响应面法优化金针菇中水溶性膳食纤维的提取工艺

徐洪宇，刘欢，张亚旗，许子刚，隋新*

（1.吉林化工学院生物与食品工程学院，吉林吉林132022；2.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆163319；3.黑龙江农垦职业学院食品工程分院，黑龙江哈尔滨150025）

响应面法优化金针菇中水溶性膳食纤维的提取工艺

徐洪宇1，刘欢2，张亚旗1，许子刚3，隋新1*

（1.吉林化工学院生物与食品工程学院，吉林吉林132022；2.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆163319；3.黑龙江农垦职业学院食品工程分院，黑龙江哈尔滨150025）

该研究采用超声波辅助碱法提取金针菇可溶性膳食纤维（SDF），利用响应面法对金针菇SDF的提取工艺进行优化。选取液料比、超声时间、超声温度、碱液质量分数为影响因素，以金针菇SDF提取率为响应值，应用Box-Behnken试验设计建立数学模型，进行响应面分析，并对其理化性质进行检测。结果表明，超声波辅助碱法提取金针菇SDF的优化工艺条件为超声功率150 W，液料比10∶1（mL∶g）、超声时间69 min，超声温度49℃，碱液质量分数5.10%。在此条件下金针菇SDF提取率可达20.25%，持水力为5.18 g/g，膨胀性为4.64 mL/g，持油力为4.77 g/g。

金针菇；可溶性膳食纤维；超声波辅助碱法；响应面优化

金针菇为口蘑科（Tricholomataceae）金钱菌属（Flammulina）[1]，是世界上著名的食药两用菌和观赏菌，含有多糖、火菇毒素、倍半萜等多种生物活性物质[2]，其中火菇毒素能够改变肠上皮细胞的渗透性从而促进各种成分的吸收[3-4]。并且经常食用金针菇来补充人体所需的精氨酸，能够明显解除人体氨中毒，同时对预防肝昏迷现象的发生有积极的效果[5]。除此之外，金针菇中还含有大量的膳食纤维，可以预防和缓解便秘，其热量低，是负卡路里的食物。金针菇营养丰富、形美、味鲜，具有较强观赏价值及食用价值，具有很好的开发潜力。

膳食纤维具有降低人体内胆固醇含量，防止人体肠道癌变，改善糖尿病患者的糖耐受性等作用[6-7]。按其溶解性分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不可溶性膳食纤维。SDF能促进肠道中益生菌群生长繁殖，可以作为减少血浆中低密度脂蛋白胆固醇的含量，同时具有促进胃肠蠕动、维持肠道生态系统平衡，以及清除体内自由基等生理功能，并且其摄入量和人体质量及身体的脂肪含量成反比[8-9]，所以SDF对人体有着至关重要的作用。

本研究采用超声波辅助碱法提取金针菇SDF，运用响应面优化提取工艺条件，为增加金针菇的综合利用，以及对金针菇膳食纤维提取提供试验依据及理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜金针菇：市售，分成菇柄和菇体，置于60℃鼓风干燥箱中进行干燥，质量恒定后粉碎过80目筛，并存放于样品瓶中；玉米胚芽油：吉林市大润发超市。

氢氧化钠、冰乙酸及乙醇等（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；木瓜蛋白酶（酶活为50万U/g，生化试剂）：北京奥博星生物技术有限责任公司。

1.2 仪器与设备

FA1004A分析天平：上海精天电子仪器有限公司；DK-98-IIA电热恒温水浴锅：天津市泰斯特仪器有限公司；KQ3200DE超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；80-2高速离心机：金坛市华城开元实验仪器厂；pH酸度计：梅特勒-托利多仪器有限公司；DHG-9240A鼓风干燥箱：上海一恒科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 试验流程

准确称取2.00 g样品置于烧杯中，加入蛋白酶（pH 7、40℃、30min、0.6%）除去蛋白质，加入一定质量浓度的NaOH溶液，在150 W超声条件下提取一定时间后离心，收集上清液，采用1∶1醋酸溶液调节上清液的pH至7，加入4倍体积的无水乙醇，静置24 h，抽滤得金针菇SDF，干燥后称量其质量[10]。SDF提取率计算公式如下：

1.3.2 单因素试验

称取2.00 g样品，分别考察液料比（7∶1、8∶1、9∶1、10∶1、11∶1）（mL∶g）、碱液质量分数（3%、4%、5%、6%、7%）、超声时间（10min、30min、50min、70min、90min）、超声温度（20℃、30℃、40℃、50℃、60℃）对金针菇SDF提取率的影响。

1.3.3 响应面试验设计

根据单因素试验结果，设计4因素3水平的响应面分析方法，选择液料比、碱液质量分数、超声时间、超声温度4个对金针菇SDF提取率影响显著的因素为自变量，共27个试验点，其中24个为析因点，3个为零点，以金针菇SDF提取率（Y）为响应值，响应面试验因素与水平如表1所示。

表1 提取条件优化响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology for extraction conditions optimization

1.3.4 金针菇SDF持水力测定

取1.00 g金针菇SDF（m0）于100 mL烧杯中，在25℃条件下加入75 mL蒸馏水搅拌24 h，3 000 r/min离心30 min，除去上清液，称量吸水后的金针菇SDF质量（m1），按下式计算金针菇SDF的持水力[11]：

1.3.5 金针菇SDF膨胀性测定

准确称取1.00 g金针菇SDF（m），置于15 mL量筒中，读取干品体积（V0），准确吸取25℃10 mL蒸馏水，室温下振荡摇匀后，静置24 h，记录其膨胀后的体积（V1），按下式计算金针菇SDF的膨胀性[12]： 1.3.6金针菇SDF持油力测定

取1.00 g金针菇SDF（m0）与20 mL玉米胚芽油在50 mL离心管中混合均匀，40 min后将混合物在1 500 r/min条件下离心20 min，弃去上清液，称量剩余沉淀质量（m1），按下式计算金针菇SDF的持油力[13]：

2 结果与分析

2.1 金针菇菇柄和菇体中SDF含量

分别称取金针菇菇柄和菇体粉末，按照1.3.1的试验流程进行SDF含量测定，得到金针菇中菇柄SDF含量为5.56%，菇体SDF含量为5.32%，可见金针菇的菇柄和菇体中SDF的含量相近，即SDF在金针菇中分布均匀，故后续实验中称取的金针菇样品为菇柄和菇体混合后的材料。

2.2 超声-碱法提取对金针菇SDF提取率的影响

2.2.1 液料比对金针菇SDF提取率的影响

图1 液料比对金针菇可溶性膳食纤维提取率的影响Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on the extraction rate of soluble dietary fiber

不同的液料比对金针菇SDF提取率的影响见图1。由图1可知，当液料比＜10∶1（mL∶g）时，随着液料比的增加，金针菇SDF的提取率相应增大；但由于金针菇中SDF含量有限，当随着液料比继续增加，直至SDF在溶剂中的扩散达到平衡后，其提取率不再升高。当液料比达到10∶1（mL∶g）后，可能由于试验过程中带来的误差等原因，致使SDF提取率略有减小。综合考虑经济与环境等因素，选择最佳液料比为10∶1（mL∶g）。

2.2.2 碱液质量分数对金针菇SDF提取率的影响

不同的碱液质量分数对金针菇SDF提取率的影响见图2。由图2可知，碱液质量分数为3%～5%时，SDF提取率随碱液质量分数增加呈上升趋势，这可能是由于原料中SDF在碱性条件下溶解，同时皂化水解原料中少量脂肪，杂质不断减少，使其提取率上升；但碱液质量分数由5%增加至7%后，由于碱液过量后，果胶脱去果胶酯酸上的甲基而溶解，致使SDF提取率降低，考虑到添加碱液质量越高，产品颜色越深以及经济等原因，浸提碱液质量分数选择5%。

图2 碱液质量分数对金针菇可溶性膳食纤维提取率的影响Fig.2 Effect of alkali concentration on the extraction rate of soluble dietary fiber

2.2.3 超声时间对金针菇SDF提取率的影响

图3 超声时间对金针菇可溶性膳食纤维提取率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic time on the extraction rate of soluble dietary fiber

超声时间对金针菇SDF提取率的影响见图3。由图3可知，金针菇SDF提取率随超声作用时间的延长而增大，这主要是因为超声时间的延长强化了超声波的各种效应，有利于SDF的溶出，提高了金针菇SDF的提取率。当超声时间超过70 min后，SDF因与碱液的长时间接触，造成SDF中的一些果胶类物质溶解，使其提取率降低，所以70 min时金针菇SDF提取率较佳，故选择超声时间为70 min。

2.2.4 超声温度对金针菇SDF提取率的影响

超声温度对金针菇SDF提取率的影响见图4。由图4可知，当超声温度低于50℃时，金针菇SDF提取率随提取温度的升高而增大，当温度高于50℃时，金针菇SDF提取率反而下降。可能由于过高的超声温度可使目标物降解，致使SDF提取率降低，所以当超声温度为50℃时金针菇SDF提取率较佳。

图4 超声温度对金针菇可溶性膳食纤维提取率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on the extraction rate of soluble dietary fiber

2.3 响应面优化试验结果分析

2.3.1 模型的建立与显著性检验

表2 响应面试验试验设计及结果Table 2 Design and results of response surface methodology

根据单因素试验结果，以液料比、碱液质量分数、超声时间、超声温度为评价因素，SDF提取率为评价指标，进行4因素3水平的响应面试验分析，试验结果见表2，方差分析见表3。

表3 响应面试验方差分析Table 3 Variance analysis of response surface methodology

利用Design-Expert 8.0.6对表2中试验数据进行二次线性回归拟合，回归方程为：Y=20.28-0.045A+0.66B+0.36C-0.46D-1.20AB+1.86AC-1.59AD-4.58A2-3.36B2-3.31C2-3.32D2

由表3可知，模型极显著（P＜0.000 1），决定系数为0.951 6，失拟项不显著（P＞0.05），说明所得二次回归方程高度显著，能较好的对响应值进行预测。由F值得大小可知，影响因素的主次顺序为：碱液质量分数＞超声温度＞超声时间＞液料比。

2.3.2 交互效应分析

液料比、碱液质量分数、超声时间、超声温度交互作用的响应面及等高线图直观地反映了各因素交互作用对响应值的影响。在某一因素条件固定不变的情况下，考察交互作用显著的交互项对SDF提取率的影响，并对模型进行降维分析。所得的响应面及等高线如图5所示。

由图5可知，SDF提取率随各因素水平的增大，呈先增大后减小，各因素交互作用的等高线呈椭圆形，说明交互作用显著。曲面的陡峭程度可以反映出液料比、碱液质量分数、超声时间和超声温度4个因素分别对响应值影响的大小，响应曲面越陡表示对响应值影响越大，越缓表示对响应值影响越小。碱液质量分数对SDF提取率影响的等高线相对密集，超声温度和超声时间对SDF提取率影响的等高线相对稀疏，液料比对SDF提取率的等高线最稀疏，说明碱液质量分数对SDF提取率的影响更显著，液料比的影响最弱，这也与表3的分析一致。

图5 液料比、碱液质量分数、超声温度、超声时间交互作用对金针菇可溶性膳食纤维提取率的影响Fig.5 Effects of interaction of effects of interaction between liquidsolid ratio,alkali concentration,ultrasonic temperature and time on the extraction rate of soluble dietary fiber from F.valutipes

通过对模型分析确定最优工艺条件为液料比10∶1（mL∶g），碱液质量分数5.10%，超声时间69 min，超声温度49℃，在此条件下金针菇SDF提取率为20.25%。为了进一步验证模型分析的准确性，对优化后的参数进行验证试验（三组平行试验），平均提取率为20.31%，与预测值相差0.06%。因此采用响应面分析法优化得到的工艺参数准确可靠，有较强的实用价值。

2.4 金针菇SDF的理化特性

持油力、持水力、膨胀性的大小是衡量膳食纤维品质好坏的重要特性。表4为测得的金针菇SDF的理化指标，其持水力高于苹果渣膳食纤维4.2 g/g[14]、蔗渣膳食纤维3.6 g/g[15]、花生壳壳膳食纤维2.64 g/g[16]、葡萄皮渣膳食纤维2.98 g/g[17]，并高于谭属琼等[18]报道的金针菇膳食纤维的持水力3.75 g/g；所测得的膨胀性高于蚕豆种皮膳食纤维4.0 mL/g[19]、花生壳膳食纤维3.1 mL/g[16]、葡萄皮渣膳食纤维1.75 mL/g[17]，并高于谭属琼等[18]报道的金针菇膳食纤维的膨胀性3.95 mL/g；所测得的持油力高于花生壳膳食纤维1.12 g/g[16]、葡萄皮渣膳食纤维1.05 g/g[17]以及蚕豆膳食纤维4.48 g/g[19]。可见，采用超声波辅助碱法提取的膳食纤维，其理化性质更突出，这主要是由于本试验在去除金针菇中的非膳食纤维成分后，膳食纤维暴露出来网状空间结构、亲水基团，因而对水分子和某些物质显示出更强的吸附性。

表4 金针菇膳食纤维理化特性Table 4 Physical and chemical properties of soluble dietary fiber fromF.valutipes

3 结论

本研究采用超声波辅助碱法提取金针菇SDF，通过单因素试验和Box-Behnken试验对SDF提取工艺进行优化。在试验范围内所选因素对金针菇SDF得率影响大小顺序为：碱液质量分数＞超声温度＞超声时间＞液料比；通过响应面试验获得的优化工艺条件为：液料比10∶1（mL∶g）、超声时间69 min、提取温度49℃、碱液质量分数5.10%，在此条件下SDF提取率可达20.25%；其持水力为5.18 g/g、膨胀性为4.64 mL/g、持油力为4.77 g/g。本试验为综合利用金针菇资源提供了理论依据。

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Optimization of extraction technology of soluble dietary fiber fromFlammulina valutipesby response surface methodology

XU Hongyu1,LIU Huan2,ZHANG Yaqi1,XU Zigang3,SUI Xin1*
(1.College of Food and Biological Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin 132022,China; 2.College of Food Science,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China; 3.Branch of Food Engineering,Heilongjiang Nongken Vocational College,Harbin 150025,China)

The soluble dietary fiber(SDF)was extracted fromFlammulina valutipesby ultrasonic-assisted alkoline method.The extraction technology of SDF fromF.valutipeswas optimized by response surface method.Using solid-liquid ratio,ultrasonic time,temperature,and alkali liquor concentration as influence factors,SDF yield as response value,the mathematical model was established by Box-Behnken experimental design.In addition, the physical and chemical properties of SDF fromF.valutipeswere studied.Results showed that the optimal ultrasonic extraction conditions were ultrasonic power 150 W,solid-liquid ratio 10∶1(ml∶g),ultrasonic time 69 min,temperature 49℃,alkali concentration 5.10%.Under the conditions,the SDF extraction rate reached 20.25%.The water holding capacity,swelling capacity and oil holding capacity of SDF fromF.valutipeswere 5.18 g/g, 4.64 ml/g and 4.77 g/g,respectively.

Flammulina valutipes;soluble dietary fiber;ultrasonic-assisted alkaline method;response surface methodology optimization

S646.1+5

0254-5071（2017）06-0137-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.06.028

2016-12-09

吉林化工学院博士启动基金项目（2016015）

徐洪宇（1985-），女，讲师，博士，主要从事天然产物的提取、分离及药理活性筛选工作。

*通讯作者：隋新（1972-），男，副教授，硕士，主要从事真菌资源化利用工作。