超声波辅助碱法提取杜仲籽粕可溶性
膳食纤维的工艺优化

黄 群，杨万根，余 佶，麻成金，吴丽雅，钟立红

(吉首大学食品科学研究所，湖南 吉首 416000)

摘 要：利用响应面法优化超声波辅助碱法提取杜仲籽粕可溶性膳食纤维的工艺条件。在单因素试验基础上，选取料液比、超声时间、提取温度为影响因素，以可溶性膳食纤维得率为响应值，应用Box-Behnken试验设计建立数学模型，进行响应面分析。结果表明：超声波辅助碱法提取杜仲籽粕可溶性膳食纤维的优化工艺条件为碱液质量浓度2.0g/100mL、料液比1:23(g/mL)、超声时间23min、提取温度43℃，在此条件下可溶性膳食纤维得率达22.92%。

关键词：杜仲籽粕；可溶性膳食纤维；碱法提取；超声波辅助；响应面法

Optimization of Ultrasonic-Assisted Alkaline Extraction of Soluble Dietary Fiber from Eucommia Seed Meal

HUANG Qun，YANG Wan-gen，YU Ji，MA Cheng-jin，WU Li-ya，ZHONG Li-hong

(Institute of Food Science, Jishou University, Jishou 416000, China)

Abstract：Response surface methodology was applied to optimize the extraction process conditions of soluble dietary
fiber (SDF) from Eucommia seed meal. Three independent variables including material/liquid ratio, ultrasonication time and temperature were chosen with respect to the dependent variable SDF yield for one-factor-at-a-time design. A mathematical model was established by Box-Behnken experimental design and analyzed by response surface methodology. The results showed that the optimal extraction conditions were determined as follows: alkali concentration 2.0 g/100 mL, material/liquid ratio 1:23 (g/mL), ultrasonication time 23 min, and extraction temperature 43 ℃. Under the optimal extraction conditions, the yield of SDF was 22.92%.

Key words：Eucommia seed meal；soluble dietary fiber；alkaline extraction；ultrasonic-assisted extraction；response surface methodology

中图分类号：TS201.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)22-0070-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201322014

杜仲是杜仲科杜仲属多年生落叶乔木，主要分布于湘、黔、川、豫、陕等地[1-2]，以前仅限于杜仲皮的利用，随着研究深入杜仲翅果的开发利用逐渐受到重视[3-4]。杜仲翅果仁含油25%～30%，富含α-亚麻酸、亚油酸等多不饱和脂肪酸，为理想的功能性油脂[5]。在杜仲胶、杜仲活性成分提取及应用等方面有实质性研究成果，对杜仲籽粕蛋白及桃叶珊瑚苷等也有相关报道，但尚未见杜仲籽粕纤维的相关报道。膳食纤维是指不能被人体内源酶消化吸收的非淀粉多糖及木质素等高分子碳水化合物[6]，具有促进胃肠蠕动、维持肠道生态系统平衡，以及降血糖、降血脂、清除体内自由基、抗癌防癌等生理功能[7]。膳食纤维提取方法主要有膜分离、微波法、发酵法、超声波法等，碱法提取可使蛋白质在碱性条件下溶解，同时皂化脂肪，获得高纯度膳食纤维[8-12]。超声波辅助可促使细胞组织破壁或变形，产生增溶作用，利于可溶性膳食纤维溶解及杂蛋白分解[13-14]。响应面法能准确地研究各因素与响应值之间的交互关系，已成功应用于各种工艺条件的优化[15]。采用超声波辅助碱法提取杜仲籽粕可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)，运用响应面优化提取工艺条件，为拓展杜仲翅果综合利用开辟新的途径，为杜仲籽粕膳食纤维提取、利用提供实验依据与理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

杜仲籽粕，湘西州老爹生物有限公司提供，超临界CO2萃取杜仲籽油后籽粕；95%乙醇、氢氧化钠为分析纯。

1.2 仪器与设备

SB-3200YDTD型超声波清洗器 宁波新芝生物科技股份有限公司；JA2003型电子天平 上海舜宇恒丰科学仪器有限公司；101-2AB型电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司；LXJ-IIB型离心机 上海安亭科学仪器厂。

1.3 提取工艺

1.3.1 工艺流程

杜仲籽粕→去离子水混合→加碱混匀→超声波处理→离心分离→上清液→醇沉→离心分离→沉淀→干燥→可溶性膳食纤维(SDF)

1.3.2 操作要点

杜仲籽粕60℃烘干后粉碎，60目过筛备用。称取2.0g备用的杜仲籽粕粉，按比例加入一定体积去离子水，搅拌均匀。按比例称取一定质量的氢氧化钠，边搅拌边缓慢地加入杜仲籽粕溶液中，充分搅拌。超声波处理后，4000r/min离心15min，取上清液。上清液加入4倍体积95%乙醇进行醇沉，静置2h。静置后离心10min，沉淀用95%乙醇洗涤数次，60℃干燥即得SDF产品[14,16]。

1.3.3 杜仲籽粕SDF的工艺条件优化

1.3.3.1 单因素试验

固定提取温度45℃、料液比1:25、超声时间30min，设定碱液质量浓度1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0g/100mL，探讨碱液质量浓度对杜仲籽粕SDF得率的影响。固定碱液质量浓度2.0g/100mL、提取温度45℃、超声时间30min，设定料液比1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40(g/mL)，探讨料液比对得率的影响。固定碱液质量浓度为2.0g/100mL、料液比1:25、提取温度45℃，设定超声时间10、20、30、40、50、60min，探讨超声时间对SDF得率的影响。固定碱液质量浓度2.0g/100mL、料液比1:25、超声时间30min，设定提取温度25、35、45、55、65、75℃，探讨提取温度对SDF得率的影响。

1.3.3.2 响应面试验

在单因素试验的基础上，根据响应面中Box-Behnken设计原理，选择料液比(X1)、超声时间(X2)、提取温度(X3)为响应面优化考察因素，以SDF得率为响应值，对提取工艺参数进行优化。

1.3.4 得率计算

杜仲籽粕SDF得率按下式计算。

2 结果与分析

2.1 浸提碱液质量浓度对SDF得率的影响

图 1 浸提碱液质量浓度对SDF得率的影响

Fig.1 Effect of alkaline concentration on the yield of soluble dietary fiber

由图1可知，在碱液质量浓度较低时，得率随碱液质量浓度增加呈上升趋势；而质量浓度高于2.0g/100mL后得率略有下降、趋于平稳。这可能是由于原料中膳食纤维在碱性条件下溶解，同时皂化水解原料中少量脂肪，杂质不断减少，得率上升；但氢氧化钠过量时，果胶中果胶酯酸组分完全被脱去甲基而溶解，半纤维素也能溶于碱溶液中，即不溶性膳食纤维向SDF转化，达到一定程度后反应进行缓慢[9,17]。考虑碱液质量浓度越高、产品颜色越深，以及经济节约，浸提碱液质量浓度选择2.0g/100mL为佳。

2.2 料液比对SDF得率的影响

图 2 料液比对SDF得率的影响

Fig.2 Effect of material/liquid ratio on the yield of soluble dietary fiber

由图2可知，当料液比在1:15～1:25范围内，杜仲籽粕SDF得率随提取液用量增加而升高，此后反而下降。这主要因为随着提取液用量增大，籽粕在溶液中分散程度增大，接触面积相应增大，即提取液中SDF浓度与杜仲籽粕边界层的浓度差增大，SDF由籽粕向溶剂扩散速率加快，料液比1:25时得率最高；料液比至1:30后，膳食纤维浓度降低，不利于膳食纤维提取而导致得率呈下降趋势[14,18]。

2.3 超声时间对SDF得率的影响

由图3可知，在10～20min内，SDF得率随超声时间的延长而增加，20min时达最大值；此后得率随时间延长而逐渐下降。这有可能是在初始阶段超声波对细胞膜的破碎作用比较大，溶出物增多、得率持续升高。但超声时间过长，超声波产生机械剪切作用，其中主要由辐射压强引起，所产生的骚动效应及溶剂与悬浮剂间摩擦效应打断了SDF的链结构，导致得率显著降低[16,19]。

图 3 超声时间对SDF得率的影响

Fig.3 Effect of ultrasonication time on the yield of soluble dietary fiber

2.4 提取温度对SDF得率的影响

图 4 提取温度对SDF得率的影响

Fig.4 Effect of extraction temperature on the yield of soluble dietary fiber

由图4可知，SDF得率随提取温度升高呈先增加后减少的趋势，45℃时SDF得率达最大值。这主要原因是温度升高会加快水分子运动和其他物质分子振动和转动，强烈的水分子撞击和自身的剧烈振动转动等使SDF成分脱离不溶性成分的束缚，从而分离溶解出来，产品得率提高[20]。但温度超过45℃后得率下降较明显，可能是温度过高易引起溶剂气化，不利于载体与溶剂的充分接触，且可能使得有效成分破坏导致分子接聚[14,16]。

2.5 响应面试验

2.5.1 优化试验及结果

根据Box-Behnken试验设计原理，依据单因素试验结果，确定料液比(X1)、超声时间(X2)和提取温度(X3)3个因素，以杜仲籽粕SDF得率(Y)为指标，设计三因素三水平的Box-Behnken试验。试验因素水平见表1，试验设计方案及结果见表2。

表 1 Box-Behnken 试验设计因素水平

Table 1 Factors and levels used in Box-Behnken experimental design

表 2 Box-Behnken试验设计及结果

Table 2 Arrangement and results of Box-Behnken experimental design

2.5.2 模型的建立与显著性检验

利用Design-Expert 8.0.6软件对表2中试验数据进行二次线性回归拟合，得到数学模型：Y = 22.10－0.76X1＋
0.61X2－1.20X3＋0.12X1X2－0.75X1X3－0.64X2X3 －0.56X12－
1.42X22－2.04X32。

表 3 回归统计分析

Table 3 Results of regression analysis

注：*.差异显著(0.01＜P＜0.05)；**.差异极显著(P＜0.01)。

由表3可看出模型极显著(P＜0.0001)，因变量与所考察自变量之间的线性关系显著(R2=0.9842)，模型调整确定系数R2Adj=0.9640，说明该模型能解释96.40%响应值的变化，拟合程度较好，失拟项不显著(P＞0.05)，说明所得二次回归方程高度显著，能较好地对响应值进行预测。一次项X1、X2、X3及二次项X22、X32表现为极显著，说明它们对响应值影响极大，且所考察因素对响应值影响不是简单的一次线性关系。由F值大小可知，影响因素主次顺序为：提取温度＞料液比＞超声时间，交互作用主次顺序为：X1X3＞X2X3＞X1X2。

2.5.3 响应面图形分析

料液比(X1)、超声时间(X2)、提取温度(X3)交互作用的响应面及等高线图，如图5所示，直观地反映了各因素交互作用对响应值的影响。响应曲面的陡峭可以反映该因素对响应值影响的大小，曲面越陡，影响越大，反之，影响就小。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[21-22]。

固定水平：X1=0。

a. Y=f(X2,X3)

固定水平：X2=0。

b. Y=f(X1,X3)

固定水平：X3=0。

c. Y=f(X1,X2)

图 5 各因素交互作用对SDF得率影响的响应面和等高线图

Fig.5 Response surface and contour plots for the interactive effects of three extraction conditions on the yield of SDF

图5a表明，随着提取温度的升高和超声时间的延长，SDF得率先增大后减小，由三维曲面图看出提取温度的曲面比超声时间的曲面陡，因此，提取温度对响应值的影响大于超声时间。图5b表明，随着提取温度的升高和料液比提取液用量的提高，SDF得率同样先增大后减小，三维曲面图看出，提取温度的曲面比料液比的曲面陡。图5c表明，随着超声时间的延长和料液比中提取液用量增加，SDF得率先增大后减小，料液比的曲面比超声时间的曲面陡，故超声时间对响应值的影响小于料液比[20,23]。再次验证了单因素影响的主次顺序和交互作用的主次顺序。

2.5.4 最佳工艺参数的求解

为进一步求得各因素的最优条件，对回归方程求一阶偏导，得到优化的提取条件，料液比(X1)、超声时间(X2)和提取温度(X3)对应的编码值分别为－0.33、0.23、
－0.36，利用编码公式将上述编码值转变为实际参数，得料液比1:22.55、超声时间22.51min、提取温度42.56℃，此时杜仲籽粕SDF理论得率为22.72%。考虑实际操作性，故选定调整后工艺参数为料液比1:23(g/mL)、超声时间23min、提取温度43℃。

2.5.5 验证实验

对优化后的参数进行3组验证实验，得率分别为22.87%、22.92%、22.96%，取其平均值为22.92%，与预测值相差0.20%。因此采用响应面分析法优化得到的工艺参数准确可靠，有较强的实用价值。

3 结 论

采用超声波辅助碱法提取杜仲籽粕可溶性膳食纤维，通过单因素试验和Box-Behnken试验对SDF提取工艺进行优化。在实验范围内所选因素对杜仲籽粕SDF得率影响大小顺序为：提取温度＞料液比＞超声时间＞碱液质量浓度，且提取温度、料液比、超声时间对SDF得率的影响显著。通过响应面试验获得的优化工艺条件为：料液比1:23(g/mL)、超声时间23min、提取温度43℃，碱液质量浓度2.0g/100mL，在此条件下SDF得率可达22.92%。在本实验范围内建立的二次线性回归模型准确有效，对实验拟合较好，对产业化利用杜仲籽粕提取SDF具有一定的指导和应用价值。

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