薛 山，肖 夏，謝建山

(1.閩南師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建漳州363000;2.菌物產(chǎn)業(yè)福建省高校工程研究中心，福建漳州363000;3.四川理工學(xué)院生物工程學(xué)院，四川自貢643000)

膳食纖維(dietary fiber，DF)憑借其特殊的結(jié)構(gòu)組成和生理功效得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注［1］。1998年，Saura－Calixto［2］提出了一個新概念——抗氧化膳食纖維(antioxidant dietary fiber，ADF)，即大量天然抗氧化劑結(jié)合到DF基質(zhì)中的產(chǎn)物。ADF按水中溶解性的不同分為水溶性膳食纖維(Soluble antioxidant dietary fiber，SADF)和非水溶性膳食纖維(Insoluble antioxidant dietary fiber，IADF)，SADF中富含黃酮類、酚酸以及縮合單寧等天然抗氧化成分［3－4］。在前期研究中，本團(tuán)隊已證實植物性膳食纖維具有明顯的抗氧化活性，并且已廣泛應(yīng)用于食品保鮮與功能食品研發(fā)等領(lǐng)域［5－7］。

琯 溪 蜜 柚(Citrus maxima(Burm.)Merr.cv.Guanximiyou)是享譽(yù)中外的我國特有的優(yōu)良柚類品種，也是漳州平和地區(qū)的地標(biāo)性水果，具有果大、汁多、口感酸甜等優(yōu)良品性［8］。福建省平和縣琯溪蜜柚年產(chǎn)量達(dá)到180余萬t，總產(chǎn)值(超過20億元)占全縣農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的40%以上［9］。近年來，柚類水果種植面積和產(chǎn)量不斷增長帶動了柚子加工業(yè)的快速發(fā)展。在柚子加工過程中，形成了大量的副產(chǎn)物，其中，占柚子鮮重16%～32%左右的柚皮是最主要的副產(chǎn)物［10－11］?，g溪蜜柚柚皮海綿層中富含水分、纖維素、木質(zhì)素和多種生理活性成分，如果能作為功能原料被綜合利用，既可以減少資源浪費(fèi)，也可以保護(hù)環(huán)境。

柚皮的綜合利用已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但有關(guān)柚皮海綿層ADF的研究尚未有見報道。張荔菲等［3］研究認(rèn)為，柚皮DF傳統(tǒng)提取方法(如熱水浸提法、堿提法)效率低且成本高，而超聲波、酶解等輔助提取法具有良好的效果，這是因為超聲波能在液體中高頻振動并產(chǎn)生空化效應(yīng)，破壞細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)，有助于多糖的溶出和擴(kuò)散;酶則可使植物細(xì)胞壁及細(xì)胞膜中的成分有效分解，從而提高提取率。因此，本研究采用Box－Benhnken設(shè)計與Matlab分析法，基于SADF的得率與抗氧化性，優(yōu)化超聲波輔助酶法提取琯溪蜜柚柚皮海綿層的SADF，擬為蜜柚的綜合利用提供理論依據(jù)，為蜜柚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供動力。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮的平和琯溪蜜柚柚皮 采收于九月下旬漳州柚之鄉(xiāng)食品有限公司提供;水楊酸、無水乙醇、七水合硫酸亞鐵、30%過氧化氫、硫酸、苯酚、十二水合磷酸氫二鈉、二水合磷酸二氫鈉 以上試劑均為分析純，購于西隴科技股份有限公司;纖維素酶(50 U/mg)河南亞統(tǒng)食品原料有限公司。

DGG－9140B電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司;FW100高速萬能粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司;AR124CN電子天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司;US6180D超聲波發(fā)生器 北京優(yōu)晟聯(lián)合科技有限公司;HH－2數(shù)顯電子恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司;UV5100B紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;STARTER 2100 pH計 奧豪斯儀器(上海)有限公司;SHZ－D(III)循環(huán)水式多用真空泵 河南省予華儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預(yù)處理 將新鮮的柚子皮去除表面黃油胞層，剩余的海綿層切成0.2 cm薄片，于60℃鼓風(fēng)烘干至恒重，之后粉碎過40目篩，得到海綿層柚皮粉，密封置于干燥器中備用。

1.2.2 柚皮SADF的提取工藝 參考吳笑臣等［12］方法略微修改。稱取柚皮粉5.0 g(m1)，按料液比1∶40 g/mL加入p H6.0(0.2 mol/L)的PBS緩沖溶液，均質(zhì)后于常溫超聲功率180 W的條件下超聲處理30 min。向混合體系加入2.5%的纖維素酶溶液(稱取25 mg的纖維素酶，溶解1 mL pH6.0的檸檬酸緩沖液中)，45℃水浴80 min。酶解結(jié)束之后，冷卻至室溫，于8000 r/min離心10 min，收集上清液。將上清液65℃真空度－0.098 MPa旋蒸濃縮至原體積的1/3，轉(zhuǎn)入燒杯中，加入4倍體積的無水乙醇，室溫中靜置醇沉12 h，過濾后洗滌凍干得到SADF(m2)。SADF的得率按下試計算:

1.2.3 單因素實驗

1.2.3.1 超聲波作用時間對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響 設(shè)定料液比1∶40 g/mL，纖維素酶溶液添加量2.5%，纖維素酶作用溫度45℃，纖維素酶作用時間80 min，考察不同超聲波作用時間10、20、30、40、50 min對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響。

1.2.3.2 料液比對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響 設(shè)定超聲波作用時間30 min，纖維素酶溶液添加量2.5%，纖維素酶作用溫度45℃，纖維素酶作用時間80 min，考察不同料液比1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60 g/mL對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響。

1.2.3.3 纖維素酶添加量對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響 設(shè)定超聲波作用時間30 min，料液比1∶50 g/mL，纖維素酶作用溫度45℃，纖維素酶作用時間80 min，考察不同纖維素酶添加量1.5%、2.0%、2.5%、3%、3.5%對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響。

1.2.3.4 纖維素酶解溫度對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響 設(shè)定超聲波作用時間30 min，料液比1∶50 g/mL，纖維素酶添加量3%，纖維素酶作用時間80 min，考察不同纖維素酶作用溫度25、35、45、55、65℃對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響。

1.2.3.5 纖維素酶作用時間對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響 設(shè)定超聲波作用時間30 min，料液比1∶50 g/mL，纖維素酶添加量3%，纖維素酶作用溫度45℃，考察不同纖維素酶作用時間40、60、80、100、120 min對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響。

1.2.4 Box－Benhnken法試驗優(yōu)化 在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選擇對實驗結(jié)果影響最為顯著的三個因素料液比(A)、纖維素酶作用溫度(B)和纖維素酶作用時間(C)，以柚皮海綿層SADF得率和羥自由基清除率，根據(jù)Box－Behnken的中心組合試驗設(shè)計原理，建立3因素3水平的組合試驗進(jìn)行優(yōu)化。因素和水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.2.5 柚皮SADF抗氧化性的測定 參考Yu等［13］方法修改為:準(zhǔn)確稱取0.30 g SADF，定容至100 mL制得樣品液。在10 mL比色試管中依次加入4.5 mmol/L的FeSO4溶液1.00 mL、4.5 mmol/L的水楊酸溶液1.00 mL、樣品液0.50 mL，4.4 mmol/L的H2O2溶液1.00 mL，用去離子水水定容至10 mL，搖勻，置于37℃恒溫水浴中處理30 min，在510 nm處測其吸光度，重復(fù)實驗，取平均值A(chǔ)i;另用去離子水代替H2O2溶液重復(fù)上述試驗，測得參比吸光度Aj;用去離子水代替樣品溶液重復(fù)上述試驗，測得空白吸光度A0。羥自由基清除率用下式計算:

1.2.6 Matlab分析法 利用Matlab軟件，采用優(yōu)化計算方法以及算法語言的圖形處理功能，通過編制程序M(程序代碼)，計算出料液比(A)，纖維素酶作用溫度(B)，纖維素酶作用時間(C)對SADF得率(y1)和羥自由基清除率(y2)的四維及三維交互影響結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均用3次平行實驗的平均值表示，利用SPSS Statistics 24.0統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素顯著性分析，P＜0.05表示結(jié)果顯著，標(biāo)示為不同字母。利用Matlab(MATrix LA Boratory)軟件進(jìn)行交互試驗數(shù)據(jù)計算及四維、三維繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 超聲波作用時間對柚皮SADF得率和羥自由清除率的影響 超聲波作用時間對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響如圖1所示。物料的數(shù)量和結(jié)構(gòu)性質(zhì)都會影響超聲波提取的效果，長時間超聲產(chǎn)生的強(qiáng)烈空化效應(yīng)會導(dǎo)致大分子成分降解［14－15］。在超聲波作用時間10～50 min范圍內(nèi)，SADF的得率整體穩(wěn)步升高后降低，在30 min時得率取得最大值。不同超聲波處理時間(10～30 min)所提SADF溶液(3 mg/mL)的羥自由基清除率隨著超聲時間的延長而顯著升高(P＜0.05)，之后顯著下降，其中30與40 min處理時間下所提SADF羥自由基清除率差異不顯著(P＞0.05)。綜合考慮SADF得率和羥自由基清除率，選擇超聲波作用時間30 min進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化實驗。

圖1 超聲波作用時間對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on extraction yield and antioxidant activity of SADF from spongy layer of pomelo peels

2.1.2 料液比對柚皮SADF得率和羥自由清除率的影響 如圖2所示，隨著料液比的升高，柚皮SADF的得率呈現(xiàn)先顯著升高后下降的趨勢(P＜0.05)，在料液比1∶40～1∶50 g/mL區(qū)間有較大值。在料液比1∶20～1∶60 g/mL范圍內(nèi)，SADF的羥自由基清除率呈現(xiàn)整體顯著升高趨勢。推測原因可能是因為，料液比的增大有利于提取反應(yīng)的正向進(jìn)行，當(dāng)料液比增大到一定程度，酶促反應(yīng)底物濃度大大下降，導(dǎo)致SADF提取受到了抑制，但同時較高的料液比可能使得反應(yīng)體系中其他水溶性、且具有抗氧化性的物質(zhì)溶出，故SADF的羥自由基清除率不降反而升高。在保證有較高得率的前提下，選擇有較高羥自由基清除率的工藝條件，故選擇料液比1∶50 g/mL進(jìn)行后續(xù)的試驗。

圖2 料液比對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響Fig.2 Effect of solid－liquid ratio on extraction yield and antioxidant activity of SADF from spongy layer of pomelo peels

2.1.3 纖維素酶添加量對柚皮SADF得率和羥自由清除率的影響 當(dāng)?shù)孜餄舛纫欢〞r，增大酶添加量可以提高反應(yīng)的速度，從而提高得率;當(dāng)酶濃度達(dá)到足以使反應(yīng)迅速完成時，即為酶的最大加入量，此時的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到動態(tài)平衡;但是當(dāng)酶添加量過大時，則會打破動態(tài)平衡而抑制反應(yīng)的進(jìn)行，從而使得率下降［16］。隨著纖維素酶添加量的增加，柚皮SADF的得率和羥自由基清除率呈現(xiàn)整體升高的趨勢(P＜0.05)。纖維素酶添加量在2.5%～3.5%范圍內(nèi)有較高得率，在3.0%添加量時羥自由基清除率最高，故纖維素酶添加量選擇3.0%。推測其原因，纖維素酶的添加可使柚皮中部分IADF發(fā)生降解，大分子鏈被切斷，分子量降低，溶解度增大，且部分IADF也會轉(zhuǎn)變成SADF，使得得率升高，同時，生成的SADF也具有一定的抗氧化活性，故羥自由基清除能力也顯著升高;當(dāng)酶添加量繼續(xù)增加，IADF會降解為分子質(zhì)量更小的低聚糖甚至單糖，聚合度低且無法被醇沉，從而使SADF得率降低，提取物的羥自由基清除能力也有所減弱［12］。

圖3 纖維素酶添加量對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響Fig.3 Effect of cellulase addition on extraction yield and antioxidant activity of SADF from spongy layer of pomelopeels

2.1.4 纖維素酶作用溫度對柚皮SADF得率和羥自由清除率的影響 加熱溫度能夠顯著影響纖維素酶的活力，溫度過高，酶會失活，溫度過低，酶的活力會下降［16］。如圖4所示，隨著纖維素酶作用溫度的升高，柚皮SADF的得率及羥自由基清除率均呈現(xiàn)先顯著升高后降低的趨勢(P＜0.05)。SADF得率在水浴45℃時有最大值，不同酶作用溫度條件下所提SADF(3 mg/mL)羥自由基清除率在45～65℃區(qū)間有較大值，且數(shù)據(jù)差異不顯著(P＞0.05)。因此，纖維素酶作用溫度選擇45℃。

圖4 纖維素酶作用溫度對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響Fig.4 Effect of cellulase temperature on extraction yield and antioxidant activity of SADF from spongy layer of pomelopeels

2.1.5 纖維素酶作用時間對柚皮SADF得率和羥自由清除率的影響 纖維素酶作用時間對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響如圖5所示。隨著纖維素酶作用時間的延長，SADF的得率在40～100 min加熱過程中顯著升高(P＜0.05)，其中，酶作用80和100 min條件下得率差異不顯著(P＞0.05)，繼續(xù)延長加熱時間則得率顯著下降(P＜0.05)。SADF的羥自由基清除率在測定時間內(nèi)也呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(P＜0.05)，在酶處理80 min后取得最大值。在保障有較高得率的前提下，選擇有較高羥自由基清除率的工藝參數(shù)，故綜合考慮選擇纖維素酶作用時間80 min。

圖5 纖維素酶作用時間對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的影響Fig.5 Effect of cellulase action time on extraction yield and antioxidant activity of SADF from spongy layer of pomelopeels

2.2 Box－Benhnken優(yōu)化柚皮SAD提取工藝實驗結(jié)果

2.2.1 Box－Benhnken雙響應(yīng)面模型的建立 在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定了響應(yīng)面試驗的參數(shù)范圍和工藝條件，根據(jù)Box－Behnken的中心組合試驗設(shè)計原理，選取三個顯著性影響較大的因素料液比(g/mL)、纖維素酶作用溫度(℃)、纖維素酶作用時間(min)作為考察因素，分別以A、B、C表示，以柚皮SADF的得率(Y1)和羥自由基清除率(Y2)為響應(yīng)值，建立3因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化實驗，試驗結(jié)果如表2所示。

采用Design－Expert 8.0.6軟件對Box－Benhnken雙響應(yīng)面分析得出Y1和Y2的回歸方程分別為:

表2 Box－Benhnken響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface optimization of Box－Benhnken

2.2.2 Box－Benhnken響應(yīng)模型的顯著性檢驗 對回歸模型進(jìn)行方差分析，對模型系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果見表3和表4。方程可靠性由R2表示，其統(tǒng)計學(xué)上的顯著性由F值檢驗，影響因素的顯著性由模型系數(shù)的P值檢驗。由表3和表4可知:模型P均小于0.01(極顯著)，失擬項P均大于0.05(不顯著)，表明該回歸方程對試驗的擬合度高，誤差小?？梢杂迷摲匠虒Σ煌瑮l件下的提取效果進(jìn)行分析、預(yù)測。通過F值可以得出，各因素對SADF提取量和羥自由基清除率的影響顯著性大小均為:料液比(A)＞纖維素酶作用時間(C)＞纖維素酶作用溫度(B)。

回歸方程可行度分析結(jié)果見表5。R2值越接近1，說明回歸方程越可靠，表明該回歸方程可以描述該試驗各因素與響應(yīng)值的關(guān)系。SADF得率和羥自由基清除率的回歸方程相關(guān)系數(shù)R2分別為0.95和0.93，說明回歸方程的可靠性較好。值表明回歸方程校正后可以解釋的響應(yīng)值變化，回歸方程矯正決定系數(shù)分別為0.89和0.84，得率方程信噪比Adeq Precision為14.02，說明該模型可用于預(yù)測，但羥自由基清除率的方程Adeq Precision為0.905，可預(yù)測性較低。C.V.(%)值反映的是回歸方程的置信度，值越小，說明回歸方程的置信度越高。因此這兩個回歸方程都具有較高可信度。

2.2.3 Box－Benhnken雙響應(yīng)面最優(yōu)工藝預(yù)測及驗證 根據(jù)Box－Benhnken雙響應(yīng)面實驗結(jié)果分析，得到最佳工藝參數(shù)的理論值為:料液比1∶55 g/mL、纖維素酶作用溫度50℃和纖維素酶作用時間90 min，此時SADF提取量和羥自由基清除率的理論值分別為31.39%和63.98%，按照該工藝條件進(jìn)行3組平行實驗對其進(jìn)行驗證，得到得率和自由基清除率分別為32.82%±0.33%和64.43%±1.88%。

2.3 Matlab分析最優(yōu)工藝區(qū)間

Matlab是國際上最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一，具有強(qiáng)大的科學(xué)計算功能，并提供了專門的優(yōu)化工具箱，通過建立研究問題的數(shù)學(xué)模型，編寫程序代碼，有效計算出最優(yōu)解，廣泛應(yīng)用于各研究領(lǐng)域［17］，如化工油脂提取優(yōu)化［18］。Matlab可以通過編程得到某一影響因素(不同高、中、低)取值時對應(yīng)的最優(yōu)工藝取值范圍，從而彌補(bǔ)Box－Benhnken設(shè)計僅得到具體最佳工藝參數(shù)取值的不足，因此，Matlab優(yōu)化分析針對實際生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的波動性更具有參考價值。

表3 基于SADF得率的方差分析結(jié)果Table 3 The variance analysis result based on the extraction yield of SADF

表4 基于SADF羥自由基清除率的方差分析結(jié)果Table 4 The variance analysis result based on the hydroxyl radical scavenging rate of SADF

表5 回歸方程的可行度Table 5 The feasibility of the regression equation

經(jīng)過分析，得到料液比(g/mL)、纖維素酶作用時間(min)和纖維素酶作用溫度對柚皮SADF得率和羥自由基清除率的四維效果圖(圖6、圖7)。當(dāng)SADF得率(y1)取得理論最大值(31.40%)時，通過矩陣計算得到料液比1∶55 g/mL，纖維素酶作用溫度為49.18℃，纖維素酶作用時間90 min;同理，當(dāng)SADF羥自由基清除率(y2)取得理論最大值(66.68%)時，料液比1∶55 g/mL，纖維素酶作用溫度為40℃，酶作用時間為70 min。

圖6 基于y1優(yōu)化的四維交互曲面Fig.6 The 4－D interactive surface based on the optimizing of y1

為了更好地描述分析數(shù)據(jù)間的交互影響，分別繪制當(dāng)纖維素酶作用時間短(70 min)、中(80 min)、長(90 min)時，料液比與纖維素酶作用溫度對y1，y2交互影響的三維旋轉(zhuǎn)曲面與等高線投影圖(圖8)。

圖7 基于y2優(yōu)化的四維交互曲面Fig.7 The 4－D interactive surface based on the optimizing of y2

當(dāng)提取時間(C)取下限值(C=70 min)時，固定酶作用溫度(B)，隨著料液比(A)的升高，y1(實線)呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，y2(虛線)在料液比高于1∶50 g/mL之后呈現(xiàn)顯著升高的趨勢;固定A值，隨著B的升高，y1持續(xù)升高，y2則先降低后升高。此時，y1取值范圍為20.71%～29.72%，y2取值范圍為45.94%～66.68%。當(dāng)料液比為1∶53～1∶55 mL/g，酶作用溫度在44～50℃時，y1和y2可同時取得最大值。

當(dāng)提取時間(C)取中間值(C=80 min)時，y1和y2的變化趨勢與C=70℃時較為類似。固定B值，隨著A值增大，y1先減小后增大，料液比越趨近1∶55 mL/g越可以取得最大值。固定A值，隨著B值的增大，y2先減小，后增大，越趨向溫度或者高溫，反而越能夠取得最大值，約在45℃左右取值較低。此時，y1取值范圍為21.21%～28.86%，y2取值范圍為47.80%～64.66%。當(dāng)料液比大于1∶53.5 mL/g，酶作用溫度約趨向50℃時，y1和y2可同時取得最大值。

當(dāng)提取時間(C)取上限值(C=90 min)時，y1和y2的變化趨勢與C=70 min和80 min時也較為類似。此時，y1取值范圍為25.12%～31.40%，y2取值范圍為51.50%～66.16%。當(dāng)料液比大于1∶53 mL/g，酶作用溫度48～50℃時，y1和y2可同時取得最大值。

圖8 各因素交互作用對SADF提取量及自由基清除率影響的等高線圖和響應(yīng)面圖Fig.8 Contour plots and response surface plots of the effects of the interaction of various factors on the extraction amount and radical scavenging rate of SADF

綜上所述，當(dāng)提取時間取上限值(C=90 min)時，y1可以取得較高理論值，當(dāng)提取時間取下限值(C=70 min)時，y2可以取得理論較大值;當(dāng)提取時間取較高值(C=90 min)，料液比越趨近1∶55 mL/g，纖維素酶作用溫度越趨近50℃，y1和y2的值越趨近最大值。

3 結(jié)論

以漳州平和琯溪蜜柚柚皮為原料，采用Box－Behnken響應(yīng)面結(jié)合Matlab分析法優(yōu)化柚皮海綿層SADF超聲波輔助酶法提取工藝。兼顧SADF得率與羥自由基清除率，得到最優(yōu)提取工藝參數(shù)取值(范圍)為:超聲波前處理30 min，料液比1∶55 g/mL(1∶53～1∶55 g/mL)，纖維素酶添加量3%，纖維素酶作用溫度50℃(48～50℃)，纖維素酶作用時間90 min(上限值C=90 min)。此時，柚皮SADF的得率與羥自由基清除率可分別達(dá)到32.82%±0.33%，64.43%±1.88%，模型顯著可靠。Box－Benhnken響應(yīng)面設(shè)計與Matlab分析相結(jié)合的優(yōu)化方法，不僅能夠準(zhǔn)確得到最佳提取方案，也能夠更直觀的找出合理的工藝參數(shù)區(qū)間，為SADF工業(yè)化加工利用研究提供理論基礎(chǔ)與創(chuàng)新依據(jù)。