响应面优化绿豆皮不溶性膳食纤维超声辅助提取工艺

刘倩倩

(菏泽学院药学院,山东菏泽 274000)

绿豆在我国南北各省均有种植,绿豆与其他农作物相比,具有蛋白质含量高、维生素与矿物质含量丰富、脂肪含量低等优点。绿豆在食品加工和制药领域应用广泛,绿豆加工后的副产物绿豆皮的质量大约占总重的8%左右[1]。绿豆皮的成分中膳食纤维含量达到50%以上,其中60%左右的膳食纤维是不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber,IDF),膳食纤维在保健方面具有良好的功能,能够降低心血管疾病、肠癌等疾病的发病率,也可以作为食品添加剂[2-3]。近年来,膳食纤维在医疗保健方面的特殊作用受到人们的青睐,所以膳食纤维产品的研究开发具有良好的经济和社会效益[4-6]。

目前膳食纤维主要是从大豆、花生壳、麦麸、水果皮等中提取,采用的提取工艺大都是化学法、物理法、酶法等[7-9],李加兴等[10]采用碱法提取火棘中的水不溶性膳食纤维,提取率为56.89%;李可等[11]采用碱性蛋白酶水解法提取亚麻籽粕IDF,提取率为52.05%;李泽珍等[12]采用碱法提取红薯渣IDF,提取率为70.25%。与传统方法相比,超声波辅助提取是利用超声波的空穴效应和机械效应,破碎提取原料的细胞壁,加速有效成分的溶出和扩散,具有有效成分破坏损失小、溶出速度快、提取量高、安全性高等优点。王俊颖等[13]采用超声波辅助酸法提取玉米皮中水溶性膳食纤维,得率达到27%;陆红佳等[14]采用超声波辅助法提取姜渣中IDF,得率达到54.14%;曹晟等[15]采用超声波酶法提取茭白IDF,提取率达到45.32%。对于绿豆皮中IDF的超声波辅助碱法提取工艺目前还没有相关的报道,绿豆皮又是绿豆加工产业的主要副产物,如果能对其进行加工利用,将会大幅提高绿豆加工企业的经济效益。因此,本试验采用超声波辅助碱法提取绿豆皮IDF,通过单因素实验研究工艺各条件,然后通过响应面试验来优化其工艺条件,为绿豆皮资源的合理开发利用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

绿豆皮 菏泽农贸市场,45 ℃烘干至恒重后粉碎成粉末,过60目筛备用;NaOH 分析纯,上海国药集团化学试剂有限公司。

GZX-DH电热恒温干燥箱 上海跃进医疗器械厂;SHZ-D(Ⅲ)循环水真空泵 巩义市予华仪器有限公司;HH-2电热式恒温水浴锅 邦西仪器科技有限公司;FW-100型高速万能粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司;TG16G台式离心机 金坛市三和仪器有限公司;Sartorius CP225D型电子天平 德国Sartorius公司;DZF-6050型真空干燥箱 上海捷呈实验仪器有限公司;SCQ-1800F超声波提取器 上海声彦超声波仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 IDF提取工艺流程 绿豆皮粉末→30 ℃温水浸泡2 h→离心(4000 r/min,20 min)→超声波辅助碱法提取(超声波提取器中提取)→真空抽滤→水洗(至pH7.0)→滤渣50 ℃烘干24 h→高速粉碎(24000 r/min,1 min)→绿豆皮IDF。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 超声提取时间的选择 精准称取10 g绿豆皮粉末样品,在碱液浓度2.5 mol/L,液料比20∶1 mL/g,提取温度为60 ℃,超声波功率350 W,超声提取时间分别为30、60、90、120、150、180、210 min的条件下在超声波提取器中提取,真空抽滤后水洗至中性,滤渣烘干粉碎得绿豆皮IDF,测定不同提取时间对IDF提取率的影响。

1.2.2.2 超声功率的选择 精准称取10 g绿豆皮粉末样品,在碱液浓度2.5 mol/L,液料比20∶1 mL/g,提取温度为60 ℃,提取时间120 min,超声功率分别为200、250、300、350、400、450 W的条件下在超声波提取器中提取,真空抽滤后水洗至中性,滤渣烘干粉碎得绿豆皮IDF,测定不同超声功率对IDF提取率的影响。

1.2.2.3 超声提取温度的选择 精准称取10 g绿豆皮粉末样品,在碱液浓度2.5 mol/L,液料比20∶1 mL/g,超声波功率350 W,提取时间120 min,提取温度分别为30、40、50、60、70、80、90 ℃的条件下在超声波提取器中提取,真空抽滤后水洗至中性,滤渣烘干粉碎得绿豆皮IDF,测定不同提取温度对IDF提取率的影响。

1.2.2.4 碱液浓度的选择 精准称取10 g绿豆皮粉末样品,在碱液浓度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mol/L,液料比20∶1 mL/g,超声波功率350 W,提取时间120 min,提取温度60 ℃的条件下在超声波提取器中提取,真空抽滤后水洗至中性,滤渣烘干粉碎得绿豆皮IDF,测定不同碱液浓度对IDF提取率的影响。

1.2.2.5 液料比的选择 精准称取10 g绿豆皮粉末样品,在碱液浓度2.5 mol/L,液料比分别为5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1 mL/g,超声波功率350 W,提取时间120 min,提取温度60 ℃的条件下在超声波提取器中提取,真空抽滤后水洗至中性,滤渣烘干粉碎得绿豆皮IDF,测定不同液料比对IDF提取率的影响。

1.2.3 响应面优化试验 为研究各因素的交互作用,根据单因素实验的结果选取提取时间、提取温度、碱液浓度、液料比四个影响较显著的因素,然后对这四个因素进行组合响应面优化试验,试验因素设计水平见表1。

表1 响应面试验的因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.2.4 IDF测定方法 按照GB/T 5009.88-2014《食品中膳食纤维的测定》方法进行检测。

1.2.5 IDF提取率的计算

IDF提取率(%)=MIDF(干重,g)×100/M绿豆皮(干重,g)

1.3 数据处理

单因素实验所得数据采用Excel软件处理进行显著性分析,响应面优化试验所得数据采用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

2.1.1 提取时间对IDF提取率的影响 由图1可知,IDF提取率在超声提取时间为120 min时达到最大为63.2%,达到相对较稳定后再缓慢下降。IDF提取率上升是因为超声波的机械振动和空化作用,可加快绿豆皮内部分子的振动速度,IDF随着提取时间的延长从绿豆皮中溶出较多,IDF提取率逐渐增大;但是提取时间过长,超声波的机械振动会导致溶出的IDF发生结构破坏而部分降解,聚合度降低,造成IDF提取率下降。因此超声提取时间在120～150 min比较合适。

图1 超声提取时间对IDF提取率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic extraction time on extraction rate of IDF

2.1.2 超声功率对IDF提取率的影响 由图2可知,超声功率为350 W时,IDF提取率达到最大值为63.1%,之后功率增加，IDF的提取率下降。高功率的超声波产生的空化效应和机械效应比较强,绿豆皮细胞的细胞壁更易破碎,IDF进入溶剂的速度也会提高,但是当超声功率过大,其空化效应过强,导致溶液局部高温,容易破坏膳食纤维分子[16]。从图2可以看出,超声功率对IDF提取率影响不明显。

图2 超声功率对IDF提取率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic powers on extraction rate of IDF

2.1.3 提取温度对IDF提取率的影响 由图3可知,低温提取时,IDF随着温度的升高,提取率逐渐升高,直到提取温度达到60 ℃时,IDF提取率出现最大值62.2%,后续急剧下降,这是因为高温下膳食纤维的分子的稳定性较差,分子间化学键容易断裂,而且碱性溶剂在高温下会破坏纤维素类分子的化学结构,所以较高的温度会导致IDF提取率下降。试验选择提取温度在50～60 ℃范围内。

图3 超声提取温度对IDF提取率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic extraction temperature on extraction rate of IDF

2.1.4 碱液浓度对IDF提取率的影响 由图4可知,IDF提取率随着碱液浓度的增加先升高后降低,因为较低的碱液浓度有利于IDF的提取,如果碱液浓度较高,纤维素类物质间的氢键容易断裂,而且提取出来的纤维素类物质会与NaOH反应变成碱纤维素[10],同时纤维素类物质的结构也会发生一定的破坏,引起IDF的提取率下降。试验选择碱液浓度在2.0～3.0 mol/L范围内。

图4 碱液浓度对IDF提取率的影响Fig.4 Effect of alkali concentration on extraction rate of IDF

2.1.5 液料比对IDF提取率的影响 由图5可知,液料比的增大使得IDF提取率在20∶1 mL/g时达到峰值,之后逐渐降低。这是因为溶剂量增加会使绿豆皮与更多的溶剂分子发生接触,其中的IDF分子在溶剂中的溶出量及溶出速度增加;如果液料比过大,超声波的作用会受到影响,同时也会造成其他杂质溶出,降低IDF的提取率。考虑原料与NaOH溶液的用量,试验选择选取15∶1～25∶1 mL/g较合适。

图5 液料比对IDF提取率的影响Fig.5 Effect of material to liquid ratio on extraction rate of IDF

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面试验结果 综合分析单因素实验的结果,选取对IDF提取率影响较大的四个因素:提取时间、提取温度、碱液浓度、液料比,然后根据Box-Behnken中心组合的原理设计四因素三水平的响应面分析试验。试验分析结果见表2、表3。

表2 Box-Behnken中心组合实验设计及实验结果Table 2 Box-Behnken Cenral composite design and experimental results

通过对试验结果的统计分析,得到关于IDF提取率的二次多项回归模型方程:

Y=59.99+1.40A+0.79B+1.31C+1.08D-0.72AB-0.47AC-0.34AD-1.15BC-0.11BD-0.42CD+0.67A2+2.17B2+1.60C2+1.36D2

从表3方差分析的结果可以得知,模型的F值为23.74,p<0.0001,说明该模型达到了极显著的水平,失拟项p=0.5876>0.05,表明失拟不显著,R2=0.9596,表明此模型的拟合程度较好,IDF提取率可以用该模型进行分析和预测。影响极显著的有:四个因素的一次项,二次项B2、C2、D2,交互项BC,影响显著的有:A2、AB。由F值得出影响IDF提取率的四个因素的主次顺序为A>C>D>B,即提取时间>碱液浓度>液料比>提取温度。

表3 回归模型的方差分析及显著性检验结果Table 3 Analysis of variance and significance test of the regression model

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,各两因素交互作用的响应面图见图6。

图6 各因素交互作用的响应面图Fig.6 Respose surface plots of pairwise interactive effects

利用软件自动分析功能,对IDF提取率取最大值时得到最佳提取条件:提取时间148.04 min、提取温度51.96 ℃、碱液浓度3.0 mol/L、液料比15.08∶1 mL/g,在此条件下IDF提取率为66.48%。综合考虑,试验采用碱液浓度3.0 mol/L、液料比15∶1 mL/g、温度为52 ℃,在350 W超声波作用下提取148 min,此条件下进行3次试验,IDF提取率为66.28%±0.052%,与模型预测值相比,相对误差为3.008%,证实该模型可以用于绿豆皮IDF的提取工艺的理论预测。

3 结论

通过单因素试验和响应面试验优化绿豆皮IDF的提取工艺,采用碱液浓度为3.0 mol/L,液料比为15∶1 mL/g,温度为52 ℃,在350 W超声波作用下提取148 min,绿豆皮IDF提取率最高为66.28%±0.05%。超声波辅助碱法提取绿豆皮IDF具有工艺稳定可行,环保节能且能够保持绿豆皮中的有效活性成分等优点,是提取绿豆皮IDF的有效途径。