响应面优化超声波辅助提取红参渣中不溶性膳食纤维工艺

王禄，张宇，孟庆伟

1.吉林省经济管理干部学院（长春 130012）；2.长春中医药大学附属医院（长春 130021）；3.吉林加一健康产业股份有限公司（长春 130012）

人参是五加科植物，学名Panax ginseng，在我国的应用有4 000多年历史。人参中含有复杂多样的化学成分，其中最主要的活性成分是人参皂苷[1-2]。中医学认为，人参具有大补元气、复脉固脱、补脾益肾、生津养血、安神益智之功效[3]。现代药理学研究表明人参具有抗肿瘤、改善心血管系统、抗炎、抗过敏、抗衰老等作用[4-7]。人参加工制品中，红参是主要的加工品种，鲜人参的70%被用来加工红参[8]。由于含有较多的稀有人参皂苷如Rg3和Rh2，所以通常红参被认为比白参具有更强的药物活性[9]。在红参的全部加工品中，红参膏由于其在食品工业中应用面比较广而被认为是最重要的红参产品。红参膏主要由人参皂苷和酸性多糖构成，可以直接通过热水提取或乙醇水溶液提取获得[10]。水不溶性的红参渣，是这种提取过程的副产物，通常是作为废物丢弃，不仅浪费资源，还会造成环境污染[11]。红参渣中不只含有大量膳食纤维，还含有淀粉、蛋白质、皂苷等成分[12]。

膳食纤维（DF）通常来自一些谷物、水果、蔬菜和豆类，是一种具有有益生理特性的碳水化合物聚合物[13]。DF对人体小肠的消化和吸收具有抗性，而在大肠中可以部分或完全发酵。近年来，由于具有较低的价格而且具有对人体健康有益的生理作用，比如减低糖尿病、结肠癌、动脉硬化和心血管疾病等的风险，因而DF获得学术界和工业界越来越多的关注[14-15]。根据水溶性不同，DF被分为可溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）。IDF主要成分包括纤维素、木质素和不溶性半纤维素，具有高吸水膨胀能力和持水能力，可以增强饱腹感，降低肥胖、结肠癌和便秘风险。红参渣与人参渣一样含有丰富IDF[12]，可以作为IDF来源。

膳食纤维的实验室提取工艺主要包括化学法和酶法[16-17]，而在工业生产中，碱法提取工艺被广泛采用，原因在于此种工艺操作简单，生产成本低[18]。超声波辅助提取技术作为一种新兴的物理加工方法，因其具有机械效应、空化效应、热效应及协同作用，广泛应用于天然产物与食品中生物活性成分提取[19]，这种提取方法操作简单，可显著缩短提取时间。试验采用超声波辅助碱法提取红参渣中IDF工艺，在单因素试验基础上进行响应面优化，确定最佳提取工艺，为红参渣IDF工业化提取工艺的建立提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

红参渣（长白加一生态科技有限公司红参膏加工过程中产生的废弃物）；热稳定α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶（爱尔兰Megazyme公司）；纯净水；其他试验（均为分析纯，北京化学试剂公司）。

FW-100型高速万能粉碎机（天津泰斯特仪器有限公司）；HH-6型恒温水浴锅（北京华瑞新成科技有限公司）；SHZ-D型循环水真空泵（巩义市予华仪器有限公司）；DZF-6050型真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；08-2G型恒温磁力搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）；SHA-B型水浴恒温振荡器（常州国华仪器有限公司）；KQ2200DV型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

红参渣（含水量7.94%）→粉碎（60目）→超声辅助提取→过滤→水洗（pH 7.0）→干燥（60 ℃，24 h）→粉碎（60目）→红参渣IDF提取物

1.2.2 单因素试验

首先进行单因素试验，考察提取温度A（℃）、提取时间B（min）、液固比C（mL/g）和NaOH溶液浓度D（%）对IDF得率的影响，每个因素取6个水平，考察各个因素对IDF得率的影响。

1.2.2.1 提取温度的选择

设定液固比10∶1 mL/g，提取时间60 min，NaOH溶液浓度1.0%，提取温度分别为30，40，50，60，70和80 ℃，考察不同提取温度对IDF得率的影响。

1.2.2.2 提取时间的选择

设定液固比10∶1 mL/g，提取温度60 ℃，NaOH溶液浓度1%，提取时间分别为20，40，60，80，100和120 min，考察不同提取时间对IDF得率的影响。

1.2.2.3 液固比的选择

设定提取时间80 min，提取温度60 ℃，NaOH溶液浓度1.0%，液固比分别设定为5∶1，10∶1，15∶1，20∶1，25∶1和30∶1 mL/g，考察不同液固比对IDF得率的影响。

1.2.2.4 碱液浓度的选择

设定液固比20∶1 mL/g，提取时间80 min，提取温度60 ℃，NaOH溶液浓度分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%和3.0%，考察不同碱液浓度对IDF得率的影响。

1.2.3 响应面试验

根据Box-Behnken中心组合试验设计的原理，在单因素试验结果的基础上，选定提取温度A（℃）、提取时间B（min）、液固比C（mL/g）、碱液浓度D（%）4个因素为自变量，红参IDF的得率为响应值，每个因素取3个水平，进行响应面优化试验。试验因素设计水平见表1。

表1 响应面试验因素水平表

1.2.4 不溶性膳食纤维得率的计算方法

式中：W1和W分别为红参渣提取物中IDF与红参渣原料不含水样品质量，g。

1.2.5 不溶性膳食纤维含量的计算方法

红参渣提取物中IDF含量按照GB/T 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》方法进行计算。

1.3 数据分析

每次试验进行3次重复，试验结果取平均值。利用软件Excel 2007和Design-Expert 8.0进行统计分析和图形绘制。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 提取温度对IDF提取率的影响

由图1（a）可知，在红参渣IDF提取过程中，随着超声波辅助提取温度增加，红参渣IDF得率逐渐增加，在提取温度60 ℃时IDF得率达到最大，超过60 ℃之后IDF得率开始下降。这是因为温度较低时，达到溶解平衡的时间较长，造成IDF得率较低；提取温度超过60 ℃时，由于高温导致IDF发生降解，从而造成IDF得率降低。因此，超声波辅助提取红参渣IDF的温度选择60 ℃左右较合适。

2.1.2 提取时间对IDF提取率的影响

由图1（b）可知，在红参渣IDF提取过程中，随着超声波辅助提取时间增加，IDF得率逐渐增加，提取时间80 min时达到最大值，超过80 min之后IDF得率开始下降，这是由于提取时间较短时，IDF在溶剂中尚未达到溶解平衡，造成IDF得率较低；超声波提取时间超过80 min后由于超声波的机械振动导致IDF发生降解，聚合度降低，从而造成IDF得率下降。因此，超声波辅助提取红参渣IDF的时间选择90 min左右较合适。

图1 单因素对IDF得率的影响

2.1.3 液固比对IDF提取率的影响

由图1（c）可知，随着溶剂与红参渣液固比增加，红参渣IDF得率逐渐增加，液固比20∶1（mL/g）时IDF得率达到最大值，随着液固比进一步增加，IDF得率逐渐趋于稳定。这是因为在提取过程中，溶剂用量较低时，由于IDF不能与溶剂充分接触，造成得率偏低；溶剂用量过量时，会造成提取效率降低，而且会增加后处理的能耗。综合考虑，超声波辅助提取红参渣IDF的液固比选择20∶1（mL/g）左右较合适。

2.1.4 碱液浓度对IDF提取率的影响

由图1（d）可知，随着氢氧化钠溶液浓度增加，红参渣IDF得率逐渐增加，碱液浓度1.0%时IDF得率达到最大，随着碱液浓度进一步增加，IDF得率逐渐降低。这是因为较低的碱液浓度有利于IDF的提取，碱液浓度较高时，由于氢氧化钠的氧化作用，对纤维素和半纤维素氢键造成破坏，从而影响了IDF得率。因此，超声波辅助提取红参渣IDF的碱液浓度选择1.0%左右较合适。

2.2 响应面试验

根据单因素试验结果，选取提取温度（A）、提取时间（B）、液固比（C）和碱液浓度（D）作为主要因素，以红参IDF得率作为评价指标，采用Design-Expert 8.0软件，按照Box-Behnken中心组合原理设计四因素三水平的响应面分析试验，试验设计与试验结果见表2，方差分析结果见表3。

通过对试验结果的统计分析，可以建立关于红参IDF得率（Y）的二次回归方程：Y=56.97+0.74A+0.65B+0.97C+0.66D-0.71AB-0.30AC-0.23AD-0.55BC-0.51BD-0.23CD-1.34A2-0.49B2-0.60C2-0.93D2。

表2 Box-Behnken试验设计及试验结果

从表3方差分析的结果可知，此二次回归方程的模型项F值为29.52，p＜0.001，表明此模型达到极显著的水平；R2=0.971 8，表明所建立的模型具有较好的拟合程度；失拟项p=0.186 6，表明失拟项不显著，IDF得率可用二次方程进行预测。二次回归方程影响极显著的因素包括A、B、C、D这4个一次项、AB、BC、BD这3个交互项、A2、B2、C2这3个二次项；影响显著的因素包括D21个二次项；其他项影响不显著。根据F值可知影响IDF得率的4个因素的主次顺序为C＞A＞D＞B，即液固比对IDF得率的影响最大，提取温度和碱液浓度的影响次之，提取时间的影响最小。

表3 回归模型的方差分析和显著性检验结果

图2使用三维响应面预测自变量和因变量之间的关系。其他变量保持零水平时，响应面图描绘试验范围内的2个变量之间的关系。

图2 各因素交互作用对IDF得率影响的响应面图

对IDF得率取最大值，Design-Expert 8.0软件建议的红参渣中IDF最佳提取工艺为：液固比23.57∶1 mL/g、超声波提取温度61.74 ℃、提取时间80.06 min、碱液浓度1.12%。此条件下IDF得率最大为57.46%。为方便试验操作，选取液固比24∶1 mL/g、超声波提取温度62 ℃、提取时间80 min、碱液浓度1.1%，进行3次重复试验，IDF得率平均值为57.39%，接近理论值，验证试验表明，此模型能很好地反映预期的优化效果。

3 结论与讨论

在单因素试验基础上，采用响应面优化红参渣中IDF的超声波辅助提取工艺，得到最佳提取条件：液固比24∶1 mL/g、超声波提取温度62 ℃、碱液浓度1.1%、提取时间80 min。在此条件下红参渣中IDF的得率为57.39%，理论上得率（57.46%）与实际提取得率之间的差异微小，表明超声波辅助碱法提取红参渣中IDF的工艺可行，此工艺可为红参渣中IDF提取和应用提供理论参考。