响应面优化微波辅助提取豆渣水溶性膳食纤维

李甜甜，李保国，郭雯丽，黄海欣

（上海理工大学食品科学与工程研究所，上海200093）

膳食纤维作为七大营养素之一，根据其溶解性可分为不溶性膳食纤维（IDF）和水溶性膳食纤维（SDF），其中水溶性膳食纤维约占膳食纤维总量的2%～3%，主要包含果胶等亲水胶体和部分半纤维素，可减少血液中的胆固醇、调节血糖水平并降低心脏病风险，可有效清除有害物质，防治胆结石以及结肠癌，在许多方面具有比不溶性膳食纤维更强的生理功能[1-3]。传统豆渣水溶性膳食纤维提取工艺包括粗分离法，化学提取法（酸、碱法）。这些方法提取纯度不高，不能得到高活性的水溶性膳食纤维且容易造成环境污染。目前国内外普遍采用生物技术方法（酶法、发酵法）、物理法（机械降解处理法）提取高活性的膳食纤维[4]。

微波加热能够透射到生物组织内部偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质到达物料内部的微管束和腺胞系统的过程。由于吸收了微波能，细胞内部的压力超过了细胞壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂，其内的有效成分自有留出。细胞破碎后，可以用乙醇沉降水溶性膳食纤维，从而提高膳食纤维的提取率[6-7]。近年来，微波技术广泛用于食品工业，具有选择性强、操作时间短等特点，本文将在高压预处理基础上，采取微波辅助酶法提取豆渣水溶性膳食纤维。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜豆渣：上海清美绿色食品有限公司提供；95%乙醇（分析纯）、氢氧化钠、乙醇、盐酸：国药集团化学试剂有限公司；复合纤维素酶：杰诺生物酶有限公司。

1.2 仪器和设备

电热鼓风干燥箱：上海市实验仪器总厂；高速粉碎机：北京燕山正德机械设备有限公司；MM721NG1-PW微波炉：美的电器有限公司；TDZ4-WS离心机：上海卢湘仪有限公司；JJ-500精密电子天平：上海恒平科学仪器有限公司；pHS-25型数显pH计：上海精密科学仪器有限公司；恒温水浴锅HH-6：苏州威尔实验用品有限公司；Avanti J-20XP高速冷冻离心机：美国贝克曼库尔特有限公司。

1.3 方法

1.3.1 提取工艺

样品干燥粉碎→蛋白酶→灭酶→加压→微波，复合纤维素酶→水浴酶解→灭酶→浓缩→离心过滤→醇提→离心过滤→SDF

1.3.2 豆渣水溶性膳食纤维含量的测定

取2 g豆渣样品，加水50 mL，在高压灭菌锅中进行加压预处理3.5 h，在60℃下恒温水浴；加纤维素酶在一定pH的缓冲液中微波辅助酶解；合并提取上清液并在8 000 r/min转速下离心10 min，加入4倍体积的95%乙醇对滤液进行沉淀，离心收集醇提取物，真空干燥箱干燥至质量恒定即得到SDF产品。

豆渣水溶性膳食纤维产率=（提取的膳食纤维质量/豆渣质量）×100%

1.4 试验设计

1.4.1 单因素试验

选酶添加量、酶解时间、微波功率、pH等因素，在温度为50℃下进行膳食纤维制备单因素实验。

1.4.2 响应面试验

依据单因素实验结果，进行响应面法Box-Behnken Design实验设计。以微波功率、酶解时间、pH、加酶量为独立变量（A、B、C、D），以 SDF 得率为响应值，实验因素水平设计见表1。

1.4.3 数据处理

采用Design-Expert.V8.0.5对实验数据进行回归分析并绘制响应曲面。

表1 响应面因素水平编码表Table 1 Factors and levels for Box-Behnken experiment

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 微波功率、酶解时间对提取SDF得率的影响

选取不同的微波功率提取提取SDF，结果如图1所示。

图1 微波功率与SDF得率的关系Fig.1 Relation of microwave power and SDF extraction rate

由图1可以看出，随着微波功率的逐渐升高，微波辅助酶法提取SDF得率呈增长趋势。当微波功率超过500 W后，微波辅助酶法提取SDF得率反而下降。这可能是因为微波功率过高，影响了纤维素酶活性。因此微波辅助酶法提取SDF微波功率应控制在500 W左右最为适宜。

分别在不同酶解时间考察提取SDF的得率，结果如图2所示。

图2 酶解时间与SDF得率的关系Fig.2 Relation of enzymatic hydrolysis time and SDF extraction rate

在设定时间0.5 h～3 h范围内，随着酶解时间的延长，超声波辅助酶法提取SDF得率呈上升趋势（图2）。分析认为提取0.5 h～1.5 h，由于酶解时间过短，微波辅助酶法提取SDF没有完全被提取，因此微波辅助酶法提取SDF得率变化不明显；提取1.5 h～2 h，随着时间延长，大部分SDF逐渐被提取出来，微波辅助酶法提取SDF得率显著上升；在提取2 h以后，由于大部分SDF已被提取出，而且长时间的提取导致大量的杂质溶出，影响微波辅助酶法提取SDF得率，因此酶解时间应控制在2 h左右最为适宜。

2.1.2 pH、纤维素酶添加量对提取SDF得率的影响

选取不同的pH提取提取SDF，结果如图3所示。

图3 pH与SDF得率的关系Fig.3 Relation of pH and SDF extraction rate

由图3看出，随着pH的上升，微波辅助酶法提取SDF得率呈增长趋势；在pH增至5以后，微波辅助酶法提取SDF得率有所下降，这可能因为随着pH的增大，影响了纤维素酶活性，因此pH应控制在5左右最为适宜。

选取不同纤维素酶添加量提取SDF，结果如图4所示。

图4 纤维素酶添加量对SDF得率的关系Fig.4 Relation of amount of cellulose enzyme and SDF extraction rate

研究表明，纤维素酶添加量在0.7%时，微波辅助酶法提取SDF得率达到39.3%，在纤维素酶添加量增至0.7%以后，微波辅助酶法提取SDF得率反而下降，这可能因为随着纤维素酶添加量增加，不溶性膳食纤维降解为多糖和单糖，在乙醇沉淀时，不能被沉淀下来，使得SDF得率下降。因此纤维素酶添加量应控制在0.7%左右最为适宜。

2.2 微波辅助酶法提取SDF工艺条件优化

2.2.1 响应面试验设计及结果

根据单因素试验，选取显著因素的最优试验范围，以微波辅助酶法提取SDF得率为优化指标，对微波辅助酶法提取SDF得率工艺条件进行响应面分析，从而优化其最佳工艺。试验结果、回归方程图及响应面方差分析结果见表2、表3。

表2 微波辅助酶法提取SDF设计试验及结果Table 2 Test design and results of SDF extraction by microwave assisted enzymatic

表3 回归方程各项的方差分析Table 3 The variance analysis of regression equation

2.2.2 响应面试验结果分析

根据微波辅助酶法提取SDF的试验结果，由响应面分析法得出关于微波辅助酶法提取SDF得率的二次回归拟合方程：

SDF得率（%）=39.27-4.01A+3.42B-1.26C-2.41D-0.95AB+3.51AC+5.18AD+1.79BC-7.63BD+2.44CD-3.54 A2-2.83B2-2.42C2-3.11D2（式中：A为微波功率；B为酶解时间；C为pH；D为纤维素酶添加量），对该方程的回归分析和方差分析如表3所示。

对微波辅助酶法提取SDF的试验结果进行多元回归分析，由回归方程各项的方差分析结果（表3）可以看出，Model的 F 值为 29 989.13，P 值为＜0.000 1，表明Model极显著，同时A-微波功率、B-酶解时间、C-pH、D-纤维素酶添加量四个因素都是显著因素，A-微波功率与B-酶解时间、C-pH、D-纤维素酶添加量的交互作用都显著，B-酶解时间与C-pH、D-纤维素酶添加量的交互作用也都显著，C-pH与D-纤维素酶添加量的交互作用也显著。而失拟项的F值为1.51，P值为0.3251，说明了该模型与微波辅助酶法提取SDF实际情况拟合程度比较好，可以预测微波辅助酶法提取SDF最佳提取条件。根据回归分析结果（表3），做出相应曲面图。

图5、图6、图7和图9的响应面坡度较为陡峭，表明微波功率与酶解时间交互作用、微波功率与纤维素酶添加量交互作用、微波功率与pH交互作用、酶解时间与纤维素酶添加量交互作用对SDF得率影响比较大，SDF得率对其改变较为敏感，图8和图10的响应面则较为平缓，说明酶解时间与pH交互作用、pH与纤维素酶添加量交互作用对SDF得率的影响一般。

用Design Expert8.05软件对回归模型进行分析后，得出微波辅助酶法提取SDF最佳工艺条件，即微波功率为519.28 W，酶解时间为2.48 h，pH为4.55，纤维素酶添加量为0.55%，SDF的提取理论值是39.9%。

为检验响应面优化结果的可靠性，采用微波功率为519.28 W，酶解时间为2.48 h，pH为4.55，纤维素酶添加量为0.55%的条件对SDF进行提取，实际测得的豆SDF的提取率为39.7%，其相对误差小于0.2%，因此该优化提取工艺参数准确可靠。

图5 微波功率与酶解时间对SDF得率影响Fig.5 Influence of microwave power and enzymatic hydrolysis time interaction on SDF extraction rate

图6 微波功率与pH对SDF得率影响Fig.6 Influence of microwave power and pH interaction on SDF extraction rate

图7 微波功率与纤维素酶添加量对SDF得率影响Fig.7 Influence of microwave power and amount of cellulose enzyme interaction on SDF extraction rate

图8 酶解时间与pH对SDF得率影响Fig.8 Influence of enzymatic hydrolysis time and pH interaction on SDF extraction rate

图9 酶解时间与纤维素酶添加量对SDF得率影响Fig.9 Influence of enzymatic hydrolysis time and amount of cellulose enzyme interaction on SDF extraction rate

微波辅助酶法主要是通过微波炉产生的高频电磁波穿透萃取介质到达豆渣细胞内部，待豆渣细胞吸收一定的微波能后，细胞内部的温度逐渐上升，最终使细胞内部的压力超过细胞膜、细胞壁所能承受的压力，从而使豆渣细胞胀破，产生微小的裂纹和孔洞，而细胞外的溶剂就能够从这些细微的孔洞和裂纹中进入到细胞内，溶剂可以溶解并释放更多的胞内SDF，同时微波产生的电磁场可以加速SDF分子向外扩散的速率，使SDF分子更多的溶解在溶剂中。

图10 pH与纤维素酶添加量对SDF得率影响Fig.10 Influence of pH and amount of cellulose enzyme interaction on SDF extraction rate

3 结论

从影响SDF得率的主要因素：超声波功率、酶解时间、pH和纤维素酶添加量入手，通过单因素实验确定各自变量及相关水平，在此基础上进行中心组合旋转实验设计，并采用响应面法微波辅助酶法提取SDF的条件进行优化：在微波功率约519.28 W，pH 4.55，加酶量0.55%，提取时间为2.48 h，得到的SDF最大提取率为39.9%，与预测值39.9%相比其相对误差为0.2%，最优提取工艺准确可靠。与传统方法提取豆渣水溶性膳食纤维相比，SDF得率有了明显提高，其工艺参数可供生产应用参考。

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