响应面微波辅助酶法提取油茶枯水溶性膳食纤维的工艺优化

卢忠英，姚元勇，陈仕学，邢明明，谢　勇（铜仁学院材料与化学工程学院，贵州铜仁554300）

响应面微波辅助酶法提取油茶枯水溶性膳食纤维的工艺优化

卢忠英，姚元勇，陈仕学，邢明明，谢勇
（铜仁学院材料与化学工程学院，贵州铜仁554300）

为了提高油茶枯有效利用率，利用微波辅助酶法提取油茶枯中的水溶性膳食纤维（SDF），在微波功率、酶解时间、pH、酶用量4个单因素实验基础上，利用Box-Behnken的中心组合设计原理进行响应面设计优化提取工艺参数。结果表明：在微波功率为450 W、酶用量0.7%、酶解时间2 h、pH为5.0下，油茶枯SDF得率可达15.63%，与SDF的提取理论值比较，其相对误差约为0.45%，且重复性也很好，因此该优化提取工艺参数准确可靠。

油茶枯，水溶性膳食纤维，提取，微波辅助酶法

油茶（Camellia oleifera Abel）系山茶科山茶属植物，其种子油脂含量较高且具有经济栽培价值［1］。油茶枯是油茶籽经提油后剩下的残渣，其中仍含多种营养成分，如油脂约6%、皂素约10%、粗蛋白约10%等物质［2］。其中部分用于提取皂素，大多被废弃掉，未能得到有效合理的利用，造成了资源的浪费和环境污染［3］。

膳食纤维包括水溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF），其在维持膳食平衡方面发挥着重要作用，被称为“第七营养素”［4］。据报道，水溶性膳食纤维在抗氧化、防治心血管疾病、糖尿病、肥胖等方面的作用明显优于非水溶性膳食纤维，有膳食纤维中的“极品”的美誉，该物质也广泛应用于食品中［5-8］。油茶枯的膳食纤维具有很高的应用价值，尤其是其中的水溶性膳食纤维具有很高应用价值。目前对油茶枯中膳食纤维的提取工艺主要采用化学法和有机溶剂提取法，李怡杰等［9］用化学方法提取油茶枯中水溶性膳食纤维的得率为12.55%。谢勇等［10］用碱提取法获得油茶蒲不溶性膳食纤维提取率40.4%。对油茶枯中膳食纤维的提取工艺优化有待进一步的研究。

微波辅助酶法提取技术具有条件温和、选择性高、操作时间短等特点［11］，其基本原理是微波加热能够透射到生物组织内部引起细胞分子的电磁振荡，穿透细胞壁到达物料内部的微管束和腺胞系统的过程［12］。酶法提取工艺主要原理是通过酶对组织细胞壁的破坏，使其有效成分溶出，此时用乙醇沉降水溶性膳食纤维，从而提高膳食纤维的提取率。本文采用微波辅助酶解法提取油茶枯中的水溶性膳食纤维，并结合响应面（response surface methodology，RSM）法对其工艺条件进行了优化，为减少资源的浪费、减轻对环境的污染、提高油茶枯资源利用经济价值提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

油茶枯贵州铜仁市玉屏县茶厂；复合纤维素酶酶活：10000 u/g，上海源叶生物科技有限公司；95%乙醇（分析纯）、氢氧化钠、乙醇、盐酸成都金山化学试剂有限公司；

MM823EC8-PS（X）型微波炉美的微波电器制造有限公司；TD5A台式低速离心机湖南赫西仪器装备有限公司；DHG-9146型真空干燥箱上海精宏实验设备有限公司；HH-2型数显恒温水浴锅国华电器有限公司；FW80型万能粉碎机北京科伟永兴仪器有限公司；JJ-500精密电子天平上海恒平科学仪器有限公司；PHS-3C型pH计雷磁仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1油茶枯SDF提取工艺流程样品干燥→蛋白酶→灭酶→加压→加复合纤维素酶→微波辅助酶解→灭酶→浓缩→离心过滤→醇提→离心过滤→干燥→成品SDF［13］。

1.2.2油茶枯水溶性膳食纤维的提取及含量测定取1.00 g及油茶枯样品，加水20 mL，在高压灭菌锅中进行加压预处理3 h，在60℃下恒温水浴，加复合纤维素酶在一定pH的缓冲液中微波辅助酶解；合并提取上清液并在5000 r/min转速下离心20 min，加入4倍体积的无水乙醇对滤液进行处理，静置过夜，用已干燥至恒重的滤纸抽滤，将滤纸及沉淀物置于80℃干燥箱中干燥至恒重，计算SDF得率［14］：

式中，m1为滤纸及沉淀物置于80℃烘箱中干燥至恒重，g；m2为干燥至恒重的定量滤纸，g；m3为油茶枯样品质量，g。

1.2.3单因素实验设计设定溶液pH为5.0、酶用量0.7%、酶解时间60 min，考察微波功率300、350、400、450、500、550 W对SDF得率的影响；

设定溶液pH为5.0、酶用量0.7%、微波功率450 W，考察酶解时间在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h对SDF得率的影响；

设定溶液pH为5.0、微波功率450 W、酶解时间60 min，考察酶添加量0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%对SDF得率的影响；

设定酶用量0.7%、微波功率450 W，酶解时间60 min，考察溶液pH在3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0对SDF得率的影响。

每个单因素设3次重复实验。

1.2.4响应面实验据单因素实验结果，依据Box-Behnken Design的中心组合实验设计原理，以微波功率、酶解时间、pH、酶添加量为自变量，以油茶枯SDF得率为响应值，采用4因素3水平的响应面分析方法求取优化的工艺参数［15］，实验因素水平设计见表1。

表1　Box-Behnken设计实验因素水平及编码Table 1　Four factors，levels and codes of Box-Behnken design

1.3数据分析处理

单因素实验数据用Microsoft Office Excel 2007分析作图。响应面优化实验数据采用Design-Expert V8.0进行分析处理和作图。

图1　微波功率与SDF得率的关系Fig.1　Relation of microwave power and SDF extraction rate

2　结果与分析

2.1单因素结果及分析

2.1.1微波功率对提取SDF得率的影响由图1可知，随着微波功率逐渐升高，SDF得率明显上升，但微波功率超过450 W后，SDF得率呈下降趋势。分析一方面是微波功率过高，抑制了纤维素酶活性。另一方面是由于SDF主要成分为天然果胶和β-葡聚糖，微波功率过高，可能使其本身分子结构式遭到破坏，从而导致得率降低。因此将微波功率确定在450 W左右为微波辅助酶法提取SDF的最佳条件。

2.1.2酶解时间对提取SDF得率的影响由图2可知，随着酶解时间延长，微波辅助酶法提取SDF得率呈上升趋势。在0.5～1.5 h内，可能酶解时间过短，使微波辅助酶法提取SDF不彻底，使SDF得率上升幅度较小；酶解时间在1.5～2 h时，随着时间延长，大多SDF被纤维素酶逐渐提取出来，使SDF得率明显上升；当酶解时间超过2 h后，由于SDF大部分已被酶解出，但长时间的酶解作用致使大量的杂质溶出，影响微波辅助酶法提取SDF得率，因此将最佳酶解时间控制在2 h左右。

图2　酶解时间与SDF得率的关系Fig.2　Relation of enzymatic hydrolysis time and SDF extraction rate

图3pH与SDF得率的关系Fig.3　Relation of pH and SDF extraction rate

2.1.3pH对提取SDF得率的影响由图3可知，随着pH的上升，微波辅助酶法提取SDF得率明显上升；当pH＞5后，微波辅助酶法提取SDF得率有下降趋势，分析可能是随着pH增大，影响了纤维素酶活性，因此可将最佳pH控制在5左右。

图4　酶用量对SDF得率的关系Fig.4　Relation of enzyme dosage and SDF extraction rate

2.1.4纤维素酶添加量对提取SDF得率的影响由图4可知，随着纤维素酶用量增多，微波辅助酶法提取SDF得率明显上升，当纤维素酶用量增至0.7%以后，微波辅助酶法提取SDF得率有所下降，分析可能是纤维素酶用量逐渐增加，致使不溶性膳食纤维部分降解为多糖和单糖，用乙醇沉淀时不能被沉淀下来，使SDF得率下降。因此纤维素酶用量应控制在0.7%左右最为适宜。

微波辅助酶法提取主要是利用微波具有的热特性、良好的穿透能力和穿透的选择性［16］，一方面微波辐射时，细胞内的水溶性物质吸收微波导致细胞内温度迅速升高，水气化时产生的压力促使细胞膜和细胞壁冲破，形成微小的孔洞，使油茶枯细胞内的SDF自由流出；另一方面微波产生的高频电磁波能穿透介质到达油茶枯细胞内部，油茶枯细胞将会吸收足够微波能，当细胞内部压力大于细胞膜、细胞壁所能承受压力时，油茶枯细胞被胀破，形成微小的孔洞和裂纹，此时细胞外的溶剂能从这微小孔洞和裂纹中进入到细胞内，并将胞内大部分的SDF释放出来。

2.2响应面法优化微波辅助酶法提取SDF

2.2.1响应面优化实验设计与结果根据单因素实验，选取显著因素的最优实验范围，以微波功率（A）、酶解时间（B）、pH（C）、酶用量（D）为自变量，以SDF得率（Y）为响应值，选用中心复合模型，做四因素三水平共29个实验点（5个中心点）的响应面分析实验，实验结果、响应面方差分析结果见表2、表3。

表2　响应面实验结果Table 2　The experimental results for response surface analysis

2.2.2响应面实验结果分析经回归拟合后，由响应面分析法［17］得出关于微波辅助酶法提取SDF得率的二次回归拟合方程：

SDF得率（%）=15.58-0.014A+0.64B+0.86+0.26D+ 0.86AB-0.54AC+0.51AD+0.21BC+0.19BD+0.92CD-3.92A2-2.61B2-3.13C2-2.65D2。

用Design Expert 8.0软件对表2中的数据进行多元回归分析，其方差分析见表3。从表3可以看出，回归方程失拟检验p＞0.05，差异不显著，说明未知因素对实验结果干扰很小；回归方程拟合检验p＜0.0001，差异极显著，说明模型的预测值和实际值非常吻合，模型成立。因此，该回归方程可以较好地描述各因素与响应值之间的真实关系，可以用其确定最佳提取工艺条件。此外，各因素中一次项C及二次项A2、B2、C2、D2及交互项AB、CD对SDF得率影响均极显著（p＜0.001），一次项B、D和AC、AD交互作用的影响差异显著（p＜0.05）、BD、BC交互作用差异不显著。影响微波辅助酶法提取SDF得率的主次因素为C＞B＞D＞A，即pH＞酶解时间＞酶添加量＞微波功率。

表3　回归方程方差分析Table 3　Analysis of variance for the regression equation

图5　微波功率、酶解时间、pH和酶用量与SDF得率交互影响响应面图Fig.5　Response surface plots showing the effects of the power of microwave，pH，enzyme dosage and time on SDF yield

2.2.3各交互项对SDF得率影响的分析为考察各交互项对SDF得率的影响，对该模型进行降维分析［18］。由图5可直观观察各因素对响应值的影响，从等高线图可知，存在极值的条件应在圆心处。比较图5可知，其中AB、CD的响应面曲线陡峭，对SDF得率的影响极显著，AC、AD的响应面曲线较陡，对SDF得率的影响显著，与方差分析结果相同。

2.2.4最优条件的确定及验证实验根据回归模型，利用Design-Expert V8.0软件对实验结果进行分析处理，得到微波辅助酶法提取SDF的最佳条件为：微波功率为450.45 W，酶解时间为2.07 h，pH为5.08，酶用量0.71%，实际测的油茶枯SDF得率为15.50%，为检验响应面优化结果的可靠性，综合考虑实际操作的局限性，分别取各因素的整数值，微波功率为450 W、酶用量0.7%、酶解时间2 h、pH为5.0。在此最优条件下进行3次验证实验，油茶枯SDF得率可达15.63%，与SDF的提取理论值比较，其相对误差约为0.45%，且重复性也很好，因此该优化提取工艺参数准确可靠。

3　结论

本文在单因素实验的基础上，采用Design-Expert V8.0软件设计响应面实验优化油茶枯中SDF微波辅助酶法提取工艺。通过方差分析可得，影响微波辅助酶法提取SDF的主次因素为：pH＞酶解时间＞酶添加量＞微波功率。油茶枯SDF微波辅助酶法提取的最优工艺条件为：微波功率为450 W、酶用量0.7%、酶解时间2 h、pH为5.0，油茶枯SDF得率可达15.63%，与SDF得率理论值比较，其相对误差约为0.45%，且重复性也很好，因此该优化提取工艺参数准确可靠。

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Optimizing microwave extraction technology of soluble dietary from camellia cakes with response surface methodology

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

Microwave assisted enzymaticd was used to extract soluble dietary fiber（SDF）from oil-tea camellia cakes to improve the utilization rate of camellia cakes，based on the single factor experiments.Box-Behnken central composite design principles were used to select the power of microwave，pH，enzyme dosage and time as four parameters of response surface design to optimize extraction process.The results showed that the amount of an enzyme 0.7%，extraction time 2 h，pH 5.0 and microwave power 450 W.The rate of SDF was 15.63%，comparison of theor-etical values with SDF，the relative error of SDF was 0.45%，and repeatability was very good.Therefore the optimization of processin parameters for extraction was accurate and reliable.

oil-tea camellia cakes；water-soluble dietary fiber；extraction；microwave-assisted

TS201.1

B

1002-0306（2015）20-0289-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.20.051

2015－02－02

卢忠英（1987-），女，硕士，讲师，研究方向：天然药物化学成分与新药研发，E-mail：luzhongying@126.com。

贵州省教育厅自然科学研究项目（黔教合KY字2013184）；贵州省普通高等学校特色重点实验室（黔发合K字［2011］005）。