响应面法优化湘西蜜桔皮水溶性膳食纤维提取工艺

邱小燕， 刘 优， 郑 桃， 田玉桥

（1.怀化学院生物与食品工程学院；2.湖南省博世康中医药有限公司，湖南怀化 418008）

湘西盛产蜜桔，种植面积广[1].蜜桔皮是蜜桔的主要加工副产物，但大部分蜜桔皮没有得到合理的利用，丢弃后不仅造成资源浪费，也会污染环境.蜜桔皮中富含水溶性膳食纤维（Soluble dietaryfiber，SDF）[2]，SDF 在小肠中很难消化吸收，但在大肠中会发生酵解[3]，具有降血脂、降胆固醇，预防和治疗心脑血管疾病、调节肠道菌群等功效[4-6].因此，提取蜜桔皮SDF，既可以充分利用蜜桔资源，又可以减少环境污染.李红霞等[7]发现发酵法提取SDF安全、成本低，但对菌种要求比较高.金毓峑等[8]得出酶解法提取SDF消耗低，但可控性差.李露等[9]的研究表明利用酸法提取SDF，制备成本低，广泛应用于工业生产.丁洁等[10]选取食品添加剂酒石酸为溶剂，采用正交试验优化柑橘皮中SDF，提取率达25.4%.

响应面分析法（Response surface methodology，RSM）利用合理的试验设计方法获得数据，并采用多元二次回归方程拟合因素与响应值之间的函数关系，通过分析回归方程从而寻求最佳工艺参数，解决多变量问题，提高优化效率[11].

本研究以湘西蜜桔皮为原料，酒石酸为提取溶剂，以溶剂质量分数、加热回流时间和料液比为因素，以SDF提取率为优化指标，采用响应面分析法，优化湘西蜜桔皮SDF提取工艺，为湘西蜜桔的合理开发利用提供数据支撑.

1 材料与方法

1.1 材料

蜜桔皮购于怀化佳惠超市，65℃烘干，粉碎后过60目筛备用.酒石酸、乙醇均为分析级，购于怀化科之源化工仪器有限公司.

1.2 试验方法

1.2.1 湘西蜜桔皮SDF提取的工艺流程

蜜桔皮→烘干（65℃）→粉碎→过筛（60目）→取样→加酒石酸溶液浸泡2 h→加热回流→抽滤→滤液浓缩→乙醇沉淀→抽滤得滤渣→65℃恒温干燥→恒重→成品SDF

表1 响应面因素水平表

1.2.2 操作要点

选取粉碎过60目筛的湘西蜜桔皮粉末，准确称取10 g的蜜桔皮置于500 mL的圆底烧瓶中，按照试验设计分别加入不同质量分数的酒石酸溶剂，浸泡2h，在80℃水浴条件下加热回流，然后进行真空抽滤，将湘西蜜桔皮渣与溶液分离，收集滤液并浓缩，加入4倍体积的95%的乙醇静置，乙醇沉淀出湘西蜜桔皮SDF，过滤并将滤渣烘干恒重，计算湘西蜜桔皮SDF得率[12].

式中：Y，表示SDF得率，%；M1，表示SDF产物质量，g；M表示样品总质量，g.

1.2.3 单因素试验

设定加热回流时间为1.5 h，料液比（原料的质量/g∶酒石酸的体积/mL）为1：16，考察酒石酸质量分数为1%、2%、3%、4%、5%时对湘西蜜桔皮SDF得率的影响.

设定酒石酸质量分数为3%，料液比为1∶16，考察加热回流时间为 0.5、1、1.5、2、2.5 h 时对湘西蜜桔皮 SDF得率的影响.

设定酒石酸质量分数为3%，加热回流时间为1.5 h，考察料液比为 1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24 g·mL-1时对湘西蜜桔皮SDF得率的影响.

1.2.4 响应面试验设计

基于单因素试验结果及Box-Behnken试验设计原理，运用Design-Expert 8.0.6软件，设计响应面试验，选取加热回流时间、料液比、酒石酸质量分数3个因素作为自变量，以湘西蜜桔皮SDF得率为响应值，进一步优化提取工艺，响应面因素和水平表见表1.

1.2.5 数据分析处理

单因素试验数据用Microsoft Office Excel软件分析作图，响应面试验数据分析应用Design-Expert8.0.6软件分析并绘图.

2 结果与分析

2.1 酒石酸质量分数对湘西蜜桔皮SDF得率的影响

由图1可知，当溶剂质量分数在1%～4%时，湘西蜜桔皮SDF随着溶剂质量分数的增加而呈上升趋势，当溶剂质量分数为4%～5%时，SDF得率则不断下降，在溶剂为4%时达到最大值.原因可能是溶剂质量分组过低时，湘西蜜桔皮粉末中的膳食纤维分解较慢，SDF提取不充分，随着溶剂质量分数的增加，膳食纤维分解速率加快，原果胶水解成水溶性果胶，湘西蜜桔皮SDF得率随之增加.SDF得率达到峰值后逐渐下降，可能是因为溶剂质量分数过高抑制了膳食纤维的分解，或者是因为湘西蜜桔皮粉末中的蛋白质变性，SDF被包裹不能释放出来，导致得率下降[10].因此，溶剂质量分数选择3%、4%、5%进行响应面试验优化.

图1 酒石酸质量分数对湘西蜜桔皮SDF得率的影响

2.2 料液比对湘西蜜桔皮SDF得率的影响

由图 2 可知，当料液比在 1∶8～1∶20 g·mL-1时，湘西蜜桔皮 SDF 得率快速上升，当料液比在 1∶20～1∶24 g·mL-1时，SDF 得率呈下降趋势，料液比在 1∶20 g·mL-1时，SDF得率达到峰值.这可能是因为料液比较低时，SDF无法被酸提取，随着料液比增大，SDF溶解量增大，但料液比过大时，SDF不再溶解，还会增大乙醇沉淀过程中的损失，导致湘西蜜桔皮SDF得率下降[13].因此，料液比选择 1∶16、1∶20、1∶24 g·mL-1进行优化.

图2 料液比对湘西蜜桔皮SDF得率的影响

2.3 加热回流时间对湘西蜜桔皮SDF得率的影响

图3 加热回流时间对湘西蜜桔皮SDF得率的影响

由图3可知，采用加热回流时间为2 h时，酒石酸法提取蜜桔皮SDF的效果最佳.当加热时间≤2 h时，湘西蜜桔皮SDF得率随着料液比的增大而快速上升.当加热时间为2～2.5 h时，SDF得率逐渐下降，在时间为2 h时达到最大值，可能是因为膳食纤维随着加热回流时间的延长逐渐被分解，但加热回流时间过长时，湘西蜜桔皮中别的成分被分解并游离出来，阻碍膳食纤维的水解，导致 SDF 得率降低[14]，因此，选择 1.5、2、2.5 h进行响应面优化.

2.4 响应面优化试验结果与分析

2.4.1 响应面试验设计及结果分析

选择酒石酸质量分数（A）、料液比（B）、加热回流时间（C）为评价因素，湘西蜜桔皮SDF得率（Y）为响应值，进行3因素3水平响应面优化试验分析，具体试验结果及分析如表2和表3所示.

2.4.2 二次回归模型的建立及显著性分析

将响应面试验数据用Design-Expert8.0.6软件进行回归拟合，得到以A、B、C为自变量，以湘西蜜桔皮SDF得率Y为响应值的二次多项回归方程：

由表3对回归模型的方差分析可知，此回归模型显著（P＜0.05），失拟项极显著（P＜0.01），表明湘西蜜桔皮SDF提取的试验模型与实际方法拟合度较高，C、AC、C2对响应值的影响显著（P＜0.05），A、B、AB、BC、B2、C2对响应的影响不显著，3因素对湘西蜜桔皮SDF得率的影响不是简单的线性关系，可以用此响应模型对酒石酸法提取湘西蜜桔皮SDF的条件进行预测.实验因素对湘西蜜桔皮SDF得率的影响主次顺序依次为：加热回流时间（C）＞酒石酸质量分数（A）＞料液比（B）.

2.4.3 响应面和等高线图分析

响应曲面如图4，实验因素对响应值的影响体现在等高线的陡峭和密集程度上，对湘西蜜桔皮SDF得率的影响越大，则响应面越陡峭[15].C和A的曲面陡峭且密集，沿B轴向的曲面等高线稀疏，这与表3的方差分析结果一致.湘西蜜桔皮SDF得率随着加热回流时间的延长呈显著增大的趋势，随着加热回流时间的继续延长，蜜桔皮SDF提取率呈现稳定趋势，在加热回流时间≥2 h的范围，加热回流时间对SDF得率的影响减小，料液比对湘西蜜桔皮SDF得率的影响最不显著.

表2 响应面试验结果

表3 回归模型方差分析表

2.5 最佳工艺条件预测与验证

图4 因素交互作用对湘西蜜桔皮SDF得率影响的响应面及等高线图

用Design-Expert8.0.6软件对湘西蜜桔皮SDF提取实验结果分析优化，得到最佳工艺条件为：加热回流时间为2.33 h、溶剂质量分数为3.3%、料液比为1∶16.4 g·mL-1，在此条件下，湘西蜜桔皮SDF得率为33.7%.为方便实际的实验操作，采用加热回流时间为2.3 h、溶剂质量分数 3%、料液比 1∶16 g·mL-1，为减少误差，保证筛选的工艺条件可靠，进行三次验证实验，得到湘西蜜桔皮SDF的平均得率为33.2%，表明该响应模型能很好的预测湘西蜜桔皮SDF的得率.

3 结论

综上所述，响应面优化酒石酸法提取湘西蜜桔皮SDF的最佳工艺为：加热回流时间为2.3 h、溶剂质量分数3%、料液比1∶16 g·mL-1，湘西蜜桔皮SDF得率为33.2%，模型稳定可靠，本研究为湘西蜜桔综合开发利用提供了科学依据.