超声波-微波辅助提取香芋皮水溶性膳食纤维工艺

陈嫣 ，段振华 *，刘艳，段秋霞 ，段伟文，唐小闲

1. 贺州学院食品与生物工程学院（贺州 542899）；2. 大连工业大学食品学院（大连 116034）

香芋（Colocasia esculenta）又名槟榔芋，属天南星科魁芋属植物，是热带潮湿地区普遍种植的根茎类经济作物，含有丰富的淀粉、蛋白质、膳食纤维、维生素、矿物质等[1-2]。香芋制品主要有面包、蛋糕、脆片、冰淇淋、固体饮料、酸奶、调味品等[3]。近年来随着香芋加工产业的不断发展，香芋在加工过程中会产生大量的副产物[4]，主要是香芋皮。这些副产物被作为废弃物丢弃，不能得到很好的利用，浪费原料资源。

膳食纤维是一种不被人体消化酶所消化的碳水化合物，也被称为人体的第七类营养素，对机体的调节有至关重要的作用，如洁净消化壁、促进肠胃蠕动等，根据其溶解性分为水溶性膳食纤维（SDF）和水不溶性膳食纤维（IDF）[5]。果蔬加工副产物中含有大量膳食纤维[6]，但是关于香芋皮膳食纤维的研究较少。陈致印等[7]采用酶法浸提香芋中的水溶性膳食纤维，证明香芋中含有较多的水溶性膳食纤维，但是该研究采用酶法水浴浸提，最佳提取时间为150 min，耗费时间过长，并且是对整个香芋进行提取，没有区分香芋皮和肉。试验以废弃香芋皮作为提取原料，研究香芋副产物的利用价值，为香芋皮中水溶性膳食纤维提取提供参考。采用超声-微波辅助提取香芋皮膳食纤维的研究尚鲜被报道，超声-微波协同提取作为一种新的技术手段，有助于物料中水溶性膳食纤维的溶出，反应时间短[8-10]，并有利于提高目的物含量，使水溶性膳食纤维含量达到优质膳食纤维的标准[11]。

试验以香芋加工副产物香芋皮为原料，采用超声-微波协同纤维素酶提取香芋皮水溶性膳食纤维，并利用响应面法优化提取工艺条件，对提高香芋副产物的经济效益有重要意义，为香芋的综合利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

香芋（贺州市售）；无水乙醇、盐酸、氢氧化钠（分析纯，广东光华科技股份有限公司）；纤维素酶10 000 U/g（分析纯，上海麦克林生化科技有限公司）。

PTX-FA110S电子天平（福州华志科学仪器有限公司）；DFY-600摇摆式高速万能粉碎机（温岭市林大机械有限公司）；DH411C精密恒温箱（日本雅马拓（YAMATO）公司）；XH-300B微波超声组合萃取仪（北京祥鹄科技有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 香芋皮水溶性膳食纤维（SDF）提取方法

将购买的香芋洗净，削皮，收集废弃香芋皮，60℃热风干燥后粉碎过孔径0.250 mm筛，称取1.000 g香芋皮粉末于萃取瓶中，按一定料液比（香芋皮粉末与蒸馏水的质量比值）混匀并调节至pH 6，加入4 U/mL纤维素酶[12]，同时启动超声波-微波辅助处理。收集处理液，加入4倍处理液体积的无水乙醇，醇沉4 h，4 000 r/min离心15 min，取沉淀烘干至恒质量即为水溶性膳食纤维（SDF）。按式（1）计算。

SDF得率=SDF质量（g）/香芋皮干质量（g）×100% （1）

1.2.2 单因素试验

根据香芋皮的SDF提取过程，分别考察超声功率（100，200，300，400和500 W）、微波功率（10，20，30，40和50 W）、料液比（1∶10，1∶20，1∶30，1∶40和1∶50）和提取时间（4，8，12，16和20 min）4个因素对SDF提取得率的影响。

1.2.3 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，根据 Box-Behnken试验设计原理，以香芋皮SDF得率作为响应值，选取超声功率、提取时间、微波功率和料液比4个因素设计响应面试验，优化超声-微波辅助提取香芋皮SDF的工艺参数。响应面试验设计见表1。

1.3 数据分析处理

所有样品均设3个重复试验操作，运用Origin 8.5软件进行数据处理分析和图形绘制，运用Design-Expert 10软件进行响应面分析，测定结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 超声功率对香芋皮SDF得率的影响

如图1所示，超声功率在100～300 W时对香芋皮SDF得率的影响较大，得率随着超声功率增加而增大。原因是超声波产生的热效应和空化作用促使细胞破裂，增加分子扩散速率，快速提升SDF得率[13]。超过300 W，得率趋于平缓，无显著性差异，这是因为在一定质量的香芋皮粉里所含SDF是有限的，所以在300之后SDF在溶剂中的提取量达到饱和状态，继续增加超声功率并不能显著提高SDF得率。故选择超声功率250，300和350 W进行响应面优化试验。

2.2 提取时间对香芋皮SDF得率的影响

如图2所示，随着提取时间增加，香芋皮SDF得率先迅速增大，后趋于平缓。4～12 min时，由于超声波和微波能在物料内部逐渐产生强烈热效应对植物细胞分子产生强大作用，快速提高得率[14]，但时间过短会导致提取不充分，12 min时香芋皮SDF得率达到最佳。时间超过12 min时，因为香芋皮中的SDF有限，继续增加时间也不能有效提高得率。故选择提取时间10，12和14 min进行响应面优化试验。

图1 超声功率对香芋皮SDF得率的影响

图2 提取时间对香芋皮SDF得率的影响

2.3 微波功率对香芋皮SDF得率的影响

由图3可知，香芋皮SDF得率随着微波功率呈现先增大后趋于平缓且有下降趋势。微波功率达到30 W时，SDF得率达到最大。这是由于适当的微波能与超声波产生协同作用，而且微波能通过高频率的电磁波传递能量，引起细胞分子电磁振荡，加速分子运动，实现加热作用[15]，提高得率。但是微波功率过大使温度升高过快，继续提高功率会造成溶剂挥发，还可能会破坏部分SDF的结构，导致得率降低[16]。故选择微波功率20，30和40 W进行响应面优化试验。

图3 微波功率对香芋皮SDF得率的影响

2.4 料液比对香芋皮SDF得率的影响

由图4可知，随着料液比增大，SDF得率呈先增大后减小趋势，1∶30 g/mL时得率达到最大。料液比小于1∶30 g/mL时，两相间的浓度差越小，传质推动力就越小，提取效果不明显[17]，而且在一定量的溶剂中可溶解的香芋皮SDF有限[18]，料液比小于1∶30 g/mL时得率较低。料液比大于1∶30 g/mL，在相同时间和功率条件下，随着料液比加大，提取过程中受到超声-微波的作用减弱，提取得率下降。故选择料液比1∶20，1∶30和1∶40 g/mL进行响应面优化试验。

图4 料液比对香芋皮SDF得率的影响

2.5 响应面试验结果分析

根据表1中的编码与水平，利用Design-Expert 10软件中的 Box-Behnken进行试验设计，并进行响应面分析，试验结果和分析如表2和表3所示，各因素的交互作用对香芋皮SDF得率的响应面图如图5所示。

采用软件对试验数据进行拟合，得到香芋皮SDF得率与各影响因素间的多元回归方程：SDF得率（%）=16.26+3.31A+2.07B+2.55C+0.19D-2.05AB-3.09AC+3.01AD-2.82BC+2.38BD+2.71CD-2.41A2-1.83B2-1.34C2-2.86D2。

从表3可看出，模型相关系数R2=0.985 8，响应面回归模型达到极显著水平（p＜0.000 1），模型失拟项0.138 7＞0.05不显著，说明此模型能比较真实的拟合试验，误差小，模型的调整确定系数R2adj=0.971 6，可解释97.16%响应值的变化，说明可信度高。因而，可用该模型来预测和分析试验。

通过观察回归方程可知，各因素之间有相互影响，从图5可以看出，相互作用的等高线均呈椭圆形说明相互作用显著。从表3可知，除D（料液比）对结果影响不显著外（p＞0.05），其他各因子影响都达到极显著（p＜0.01），主次关系顺序为A（超声功率）＞C（微波功率）＞B（提取时间）＞D（料液比）。交互作用因子间相互作用均对结果产生显著影响（p＜0.01），主次关系顺序为AC＞AD＞BC＞CD＞BD＞AB。

对回归预测模型进行数学分析，得到香芋皮SDF得率在最大响应值时所对应条件：超声功率326.75 W，微波功率40 W，料液比1∶37.91 g/mL，提取时间12.02 min。考虑实际操作简便性，将工艺参数调整为超声功率327 W，微波功率40 W，料液比1∶38 g/mL，提取时间12 min。此条件下SDF得率的预测值为18.67%。

表2 响应面试验设计及结果

表3 回归模型方差分析

图5 各因素交互影响SDF得率的三维曲面图

2.6 响应面优化试验结果验证

为验证响应面优化法结果的可靠性和稳定性，采用上述优化提取条件进行5次重复试验，香芋皮SDF为18.58%±0.25%，相对标准偏差1.37%，与模型理论最大值18.67%接近，相对误差0.48%，说明模型可以较好反映出香芋皮SDF提取条件，用响应面法优化香芋皮SDF提取条件参数可行。

3 结论

试验探究超声波-微波辅助提取香芋皮中的SDF，通过单因素和响应面试验确定最佳工艺条件，影响香芋皮SDF得率主次因素依次为超声功率＞微波功率＞提取时间＞料液比。最佳工艺条件为超声功率327 W，微波功率40 W，料液比1∶38 g/mL，提取时间12 min。此条件下香芋皮SDF的得率达到18.58%±0.25%。所得试验值与理论值相对误差小，说明经响应面分析方法优化获得的工艺参数是可信的。超声波-微波辅助提取工艺相比起传统单一酶解提取大幅缩短时间。将香芋皮SDF应用于产品研发中，不仅能提高健康水平，还可以减少资源浪费，大幅提高香芋皮的利用价值。提取香芋皮SDF为香芋的综合利用研究提供参考。