响应面优化火龙果皮中水不溶性膳食纤维提取工艺

刘倩倩

(菏泽学院药物科学与技术系,山东菏泽 274015)

响应面优化火龙果皮中水不溶性膳食纤维提取工艺

刘倩倩

(菏泽学院药物科学与技术系,山东菏泽 274015)

以火龙果皮为原料,采用酸碱结合法提取水不溶性膳食纤维(IDF),通过单因素实验和响应面分析,探讨NaOH质量分数、碱提时间、碱提温度、碱提液料比、酸提温度、酸提时间、酸提液料比七个因素对火龙果皮中水不溶性膳食纤维得率和纯度的影响,并对提取工艺条件进行优化。结果表明,酸碱结合法提取火龙果IDF的最佳工艺条件为NaOH质量分数4.3%、碱提温度46.5 ℃、碱提时间60 min、碱提液料比15∶1(mL/g)、酸提温度77.4 ℃、酸提时间1.5 h、酸提液料比15∶1(mL/g),在此工艺条件下,IDF得率30.29%,纯度达到94.78%,表明该工艺可行。

火龙果皮,水不溶性膳食纤维,响应面分析

火龙果(pitaya)又名红龙果,目前在我国广西、广东、海南、福建等省区都有种植。火龙果果皮中含有丰富的膳食纤维,但是在食用和工业加工过程中,果皮常被丢弃,造成大量资源的损失[1-2]。研究表明:火龙果皮中膳食纤维含量大约在75%左右,其中水不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber,IDF)占45%左右[3-5]。膳食纤维有良好的生理保健功能,对人类健康有着积极的作用,能够有效降低糖尿病、心脑血管疾病等疾病的发病率;同时还可以改善胃肠道环境,缓解便秘,改善食品的品质和特性[6-7]。近年来,膳食纤维独特的保健作用受到人们的青睐。膳食纤维的提取方法主要有化学法、酶法、生物法等,于丽娜等[8]采用酸碱结合法提取花生壳中水不溶性膳食纤维,IDF提取率86.44%;杜彬等[9]采用酸法提取葡萄皮渣中可溶性膳食纤维,得率为47.56 mg/g;李可等[10]采用碱性蛋白酶水解提取亚麻籽粕不溶性膳食纤维,提取率为52.05%;丁晨阳等[11]采用酸水解法从苹果渣中提取可溶性膳食纤维,提取率可达到17.68%;李加兴等[12]采用碱水解法提取膳食纤维,水不溶性膳食纤维的提取率56.89%、纯度达到92.74%;宋燕[13]采用化学法提取火龙果果皮可溶性膳食纤维,提取率为14.07%。本研究采用酸碱结合的方法来提取火龙果皮中IDF,并采用响应面优化提取工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

火龙果(红皮白肉) 购于菏泽农贸市场,去果肉留果皮,将果皮洗干净切块后,放置烘箱中,65 ℃烘干粉碎后备用。浓盐酸、无水乙醇、NaOH(均为分析纯)。

GZX-DH电热恒温鼓风干燥箱 上海跃进医疗器械厂;TU-1810型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;SHZ-D(Ⅲ)循环水真空泵 巩义市予华仪器有限公司;Sartorius CP225D 型电子天平 德国;HH601电热恒温水浴锅 常州亚特实验仪器有限公司;DZF-6050 型真空干燥箱 上海捷呈实验仪器有限公司;TG16G台式高速离心机 金坛市三和仪器有限公司;FW-100型高速万能粉碎机 上海星尧科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 IDF提取工艺流程 火龙果皮→温水浸泡→碱液浸提→抽滤、蒸馏水洗涤中性→取滤渣进行酸浸提→抽滤、蒸馏水洗涤中性→滤渣→烘干→分析产品中IDF含量

1.2.2 单因素实验 单因素实验考察NaOH质量分数(1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%)、碱提液料比(5∶1、8∶1、11∶1、14∶1、17∶1、20∶1、23∶1、26∶1)、碱提温度(30、40、50、60、70、80、90 ℃)、碱提时间(30、50、60、70、80、90 min)、酸提时间(0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5 h)、酸提温度(40、50、60、70、80、90 ℃)、酸提液料比(5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1)7个因素对IDF得率和纯度的影响。实验原料为10 g火龙果皮,碱提液料比15∶1,NaOH质量分数为3%、40 ℃恒温水浴中振荡60 min,抽滤并洗涤至中性后,加入150 mL pH=2的HCl溶液,在80 ℃下提取90 min。

1.2.3 响应面优化实验 为了考察各因素间的交互作用并得到最佳的IDF提取工艺条件,在单因素实验结果的基础上,采用Design-Expert软件,以A代表NaOH的质量分数,B代表碱提温度,C代表碱提时间,D代表酸提温度,Y1代表IDF得率、Y2代表IDF纯度作为响应指标,由Box-Behnken中心组合进行四因素三水平优化实验。实验因素设计水平见表1。

表1 响应面的因素水平表

1.2.4 IDF得率的计算

IDF得率(%)=m1/M×100

其中:m1-提取物恒重后的质量(g);M-原料火龙果皮的质量(g)。

1.2.5 IDF纯度的计算

IDF纯度(%)=m2/m1×100

其中:m2-提取物中IDF的质量(g)。

1.2.6 水不溶性膳食纤维的测定方法 按照GB/T 5009.88-2008《食品中膳食纤维的测定》方法进行检测。

1.2.7 数据分析方法 单因素实验所得数据采用excel软件处理进行显著性分析,并在图上添加S.E误差线,响应面优化实验所得数据采用Design-Expert 8.0软件进行方差和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 碱提液料比对IDF提取的影响 由图1可以看出:碱提液料比对IDF的提取影响较小,随着液料比的增加得率先平缓上升后稍有下降,而纯度也平缓上升,可能是因为NaOH用量较大时,碱溶性杂质也随着IDF溶解出来。综合考虑,液料比选择15左右较为合适。经显著性分析得碱提液料比对得率和纯度的影响不显著(p>0.05),故该因素不作为响应面优化实验的因素。

图1 碱提液料比对IDF提取的影响Fig.1 Effect of alkaline extraction liquid tomaterial ratio on the extraction of IDF

2.1.2 碱提温度对IDF提取的影响 由图2可以看出:随着碱提温度的升高IDF得率先上升后急剧下降,IDF纯度先提高后下降,当温度超过50 ℃,NaOH对纤维素和半纤维素的破坏能力逐渐增强,导致IDF的得率逐渐降低,同时溶解更多的碱溶性杂质,使得IDF的纯度降低。综合考虑得率和纯度,选择温度50 ℃左右较为适宜。

图2 碱提温度对IDF提取的影响Fig.2 Effect of alkaline extraction temperatureon the extraction of IDF

2.1.3 碱提时间对IDF提取的影响 由图3可以看出,随着碱提时间的增加IDF得率先增加后下降,可能因为碱提时间过长,碱溶性物质溶出较多,而IDF中部分纤维素物质也会溶解,造成纯度下降,综合考虑,选择50 min左右较为适宜。

图3 碱提时间对IDF提取的影响Fig.3 Effect of alkaline extraction timeon the extraction of IDF

2.1.4 NaOH的质量分数对IDF提取的影响 由图4可以看出,随着NaOH的质量分数增加IDF得率先增加后下降,碱液浓度过高,纤维素与碱液发生反应使纤维素结构发生破坏,使得IDF得率下降;综合考虑,选择4%左右较为适宜。

图4 NaOH的质量分数对IDF提取的影响Fig.4 Effect of NaOH concentrationon the extraction of IDF

2.1.5 酸提时间对IDF提取的影响 由图5可以看出:随着时间的增加IDF得率先平缓上升后稍有下降,而纯度也平缓上升,HCl主要除去淀粉等杂质,但是火龙果皮中淀粉含量较少,故酸提时间对IDF的提取影响较小,综合考虑,酸提时间选择1.5 h左右较为合适。经显著性分析得酸提时间对得率和纯度的影响不显著(p>0.05),故该因素不作为响应面优化实验的因素。

图5 酸提时间对IDF提取的影响Fig.5 Effect of acid extraction timeon the extraction of IDF

2.1.6 酸提温度对SDF提取的影响 由图6可以看出:随着酸提温度的升高IDF得率和纯度曲线都呈现先上升后下降的趋势,因为酸提温度过高,会破坏IDF中部分纤维素结构,使纯度下降,同时淀粉等杂质溶解较多,导致IDF得率有所下降。综合考虑,选择70 ℃左右较为适宜。

图6 酸提温度对IDF提取的影响Fig.6 Effect of acid extraction temperatureon the extraction of IDF

2.1.7 酸提液料比对IDF提取的影响 由图7可以看出:酸提液料比对IDF提取的影响较小,随着液料比的增加IDF得率平缓的上升和下降。而纯度会有所上升,考虑原料与HCl溶液的用量,选取15∶1左右作为最佳的酸提液料比。经显著性分析得酸提液料比对得率和纯度的影响不显著(p>0.05),故该因素不作为响应面优化实验的因素。

图7 酸提液料比对IDF提取的影响Fig.7 Effect of acid extraction liquidto material ratio on the extraction of IDF

2.2 响应面优化提取条件的优化

2.2.1 响应面实验设计及结果 根据Box-Behnken中心组合实验设计原理,综合分析单因素实验,确定碱提液料比15∶1,酸提时间1.5 h,酸提液料比15∶1,选取对IDF得率和纯度影响较大的4个因素(NaOH的质量分数、碱提温度、碱提时间、酸提温度)设计了四因素三水平的响应面分析实验。实验分析结果见表2～表4。

对表2、表3结果进行统计分析,得出二次多项回归模型方程如下:

Y1=24.19+1.27A+1.02B+1.52C+1.17D-0.72AB-0.47AC-0.45AD-1.07BC-0.71BD-0.37CD+0.61A2+1.81B2+1.92C2+1.39D2

Y2=94.69+1.07A+1.12B+1.43C+1.13D-0.98AB-0.72AC-0.36AD-1.07BC-0.89BD-0.36CD-2.21A2-0.79B2-0.96C2-1.35D2

表3 IDF得率的回归模型的方差分析及显著性检验

表2 Box-Behnken中心组合实验设计及实验结果

从表3结果分析可知,该数学模型p值<0.0001,说明该模型极其显著,各因素的一次项A、B、C、D是极其显著的,二次项A2、B2、C2、D2是极其显著的,交互项BC影响极其显著,AB、AC、CD影响显著,线性方程的相关系数R2(0.9698)与校正的R2(0.9396)具有良好的一致性,表明该模型的准确性和适用性较好。由F值大小可知,影响IDF得率的主要因素主次顺序为C>A>D>B,即碱提时间>NaOH的质量分数>酸提温度>碱提温度。

从表4结果分析可知,该二次回归方程的一次项、二次项及交互项AB、BC、BD表现出极其显著影响,AC影响显著,并且失拟项不显著,经Design-Expert 8.0 Trial软件分析得到,预测的R2(0.9646)与校正的R2(0.9292)相差很小,说明数学拟合模型与实验实测值能很好的拟合。由F值大小可知,影响IDF纯度的主要因素主次顺序为C>D>B>A,即碱提时间>酸提温度>碱提温度>NaOH的质量分数。

2.2.2 各因素之间的交互作用 根据回归方程,做出响应面分析图,其中对IDF得率影响表现显著和极其显著的交互项(AB、AD、BC、CD)和对IDF纯度影响表现显著和极其显著的交互项(AB、AC、BC、BD)的响应面图见图8。

表4 IDF纯度的回归模型的方差分析及显著性检验

注:
注:**差异极显著(p<0.01),*差异显著(p<0.05)。

图8 各因素相互作用的响应面图Fig.8 Response surface plots of pairwise interactive effects

对得率和纯度取最大值,由软件自动分析得出最优化条件,因软件自动分析的最优提取条件中的纯度值相差不大,所以以得率值作为最优化指标,得到最优化的工艺条件:NaOH质量分数4.32%、碱提温度46.58 ℃、碱提时间59.8 min、酸提温度77.36 ℃,在此条件下IDF得率为30.5%,IDF纯度达到95.01%。为检验响应面法所得的结果的可靠性,采用上述优化提取条件提取IDF,考虑到实际操作的便利,选取NaOH质量分数4.30%、碱提温度46.5 ℃、碱提时间60 min、酸提温度77.4 ℃,在此条件下进行3次平行验证实验,IDF得率和纯度的平均值为30.29%和94.78%。

3 结论

通过单因素和响应面优化实验,确定提取火龙果皮IDF的最佳工艺条件为NaOH质量分数4.30%、碱提温度46.5 ℃、碱提时间60 min、碱提液料比15∶1(mL/g)、酸提温度77.4 ℃、酸提时间1.5 h、酸提液料比15∶1(mL/g)在此工艺条件下,IDF得率30.29%,纯度达到94.78%。影响火龙果皮IDF得率的主要因素主次顺序为碱提时间>NaOH的质量分数>酸提温度>碱提温度;影响火龙果皮IDF纯度的主要因素主次顺序为碱提时间>酸提温度>碱提温度>NaOH的质量分数。

目前膳食纤维提取主要从苹果渣、葡萄皮渣、火棘、柚子皮等原料中提取,尚未有从火龙果皮提取水不溶性膳食纤维的报道,因此本研究结果具有一定的工业应用价值。火龙果皮是水果产业的主要副产物之一,如能将其高附加值利用,则可大幅度提升火龙果深加工企业的经济效益。

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Optimization of extraction technology for insoluble dietary fiber from peel of Pitaya by response surface methodology

LIU Qian-qian

(Heze University Pharmaceutical Science and Technology Department,Heze 274015,China)

The sequential treatment with alkaline followed by acid was applied to extract insoluble dietary fiber(IDF)from the peel of pitaya and main process conditions were optimized by single-factor experiments combined with response surface methodology. The extraction rate and purity of IDF were investigated with respect to NaOH concentration,alkaline extraction time,alkaline extraction temperature,alkaline extraction liquid-to-material ratio,acid extraction temperature,acid extraction time and acid extraction liquid-to-material ratio. The results showed that the optimal extraction conditions were NaOH concentration of 4.3%(g/g),alkaline extraction temperature 46.5 ℃,alkaline extraction time 60 min,alkaline extraction material-to-liquid ratio 15∶1(mL/g),acid extraction temperature 77.4 ℃,acid extraction time 1.5 h and acid extraction material-to-liquid ratio 15∶1(mL/g). Under the optimal extraction conditions,the yield and purity of IDF were 30.29% and 94.78%,respectively.

peel of pitaya;insoluble dietary fiber;response surface analysis

2014-12-14

刘倩倩(1986-)，女，硕士，研究方向：天然产物提取与利用，E-mail:zhengdaqianqian@163.com。

菏泽学院博士基金项目；山东省“十二五”高等学校重点实验室资助。

TS255.1

B

1002-0306(2015)15-0208-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.035