楊 光，吳嘉豪，鄭 炯，2，*（.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶40075；2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶40075）

響應(yīng)面優(yōu)化復(fù)合酶法提取竹筍膳食纖維工藝

楊 光1，吳嘉豪1，鄭 炯1，2，*
（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶400715；2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶400715）

以竹筍為原料，在酶解時(shí)間、酶解溫度、復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、復(fù)合酶質(zhì)量比值4個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)竹筍膳食纖維提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：最佳提取工藝條件為酶解時(shí)間95 min、酶解溫度56℃、復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.52%、復(fù)合酶質(zhì)量比值為蛋白酶∶纖維素酶=3∶1，在此條件下竹筍膳食纖維提取率最大，為53.21%。

竹筍膳食纖維，響應(yīng)面，復(fù)合酶，蛋白酶，纖維素酶

竹筍含有豐富的膳食纖維，具有促進(jìn)消化，降低血清膽固醇以及預(yù)防心血管疾病和癌癥等作用，是一種理想的膳食纖維原料［1-3］。目前，我國(guó)的竹筍資源利用率僅為30%，在竹筍加工和保鮮過(guò)程中容易老化，尤其是纖維素、木質(zhì)素等含量迅速增加，而這些老化部分往往被作為下腳料廢棄，導(dǎo)致資源浪費(fèi)［4-5］。因此，利用筍罐頭、筍干和筍汁飲料等生產(chǎn)過(guò)程中的廢棄物提取膳食纖維，既提高了廢棄物的使用價(jià)值，也防止其腐敗而污染環(huán)境，從而使廢料盡其用［6-9］。

膳食纖維的提取方法主要有物理法、化學(xué)法、膜分離法、發(fā)酵法、生物酶法等。其中，生物酶法提取條件溫和，不需要高溫高壓，而且節(jié)約能源、操作方便、環(huán)境友好，在生產(chǎn)領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎，也是當(dāng)前膳食纖維提取研究的主要熱點(diǎn)之一［10-13］。復(fù)合酶在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以起到協(xié)同作用從而取得更好酶解效果，但采用復(fù)合酶法提取竹筍膳食纖維的相關(guān)報(bào)道較少。因此，本實(shí)驗(yàn)擬以竹筍膳食纖維提取率為考察目標(biāo)，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法對(duì)酶解溫度、酶解時(shí)間、復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、復(fù)合酶質(zhì)量比值等關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化，建立并驗(yàn)證相關(guān)的工藝數(shù)學(xué)模型。以期為竹筍膳食纖維的提取及工業(yè)化生產(chǎn)提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麻竹筍 采自重慶市北碚區(qū)施家梁鎮(zhèn)麻竹筍種植基地；蛋白質(zhì)酶（1萬(wàn)U/g）、纖維素酶（3000 U/g） 美國(guó)Sigma公司；無(wú)水乙醇、硫酸、鹽酸、氫氧化鈉等均為國(guó)產(chǎn)分析純，成都市科龍化工試劑廠。

JP-500B高速多功能粉碎機(jī) 永州市九品工貿(mào)有限公司；HHS11-2電熱恒溫水浴鍋 上海醫(yī)療器械五廠型；SX-2.5-10馬弗爐 浙江嘉興東誠(chéng)儀器廠；DHG-101電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司；PHS-3C型精密pH計(jì) 南京東邁科技儀器有限公司；KDN-04B定氮儀 上海新嘉電子有限公司；循環(huán)水真空泵 上海精科實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 竹筍膳食纖維提取工藝 新鮮麻竹筍→去殼、切片→烘干→粉碎→稱取5.0 g加水→調(diào)pH→酶解→滅酶→過(guò)濾→洗滌→干燥→粉碎→過(guò)篩→成品。

參考馮志強(qiáng)等［11］和劉昊飛等［12］的方法，準(zhǔn)確稱取5.0 g竹筍粉末，以40∶1（mL∶g）的水料比，在不同酶解時(shí)間、酶解溫度、復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、復(fù)合酶質(zhì)量比值等條件下進(jìn)行酶解，在95℃溫度下滅酶10 min，抽濾，然后用無(wú)水乙醇洗滌3～5次，干燥粉碎后即可得到竹筍膳食纖維。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 每個(gè)單因素選取5個(gè)水平變量，酶解時(shí)間為30、60、90、120、150 min；酶解溫度為30、40、50、60、70℃；復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%；復(fù)合酶質(zhì)量比值為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1。以酶解溫度55℃、酶解時(shí)間1 h、復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%和復(fù)合酶質(zhì)量比值1∶1為固定水平，變換各個(gè)單因素水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察各因素對(duì)竹筍膳食纖維提取率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 參考相關(guān)文獻(xiàn)［14-16］，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取酶解溫度、酶解時(shí)間、復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、復(fù)合酶質(zhì)量比值為自變量，竹筍膳食纖維的提取率為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行4因素3水平的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，因素與水平見表1。通過(guò)Design Expert 8.0.7軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，預(yù)測(cè)酶法提取竹筍膳食纖維的最佳工藝。平行實(shí)驗(yàn)3次，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表Table1 Factors and levels of the response surface test（RSA）

1.2.4 膳食纖維含量和提取率的測(cè)定

1.2.4.1 膳食纖維含量的測(cè)定 參考GB/T 5009.88-2008［17］方法。

1.2.4.2 膳食纖維提取率的計(jì)算

式中：Y—竹筍膳食纖維提取率，%；m—竹筍樣品中提取的膳食纖維含量，g；M—竹筍樣品處理前的質(zhì)量，g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 8.6、Excel以及響應(yīng)面分析軟件（Design Expert 8.0.7）進(jìn)行相關(guān)圖表的繪制和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 不同酶解時(shí)間對(duì)膳食纖維提取率的影響 由圖1可知，當(dāng)酶解時(shí)間在30～90 min時(shí)，竹筍膳食纖維提取率快速上升；當(dāng)酶解時(shí)間超過(guò)90 min時(shí)，膳食纖維提取率仍在上升，但上升速度較慢，趨于平穩(wěn)。這可能是因?yàn)樵?0 min的時(shí)候酶解反應(yīng)的所用酶消耗完全，增加時(shí)間，膳食纖維提取率也不會(huì)有明顯改變。這一反應(yīng)趨勢(shì)與牟建樓等［18］對(duì)蘋果渣中膳食纖維提取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。因此，酶解時(shí)間選擇90 min。

圖1 不同酶解時(shí)間對(duì)竹筍膳食纖維提取率的影響Fig.1 Effect of different enzymolysis time on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.1.2 不同酶解溫度對(duì)膳食纖維提取率的影響 由圖2可知，在酶解溫度低于60℃時(shí)，隨著溫度的增加，膳食纖維的提取率逐漸增加，60℃時(shí)膳食纖維的提取率達(dá)到最高，說(shuō)明此溫度下酶解速度可能達(dá)到最快。當(dāng)酶解溫度大于60℃后，隨著溫度的升高，膳食纖維得率顯著下降（p＜0.05），這可能是由于較高的溫度會(huì)抑制酶的反應(yīng)活性。因此，復(fù)合酶在上述反應(yīng)條件下的較適酶解溫度為50～60℃。

圖2 不同酶解溫度對(duì)竹筍膳食纖維提取率的影響Fig.2 Effect of different enzymolysis temperature on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.1.3 不同復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膳食纖維提取率的影響 由圖3可知，當(dāng)酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%～0.5%時(shí)，隨著酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加膳食纖維的提取率顯著提高（p＜0.05），并在0.5%時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時(shí)，提取率的變化趨于平緩。這可能是因?yàn)槊纲|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，與底物的結(jié)合已趨于飽和。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以選擇復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%左右為宜。

圖3 不同復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)竹筍膳食纖維提取率的影響Fig.3 Effect of different complex enzyme mass fraction on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.1.4 不同復(fù)合酶質(zhì)量比值對(duì)膳食纖維提取率的影響 由圖4可知，當(dāng)?shù)鞍酌概c纖維素酶的質(zhì)量比值在1∶1～3∶1之間時(shí)，膳食纖維提取率迅速增加；當(dāng)兩者之比大于3∶1時(shí)，膳食纖維提取率逐漸下降；而蛋白酶與纖維素酶比值為3∶1時(shí)，膳食纖維提取率達(dá)到最大。因此，復(fù)合酶質(zhì)量比（蛋白酶∶纖維素酶）為3∶1左右作為較佳的質(zhì)量配比。

圖4 不同復(fù)合酶比值對(duì)竹筍膳食纖維提取率的影響Fig.4 Effect of different complex enzyme ratio on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化竹筍膳食纖維提取工藝

2.2.1 中心組合實(shí)驗(yàn) 根據(jù)Box-Benhnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以酶解時(shí)間、酶解溫度、復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、復(fù)合酶質(zhì)量比值作為主要因素，設(shè)計(jì)4因素3水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)。共有29個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其中24個(gè)為分析因子，5個(gè)為零點(diǎn)。零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5次，以估計(jì)誤差。中心組合實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)使用Design-Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到模型的擬合曲線方程為：Y= 50.90+0.70A-1.41B+0.27C+0.11D-0.49AB-0.15AC-0.16AD-0.82BC+0.63BD+0.51CD-2.26A2-2.31B2-1.15C2-3.53D2。

同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了回歸系數(shù)和方差分析的顯著性檢驗(yàn)，分析和檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3的方差分析可知，該模型的Prob＞F的值為0.0019，小于0.01，表明該模型的回歸方程極顯著。失擬項(xiàng)p＞0.05，不顯著，實(shí)驗(yàn)誤差較小，故可用此模型對(duì)竹筍中總膳食纖維的提取工藝結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2 Experimental results of RSA

2.2.2 響應(yīng)面分析因素之間的交互作用 為了考察各個(gè)交互項(xiàng)對(duì)膳食纖維提取率的影響，在其他因素固定不變的情況下，利用Design-Expert 8.0.7軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行運(yùn)算，作出交互項(xiàng)的響應(yīng)曲面圖及等高線圖，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著每個(gè)因素的增大，響應(yīng)值增大；當(dāng)響應(yīng)值增大到極值后，隨著因素的增大，響應(yīng)值逐漸減小；比較圖5并結(jié)合表3中p可知：模型的一次項(xiàng)酶解溫度B（p＜0.01）極顯著，二次項(xiàng)酶解時(shí)間A2（p＜0.01）、酶解溫度B2（p＜0.01）和復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)D2都極顯著（p＜0.01），復(fù)合酶比值C2（p＜0.05）表明各影響因素對(duì)膳食纖維的提取率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

2.2.3 最佳提取條件的確定和驗(yàn)證 利用Design Expert 8.0軟件，綜合考慮竹筍膳食纖維提取率和實(shí)驗(yàn)可操作性等因素，得到最優(yōu)提取工藝為酶解時(shí)間95 min，酶解溫度56℃，復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.52%，復(fù)合酶比值為3∶1，在此條件下膳食纖維提取率的預(yù)測(cè)值為53.25%。采用上述最優(yōu)工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，實(shí)際測(cè)定值為53.21%，與預(yù)測(cè)值接近，說(shuō)明膳食纖維提取工藝條件的可靠性和準(zhǔn)確性。

表3 響應(yīng)面方差分析二次模型方差分析表Table3 ANOVA for response surface model analysis of variance table

3 結(jié)論

采用響應(yīng)曲面法對(duì)復(fù)合酶法提取竹筍膳食纖維的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，建立了竹筍膳食纖維提取率的二次響應(yīng)面回歸模型。通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化出最佳提取工藝條件為酶解時(shí)間95 min、酶解溫度56℃、復(fù)合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.52%、復(fù)合酶比值為3∶1，該條件下膳食纖維提取率預(yù)測(cè)值為53.25%，驗(yàn)證值為53.21%，與預(yù)測(cè)值接近。結(jié)果說(shuō)明該優(yōu)化工藝條件科學(xué)可靠，能夠?yàn)橹窆S膳食纖維的提取研究提供一定的參考。

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圖5 交互影響的三維曲面圖Fig.5 The interaction of 3D surface figure

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Optimization of complex enzyme extraction condition of dietary fiber from bamboo shoots using response surface analysis

YANG Guang1，WU Jia-hao1，ZHENG Jiong1，2，*
（1.College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China；2.Chongqing Research Center of Special Food Engineering and Technology，Chongqing 400715，China）

Bamboo shoots was used as raw material to optimize the complex enzyme extraction condition of dietary fiber through response surface methodology on the basis of four single factor:time，temperature，complex enzyme adding dose and the quality of compound enzyme ratio.The results showed that the optimum extraction conditions as followings:time was 95 minutes，temperature was 56℃，complex enzyme adding dose was 0.52%，the mass ratio of protease to cellulase was 3∶1.Under these conditions，the experimental yield of bamboo shoot dietary fiber was 53.21%，which was the largest.

bamboo shoot dietary fiber；response surface methodology；complex enzyme；protease；cellulase

TS255.1

A

1002-0306（2016）02-0213-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.02.035

2015－06－30

楊光（1994-），女，大學(xué)本科，研究方向：食品化學(xué)與營(yíng)養(yǎng)學(xué)，E-mail：muyixiaopai@sina.com。

*通訊作者：鄭炯（1982-），男，博士，講師，研究方向：果蔬加工與質(zhì)量控制，E-mail：zhengjiong_swu@126.com。

重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心能力提升項(xiàng)目（cstc2014pt-gc8001）；重慶市社會(huì)事業(yè)與民生保障項(xiàng)目（cstc2015shmszx80007）。