响应面法优化木薯渣可溶性膳食纤维提取工艺

付晶晶　蓝蔚　覃小珊　吴源夗　孙健

摘 要：目的：木薯淀粉废弃物木薯渣中含有丰富的膳食纤维，利用酶法提取木薯渣中可溶性膳食纤维，充分利用食品生产中的废弃资源，对于保护环境、降低成本、提高农副产品经济价值具有积极作用。方法：通过单因素实验选取pH、酶解温度、料液比、酶浓度4个因素作为响应面实验的自变量，可溶性膳食纤维得率为响应值，根据Box-Behnken中心组合实验设计原理对选取的4个自变量分别选取3个水平进行响应面实验，研究4种因素及其交互作用对木薯渣中可溶性膳食纤维得率的影响，得到预测的回归方程模型。结果：确定最佳提取工艺条件为pH 5.8，酶解温度48 ℃，料液比1∶35（g∶mL），酶浓度55 U·g^-1。在此条件下可溶性膳食纤维的实际得率为5.392 2 g/10 g原料，与预测值5.256 7 g/10 g的相对误差为2.58%。结论：优化工艺参数可为木薯渣可溶性膳食纤维提取的工业化生产提供参考。

关键词：木薯渣；可溶性膳食纤维；提取；响应面法

Optimization of Extraction Process of Soluble Dietary Fiber from Cassava Residue by Response Surface Methodology

FU Jingjing LAN Wei QIN Xiaoshan WU Yuanyuan SUN Jian

（1.College  of Medical Technology， Guangxi Medical College， Nanning 530021， China;

2.School of Basic Medical Sciences， Guangxi Medical University， Nanning 530021， China）

Abstract： Objective： Cassava residue coming from cassava starch production is rich in dietary fiber. Enzymatic extraction of soluble dietary fiber from cassava residue is a good use of waste resources in food production. It plays a positive role in protecting the environment， reducing costs and improving the economic value of agricultural and sideline products. Method： Response surface methodology （RSM） combined with single factor experiments were employed to maximize soluble dietary fiber extraction yield based on Box-Behnken central composite design involving 4 factors （pH， enzymatic hydrolysis temperature， solid/liquid ratio and enzyme concentration） at 3 levels. The effects of four factors and their interactions on the extraction rate of soluble dietary fiber from cassava residue were studied， and the regression equation of prediction model was obtained. Result： The optimal condition for extraction of soluble dietary fiber was that the extraction pH of 5.8， the enzymatic hydrolysis temperature of 48 ℃， the solid/liquid ratio of 1∶35 （g∶mL） and the enzyme concentration of 55 U·g^-1. Under this condition， the measured extraction yield of soluble dietary fiber was 5.392 2 g/10 g， and the relative error was 2.58% compared with the theoretical value of 5.256 7 g/10 g. Conclusion： The optimized extraction process parameters can provide a reference for industrial production of soluble dietary fiber from cassava residue.

Keywords： soluble dietary fiber; cassava residue; extraction; response surface methodology

廣西是我国木薯淀粉的主要产区，产量位居全国首位，占全国总产量的60%～70%。据不完全统计，广西木薯加工企业有50多个，主要分布在南宁、钦州、北海等地。木薯加工产业的快速发展，产生了大量的木薯渣，即一种木薯淀粉加工废弃物。据报道我国的木薯渣年产生量约为300 000 t，仅广西就有近20万t。淀粉加工过程中产生的木薯渣由于水分含量高并富含营养，在堆放、运输过程中极易滋生微生物，污染环境，同时还会产生有毒物质氢氰酸[1]。

目前木薯渣主要通过以下几种方法进行处理：①发酵用来生产沼气；②经过一定的处理后作为动物饲料，但要解决毒性问题；③作为燃料直接燃烧；④用作真菌生产，作为菇类的培养基。这些方法直接经济价值较低，处理量有限，仍有大量木薯渣无法利用，从而造成资源浪费及环境污染。考虑到木薯渣中含有大量纤维素，如果可以有效利用木薯渣提取膳食纤维，则不仅可以增加企业的生产附加值，同时也可以减少环境污染[2]。

膳食纤维又被称为“第七大营养素”，按照其能否在水中溶解分为水溶性膳食纤维及不溶性膳食纤维两类[3]。水溶性膳食纤维主要用来调节机体代谢[4]（碳水化合物、脂类代谢），与抑制血糖升高、降低血清胆固醇[5]等有密切联系。目前膳食纤维提取原料主要有豆及谷物类[6]、果蔬[7]、菌类[8]等。以木薯及木薯渣为原料提取膳食纤维的研究较少。本研究以木薯淀粉生产中产生的木薯渣为实验原料，采用纤维素酶对其进行水解获取可溶性膳食纤维，应用响应面分析法优化工艺，希望能够提高木薯淀粉生产企业的收入，增强企业的竞争力，同时也可以开拓膳食纤维提取原料的资源。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

木薯渣（木薯淀粉生产废弃物）：由广西隆安县富达淀粉厂提供，原料经烘干、粉碎后过50目筛网，得到木薯渣粉。无水乙醇、纤维素酶、柠檬酸和柠檬酸钠等试剂均为分析纯。

TDL-5-A离心机（上海安亭）；TS-110X30恒温水浴摇床（上海科辰）。

1.2 方法

1.2.1 木薯渣中可溶性膳食纤维的提取方法

称取10 g木薯渣粉，置于三角瓶中，加入一定体积柠檬酸缓冲溶液，搅拌均匀后置于一定温度水浴中预热10 min，加入一定量的纤维素酶，保温一定时间后，酶解液于沸水浴中处理5 min后抽滤，滤液加入无水乙醇，加入比例为1∶4，静置1 d，4 000 r·min^-1离心20 min，收集沉淀，即为可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）。

1.2.2 可溶性膳食纤维含量测定

在60 ℃恒温条件下，将分离得到的木薯渣SDF烘至质量恒定后称重，以10 g木薯渣粉中获得的可溶性膳食纤维量表示SDF得率（g/10 g）。

1.2.3 单因素实验

每次单因素实验分别选取一个因素作为变量，其他因素固定不变，分别按1.2.1中提供的方法进行提取，每组实验重复3次，测定木薯渣SDF得率。对各单因素实验的结果进行分析，选取各因素的较优水平进行响应面实验。

（1）pH对木薯渣SDF提取效果的影响。固定酶解温度50 ℃，纤维素酶50 U·g^-1，液料比1∶20，酶解时间4 h，在pH分别为4.0、4.4、4.8、5.2、5.6和6.0的缓冲环境中提取可溶性膳食纤维。

（2）料液比对木薯渣SDF提取效果的影响。固定酶解温度50 ℃，pH为4.8，纤维素酶50 U·g^-1，酶解时间4 h，分别以料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30和1∶35（g∶mL）提取可溶性膳食纤维。

（3）酶浓度对木薯渣SDF提取效果的影响。固定酶解温度50 ℃，pH为4.8，纤维素酶50 U·g^-1，料液比1∶20，酶解时间4 h，分别以酶制剂添加量为40 U·g^-1、45 U·g^-1、50 U·g^-1、55 U·g^-1、60 U·g^-1和65 U·g^-1提取可溶性膳食纤维。

（4）酶解温度对木薯渣SDF提取效果的影响。固定pH为4.8，纤维素酶50 U·g^-1，料液比1∶20，酶解时间4 h，分别以酶解温度30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃为变量提取可溶性膳食纤维。

（5）酶解时间对木薯渣SDF提取效果的影响。固定酶解温度50 ℃，pH为4.8，纤维素酶50 U·g^-1，料液比1∶20，分别以酶解时间3 h、4 h、5 h和6 h为变量提取可溶性膳食纤维。

1.2.4 响应面实验设计

对单因素实验结果进行分析，选取4个因素，每个单因素选取较优的3个水平进行响应面实验设计，设置4因素3水平响应面实验，共27个实验点，其中包含3个中心点，具体的响应面设计因素和水平详见表1，其中1、0、-1代表各因素的高、中、低水平。运用Design Expert软件对实验结果进行回归分析，对木薯渣中SDF提取条件进行优化。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 pH对木薯渣SDF得率的影响

pH对木薯渣SDF得率的影响见图1，随着pH值的增大，木薯渣SDF得率呈现先上升后下降的趋势。缓冲溶液pH在4.0～5.6时，木薯渣SDF得率变化较快，pH为5.6时SDF得率达到最大值，随后木薯渣SDF得率随pH升高而降低。因此，选取缓冲溶液pH为5.2、5.6、6.0这3个水平进行后续的响应面实验。

2.1.2 料液比对木薯渣SDF得率的影响

如图2所示，随着提取液的增加，木薯渣SDF得率整体处于上升趋势，但后期增加趋势趋缓。当料液比处于1∶30（g∶mL）之前时，木薯渣SDF得率增加较快；持续增加提取液比例，木薯渣SDF得率增加速度逐渐减慢；这可能是由于当料液比达到一定程度，大部分木薯渣SDF都已溶出，料液比的边际效应逐渐显现。另外料液比越大成本越高，基于木薯渣SDF得率与成本的双重考虑，选择料液比1∶25、1∶30、1∶35（g∶mL）3個水平值，进行响应面实验。

2.1.3 酶浓度对木薯渣SDF得率的影响

如图3所示，当酶添加量低于50 U·g^-1时，木薯渣SDF得率随着酶浓度增加快速增大，继续增加酶浓度，木薯渣SDF得率虽有增大，但较为平缓。最终选择酶浓度45 U·g^-1、50 U·g^-1、55 U·g^-13个水平进行响应面实验。

2.1.4 酶解温度对木薯渣SDF得率的影响

如图4所示，当酶解温度低于50 ℃时，木薯渣SDF得率随着酶解温度的增加而增加，但继续增加酶解温度，木薯渣SDF得率降低，这可能是由于高温使酶失活导致，选择酶解温度40 ℃、50 ℃、60 ℃进行响应面实验。

2.1.5 酶解时间对木薯渣SDF得率的影响

如图5所示，木薯渣SDF得率随着酶解时间的增加而增加，但影响不大，基于木薯渣SDF得率与成本的双重考虑，选择酶解时间为5 h，直接设定为进行响应面实验中的固定值。

2.2 响应面分析法优化结果与分析

2.2.1 响应面分析方案及结果

单因素实验结果表明时间对于SDF的影响不大，而pH、酶解温度、料液比、酶浓度4个自变量对SDF的得率影响较大，因此响应面实验以这4种因素为响应因子，每个因素取3个较优水平，进行响应面分析实验，实验方案及实验结果见表2。

利用Design-Expert 8.0.6软件对所得的实验数据进行多元回归拟合，得到木薯渣SDF得率pH（A）、酶解温度（B）、料液比（C）、酶浓度（D）的回归模型方程：SDF=3.21-0.082A+0.015B+0.71C+1.16D-0.54AB+0.27AC+0.32AD-1.550×10-³BC-0.080BD+0.059CD-0.54A²-0.95B²-0.24C²+0.23D²

由于该回归模型方程的大部分二次项系数为负值，推断具有极大值点，进行优化分析。

2.2.2 回归方程的方差分析及系数显著性分析

对依据实验结果分析得到的上述方程进行统计学分析，方差分析结果见表3。由表可知F值=21.76，P值＜0.000 1，达到极显著水平，失拟项的P值为0.060 2＞0.05，说明该模型有效可靠。由F值判断，影响木薯渣SDF得率的最主要因素为酶浓度，其次是料液比，最后为pH和酶解温度。R²=0.962 1，表明96.21%的响应值都可以用该模型解释，R²_Adj=0.917 9，说明可信度较好。该回归方程为木薯渣中可溶性膳食纤维的提取工艺条件提供了一个良好的模型。

2.2.3 响应面分析与优化

通过 Design Expert 8.0.6软件对4个因素之间的交互作用进行分析，见图6～图11。

分析图6、图7、图8可知，当pH低于5.8时随着pH的增加木薯渣SDF得率不断增大；pH继续增大木薯渣SDF得率开始下降。对图6、图9进行分析，木薯渣SDF得率达到最高值时的提取温度为50 ℃，超过该高温度后木薯渣SDF得率开始下降，这可能是由于高温下酶活性受到影响。由图7、图9、图11可知，随着提取液的增加木薯渣SDF得率不断增大，但增加到1∶34（g∶mL）以上时得率增速缓慢，但其提取成本会极大增加。由图8、图10、图11可知，酶浓度对木薯渣SDF得率的影响是正向的，但酶浓度增加到53 U·g^-1以上时，增速趋缓，出于酶添加量对提取成本的影响考虑，不会无限增加酶浓度。

通过软件分析计算得出木薯渣SDF提取的理论最佳实验条件是pH值5.8、酶解温度48.51 ℃、料液比1∶34.96（g∶mL）、酶浓度54.97 U·g^-1，在此条件下，木薯渣SDF得率的理论值达到5.256 7 g/10 g原料。考虑到实际实验过程的可行性，将理论最佳实验条件进行微调。调整后工艺条件为pH值5.8，酶解温度48 ℃，料液比1∶35（g∶mL），酶浓度55 U·g^-1，通过3次平行实验进行验证，求其平均值，评价响应面法分析得到数据的可靠性。实测木薯渣SDF得率为5.392 2 g/10 g原料，与理论值相比，相对误差为2.58%。因此，本研究得到木薯渣SDF提取条件的模型准确可靠，具有实用价值。

3 结论

本实验以木薯淀粉在生产过程中的废弃物木薯渣为原料，通过酶法水解木薯渣中的膳食纤维，得到可溶性膳食纤维。对单因素实验结果进行分析，选取对SDF的得率影响较大的4个自变量为响应因子，进行了4因素3水平共的响应面实验，根据实验结果建立了数学模型，得到了优化后的木薯渣SDF提取的最优工艺。影响木薯渣SDF得率的最主要因素为酶浓度，其次是料液比，最后为pH和酶解温度。确定其最佳提取工艺条件为pH值5.8，酶解温度48 ℃，料液比1∶35（g∶mL），酶浓度55 U·g^-1，本实验能够提高木薯渣利用价值，为进一步开发利用食品加工废弃物资源提供了科学的理论依据，同时为膳食纤维提取原料开拓了新的资源。

参考文献

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