剪切乳化辅助酶法提取咖啡果皮可溶性膳食纤维

王丹丹 董文江 赵建平 龙宇宙 胡荣锁 初众

摘  要  本文以咖啡果皮为原料，优化剪切乳化辅助酶法提取可溶性膳食纤维的工艺条件。在单因素实验基础上，采用Plackett-Burman（PB）设计筛选出显著影响咖啡果皮可溶性膳食纤维提取得率的因素，包括剪切时间、酶解时间、酶解温度和酶解pH;采用中心组合试验设计及响应面法，得到最佳提取工艺条件为固液比1∶30（g/mL）、剪切速率7000 r/min、酶添加量0.2%、剪切时间24.0 min、酶解pH 4.90、酶解温度57.0 ℃、酶解时间1.96 h，在此条件下咖啡果皮可溶性膳食纤维提取率为13.96%，与理论预测值14.00%之间无显著性差异。本研究可为咖啡果皮的高值化利用和功能产品研发提供理论支撑。

关键词  咖啡果皮;可溶性膳食纤维;剪切乳化辅助酶法;工艺优化

中图分类号  S571.2      文献标识码  A

咖啡是世界上消费最多的饮料之一，也是仅次于石油的第二大贸易商品[1]。咖啡年产量超过1.05亿t且在逐年增加[2]。随着咖啡产量的持续增长，咖啡加工产生的副产物也在逐年增加，严重影响环境。咖啡果皮是咖啡加工中最先产生的副产物，约占咖啡果干重的29.0%[3]。据统計，每加工1 t咖啡会产生0.50 t咖啡果皮、0.18 t咖啡壳[4]。2015年我国云南省咖啡种植面积已突破12万hm2，年产副产物40万t以上[5]。由于咖啡果皮中含有咖啡因、多酚和木质素等物质，限制了其作为生物基质、饲料等方面的用途，除部分用于堆肥外，咖啡果皮大多被当作废弃物丢弃，造成了极大的原料浪费和环境污染[6]。咖啡果皮富含碳水化合物、蛋白质、粗纤维、脂肪、咖啡因、多酚化合物等成分，其中纤维含量占干重的20.0%左右[3]，可作为一种优良的膳食纤维（dietary fiber，DF）来源。目前，国内关于咖啡果皮的综合利用报道较少，国外对咖啡果皮等副产品的研究较多，包括淀粉酶、动物饲料、咖啡酸、木聚糖酶、绿原酸提取等方面[7]，但尚未涉及到膳食纤维方面的研究。

DF是不被人体所消化吸收的多糖类和木质素等物质的总称，已被证实对预防慢性疾病如癌症、糖尿病、心血管疾病等方面具有重要的生理作用[8-10]。依据其溶解性不同，DF一般分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）两大类。SDF相比IDF具有某些特定的生理和生物活性特性，如抗氧化活性强、凝胶形成能力强、更高的乳化性和黏度，因而在食品工业生产中的应用领域更为广泛[11]。

目前，DF提取方法有化学法、酶法和酶-化学法[12-13]。不同的加工方法会改变DF的组成和微观结构，进而对物化性能和功能性能产生不同的影响。国内外主要采用化学法提取膳食纤维，但该法所提取的DF具有色泽差、漂白难，且生产过程中会产生大量废水等缺点[14]。高剪切乳化技术是近几年新兴的提取技术，物料在剪切设备上受到转子高速旋转产生的高剪切线速度和高频机械效应带来的强劲动能，且在定转子狭窄的间隙中受到强烈的机械剪切效应和气蚀作用的协同作用，纤维能够被有效破碎[15];而酶法提取DF具有纯度高、安全性好等优点[16]。剪切乳化辅助酶法兼具剪切乳化和酶法提取二者的优点，目前已成功用于多肽的提取和脱脂孜然中DF的提取，相比传统方法具有提取率较高、提取条件温和、能耗少等优点[17]。目前还未见剪切乳化辅助酶法提取咖啡果皮中可溶性膳食纤维的报道。

因此，本研究以咖啡果皮为原料，采用剪切乳化辅助酶法从咖啡果皮中提取可溶性膳食纤维，通过单因素实验和响应曲面优化实验得到最优的工艺参数，提高咖啡果皮SDF的提取率，以期为咖啡果皮的综合利用和功能产品研发提供理论支撑。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  材料与试剂  材料：海南中粒种咖啡鲜果由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供。试剂：纤维素酶（酶活力400 U/mg）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;盐酸、氢氧化钠、醋酸、无水乙醇等均为分析纯。

1.1.2  仪器与设备  DHG-9030A型电热恒温干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司;AL104分析天平、FE20实验室pH计，梅特勒-托利多仪器有限公司;HH-8型恒温水浴锅，上海和晟科技有限公司;R-215型旋转蒸发仪，瑞士步琪有限公司;敞口式实验室乳化机，上海威宇机电有限公司。

1.2  方法

1.2.1  原料预处理  收集湿法加工获得的咖啡果皮，采用热风干燥法将其干燥至含水量11.0%左右。提取前将咖啡果皮于50 ℃干燥箱内烘干至恒重，粉碎后过40目筛，得到咖啡果皮粉，冷藏至4 ℃冰箱备用。

1.2.2  咖啡果皮可溶性膳食纤维的提取工艺  采用剪切乳化辅助酶解法提取咖啡果皮膳食纤维：准确称量10.0 g咖啡果皮粉于锥形瓶中，按照固液比为1∶30（w/V）加入超纯水混合摇匀，室温下用剪切乳化设备在7000 r/min剪切处理25 min后，调节pH，加入不同量的纤维素酶，置于可调节的恒温震荡摇床中进行酶解，酶解2 h后，在沸水浴中加热10 min以钝化酶活，冷却至室温，4000 r/min离心15 min，过滤去残渣，取上清液真空浓缩至50 mL 后向浓缩液中加入4倍体积无水乙醇醇沉2 h，离心（4000 r/min，20 min），取沉淀，干燥，称重[18]。

1.2.3  单因素实验设计  称量10.0 g果皮粉于锥形瓶中，以SDF得率（Y）为考察指标，在固液比、剪切速率、剪切时间、酶添加量、酶解时间、酶解温度和酶解pH分别为1∶30 （g/mL）、6000 r/min、25 min、0.3%、2.0 h、50 ℃、5.0作为基本条件进行提取，考察其他单一因素对SDF得率的影响。各因素设置如下：固液比[1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40 （g/mL）]、转速（4000、5000、6000、7000、8000 r/min）、剪切时间（5、15、25、35、45 min）、酶添加量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）、酶解时间（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h）、pH（4.0、4.5、5.0、5.5、6.0）和温度（40、45、50、55、60 ℃）。

1.2.4  Plackett-Burman实验  根据单因素实验结果，以咖啡果皮SDF得率为响应指标，对固液比、剪切速率、剪切时间、酶解温度、酶添加量、酶解时间、酶解pH七个单因素进行评估，每个因素选取2个水平，共设计了12组实验，以筛选出对咖啡果皮可溶性膳食纤维提取率产生显著影响的因素。

1.2.5  可溶性膳食纤维提取的Box-Behnken设计  结合上述单因素实验和Plackett-Burman实验结果，以SDF得率作为响应指标，用响应面法优化提取工艺参数，本研究选用Box-Behnken模型。每个因素以单因素实验结果确定的值作为中心值，每个因素选取3个水平，中心值作3次平行。对剪切时间、酶解pH、酶解温度、酶解时间依次编码为X1～X4，设计独立变量的实验水平如表1所示。

1.3  数据处理

采用SPSS 22.0软件对数据进行统计学分析，用Minitab 18软件进行Plackett-Burman实验设计，采用Origin 9.0和Design-Expert 8.0.6软件进行制图和数据分析。所有实验均重复3次，结果以平均值±标准差的形式表示。

2  结果与分析

2.1  单因素实验

2.1.1  固液比对咖啡果皮SDF得率的影响  图1表示固液比对咖啡果皮SDF得率的影响。随着固液比值减小，咖啡果皮SDF得率先逐渐升高，当固液比为1∶30时，SDF得率最高（12.11%）;当固液比继续减小，SDF得率逐渐降低。上述现象可能是当固液比过大时，料液黏度较大，流动性较差，酶与底物的扩散速度较慢，阻碍了酶与底物之间的相互作用，因此纤维素酶水解速率较慢，SDF得率降低;当固液比逐渐减小，料液流动性较好，酶与底物之间的扩散速率增大，有利于酶与底物之间的相互作用;当固液比减小到一定值后，酶浓度降低，酶与底物作用逐渐减弱，SDF得率减少[17]。

2.1.2  剪切速率对咖啡果皮SDF得率的影响  图2表示剪切速率对咖啡果皮SDF得率的影响。咖啡果皮SDF得率随着剪切速率的增大先增加后减小，当剪切速率为7000 r/min时，SDF得率达到最大，为12.68%。这可能是由于随着剪切速率的增大，咖啡果皮受到的剪切力增大，对其细胞壁破碎力度增加，纤维物质可以更好的溶解出来，有利于后续酶解反应的进行，SDF得率得以增加;当剪切速率高于7000 r/min时，SDF得率降低，可能是当剪切速率过大时，物料由于长时间受到空气氧化和机械作用的影响，多糖等活性物质的化学结构被破坏，增加了杂质的溶出;此外，有文献报道[17-20]由于速率增大增加了设备机械摩擦，产生更多的热量，从而使溶出的物质发生降解，造成SDF得率随之降低。

2.1.3  剪切时间对咖啡果皮SDF得率的影响  图3表示剪切时间对咖啡果皮SDF得率的影响。SDF得率随剪切时间的延长呈现先增加后减小的趋势。剪切25 min时，SDF得率达到最大值12.83%。这可能是由于当剪切时间在5～25 min内，随着时间的增加，机器产生的剪切力和离心力对咖啡果皮细胞壁产生一定的作用，造成细胞壁的破碎，更有利于底物与纤维素酶的相互作用[17]。随后SDF得率有所降低，可能是由于长时间的剪切使得咖啡果皮中蛋白质、脂肪等物质析出，在此过程中，物料受到的气蚀作用和负压作用也随之增大，使得纤维的多糖结构被破坏，影响其得率;另外，由于长时间的高速剪切会产生大量的热量，不仅对剪切设备会造成较大的磨损，而且可能造成多糖物质发生降解[15]。

2.1.4  酶添加量对咖啡果皮SDF得率的影响  圖4表示酶添加量对咖啡果皮SDF得率的影响。SDF得率随着酶添加量的增加呈现先升高后降低的趋势，当酶添加量为0.2%时，SDF得率达到最大值12.39%。这是由于适量的纤维素酶可以使一部分IDF变成SDF;当酶的加入量超过一定值时，SDF进一步降解，生成分子量更低的小分子多糖、低聚糖或者单糖，不能被乙醇沉淀出来，使得SDF得率有所降低[21]。

2.1.5  酶解时间对咖啡果皮SDF得率的影响  图5表示酶解时间对咖啡果皮SDF得率的影响。随着酶解时间的延长，SDF得率逐渐增大，当酶解时间达到2.0 h时，SDF得率达到最大值12.21%;随后SDF得率逐渐降低。这是由于酶解时间过长引起SDF等多糖的结构变化甚至使碳环裂解[15]，进而导致SDF得率降低。

2.1.6  酶解温度对咖啡果皮SDF得率的影响  图6表示酶解温度对咖啡果皮SDF得率的影响。从图中可以看出，SDF得率随着酶解温度的升高呈现先增加后降低的趋势。这是由于温度主要通过影响酶水解的效率而影响咖啡果皮SDF得率。温度从40 ℃升至55 ℃，酶解效率逐渐增大，SDF得率随着温度的升高而有所增加，当温度为55 ℃时，SDF得率达到最大值12.94 %，SDF得率达到最大，温度超过55 ℃时，提取温度过高会使其本身分子结构受到破坏，从而使得率降低，该实验结果与刘铭等[22]的结果一致。

2.1.7  pH单因素对咖啡果皮SDF得率的影响  图7表示酶解pH对咖啡果皮SDF得率的影响。由图7可知，pH在4.0～5.0范围内，随着pH增大，SDF得率不断增大，当pH达到5.0时，SDF达到最大值13.28%，pH继续增大，得率下降，该结果与付娆等[23]的研究结果类似。主要是因为酶的活性对pH敏感，过高或过低的pH会影响酶的活性;当pH过低时，体系酸度过高会使SDF中糖苷键断裂破坏其结构，而pH过高、体系碱性强则会破坏其空间结构，影响酶与底物的结合能力，使得SDF得率降低。

2.2  Plackett-Burman实验

Plackett-Burman实验设计结果如表2所示，模型的p值为0.012，这说明模型显著，对实际过程可以进行较好的预测。固液比、剪切速率、酶添加量的p值均大于0.05，表明它们对咖啡果皮SDF得率的影响不显著;剪切时间、酶解时间、酶解温度、酶解pH对咖啡果皮SDF得率的影响则较为显著。因此，根据PB实验结果选取剪切时间、酶解时间、酶解温度、酶解pH 4个因素进行下一步的响应面优化实验。

2.3  响应面优化SDF提取工艺及结果讨论

2.3.1  实验设计与结果  响应面设计与结果如表3所示。

2.3.2  二次回归拟合与方差分析  采用响应面软件Design-Expert 8.0.6对表3中的数据进行多元回归拟合，得到剪切时间、酶解pH、酶解温度及酶解时间对响应值Y的二次多项式回归方程如下：

对获得的二次多项式回归模型进行方差分析，结果见表4。

由表4可知，实验结果的显著性检验中决定系数R2 =0.9397说明在该模型下93.97%的实验数据是可行的。模型的p<0.0001，说明该模型极显著;失拟项p=0.3479>0.05，失拟值不显著，表明该模型拟合度较好，能够显著地拟合剪切时间、酶解温度、酶解时间、酶解pH对咖啡果皮SDF得率的影响，实验误差小，因而能够代替实验实际值对结果进行分析[24];一次项和二次项X1、X2、X3、X4、、、、对SDF得率的影响极显著（p<0.01）;交互项X1X3、X2X3极显著（p<0.01），说明SDF得率受剪切时间和酶解温度、酶解温度和酶解pH之间的交互作用的影响较强;其余因子影响不显著。根据表中各因子的p值和F值，可知各因子对SDF得率影响大小为酶解pH>酶解温度>剪切时间>酶解时间。

2.3.3  响应面交互作用分析  分别将剪切时间、酶解温度、酶解pH、酶解时间两两因素固定在零水平，考察其他2个因素的交互作用对SDF得率的影响。图8、图9分别描绘了剪切时间与酶解温度、酶解温度与酶解pH交互作用的响应面立体图和等高线图。响应曲面坡度的陡峭程度反映随着影响因素的变化，对应响应值的变化情况，坡度越陡峭说明此因素对响应值影响越显著，而等高线的形状可反映出交互效应的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，而圆形则与之相反[25]。图8和图9响应曲面较陡峭，且等高线图趋于椭圆形，说明剪切时间和酶解温度、酶解温度和酶解pH交互作用对SDF得率影响显著，与方差分析结果相吻合。

2.3.4  优化实验结果验证  根据回归模型，得到咖啡果皮SDF得率的最大预测值为14.00%，优化组合为X1=23.92 min、X2=4.90、X3=56.18 ℃、X4=1.96 h。考虑实际操作的可行性，最终确定提取咖啡果皮可溶性膳食纤维的最佳工艺参数为：剪切时间24.0 min、酶解pH 4.90、酶解温度57.0 ℃、酶解时间1.96 h。以SDF得率作为响应值，在最佳提取条件下平行进行3次实验，结果见表5。可知所得咖啡果皮SDF平均得率为13.96%，与理论预测值14.00%之间无显著性差异，响应值与回归预测值吻合程度较高，该模型可以预测咖啡果皮SDF提取的实际情况。

3  讨论

咖啡果皮中含有20%左右的粗纤维，可作为潜在的DF补给源。从咖啡果皮中提取SDF可以提高其附加值，同时可有效避免资源的浪费和对环境的污染。目前，有关咖啡果皮SDF的提取研究内容较少[5]，还处于初步探索阶段。剪切乳化辅助酶法作为一种新兴的提取方法，因具有操作简便、条件温和、效率高等优点，在天然活性物质提取中得到广泛的应用[20]，但其在SDF提取方面的研究较少。本研究采用剪切辅助纤维素酶法提取咖啡果皮SDF并利用响应面分析法优化提取工艺，在最优条件下获得的咖啡果皮SDF得率为13.96%，满足高品质DF的要求（SDF>10.0%）;该方法与胡荣锁等[5]采用的酶法提取咖啡果皮SDF得率相比，产率提高了30.37%，同时酶解时间缩短了20%，有效地减少了能耗，且操作过程较简便。本研究结果可以咖啡果皮的高值化利用和功能产品研发提供理论支撑。

4  结论

（1）在单因素实验的基础上，通过PB实验筛选出对咖啡果皮SDF得率影响最显著的几个因素，分别是剪切时间、酶解时间、酶解温度以及酶解pH，并对这4个因素进行了响应面优化实验。

（2）根据单因素实验和PB实验结果，结合响应面优化分析，获得剪切乳化辅助纤维素酶法优化咖啡果皮可溶性膳食纖维提取的最佳工艺条件。考虑实际操作的可行性和经济性，最终确定该方法提取SDF最优条件为：固液比1∶30（g/mL）、剪切速率7000 r/min、酶添加量0.2%、剪切时间24.0 min、酶解pH 4.90、酶解温度57 ℃、酶解时间1.96 h，所得咖啡果皮SDF得率为13.96%，其实际得率与理论预测值14.00%相比较无显著性差异，结果表明按照本研究建立的模型进行提取在实际操作过程中是有效可行的，剪切乳化辅助酶法可有效用于咖啡果皮SDF的提取。

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