响应面试验优化红松松仁膳食纤维制备工艺及其理化性质分析

包怡红,冯雁波
(东北林业大学林学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

摘 要:以红松松仁粕为原料制备松仁膳食纤维,利用响应面法优化制备工艺条件,并对其相关性质进行分析。通过比较筛选碱性蛋白酶为最适酶,选择pH值、加酶量、酶解温度、酶解时间4 个影响因素,在单因素试验基础上通过响应面试验设计,得到最优酶解工艺条件,并对此条件下得到的膳食纤维性质进行分析。结果表明:制备膳食纤维最优工艺条件为pH 9.2、碱性蛋白酶加酶量10 148 U/g、酶解温度50 ℃、酶解时间3.1 h,膳食纤维含量可达77.67%。相对于松仁粕,其持水力、膨胀力、持油力分别提高了24.17%、25.95%、40.44%,溶解性降低了63.94%。松仁粕经酶解后得到的膳食纤维具有较好的性能,对于实际应用具有重要意义。

关键词:松仁粕;膳食纤维;响应面;性质

引文格式:

包怡红, 冯雁波.响应面试验优化红松松仁膳食纤维制备工艺及其理化性质分析[J].食品科学, 2016, 37(14): 11-17.

BAO Yihong, FENG Yanbo.Dietary fiber from pine kernel meal: optimization of extraction process by response surface methodology and physicochemical properties[J].Food Science, 2016, 37(14): 11-17.(in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614003. http://www.spkx.net.cn

红松(Pinus koraiensis Sivb.ct Zucc)为裸子植物,常绿乔木,主产于中国东北长白山、小兴安岭,是东北地区的珍贵树种[1-2]。红松松仁营养丰富,富含脂肪、蛋白质、碳水化合物及多种微量元素,具有美容养颜、滋补强壮、延年益寿、延缓衰老等功效[3-7]

近年来,健康饮食已备受关注。其中膳食纤维被称为“第七大营养素”,是维持人体生命和健康所必需的,具有降血糖、降血脂、改善肠道健康等多种生理功能[8-10]。目前,制备膳食纤维和探究其理化及功能性质已经成为研究热点。膳食纤维制备的原料主要来源于麸皮、果渣等[11],对于松仁膳食纤维制备的研究鲜见报道,松仁经提油后所剩副产物松仁粕中含有大量可利用的膳食纤维,从中提取膳食纤维不仅可以减少资源的浪费,而且提高了松仁的利用价值,在功能性食品开发及改善人体健康方面有重要的意义。

本研究以红松松仁粕为原料,采用响应面法优化膳食纤维制备工艺条件,并分析了所得膳食纤维的持水性、持油性、膨胀力、溶解性,旨在通过蛋白酶酶解分离松仁粕中膳食纤维并研究其性质,为松仁的精深加工利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

松仁粕 黑龙江省宏泰松果有限公司;高温α-淀粉酶上海源叶生物科技有限公司;碱性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶 北京博奥拓达科技有限公司;其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FW100型高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;DK-8D电热恒温水浴槽 上海普渡生化科技有限公司;DHG-9240电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司;TDL-40B-W型离心机 上海标仪仪器有限公司;KSW-5-12A型马弗炉 天津市中环实验电炉有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

松仁粕→粉碎过60 目筛→高温α-淀粉酶酶解(加酶量2 000 U/g,pH 6.0,95 ℃,40 min)→蛋白酶酶解→灭酶(沸水浴10 min)→95%乙醇溶液醇沉,静置过夜→抽滤→50 ℃烘干→膳食纤维

1.3.2 基本成分含量测定

蛋白质含量测定:参照GB 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》;脂肪含量测定:参照GB/T 14772—2008《食品中粗脂肪的测定》;灰分含量测定:参照GB 5009.4—2010《食品中灰分的测定》;水分含量测定:参照GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》;膳食纤维含量测定:参照GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》。

1.3.3 蛋白酶活力测定

蛋白酶活力测定采用福林酚法[12-13]

1.3.4 蛋白酶的筛选

分别采用木瓜蛋白酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶在其最适条件下对松仁粕进行酶解,制备膳食纤维,以膳食纤维含量为衡量指标,筛选制备膳食纤维最适蛋白酶。

1.3.5 膳食纤维制备单因素试验

1.3.5.1 pH值对膳食纤维含量的影响

称取2.5 g松仁粕,加入50 mL蒸馏水,α-淀粉酶酶解,分别调节pH值为7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0,加入碱性蛋白酶6 000 U/g,45 ℃水解2 h,灭酶,醇沉过夜,烘干后测量。

1.3.5.2 加酶量对膳食纤维含量的影响

称取2.5 g松仁粕,加入50 mL蒸馏水,α-淀粉酶酶解,调节pH 9.0,碱性蛋白酶加酶量分别为2 000、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000 U/g,45 ℃水解2 h,灭酶,醇沉过夜,烘干后测量。

1.3.5.3 酶解温度对膳食纤维含量的影响

称取2.5 g松仁粕,加入50 mL蒸馏水,α-淀粉酶酶解,调节pH 9.0,添加碱性蛋白酶10 000 U/g,分别在35、40、45、50、55、60 ℃条件下水解2 h,灭酶,醇沉过夜,烘干后测量。

1.3.5.4 酶解时间对膳食纤维含量的影响

称取2.5 g松仁粕,加入50 mL蒸馏水,α-淀粉酶酶解,调节pH 9.0,添加碱性蛋白酶10 000 U/g,分别在50 ℃条件下水解1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h,灭酶,醇沉过夜,烘干后测量。

1.3.6 响应面试验

在单因素试验基础上,依据Box-Behnken试验设计原理,选择pH值、加酶量、酶解温度、酶解时间为试验因素,设计四因素三水平的响应面试验。试验因素和水平设计见表1。

表1 响应面试验因素与水平
Table 1 Factors and levels used for resp on se surfacedesign

水平 因素X1pH X2加酶量/(U/g) X3酶解温度/℃ X4酶解时间/h-1 8.0 8 000 45 2.5 0 9.0 10 000 50 3.0 1 10.0 12 000 55 3.5

1.3.7 膳食纤维性质测定

1.3.7.1 持水力的测定

按照Chau等[14]的方法进行。准确称取一定质量的样品于离心管,按1∶20(g/mL)加入去离子水,振荡均匀,室温静置24 h,2 000 r/min离心10 min,取出,倾去上清液,称量样品湿质量。持水力计算如式(1)所示:

1.3.7.2 膨胀力的测定

按照Femenia等[15]的方法进行。准确称取一定质量的样品于刻度试管中,记录干样品初始体积,按1∶20(g/mL)加入去离子水,混合均匀,室温静置24 h,记录样品膨胀后体积,膨胀力计算如式(2)所示:

1.3.7.3 溶解性的测定

按照黎冬明[16]的方法进行。准确称取一定质量的样品于离心管中,按3∶100(g/mL)加入蒸馏水,85 ℃恒温保持30 min,每5 min搅拌一次,3 000 r/min离心20 min,将上清液于100 ℃烘干,然后105 ℃烘至恒质量,溶解性计算如式(3)所示:

1.3.7.4 持油力的测定

按照Sangnark等[17]的方法进行,并稍作修改。准确称取一定质量样品于离心管中,按质量比1∶8加入食用花生油,混匀,37 ℃静置1 h,3 000 r/min离心20 min,倾去上层油,用滤纸吸干残渣游离的花生油,记录吸附花生油后样品质量,持油力计算如式(4)所示:

2 结果与分析

2.1 酶活测定及蛋白酶筛选

经测定得到3 种酶活力见表2。不同蛋白酶处理对膳食纤维含量的影响见图1。

表2 蛋白酶活力及酶解条件
Table 2 Proteaseactivity and c orresp on d in g reacti on c on diti on s

蛋白酶种类 空白 木瓜蛋白酶 中性蛋白酶 碱性蛋白酶酶活力/(U/g) 0 87 500 135 314 140 450加酶量/(U/g) 0 5 000 5 000 5 000 pH 7.0 6.5 7.0 9.0处理时间/h 2.0 2.0 2.0 2.0处理温度/℃ 50 50 50 45

图1 不同蛋白酶对膳食纤维含量的影响
Fig.1 Effect of different proteases on dietary fiber content of pine kernel meal

由图1可见,与空白组相比,经蛋白酶酶解所得膳食纤维含量均有所提高。其中,碱性蛋白酶酶解得到的膳食纤维含量最高,其次为中性蛋白酶,效果最差的为木瓜蛋白酶,因此,选择碱性蛋白酶进行膳食纤维的制备,并优化其制备工艺。

2.2 膳食纤维制备单因素试验结果

2.2.1 pH值对膳食纤维含量的影响

图2 p H 值对膳食纤维含量的影响
Fig.2 Effect of hydrolysis pH on dietary fiber content of pine kernel meal

由图2可知,当pH值小于9.0时,膳食纤维含量随pH值的升高而增大,当pH值为9.0时达到最大,为69.90%,之后随着pH值的升高,膳食纤维含量略有下降,这是因为pH值过大或过小,不仅能够影响酶本身的空间构象,使酶活力降低,还会使酶和底物的带电状态发生改变,从而影响二者结合[18-20]

2.2.2 加酶量对膳食纤维含量的影响

图3 加酶量对膳食纤维含量的影响
Fig.3 Effect of enzyme dosage on dietary fiber content of pine kernel meal

由图3可知,随着加酶量的增大,膳食纤维含量不断增大,当加酶量达到10 000 U/g时,膳食纤维含量达到71.62%,之后随加酶量增大,膳食纤维含量无显著变化,这是因为酶与底物的作用趋于饱和状态,剩余部分蛋白因被纤维结构包裹过于紧密而不容易被酶解[21-22]

2.2.3 酶解温度对膳食纤维含量的影响

图4 酶解温度对膳食纤维含量的影响
Fig.4 Effect of hydrolysis temperature on dietary fiber content of pine kernel meal

由图4可知,随酶解温度的升高,膳食纤维含量先增大后减小。在35~50 ℃范围内,膳食纤维含量呈增大趋势,50 ℃以后,升高温度,含量逐渐下降;在酶解温度达到50 ℃时达到最大为73.07%。这是因为在一定范围内升高温度能够提高蛋白酶活力,但温度太高则会导致酶活性降低,蛋白酶解不完全,膳食纤维含量减小[23]

2.2.4 酶解时间对膳食纤维含量的影响

图5 酶解时间对膳食纤维含量的影响
Fig.5 Effect of hydrolysis time on dietary fiber content of pine kernel meal

由图5可知,在酶解时间1.5~3.0 h范围内,膳食纤维含量随酶解时间的延长而增大,当酶解时间达到3.0 h后,含量保持基本稳定,无显著变化。这是因为在酶解过程中,增加酶解时间有利于酶与作用底物充分接触,提高酶解率,但当时间足够长,酶解已完全,膳食纤维含量趋于稳定[24-25]

2.3 膳食纤维制备响应面试验结果

2.3.1 膳食纤维制备响应面设计与结果

表3 响应面试验设计方案与结果
Table 3 Experimentald esign and results for resp on sesurface analysis

试验号 X1pH X2加酶量 X3酶解温度X4酶解时间膳食纤维含量/% 1 0 -1 1 0 74.31 2 -1 0 0 -1 70.38 3 1 0 -1 0 74.71 4 -1 0 -1 0 73.17 5 -1 1 0 0 74.99 6 0 0 0 0 77.03 7 1 0 0 1 74.01 8 0 -1 0 -1 71.79 9 0 0 1 -1 73.17 10 0 0 -1-1 72.91 11 1 0 1 0 74.70 12 0 -1 -1 0 73.57 13 -1 0 1 0 73.86 14 0 0 1 1 73.98 15 1 -1 0 0 75.32 16 0 0 0 0 77.23 17 0 1 1 0 74.71 18 0 -1 0 1 75.45 19 1 0 0 -1 74.99 20 0 1 -1 0 74.42 21 0 0 -1 1 74.95 22 -1 -1 0 0 72.41 23 -1 0 0 1 74.95 24 0 1 0 1 74.07 25 0 0 0 0 77.60 26 0 0 0 0 77.17 27 0 1 0 -1 75.18 28 1 1 0 0 74.86 29 0 0 0 0 77.53

在单因素试验基础上,通过响应面分析方法,确定膳食纤维最佳制备工艺条件,响应面试验共29 个试验点,其中包括24 个析因点,5 个中心点,试验设计及结果见表3。

2.3.2 膳食纤维制备回归模型的建立及其显著性检验

用Design-Expert 8.0软件对表3试验数据进行多元回归拟合,得到膳食纤维含量(Y)对自变量pH(X1)、加酶量(X2)、酶解温度(X3)、酶解时间(X4)的二次多项回归模型:

表4 响应 面方 差分 析
Table 4 Analysis of variance of resp on sesurfaceregressi on model

注:**.P<0.01,差异极显著。

方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值X1pH 6.50 1 6.50 69.48 <0.000 1** X2加酶量 2.41 1 2.41 25.79 0.000 2** X3酶解温度 0.083 1 0.083 0.89 0.361 2 X4酶解时间 6.74 1 6.74 72.02 <0.000 1** X1X22.31 1 2.31 24.71 0.000 2** X1X30.12 1 0.12 1.31 0.271 6 X1X47.70 1 7.70 82.35 <0.000 1** X2X30.051 1 0.051 0.54 0.474 0 X2X45.69 1 5.69 60.83 <0.000 1** X3X40.38 1 0.38 4.04 0.064 0 X1 2 17.62 1 17.62 188.41 <0.000 1** X2 2 11.08 1 11.08 118.46 <0.000 1** X3 2 17.33 1 17.33 185.28 <0.000 1** X4 2 25.00 1 25.00 267.32 <0.000 1**模型 78.12 14 5.58 59.67 <0.000 1**残差 1.31 14 0.094失拟项 1.07 10 0.11 1.81 0.297 9纯误差 0.24 4 0.059总和 79.42 28

由表4可知,各因素中一次项X1、X2、X4均是极显著(P<0.01),X3不显著(P>0.05);二次项X1X3、X2X3、X3X4是不显著的,其他均为极显著。由此可见,各试验因素对响应值的影响并不是简单的线性关系。此模型P<0.01,响应回归模型达到了极显著水平,相关系数R2=0.983 5,表明98.35%的试验数据可以用此方程来解释。因此,回归方程可以用来分析和预测膳食纤维制备的工艺结果,具有实用价值。由F值大小可知,影响膳食纤维制备效果的显著性顺序依次为酶解时间>pH值>加酶量>酶解温度。

2.3.3 膳食纤维制备响应面分析

由图6可知,酶解时间对应的响应面曲线较陡、等高线较密集,对膳食纤维提取影响最为显著,pH值次之,最不显著的为酶解时间。因此,4 个因素对膳食纤维制备影响次序为:酶解时间>pH值>加酶量>酶解温度,与方差分析结果一致。

图6 各因素交互作用的响应面图
Fig.6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of extraction parameters on dietary fiber content of pine kernel meal

2.3.4 膳食纤维制备最优工艺验证实验

通过软件Design-Expert 8.0对数学模型进行计算,得到最优工艺条件为pH 9.2、加酶量10 148 U/g、酶解温度50 ℃、酶解时间3.1 h,模型分析预测膳食纤维含量为77.43%。为验证响应面法所得结果的可靠性,在此最优条件下重复实验3 次,得到实际测得的膳食纤维含量平均值为77.67%,与预测值基本吻合。因此,所得的膳食纤维最优制备工艺参数准确可靠,具有实用价值。

2.4 松仁粕及膳食纤维成分分析

表5 松仁粕和膳食纤维的组成成分(x±s ,n=3)
Table 5 Proximate compositi on s of p in ekernelmeal and dietary fiber ex tra cted f romit(x± s,n= 3)

注:同列大写字母不同表示差异极显著(P<0.01),小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。下同。

%样品 蛋白质含量 脂肪含量 灰分含量 水分含量 淀粉含量 总膳食纤维含量松仁粕 19.62±0.14Aa2.65±0.11Aa8.42±0.02Aa7.12±0.01Aa9.31±0.09Aa49.90±0.14Bb膳食纤维 3.12±0.09Bb2.20±0.21Ab7.34±0.09Bb6.68±0.12Ab2.13±0.06Bb77.67±0.78Aa

松仁粕及最优工艺条件下膳食纤维的组成成分测定结果见表5,经过酶解后,松仁粕经酶解后得到的膳食纤维蛋白质、淀粉含量分别由19.62%、9.31%降至3.12%和2.13%,灰分、水分含量也有小幅度的降低。其中松仁膳食纤维粉中总膳食纤维含量达到77.67%,相对于松仁粕有极显著提高。

2.5 膳食纤维性质测定

由表6可知,松仁粕经酶解后得到的膳食纤维持水力、膨胀力、持油力都有明显提高。其中,持水力由4.84 g/g升至6.01 g/g,提高了24.17%;膨胀力由5.28 mL/g升至6.65 mL/g,提高了25.95%;持油力由3.61 g/g升至5.07 g/g,提高了40.44%。但膳食纤维的溶解性由16.78%降低至6.05%,这可能是由于松仁粕中含有较高含量的蛋白质,具有一定的溶解性。

表6 膳食纤维及松仁粕的物化特性(x±s ,n=3)
Table 6 Physical and c hemical properties of p in e kernelm eal and dietar y fibe r ex tra cted from it(x±s ,n= 3)

样品 持水力/(g/g) 膨胀力/(mL/g) 溶解性/% 持油力/(g/g)松仁粕 4.84±0.14Bb5.28±0.04Bb16.78±0.10Aa3.61±0.14Bb膳食纤维 6.01±0.07Aa6.65±0.08Aa6.05±0.12Bb5.07±0.06Aa

3 结 论

研究采用酶法制备松仁膳食纤维,并在单因素试验的基础上通过响应面法优化膳食纤维制备工艺条件,得到最优工艺参数为pH 9.2、加酶量10 148 U/g、酶解温度50 ℃、酶解时间3.1 h,该条件下膳食纤维含量为77.67%。经方差分析得出影响膳食纤维制备的因素排序为:酶解时间>pH值>加酶量>酶解温度。在此条件下制备得到的松仁膳食纤维持水力为6.01 g/g,比报道的葡萄皮渣膳食纤维(3.12 g/g)、米糠膳食纤维(4.52 g/g)、西番莲果渣膳食纤维(5.64 g/g)等持水力好[26-28];松仁膳食纤维膨胀力为6.65 mL/g,优于玉米皮膳食纤维(3.55 mL/g)、荔枝渣膳食纤维(1.64 mL/g)的膨胀力[29-30];此外,松仁膳食纤维持油力为5.07 g/g,明显高于江蓠藻膳食纤维持油力(1.08 g/g)[31]。证实了采用酶法制备松仁膳食纤维方法可靠,且制备得到的膳食纤维具有较好的性质,是功能性食品开发及应用的良好资源。

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中图分类号:TS209

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2016)14-0011-07

收稿日期:2015-11-23

基金项目:中央高校基本科研业务费专项(2572014EA02);哈尔滨市科技创新人才项目(2015RAXXJ010)

作者简介:包怡红(1970—),女,教授,博士,研究方向为食品生物技术与功能食品。E-mail:baoyihong@163.com

Dietary Fiber from Pine Kernel Meal: Optimization of Extraction Process by Response Surface Methodology and Physicochemical Properties

BAO Yihong, FENG Yanbo
(College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract: Dietary fiber was extracted from pine kernel meal and its physicochemical properties were examined.Response surface methodology was used to optimize the extraction conditions.Alcalase was selected as the best enzyme to hydrolyze the protein in pine kernel meal.pH, enzyme dosage, reaction temperature and reaction time were chosen as the significant variables influencing the extraction of dietary fiber.Using one-factor-at-a-time method and response surface methodology,the levels of these four variables were optimized as follows: pH, 9.2; enzyme dosage, 10 148 U/g; reaction temperature,50 ℃, and reaction time, 3.1 h.Under these optimized conditions, the dietary fiber content of pine kernel meal was determined to be 77.67%.Compared with pine kernel meal, its water-holding capacity, swelling capacity and oil-binding capacity were increased by 24.17%, 25.95%, and 40.44%, respectively and its solubility was decreased by 63.94%.The dietary fiber obtained from pine kernel meal exhibited good functional properties, which are important for practical applications.

Key words: pine kernel meal; dietary fiber; response surface methodology; property