响应面法优化藜麦麸皮中可溶性膳食纤维提取工艺

孙永杰，冯佳乐，张兴华，王金玉

长春科技学院（长春 130600）

藜麦是被联合国粮食及农业组织列为唯一一种可以满足人体基本营养需求的单体植物，被称为“谷物之母”，具有很高的食用价值和药用价值。藜麦麸皮是藜麦加工生产中的主要副产物，藜麦麸皮中含有大量的膳食纤维及其他有效成分。膳食纤维有助于促进胃肠道蠕动，利于人体肠道有益菌群的繁殖。同时对肥胖病、高血压、高血脂、结肠病及心血管疾病等有一定的预防作用，有提高免疫力等生理功能。藜麦麸皮中的可溶性纤维素作为一种新型的膳食纤维源，对其中可溶性膳食纤维的提取工艺进行研究，可为藜麦麸皮开发利用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

藜麦麸皮（未粉碎，吉林省通榆藜麦种植基地）；α-淀粉酶（2 000 U/g，北京奥博星生物有限公司）；氢氧化钠、无水乙醇（分析纯）。

1.2 仪器与设备

YP1002N型电子天平（上海精密科学仪器有限公司）；HH-2型数显恒温水浴锅（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）；DHG9123A电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；TD420型台式低速离心机（四川蜀科仪器有限公司）；pHS-3C型pH计（上海雷磁仪器厂）；SHZ-DⅢ予华牌循环水真空泵（巩义市予华仪器有限责任公司）；FW177中草药粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）。

1.3 工艺流程及操作要点

1.3.1 工艺流程

藜麦麸皮→预处理→水浴加热→添加α-淀粉酶水解→灭酶→抽滤→NaOH碱解→调pH→离心→蒸发浓缩→95%乙醇醇沉→过滤、干燥→可溶纤维素

1.3.2 操作要点

取藜麦麸皮，过筛后洗净，在干燥箱中35 ℃烘干，然后通过超微粉碎机充分粉碎，密封干燥，备用。将处理好的藜麦麸皮，以水为溶剂，按料液比1∶10（g/mL）放在65～75 ℃的水浴锅中水浴10～20 min。加入α-淀粉酶，在65 ℃的条件下酶解30 min，然后在100 ℃下灭酶。将混合溶液真空抽滤，取其滤液。用NaOH碱解1 h，然后用水洗涤至中性。用离心机以4 000 r/min离心20 min，取上层清液，将上清液浓缩，然后以4倍体积的95%乙醇溶液醇沉4 h，过滤、干燥，即得可溶性膳食纤维。

1.3.3 藜麦麸皮可溶性纤维素（SDF）的提取率

1.4 单因素试验

1.4.1 酶的添加量对提取率的影响

称取麸皮，按提取工艺进行试验。其中酶的添加量分别为0.2%，0.3%，0.4%，0.5%和0.6%，用5%NaOH碱解，碱解温度为80 ℃。

1.4.2 NaOH的浓度对提取率的影响

称取麸皮，按提取工艺进行试验。其中酶的添加量为0.4%，NaOH浓度分别为1%，3%，5%，7%和9%，碱解温度为80 ℃。

1.4.3 碱解温度对提取率的影响

称取麸皮，按提取工艺进行试验。其中酶的添加量为0.4%，碱解的NaOH浓度为5%，碱解温度分别为20，40，60，80和100 ℃。

1.5 Box-Behnken 响应面优化设计

根据Box-Behnken试验设计原理进行三因素三水平试验设计，利用Design-Expert 8.0软件进行数据拟合，以优化藜麦麸皮可溶性膳食纤维的提取工艺。在单因素试验的基础上，以酶的添加量、NaOH浓度、碱解温度3个因素为自变量，可溶性膳食纤维的提取率为响应值，进行三因素三水平响应面试验，试验因素和水平见表1。

表1 响应面试验设计因素和水平表

应用统计学分析方法，对于单因素试验采用Excel统计分析数据的方式进行分析，运用Design-Expert 8.0软件进行响应面的设计和结果分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 酶的添加量对提取率的影响

由图1可知，固定其他条件一定，藜麦麸皮中可溶性膳食纤维的提取率随着酶的添加量增加呈先增长后降低的趋势，当添加量为0.4%时，提取率达到最大，这主要受酶的竞争性抑制和酶与底物比例的影响。

图1 酶的添加量对提取率的影响

2.1.2 NaOH浓度对提取率的影响

由图2可知，当NaOH浓度从1%增加到5%时，可溶性膳食纤维的提取率从10.18%增加到15.8%，浓度继续增加，可溶性膳食纤维的提取率显著下降。这是由于NaOH浓度过大，纤维素发生水解，导致提取率下降。因此，选用浓度5% NaOH为宜。

图2 NaOH浓度对提取率的影响

2.1.3 碱解温度对提取率的影响

由图3可知，可溶性膳食纤维提取率随碱解温度的升高呈先增长后降低的趋势，趋势变化主要是受藜麦麸皮中油脂水解和蛋白质等电点的影响。当碱解温度为80 ℃时，提取率最高。

图3 碱解温度对提取率的影响

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面优化试验结果（见表2）

表2 Box-Behnken试验设计及结果

根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，以可溶性膳食纤维提取率为响应值，以酶的添加量、NaOH浓度、碱解温度3个因素为自变量，进行藜麦麸皮中可溶性膳食纤维的提取工艺。

利用Design-Expert 8.0软件对表2试验数据进行二次多项式回归拟合，得到可溶性膳食纤维的提取率（Y）与酶的添加量（A）、NaOH的浓度（B）、碱解温度（C）三个因素的二次回归方程：Y=24.83-0.45A+2.87B+0.77C-1.41AB+1.51AC+0.31BC-4.33A2-4.8B2-6.03C2。

结合表3分析结果来看，模型的p＜0.01，表明该模型回归极其显著，而失拟项不显著。相关系数R2值越接近1，说明此试验模型的预测值越接近实际值，该模型R2=0.999 8，调整后模型相关系数=0.999 5，说明该回归方程的拟合度较好，实际值与预测值有很好的拟合相关性。由表3可知，在一次项中，酶的添加量、NaOH的浓度、碱解温度3个因素对可溶性纤维素的提取率的影响均达到极显著水平。在二次项中，3个自变量对可溶性纤维素的提取率的影响也达到极显著水平。由F值可知，各因素对多酚得率的影响次序为NaOH的浓度（B）＞碱解温度（C）＞酶的添加量（A）。

表3 回归模型方差分析

2.2.2 最优条件的优化与验证

经Design-Expert 8.0软件分析得到的优化条件为酶的添加量0.29%、NaOH的浓度3.63%、碱解温度51.79℃。此时提取率为25.329 7%。考虑到可操作性，将酶解条件调整为酶的添加量0.3%、NaOH浓度3.5%、碱解温度52 ℃。在调整后的最优条件下进行3次验证试验，可溶性膳食纤维平均提取率为25.023%，与模型预测值相近，说明此模型预测的参数准确，对实际操作有一定的指导意义。

3 结论

此次试验采用超微粉碎机处理藜麦麸皮，以酶提取的方法首次提取藜麦麸皮中的可溶性膳食纤维。由单因素和响应面试验可知，各因素对藜麦麸皮中可溶性膳食纤维的提取率影响次序为NaOH浓度（B）＞碱解温度（C）＞酶的添加量（A）。其最佳提取工艺条件为酶的添加量0.3%、NaOH浓度3.5%、碱解温度52℃，此时提取率为25.023%。该试验为进一步研究藜麦麸皮提取可溶性纤维素的优化工艺提供参考依据。