects of extraction temperature and time on SDF yield

根据得到的多项式回归方程，利用Design Expert软件对响应面立体图进行分析，对优化后的回归方程进行求解，得出水溶性膳食纤维提取最优酶解条件为：加酶量0.67%、缓冲液pH5.55、作用时间1.90h、反应温度45.00℃，模型预测的得率是17.59%。

2.2.2 提取工艺验证实验

为了验证模型方程的适用性与可靠性，采用上述最佳工艺条件进行膳食纤维提取实验，重复3次，结果表明，在此条件下，膳食纤维平均提取率为17.50%，与预测值基本相符，可见该模型能较好地预测实际可溶性膳食纤维的提取情况。

3 结 论

纤维素酶法提取苹果渣中水溶性膳食纤维，纤维素酶可以酶解不溶性纤维素得到半纤维素、聚葡萄糖等可溶性多糖，同时大分子被分解后，使可溶性的分子较小的膳食纤维得到释放。由于这两方面的作用，使酶法提取效率更高。

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Response Surface Methodology for Extraction Optimization of Water Soluble Dietary Fiber from Apple Pomace Using Cellulase

MU Jian-lou，WANG Jie*，SUN Jian-feng
(College of Food Science and Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China)

One-factor-at-a-time method and response surface methodology were used to optimize the enzymatic extraction of water soluble dietary fiber from apple pomace with cellulase. The highest extraction rate of water soluble dietary fiber, 17.50%,was obtained under the conditions: enzyme dose 0.67%, buffer pH 5.55, hydrolysis time 1.90 h, and temperature 45 ℃.

apple pomace；cellulase；soluble dietary fiber (SDF)；response surface analysis

TS255.36

A

1002-6630(2012)08-0095-04

2011-04-02

河北省科技计划项目(11221004D)

牟建楼(1973—)，女，讲师，硕士，研究方向为农产品加工及贮藏。E-mail：jianloumu2005@yahoo.com.cn

*通信作者：王颉(1959—)，男，教授，博士，研究方向为农产品加工及贮藏。E-mail：wj591010@163.com