盧忠英，陳仕學(xué)，魯?shù)劳?，姚元勇，謝勇

（銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州銅仁554300）

響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助法提取油茶枯非水溶性膳食纖維

盧忠英，陳仕學(xué)，魯?shù)劳?，姚元勇，謝勇

（銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州銅仁554300）

以油茶枯為試驗(yàn)原材料，采用超聲輔助法提取油茶枯非水溶性膳食纖維（IDF），在超聲功率強(qiáng)度、液料比、超聲溫度、超聲時(shí)間4個(gè)單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化提取工藝參數(shù)。結(jié)果表明：超聲功率強(qiáng)度為450 W，液料比為25 mL/g，超聲溫度為60℃，超聲時(shí)間40 min，該條件下油茶枯IDF得率可達(dá)69.11%，與IDF得率理論值比較，其相對(duì)誤差約為0.51%，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性。且在IDF性能測(cè)試中，提取所得IDF持水力為2.837g/g，膨脹力1.25mL/g。

油茶枯；非水溶性膳食纖維；響應(yīng)面法；超聲輔助法

油茶（Camellia oleifera Abel）系山茶科山茶屬植物，油茶枯是油茶種子經(jīng)提油后剩下的殘?jiān)渲袪I(yíng)養(yǎng)成分豐富，主要富含多糖、皂素、粗蛋白等物質(zhì)［1］。但目前主要用其提取皂素，其余大多被廢棄，顯然未能充分有效合理的利用，從而造成了資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染［2］。

膳食纖維是指不能被人體所消化，由纖維素、果膠、半纖維素和木質(zhì)素等組成的非淀粉多糖類為主的化合物總稱［3］。其根據(jù)水溶性可分為水溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）［4-5］，據(jù)報(bào)道，水不溶膳食纖維吸水性和膨脹性良好，能加速胃腸道蠕動(dòng)，同時(shí)能清除胃腸道毒素，且能將毒素從體內(nèi)排出，對(duì)便秘，結(jié)腸癌，高血壓，動(dòng)脈硬化等具有預(yù)防和治療的生理作用［6-7］，因此已廣泛應(yīng)用于保健品、肉制品、面制品等產(chǎn)業(yè)中［8］。

目前從油茶枯中提取IDF的方法主要采用酸溶堿沉法，謝勇等［9］用堿提取法獲得油茶蒲不溶性膳食纖維提取率40.4%。由于酸溶堿沉提取不僅需用大量的強(qiáng)酸強(qiáng)堿，且對(duì)設(shè)備酸、堿耐受性要求高，提取后酸堿排放會(huì)引起二次污染，所以選擇可減少酸堿用量的各種輔助提取方法在油茶枯IDF的提取中為目前主要方法。李怡杰［10］采用微波輔助法從油茶枯中提取IDF得率68.91%。IDF得率與傳統(tǒng)酸溶堿沉法相當(dāng)。微波輔助法簡(jiǎn)單可靠，對(duì)于IDF的提取還有待進(jìn)一步優(yōu)化；而超聲輔助法技術(shù)能使溶劑最大程度滲透原料細(xì)胞，并促使細(xì)胞壁破壞，加速溶質(zhì)溶出，具有時(shí)間短、效率高，且溶劑用量少等特點(diǎn)［11］，因此在天然產(chǎn)物化學(xué)成分提取的應(yīng)用中倍受關(guān)注。當(dāng)前，有關(guān)超聲輔助法提取油茶枯IDF的文獻(xiàn)鮮見(jiàn)報(bào)道，本文采用超聲輔助法提取油茶枯中的IDF，并結(jié)合響應(yīng)面（response surface methodology，RSM）法對(duì)其工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，為減少資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染、提高油茶枯資源利用經(jīng)濟(jì)價(jià)值提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

油茶枯：貴州銅仁市玉屏縣茶廠；氫氧化鈉、乙醇、乳酸：成都金山化學(xué)試劑有限公司。

JJ-500精密電子天平：上海恒平科學(xué)儀器有限公司；ZQ-650CT多用途恒溫超聲波提取機(jī)：上海爭(zhēng)巧科學(xué)儀器有限公司；DHG-9146型真空干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋：國(guó)華電器有限公司；FW80型萬(wàn)能粉碎機(jī)：北京科偉永興儀器有限公司；PHS-3C型pH計(jì)：雷磁儀器廠。

1.2方法

1.2.1油茶枯IDF超聲輔助提取工藝流程

樣品干燥→粉碎過(guò)篩→加蒸餾水→加入乳酸調(diào)pH值→超聲輔助提取→提取液離心→取上清液→加NaOH溶液調(diào)pH值→離心→取沉淀→水洗至中性→60℃干燥→成品IDF［12］

1.2.2IDF超聲輔助提取操作要點(diǎn)

取一定量干燥油茶枯粉末，加蒸餾水，繼續(xù)加入一定體積1.0 mol/L乳酸調(diào)pH在4.5～5.0范圍，采用超聲輔助提取一定時(shí)間，將提取液于4 500 r/min離心15 min除渣，取上清液，向其加入0.1 mol/LNaOH溶液中和酸，調(diào)pH為8～9，使IDF充分析出，將中和液于4 500 r/min離心15 min，取沉淀，將其用水洗至中性，置60℃烘干，平行試驗(yàn)3次，取平均值，計(jì)算IDF得率。

IDF得率/%=干燥IDF粉末質(zhì)量（g）/干燥原料質(zhì)量（g）×100

1.2.3油茶枯IDF提取單因素試驗(yàn)

設(shè)定超聲功率強(qiáng)度450 W，液料比25 mL/g，超聲溫度60℃，考察超聲時(shí)間在10、20、30、40、50、60 min時(shí)對(duì)油茶枯IDF得率的影響。

設(shè)定液料比25 mL/g，超聲溫度60℃，超聲時(shí)間40 min，考察超聲功率強(qiáng)度在300、350、400、450、500、550 W時(shí)對(duì)油茶枯IDF得率的影響。

設(shè)定超聲功率強(qiáng)度450 W，超聲溫度60℃，超聲時(shí)間40 min，考察液料比15、20、25、30、35、40 mL/g時(shí)對(duì)油茶枯IDF得率的影響。

設(shè)定超聲功率強(qiáng)度450 W，液料比25 mL/g，超聲時(shí)間40 min，考察超聲溫度在30、40、50、60、70、80℃時(shí)對(duì)油茶枯IDF得率的影響。

1.2.4響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果分析，據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以超聲功率強(qiáng)度（A）、液料比（B）、超聲溫度（C）、超聲時(shí)間（D）為自變量，以油茶枯IDF得率為響應(yīng)值，采用四因素三水平的響應(yīng)面分析方法求取優(yōu)化的工藝參數(shù)［13］，試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平及編碼Table 1　Four factors，levels and codes of Box-Behnken design

1.3IDF特性測(cè)定

1.3.1IDF持水力測(cè)定試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取IDF粉末1.0 g（m1），放入量筒中，加入15 mL蒸餾水飽和2 h后，置于濾紙上，瀝干后將其轉(zhuǎn)移在培養(yǎng)皿中稱重量（m2），重復(fù)3次，取平均值，計(jì)算IDF持水力（WHC）［14］。持水力/（g/g）=（m2-m1）/m1。

1.3.2IDF膨脹力測(cè)定試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取IDF粉末1.0 g（m），置于干燥的量筒中，讀取IDF膨脹前體積VA，將樣品轉(zhuǎn)入100 mL量筒中，加入蒸餾水20 mL，搖勻后在室溫下放置24 h，再讀取液體中IDF體積VB，重復(fù)3次，取平均值，計(jì)算IDF膨脹力［15］。

1.4數(shù)據(jù)分析處理

單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2007分析作圖。響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-ExpertV8.0進(jìn)行分析處理和作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素結(jié)果及分析

2.1.1超聲功率強(qiáng)度對(duì)油茶枯IDF得率的影響

超聲功率強(qiáng)度對(duì)油茶枯IDF得率的影響如圖1所示。

圖1　超聲功率強(qiáng)度對(duì)油茶枯IDF得率的影響Fig.1　Effect of ultrasonic power intensity on the rate of Camellia cakes IDF

如圖1所示，當(dāng)超聲功率強(qiáng)度在300 W～450 W時(shí)，油茶枯IDF得率隨超聲功率強(qiáng)度升高逐漸上升，但當(dāng)超聲功率強(qiáng)度超過(guò)450 W時(shí)，油茶枯IDF得率有下降的趨勢(shì)，分析可能由于超聲功率強(qiáng)度過(guò)高，使細(xì)胞內(nèi)大部分物質(zhì)釋放出來(lái)，包括一些能促使IDF降解的酶，從而影響了IDF得率，因此，確定最佳超聲功率強(qiáng)度為450 W。

2.1.2液料比對(duì)油茶枯IDF得率的影響

液料比對(duì)油茶枯IDF得率的影響如圖2所示。

圖2　液料比對(duì)油茶枯IDF得率影響Fig.2　Effect of liquid-to-solid ratio on the rate of Camellia cakes IDF

如圖2所示，當(dāng)液料比在15 mL/g～25 mL/g時(shí)，隨著液料比增加，油茶枯IDF得率相應(yīng)提高，液料比超過(guò)25 mL/g后，油茶枯IDF得率顯著下降，這是由于料液比越大，油茶枯IDF容易滲透出來(lái)，但由于油茶枯中IDF含量有限，繼續(xù)增加料液比，可能導(dǎo)致已溶出來(lái)的IDF裸露后發(fā)生水解，致使IDF得率降低，因此，確定最佳液料比為25 mL/g。

2.1.3超聲溫度對(duì)油茶枯IDF得率的影響

超聲溫度對(duì)油茶枯IDF得率的影響如圖3所示。

圖3　超聲溫度對(duì)油茶枯IDF得率的影響Fig.3　Effect of ultrasonic temperature on the rate of Camellia cakes IDF

圖3結(jié)果顯示，當(dāng)超聲溫度在30℃～60℃之間，隨超聲溫度升高油茶枯IDF得率顯著上升，當(dāng)超聲溫度高于60℃時(shí)，油茶枯IDF得率有下降趨勢(shì)，分析可能是一定溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高，提取劑的滲透能力也相應(yīng)增強(qiáng)，使油茶枯得率升高；超聲溫度過(guò)高使纖維素和半纖維氫鍵遭破壞，加速纖維素的溶解使得率降低。

2.1.4超聲時(shí)間對(duì)油茶枯IDF得率的影響

超聲時(shí)間對(duì)油茶枯IDF得率的影響如圖4所示。

圖4　超聲時(shí)間對(duì)油茶枯IDF得率的影響Fig.4　Effect of ultrasonic time on the rate of Camellia cakes IDF

如圖4所示，當(dāng)超聲累計(jì)時(shí)間從10 min～40 min時(shí)，油茶枯IDF得率隨超聲累計(jì)時(shí)間的延長(zhǎng)顯著升高，當(dāng)作用時(shí)間大于40 min時(shí)，油茶枯IDF得率隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)有下降趨勢(shì)，這可能因?yàn)槌晻r(shí)間的過(guò)長(zhǎng)加速其降解，使IDF得率降低，因此，最佳超聲時(shí)間為40 min。

2.2響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助法提取IDF

2.2.1響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果、響應(yīng)面方差分析結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2　響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 2　The experimental results for response surface analysis

表3　回歸方程方差分析Table 3　Analysis of variance for the regression equation

表3　回歸方程方差分析Table 3　Analysis of variance for the regression equation

2.2.2響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)回歸擬合后，由響應(yīng)面分析法得出關(guān)于超聲輔助法提取IDF得率的二次回歸擬合方程：

IDF得率/%=69.42-0.76A+0.42B-0.71C+0.69D+ 0.32AB-0.66AC-0.90AD+0.12BC+1.01BD-1.17CD-8.01A2-7.51B2-8.56C2-8.02D2。

從表3可以看出，回歸方程擬合檢驗(yàn)P＜0.000 1，表現(xiàn)極顯著水平，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值非常吻合，具有高度相關(guān)性（R2=0.978 3），回歸方程失擬檢驗(yàn)P=0.145 8> 0.05，差異不顯著，說(shuō)明殘差均由隨機(jī)誤差引起，即未知因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果干擾很小；同時(shí)各因素一次項(xiàng)A、B、C、D及二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2對(duì)IDF得率均表現(xiàn)顯著水平（P＜0.05，P＜0.01），交互項(xiàng)AD交互作用的影響差異極顯著（P＜0.010），AC、BD、CD交互作用的影響差異顯著（P＜0.05），AB、BC交互作用差異不顯著（P>0.05）；表明各因素與響應(yīng)值之間不能用簡(jiǎn)單線性關(guān)系解釋，而是一種非線性關(guān)系，表明該模型對(duì)于油茶枯IDF得率的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值具有很好的擬合度，可以用其確定最佳提取工藝條件，影響超聲輔助法提取IDF得率的主次因素為A＞C＞D＞B，即超聲功率強(qiáng)度>超聲溫度>超聲時(shí)間>液料比。

2.2.3響應(yīng)面分析

考察各交互項(xiàng)對(duì)IDF得率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可知，AD曲線峰陡峭，對(duì)IDF得率的影響表現(xiàn)極顯著，AC、BD、CD的曲線峰較陡，對(duì)IDF得率的影響顯著，AB、BC曲線峰平緩，對(duì)IDF得率的影響不顯著，與方差分析結(jié)果吻合。

2.2.4確定最優(yōu)條件及驗(yàn)證試驗(yàn)

圖5　超聲功率強(qiáng)度、液料比、超聲溫度、超聲時(shí)間與IDF得率交互影響響應(yīng)面圖Fig.5　Response surface plots showing the effects of ultrasonic power intensity，liquid-to-solid ratio，ultrasonic temperature and time on IDF yield

根據(jù)回歸模型，利用Design-ExpertV8.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到超聲輔助法提取IDF的最佳條件為：超聲功率強(qiáng)度為447.6 W，液料比為25.15 mL/g，超聲溫度為59.58℃，超聲時(shí)間40.51 min，在此條件下油茶枯IDF得率為69.47%，考慮實(shí)驗(yàn)操作的可行性，對(duì)各因素進(jìn)行調(diào)整數(shù)，超聲功率強(qiáng)度為450 W，液料比為25 mL/g，超聲溫度為60℃，超聲時(shí)間40 min，在此最優(yōu)條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，油茶枯IDF得率可達(dá)69.11%，與IDF的提取理論值比較，其相對(duì)誤差約為0.51%，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性。

2.3IDF性能測(cè)定結(jié)果

2.3.1IDF持水力

在超聲功率強(qiáng)度為450 W，液料比為25 mL/g，超聲溫度為60℃，超聲時(shí)間40 min條件下，根據(jù)1.3.1測(cè)定方法，代入公式可得出油茶枯IDF持水力為283.7 g/g。

2.3.2IDF膨脹力

在超聲功率強(qiáng)度為450 W，液料比為25 mL/g，超聲溫度為60℃，超聲時(shí)間40 min條件下，根據(jù)1.3.2測(cè)定方法，代入公式可得油茶枯IDF膨脹力1.25 mL/g。

3　結(jié)論

本文在單因素試驗(yàn)=驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Design-ExpertV8.0軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化油茶枯中IDF超聲輔助法提取工藝。試驗(yàn)表明：影響超聲輔助法提取IDF得率的主次因素為：超聲功率強(qiáng)度＞超聲溫度＞超聲時(shí)間＞液料比。超聲波輔助提取油茶枯中IDF的最佳工藝參數(shù)為超聲功率強(qiáng)度為450 W，液料比為25 mL/g，超聲溫度為60℃，超聲時(shí)間40 min，該條件下油茶枯IDF得率可達(dá)69.11%，與IDF得率理論值比較，其相對(duì)誤差約為0.51%，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性，且提取所得IDF持水力為2.837 g/g，膨脹力1.25 mL/g。

［1］干麗，李嘉瀅，蔡幀艷，等.茶枯餅主要化學(xué)成分的研究及綜合利用［J］.中南藥學(xué)，2013，11（11）：823-825

［2］鄧桂蘭，彭超英，盧峰.油茶餅粕的綜合利用研究［J］.現(xiàn)代食品科技，2005，41（3）：130-132

［3］Montagne L，Pluske J R，Hampson D J.A review of interactions between dietary fibre and the intestinal mucosa，and their consequences on digestive health in young non-ruminant animals［J］.Animal Feed Science&Technology，2003，108（1/4）：95-117

［4］修建成，曹榮安，孔保華，等.膳食纖維的分類與應(yīng)用［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工，2006（10）：31-33

［5］盧忠英，姚元勇，陳仕學(xué)，等.響應(yīng)面微波輔助酶法提取油茶枯水溶性膳食纖維的工藝優(yōu)化［J］.食品工業(yè)科技，2015（20）：289-292

［6］李海云，王秀麗.荔枝殼水不溶性膳食纖維吸陳NO2-、膽酸鈉的研究［J］.食品研究與開(kāi)發(fā)，2006，27（8）：167-170

［7］陳亞非，趙謀明.水溶性與水不溶性膳食纖維對(duì)油脂、膽固醇和膽酸鈉吸附作用研究［J］.現(xiàn)代食品科技，2005，21（3）：58-60

［8］Elleuch M，Bedigian D，Roiseux O，et al.Dietary fibre and fibrerich by-products of food processing：Characterisation，technological functionality and commercial applications：A review［J］.Food Chemistry，2011，124（2）：411-421

［9］謝勇，陳詩(shī)強(qiáng)，池香蓮，等.油茶蒲中不溶性膳食纖維的提取及其特性分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2013，39（2）；149-154

［10］李怡杰，陸海南，覃江克，等.微波輔助提取油茶枯中膳食纖維的工藝優(yōu)化［J］.食品科技，2013，38（5）：188-192

［11］潘利華，徐學(xué)玲，羅建平.超聲輔助提取水不溶性大豆膳食纖維及其物理特性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（9）：387-392

［12］劉芳，黃科瑞，黎遠(yuǎn)成.微波輔助提取油茶籽油的工藝優(yōu)化［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2012，28（3）：290-294

［13］GIOVINNIM.Response surface methodology and product optimization［J］.Food Technology，1999，37（2）：41-45

［14］陳仕學(xué)，胡明念，魯?shù)劳?，?野生陽(yáng)荷水不溶性膳食纖維的提取及性能測(cè)定［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2014，40（1）：250-253

［15］潘英明，梁英，王恒山，等.從羅漢果渣中提取水不溶性膳食纖維的研究［J］.廣西植物，2003，23（4）：370-372

Optimization of Ultrasound Assisted Extraction of Camellia Insoluble Dietary Fiber by Response Surface Method

LU Zhong-ying，CHEN Shi-xue，LU Dao-wang，YAO Yuan-yong，XIE Yong
（Institute of Material and Chemical Engineering，Tongren University，Tongren 554300，Guizhou，China）

Ultrasonic assisted extraction of insoluble dietary fiber（IDF）from oil-tea Camellia cakes was investigated based on the single factor experiments.Box-Behnken central composite design and response surface design were used to simultaneously optimize four process parameters，including ultrasonic power intensity，liquidto-solid ratio，ultrasonic temperature and time.The results showed that the optimum extraction conditions were as follows：the power intensity of ultrasonic，450 W，liquid-to-solid ratio，25 mL/g；ultrasonic temperature，60℃；and ultrasonic time，40 min.The rate of Camellia cakes IDF was 69.11%，compared with the theoretical value，the relative error was about 0.51%，and the validity of the mathematical model was verified.And in testing property of watery insuluble fiber，water holding capacity was 2.837 g/g，the expansion force was 1.25 mL/g.

oil-tea Camellia cakes；water insoluble dietary fiber；response surface method；ultrasonic assisted method

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.21.006

梵凈山特色苗藥資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)產(chǎn)學(xué)研基地（黔教合KY字 ［2014］233）；貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（黔教合KY字2013184）；貴州省普通高等學(xué)校特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（黔發(fā)合K字［2011］005）

盧忠英（1987—），女（苗），講師，碩士，研究方向：天然藥物化學(xué)成分與新藥研發(fā)。

2015-12-29