响应面法优化爬山虎不溶性膳食纤维反提取工艺

时间：2024-05-23

南昌职业大学高丽娟郜春霞吴佳琪吴修祯李凯

被称为“第七营养素”的膳食纤维（DF）[1]是指植物性食用部分或类似碳水化合物的总称，既不能被肠道消化吸收，也不能产生能量，被认为是一种“无营养物质”而长期得不到重视。然而，近年来的多项科学研究表明，糖尿病、高血压、心脑血管病、肥胖、便秘等疾病的发生与缺少膳食纤维有关[2]。膳食纤维主要生理作用有：增强饱腹感、减少热量摄入、抑制脂肪吸收、维持肠道健康、提高免疫力、减轻便秘、排出毒素、促进钙质吸收、抑制脂肪合成。按其溶解性分为可溶性膳食纤维（SDF）与不溶性膳食纤维（IDF）[3-5]。可溶性膳食纤维包括果胶、植物胶等，主要存在于水果、藻类、魔芋等食物中；纤维素、半纤维素以及木质素存在于细胞壁中，它们不能溶于水中，故称为不可溶性膳食纤维。日常饮食中多摄入膳食纤维，可促进胃肠蠕动，调节血糖血脂，改善肠道环境，对身体十分有益。

我国拥有丰富的膳食纤维原料。郭赵瑞[6]、马思雨[7]、叶秋萍[8]、吕孟玲[9]、覃引[10]、吴婧[11]、刘俊红[12]、刘映萍[13]、张乔会[14]分别研究了白萝卜、竹叶、茶梗、沙棘果渣、刺梨-红枣果渣、滇橄榄果渣、葡萄皮渣、甘薯、白柚皮中膳食纤维的提取方法、工艺及性质功能。在中草药和中成药的生产过程中产生大量的药渣，由于药渣主要成分是不溶性膳食纤维，故药渣也是不溶性膳食纤维的优质原料，但相关研究报道较少。本文以爬山虎落叶为原料，研究提取多糖之后的残渣中提取不溶性膳食纤维的提取工艺，为不溶性膳食纤维的原料来源开辟资源，也为中药渣的有效利用开辟新领域。

一、材料与方法

（一）材料与仪器

试剂：无水乙醇，硫酸，硫酸亚铁铵，重铬酸钾，均为分析纯。

仪器：分析天平（精度0.1mg），超级恒温水浴，循环水式真空泵，电热恒温鼓风干燥箱，DZTW调温电热套，筛子（80目），粉碎机（1000Y），离心机（L04-2）。

原料：纤维素、半纤维素和木质素含量分别为53.29%、18.52%、10.77%的爬山虎落叶。

（二）试验方法

1、以处理后的落叶残渣为原料提取不溶性膳食纤维。按照[15]对爬山虎粉末进行处理，按（爬山虎粉末5g 为原料）料液比1g:10mL加入3%氢氧化钠溶液，调节pH值至12后放入离心管离心，倒去上清液，将所得滤渣洗涤至中性；按（爬山虎粉末5g 为原料）料液比1g:2mL 的量加蒸馏水，用10%的盐酸调节pH 值为1～2，送入水浴锅加热至60℃；按（爬山虎粉末5g 为原料）料液比1g：10mL 加入95%无水乙醇溶液，脱水，在室温下，浸提5～6h；过滤，得滤渣；滤渣在110℃下干燥，恒重，得到不溶性膳食纤维提取物。按公式（1）计算爬山虎粉末中不溶性膳食纤维的提取率。

式中：m为不溶性膳食纤维提取物的质量（g），s为爬山虎落叶粉末的质量（g）。

2、测定不溶性膳食纤维的纯度。取提取物粉末0.05～0.06g，数值记为n，加入10mL0.5N 的重铬酸钾溶液和8mL浓硫酸，搅匀，放入开水中15min，并定期搅拌。冷却，放入锥形瓶中，用少许蒸馏水冲洗沉淀，滴入三滴亚铁灵试剂，用0.1N的硫酸亚铁铵溶液滴定，用去bmL，由黄绿色至红褐色为终点。做一组对照试验用0.1N 的硫酸亚铁铵溶液单独滴定加入8mL 浓硫酸和10mL0.5N 重铬酸钾溶液，用去amL。滤渣中提取物的纯度计算公式：

式中：K为硫酸亚铁铵浓度（mol/L），a为对照空白滴定所消耗硫酸亚铁铵的体积（mL），b为样品溶液所消耗硫酸亚铁铵的体积（mL），n为提取物质量（g），0.675为滴定系数。

3、提取率。

（三）响应面法优化提取工艺试验设计

为了优化爬山虎落叶中不溶性膳食纤维提取工艺实验条件，以爬山虎落叶为原料，选取对不溶性膳食纤维提取率影响较为显著的浸提温度、浸提时间、浸提溶剂3个因素作为自变量，由单因素试验确定3个单因素的水平，然后再以不溶性膳食纤维提取率作为响应值，采取响应面法来优化提取工艺参数。利用Disign-Expert 软件的Box-Behnken Design（BBD）对实验数据进行分析。

二、结果与讨论

（一）单因素对提取率的影响

浸提温度、浸提时间及浸提溶剂乙醇浓度适宜的水平范围结果见图1。

图1 浸提温度、浸提时间及浸提剂乙醇浓度对不溶性膳食纤维提取率、纯度、得率的影响

由图1 可知，不溶性膳食纤维提取率随浸提时间的延长、浸提剂乙醇含量的提高而提高，随浸提温度的升高而升高，在浸提温度60℃时出现了极大值；提取率随浸提时间的延长、浸提剂乙醇含量的提高而升高，在浸提时间60min、浸提剂乙醇含量95%时，提取率出现了极大值。

（二）响应面法优化试验

采用Disign-Expert 8.0.6 软件中的Box-Behnken Design（BBD）试验设计方法设计了三因素共17个试验点的响应面试验。根据提取温度、浸提时间、乙醇浓度（体积比）3个单因素试验结果进行组合优化，其编码取值见表1。

表1 Box-Behnken Design实验因素和编码取值

以提取温度、浸提时间、乙醇浓度（体积比）3个单因素为自变量，爬山虎干叶不溶性膳食纤维提取得率（Y）为响应值，拟合二次多项式回归模型的Box-Behnken Design设计及试验，结果见表2。

表2 Box-Behnken Design实验设计与结果

（三）响应面数据处理

1、数值模型的拟合与模型回归分析。采用多元回归分析，试验模型回归方程方差分析结果见表3。建立二次回归模型，得回归方程为：

表3 回归方程方差分析

从回归方程的方差分析表3 可见，回归模型的概率（Prob）=0.0002＜0.05，表示其响应面回归模型达到了极显著水平，模型F 值为23.59，意味着该模型具有重要意义。模型的相关系数R2=0.9681，表示用该回归方程对实验结果的处理是可靠的。表3 显著性检验结果显示A、B、C、BC、A2、B2、C2对不溶性膳食纤维的提取率影响显著，其影响显著大小依次为：B＞C＞A。

2、各因素交互影响。各因素交互影响的响应面及其等高线如图2所示，直观地表达了爬山虎落叶不溶性膳食纤维提取的各因素对提取率的影响。

图2 影响因素间交互作用的响应面和等高线

图2（a）-（b）显示了提取温度（A）和浸提时间（B）交互作用（AB）对不溶性膳食纤维提取率的影响。当浸提时间（B）在40～80min，提取温度（A）在50～60℃时，不溶性膳食纤维提取率随提取温度（A）的升高而增加；提取温度（A）在60～70℃时，不溶性膳食纤维提取率随提取温度（A）的升高而降低。提取温度在50-70℃，浸提时间（B）在40-67min时，浸提率随浸提时间（B）的延长而提高，浸提时间（B）在67-80min 时，浸提率随浸提时间（B）的延长而降低。通过观察提取温度和浸提时间交互作用的响应面图，可以看出曲图为开口向下的平滑曲面，曲面上存在最大响应值。图2（b）等高线图可以看出，沿着浸提时间（B）方向等高线较密，提取温度（A）等高线较疏，等高线越密集说明两因素交互作用越显著，越稀疏则相反。由图2 可知，浸提时间（B）方向上等高线较为密集，变化更加显著。在浸提时间（B）和提取温度（A）交互影响作用中，对不溶性膳食纤维提取率的影响，浸提时间（B）＞提取温度（A），表明浸提时间（B）占有主要作用。

通过观察提取温度和乙醇浓度交互作用的响应面图（图2（c）-（d））以及浸提时间和乙醇浓度交互作用的响应面图（图2（e）-（f）），曲图皆为为开口向下的平滑曲面，存在最大响应值。且转换到等高线图中看到曲线较密集，可以看出乙醇浓度的变化对不溶性膳食纤维的提取率影响很大，浸提时间和乙醇浓度的变化对不溶性膳食纤维的提取率影响也很大。

3、残差的分布及优化结果。图3 展示了残差的分布情况，图中可看出残差拟合曲线基本呈线性关系，故拟合模型内部残差呈正态分布。采用响应曲面优化，结合实际操作条件，对最优结果保留整数部分，得到提取工艺条件为：提取温度60℃、浸提时间73min、乙醇浓度（体积比）96%，不溶性膳食纤维提取率预测值为83.07%。

图3 残差的正态概率分布曲线

（四）响应面模型预测验证

在响应面预测条件下：提取温度60℃、提取时间73min、乙醇浓度（体积比）96%。按“（二）试验方法”的操作步骤进行，混合均匀，放入60℃热水中浸提73min，做五组平行实验，提取率分别为80.98%、81.78%、81.91%、81.88%、80.95%，平均值为81.50%，与预测值的相对误差为1.9%，实验值与模型预测值拟合性良好。