响应面法优化茶渣水不溶性膳食纤维的提取及性能研究

陈仕学，王一帆，姚元勇，鲁道旺

（1.铜仁学院材料与化学工程学院，梵净山特色动植物资源重点实验室，贵州铜仁554300；2.三都水族自治县鹏程希望学校，贵州黔南558000）

响应面法优化茶渣水不溶性膳食纤维的提取及性能研究

陈仕学1，王一帆2，姚元勇1，鲁道旺1

（1.铜仁学院材料与化学工程学院，梵净山特色动植物资源重点实验室，贵州铜仁554300；2.三都水族自治县鹏程希望学校，贵州黔南558000）

以石阡苔茶茶渣作为实验材料，碱提法对水不溶性膳食纤维进行提取。采用Design-Expert V8.0软件中的Box-Behnken（BBD）中心组合原理设计响应面实验，考察浸提温度、料液比、碱浓度、浸提时间对水不溶性膳食纤维提取率的影响，优化提取工艺，结果表明：优化的最佳提取工艺条件为：浸提温度32.6℃、碱浓度0.2mol/L、浸提时间50min、料液比1∶13.5（g/mL），茶渣中水不溶性膳食纤维的提取率为78.66%；性质研究的结果表明：提取得到水不溶性膳食纤维的持水力为183.92%，溶胀度为2.83mL/g。由此可知，响应面法优化提取水不溶性膳食纤维具有时间短、能耗低、提取率高等特点。

石阡苔茶，水不溶性膳食纤维，响应面分析，持水力，溶胀度

膳食纤维（dietary fiber，DF）是指不被人体消化的多糖类碳水化合物和木质素的总称。对预防疾病和保障人体健康具备重要作用，是理想的功能性保健食品原料，被称为继碳水化合物、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和水之后的“第七大营养素”。根据溶解性不同，可分为水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber， SDF）和水不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）两大类［1-3］。水不溶性膳食纤维的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素、原果胶和壳聚糖等，具有良好的吸水性和膨胀性，可促进肠蠕动，吸附肠毒素并促其排出体外，不仅具有预防便秘、肥胖、结肠癌、高血压、心脏病、糖尿病和动脉硬化等多种生理功能［4］。而且能改善食品的加工品质，因而已在保健品、肉制品、面制品等产业中广泛应用［5］。目前中低档茶叶的深加工以提取茶多酚、多糖和水浸出物为主，茶渣多作为垃圾丢弃，未能充分利用。水不溶性膳食纤维是茶渣的主要成分之一，通过提取制备茶渣水不溶性膳食纤维，可增加茶叶的综合利用价值。石阡苔茶是中国贵州省石阡县当地各族茶农长期栽培选育形成的一个地方品种，母树属古茶树系列，是中国屈指可数的茶树良种，该茶具有抗逆性好、适应性强、产量高、品质优等特点。然而，对于石阡苔茶的研究集中在发展现状、资源调查和保护等方面［6-7］，近年尹杰等［6］和鲁道旺等［8］又分别对石阡苔茶的生化成分和茶多酚的提取进行研究。关于茶渣水不溶性膳食纤维的提取及性能研究未见报道。本文以石阡苔茶为实验材料，采用响应面法优化实验得出水不溶性膳食纤维最佳提取工艺条件，为石阡苔茶的进一步开发利用提供理论依据，从而提高石阡苔茶的综合利用价值。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

石阡苔茶购于石阡苔茶专卖店；30%H2O2成都金山化学试剂有限公司；乙酸乙酯成都金山化学试剂有限公司；氢氧化钠天津市永大化学试剂有限公司；盐酸遵义师范学院化学试剂厂；试剂均为分析纯。

AR124CN型电子天平奥豪斯仪器上海有限公司；101-3型电热鼓风干燥箱北京科伟永兴仪器有限公司；KQ-C型玻璃仪器气流烘干器巩义市予华仪器有限责任公司；SHZ-D（Ⅲ）型循环水式真空泵巩义市予华仪器有限责任公司；HH-2型数显恒温水浴锅国华电器有限公司；FW80型万能粉碎机北京科伟永兴仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1材料预处理及茶渣的制备取适量石阡苔茶置于1000mL大烧杯中，在室温下用乙酸乙酯浸泡3.5h，再用蒸馏水清洗残留的有机物直至无味，放入干燥箱内60℃烘干得脱脂样品，粉碎过50目筛。再按提取石阡苔茶多糖的方法（乙醇浓度40%，时间30min，超声功率80W，料液比1∶40g/mL）提取水溶性成分，抽滤，去除滤液得茶渣。取茶渣用蒸馏水洗涤后于60℃干燥至恒重，粉碎过50目筛，得茶渣干品备用。

1.2.2IDF的提取流程茶渣→NaOH溶液提取→盐酸调节pH至中性→5%H2O2除色素→真空抽滤→沉淀（洗涤）→热风干燥→水不溶性膳食纤维［9］

1.2.3单因素实验

1.2.3.1料液比的选择称取5份预处理后的茶粉各1g，料液比分别为1∶5、1∶8、1∶11、1∶14、1∶17、1∶20g/mL，设置提取时间为1h，NaOH浓度为0.2mol/L，提取温度为40℃，以考察料液比对IDF提取率的影响。重复三次，取平均值，测定IDF的提取率。

1.2.3.2浸提液浓度的选择称取5份预处理后的茶粉各1g，NaOH浓度分别为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35mol/L，料液比为1∶14g/mL，提取时间为1h，提取温度为40℃，考察碱浓度对IDF提取率的影响。重复三次，取平均值，测定IDF的提取率。

1.2.3.3浸提温度的选择称取5份预处理后的茶粉各1g，浸提温度分别为30、40、50、60、70、80℃，料液比为1∶14g/mL，NaOH浓度为0.15mol/L，提取时间为1h，以考察温度对IDF提取率的影响。重复三次，取平均值，测定IDF的提取率。

1.2.3.4浸提时间的选择称取5份预处理后的茶粉各1g，提取时间分别为30、45、60、75、90、105min，料液比为1∶14g/mL，NaOH浓度为0.15mol/L，温度为40℃，以考察浸提时间对IDF提取率的影响。重复三次，取平均值，测定IDF的提取率。

1.2.4响应面实验以浸提温度、料液比、碱浓度和浸提时间四个因素为自变量，根据中心组合实验设计，采用4因素3水平的响应面分析方法求取优化的工艺参数［10］，实验因素和水平设计见表1。

表1　响应面实验因素水平表Table 1　The response surface test factors level tables

1.2.5数据分析处理单因素实验数据利用SSPS 19.0在95%和99%两个置信区间进行Duncan’s新复极差多重比较（SSR），然后采用Microsoft Office Excel 2007作图。响应面优化实验数据采用Design-Expert. V8.0进行分析处理和作图。

1.2.6IDF提取率计算

IDF（%）=干燥IDF粉末质量/干燥原料质量×100

1.3ⅠDF性能测定

1.3.1持水力测定准确称取已经处理好的IDF粉末1g（m1），置于100mL量筒中加入20mL蒸馏水饱和2h，将其放在滤纸上沥干，不滴水后将其转移在培养皿中称取结合了水的IDF的质量（m2），重复三次，取平均值，计算IDF持水力［11］。

持水力（%）=（m2-m1）/m1×100

1.3.2溶胀度测定准确称取1g IDF粉末（m），置于100mL的量筒中，加入20mL蒸馏水，摇匀后在室温下放置24h，读取液体中膨胀纤维的体积，重复3次，取平均值，计算IDF的溶胀度［12］。

溶胀度（mL/g）=（V2-V1）/m

2　结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1料液比对IDF提取率的影响从图1可以看出，当料液比在1∶5～1∶14之间随着料液比的增加，提取率明显升高，在1∶14处达到最大，之后随着料液比的增加，提取率呈下降趋势，这是由于料液比较大时，裸露出来的纤维素与水发生反应，被水解而损失，导致提取率下降。因此，确定最佳料液比为1∶14。

2.1.2NaOH浓度对IDF提取率的影响由图2可以看出，NaOH浓度在0.1～0.15mol/L之间，随着浓度的增大，提取率不断增大，在0.15mol/L处达到最大值，在0.15～0.35mol/L之间，随着浓度的增大，提取率反而呈下降趋势。这是因为当NaOH浓度较低时，不会导致半纤维素与纤维素之间的氢键破坏，而浓度较大时，分离的纤维素会与NaOH发生反应，生成碱纤维素，引起纤维素的降解。因此，确定最佳浓度为0.15mol/L。

图1　料液比对提取率的影响Fig.1　Effect of liquid ratio on the extraction rate

图2　NaOH浓度对提取率的影响Fig.2　Effect of alkali concentration on extraction rate

2.1.3浸提温度对IDF提取率的影响从图3可以看出，浸提温度在30～40℃时IDF提取率随着温度的升高而增加；在40℃时达到最大值，当温度高于40℃以后，IDF的提取率随着温度的升高逐渐下降。因为温度升高有利于纤维素和半纤维素之间的氢键破坏，使纤维素的溶解加快［13］。而茶叶中水不溶性膳食纤维可能是一种热敏性物质，温度过高会引起其结构破坏，也可能由于温度上升使得茶渣与碱液混合后变得粘稠而不利于提取。因此，确定最佳温度为40℃。

2.1.4浸提时间对IDF提取率的影响从图4可以看出，提取时间在30～45min之间，IDF提取率急剧上升，在45min时达到最大，随着时间的延长IDF呈缓慢下降趋势。这可能是由于提取时间过长使得茶渣与碱液混合后的物质变得粘稠而不利于反应进行［14］。因此，确定最佳时间为45min。

图3　浸提温度对提取率影响Fig.3　Effect of extraction temperature on the extraction rate

图4　浸提时间对提取率的影响Fig.4　Effect of extraction time on the extraction rate

表2　响应面实验设计及实验结果Table 2　The results and experimental designs of the response surface

2.2响应面法优化提取ⅠDF

2.2.1响应面实验设计为了优化提取IDF的最佳工艺条件，以浸提温度（X1）、料液比（X2）、碱浓度（X3）、浸提时间（X4）为自变量，以IDF提取率（Y）为响应值，进行响应面分析实验，实验方案与结果见表2，方差分析见表3，表2中共27组实验，1～24为析因实验，25～27为中心实验，用以估计实验误差［15-16］。

表3　回归方程方差分析Table 3　Analysis of variance of the regression equation

2.2.2模型建立与方差分析利用Design-Expert V8.0软件对表2响应值进行回归拟合，以X1、X2、X3、X4为自变量对提取率Y进行数据拟合建立如下多元二次回归数学模型：Y=23.021+0.993X1+2.577X2+ 128.150X3+0.477X4-0.002X1X2-0.015X1X3-0.005X1X4-1.383X2X3+0.001X2X4+0.753X3X4-0.011X12-0.086X22-449.167X32-0.004X42

由表3可知该二次回归方程的一次项、二次项及交互项中的X1、X12、X32、X42都表现出极显著影响，X1X4、X22影响显著，说明各因素对提取率的影响不是简单的线性关系，且表3中可知建立的模型极显著而失拟项不显著。说明建立的模型能与实际有较好的拟合。从表4可知回归决定系数R2为0.9043，说明有90.43%的响应面值符合此模型，校正决定系数R2为0.7926。说明79.26%实验数据的变异性可用此回归模型来解释［17］。其中CV变异系数较小为0.77%和精密度为9.807。说明此方程具有良好的稳定性和精密度。因此，利用此模型能很好地拟合石阡苔茶茶渣中水不溶性膳食纤维。

由F值大小比较可知，影响茶渣中IDF提取率的主要因素主次顺序为：X1＞X3＞X2＞X4，即浸提温度对茶渣中IDF提取率影响最大，碱浓度和料液比影响次之，浸提时间影响最小。

2.2.3响应面分析为了考察交互项对提取率的影响，在其他因素条件固定不变的情况下，考察交互项对提取率的影响，对模型进行降维分析。通过Design-Expert V8.0对实验因素X1、X2、X3、X4以任意的两项固定为0水平，对其余两项进行响应面分析和作图，以考察各交互项对茶渣中IDF提取率的影响和各因素的响应值。结果见图5～图10。

由图7可知X1X4即浸提时间与浸提温度之间交互作用显著，与方差分析结果相一致。

表4　回归方程可靠性分析Table 4　Credibility analysis of regression equation

图5　浸提温度与料液比对提取IDF影响的三维响应曲面图Fig.5　The three-dimensional response surface map temperature and ratio of material to solvent on the influence the extraction of IDF

图6　浸提温度与碱浓度对提取IDF影响的三维响应曲面图Fig.6　The three-dimensional response surface map and contour map about the extraction temperature the extraction of IDF

图7　浸提温度与浸提时间对提取IDF影响的三维响应曲面图Fig.7　The three-dimensional response surface map and contour map about the extraction temperature and extraction time on the influence of the extraction of IDF

图8　料液比与碱浓度对提取IDF影响的三维响应曲面图和等高线图Fig.8　The three-dimensional response surface map and contour map about the ratio of material to solvent and Alkali concentration on the influence of the extraction of IDF

2.2.4最佳提取工艺确定和验证性实验通过Design-Expert.V 8.0对二元回归方程求最大值得到最佳提取工艺条件和IDF理论最大提取率，并根据实验室条件将最佳提取工艺条件进行优化，在优化条件下重复实验5次测定IDF提取率［18］，并计算RSD。实验条件与结果见表5和表6。

由表5和表6可知，在最佳提取工艺条件下重复实验，IDF提取率为78.66%，接近理论提取率78.89%，RSD为0.64%，说明响应面法建立的茶渣IDF提取数学模型具有稳定可靠性。

图9　料液比与浸提时间对提取IDF影响的三维响应曲面图和等高线图Fig.9　The three-dimensional response surface map and contour map about the ratio of material to solvent and extraction time on the influence of the extraction of IDF

图10　碱浓度与浸提时间对提取IDF影响的三维响应曲面图和等高线图Fig.10　The three-dimensional response surface map and contour map about the Alkali concentration and extraction time on the influence of the extraction of IDF

表5 提取条件优化Table 5　Optimization of extraction conditions

表6 验证实验结果Table 6　Verification testing results

2.3ⅠDF性能的测定

2.3.1持水力的测定根据1.3.1持水力的测定方法，代入公式计算出茶渣IDF的持水力为183.92%。

2.3.2溶胀度的测定根据1.3.2溶胀度的测定方法，代入公式计算出茶渣IDF的溶胀度为2.83mL/g。

3　结论

采用响应面优化碱提法提取石阡苔茶茶渣中的IDF，结果表明：石阡苔茶茶渣中IDF最佳提取工艺条件为浸提温度32.6℃、碱浓度0.2mol/L、浸提时间50min、料液比1∶13.5（g/mL）。提取率的实际值78.66%与理论值78.89%相差较小，说明响应面法建立的茶渣IDF提取数学模型对茶渣IDF提取具有稳定可靠性。提取得到的IDF持水力为183.92%、溶胀度为2.83mL/g。

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Study on optimum extraction and properties of watery insoluble dietary fiber from tea sullage by response surface methodology

CHEN Shi-xue1，WANG Yi-fan2，YAO Yuan-yong1，LU Dao-wang1
（1.Institute of Material and Chemical Engineering，Tongren University，the Key Laboratory of Special Animal and Plant Resources of Fanjing Mountain，Tongren 554300，China；2.Sandu-Pengcheng Hope of School，Shui-Race Autonomous County，Qiannan 558000，China）

Much watery insoluble dietary fiber in the sullage of Shiqian moss tea was extracted by the approach of alkali solution.Simultaneously，by applying theoretical approach of Design-Expert V8.0 software to extraction test，all of factors affecting extraction efficiency of watery insoluble dietary fiber，such as extraction temperature，ratio of stuff with solvent，base concentration and extraction time，were optimized completely with Box-Behnken（BBD）basis set.The results demonstrated that 32.6℃ as extraction time，0.2mol/L as alkali concentration，50 min as extraction time and 1∶13.5（g/mL）in ratio of stuff with solvent，were best optimum extraction conditions. The extraction efficiency could arrive to 78.66%.In addition，in testing property of watery insoluble dietary fiber，water holding capacity was 183.92%and the swelling degree was 2.83mL/g.Therefore，the response surface method in optimizing extraction of watery insoluble dietary fiber performed short time，low energy exhausted and high extraction efficiency in feature.

Shiqian moss tea；water insoluble dietary fiber；response surface analysis；water holding capacity；swelling degree

TS201.1

B

1002-0306（2015）10-0249-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.10.044

2014－08－14

陈仕学（1976-），女，硕士，副教授，主要从事生化分离及天然产物方面的研究。

梵净山特色动植物资源重点实验室（黔教合KY［2011］232号）；野生动植物保护与利用重点支持学科建设（黔教合重点支持学科字［2011］232号）。