响应曲面法优化苹果渣可溶性膳食纤维提取工艺

丁晨阳，韩舜愈，*，盛文军，冒秋丹，张 军

（1.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州 730070；2.天水长城果汁饮料有限公司，甘肃天水 741020）

响应曲面法优化苹果渣可溶性膳食纤维提取工艺

丁晨阳1，韩舜愈1，*，盛文军1，冒秋丹1，张 军2

（1.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州 730070；2.天水长城果汁饮料有限公司，甘肃天水 741020）

以苹果渣为原料，采用酸水解法从苹果渣中提取可溶性膳食纤维。借助响应面设计分析，考察盐酸质量分数、料液比、浸提时间、浸提温度对可溶性膳食纤维提取率的影响。结果表明，各因素对提取率影响均显著。求解回归方程得到最佳工艺条件为：盐酸质量分数2.0%、液料比17mL/g、浸提时间65min、浸提温度78.2℃，此时可溶性膳食纤维的提取率可达到17.68%。

苹果渣，膳食纤维，响应面实验

膳食纤维（dietary fiber，简称DF）是食品的一种功能性基质[1]，指不能被人体小肠所消化和吸收，在大肠中能被全部或部分发酵的植物可食性部分或类似的碳水化合物[2]，包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶和树胶等[3]。根据溶解性不同，可将膳食纤维分为水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，简称SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，简称IDF）两大类[4]。不同膳食纤维的生理学特征存在差异，因此具有不同的作用，如可溶性膳食纤维不仅能增加饱腹感，减少能量的摄入，治疗肥胖症[5]，还能使胃肠道中内容物黏度增加，延缓和降低消化道中其他成分，如葡萄糖、胆固醇等的吸收[6-7]；不溶性膳食纤维能增加粪便体积，促进肠道蠕动，预防便秘和结肠癌等[8]。膳食纤维能被肠道中多种微生物所发酵降解，有效调节肠道有益菌群[9-10]。苹果渣是果汁加工业的副产物，其特点为蛋白质含量低，粗纤维含量高，含有丰富的碳水化合物以及矿物质[11]，是膳食纤维良好的来源，约含总膳食纤维51%[12]。目前大多数国内加工企业将其作为废物丢弃，在污染环境的同时也造成了极大的资源浪费。本研究采用酸水解法提取苹果渣中可溶性膳食纤维，方法简单、环节易于控制，对减少环境污染，提高综合利用效率有着重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

干苹果渣（主要成分为：水分8.20%，粗蛋白5.67g/100g，粗灰分2.03g/100g，粗脂肪2.32g/100g，粗纤维58.46%） 甘肃天水长城果汁厂；浓盐酸、无水乙醇 西安三浦精细化工厂，分析纯；NaOH 西安化学试剂厂，分析纯。

SHB-3型循环水式真空泵 郑州长城工贸有限公司；XMTD-204型数显恒温水浴锅 金坛市恒丰仪器制造有限公司；RE52CS-1型旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂；TD5A-WS型台式离心机 湖南湘仪离心机仪器有限公司；CP214型电子天平 上海奥豪斯仪器有限公司；101-1型电热鼓风干燥箱 北京科伟永兴仪器有限公司；YC-015型实验室喷雾干燥机 上海雅仪器程设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 干苹果渣（M）→粉碎过筛→温水洗涤→酸液水解→固液离心分离→滤液减压浓缩→乙醇沉淀→固液离心分离→喷雾干燥→可溶性膳食纤维（m）

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 粉碎过筛 苹果渣粉碎后过40目筛，苹果渣粉在低温条件下密封贮存。

1.2.2.2 温水洗涤 用40℃以下的温水洗涤果渣粉2~3次，目的是除去果渣中少量的可溶性糖和单宁等杂质成分。

1.2.2.3 离心分离 采用台式离心机进行固液分离，转速为4200r/min，离心20min，取上清液。

1.2.2.4 减压浓缩 采用旋转蒸发仪对提取的溶液进行浓缩，温度为55℃，压力为0.7MPa。

1.2.2.5 乙醇沉淀 加入4倍体积的无水乙醇，沉淀后固液分离，固体用无水乙醇反复洗涤，回收乙醇。

1.2.2.6 喷雾干燥 将提取的可溶性膳食纤维加水调节质量分数在4.5%左右，喷雾干燥机进料温度

155℃，出料温度220℃，进料泵进料，得到白色粉末状可溶性膳食纤维。

1.2.3 测定方法

1.2.3.1 可溶性膳食纤维含量的测定 AOAC 992.16[13]酶—重量法，实验中提取的可溶性膳食纤维含量的测定均采用此方法。

1.2.3.2 提取率的测定方法 提取率（%）=m/M×100%式中：m—可溶性膳食纤维恒重后的质量（g）；M—原料苹果渣粉恒重后的质量（g）。

1.2.4 单因素实验方案

1.2.4.1 盐酸质量分数对可溶性膳食纤维提取率的影响 液料比15mL/g，浸提时间90min，浸提温度80℃，讨论不同盐酸质量分数对可溶性膳食纤维提取率的影响。盐酸质量分数分别取0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%。

1.2.4.2 浸提时间对可溶性膳食纤维提取率的影响 液料比15mL/g，盐酸质量分数2.0%，浸提温度80℃，讨论不同浸提时间对可溶性膳食纤维提取率的影响。浸提时间分别取30、60、90、120、150、180min。

1.2.4.3 液料比对可溶性膳食纤维提取率的影响 盐酸质量分数2.0%，浸提温度80℃，浸提时间90min，讨论不同料液比对可溶性膳食纤维提取率的影响。料液比分别取6、8、10、12、15、18、20mL/g。

1.2.4.4 浸提温度对可溶性膳食纤维提取率的影响 液料比15mL/g，盐酸质量分数2.0%，浸提时间90min，讨论不同浸提温度对可溶性膳食纤维提取率的影响。浸提温度分别取50、60、70、80、90、100℃。

1.2.5 响应曲面设计方案 在单因素实验基础上，以盐酸质量分数（%）、浸提时间（min）、液料比（mL/g）和浸提温度（℃）为自变量（Xi），可溶性膳食纤维提取率为响应值（Y），采用Design Expert 7.1.3中的Box-Behnken设计四因素三水平二次回归方程，拟合自变量与可溶性膳食纤维提取率之间的函数关系。实验因素水平见表1。

表1 响应面实验因素水平表Table 1 Independent variables and their corresponding levels in Box-Behnken design

1.2.6 模型的验证 通过响应面分析法优化苹果渣可溶性膳食纤维提取条件。在优化条件下提取可溶性膳食纤维，比较预测值和实验值，验证模型的有效性。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 盐酸质量分数对可溶性膳食纤维提取率的影响 由图1可知，随着盐酸质量分数的增大，可溶性膳食纤维提取率是一个先增大后减小的过程，且变化趋势明显。盐酸质量分数在0.5%~2.0%范围内，可溶性膳食纤维提取率随着盐酸质量分数的增大而增大；当盐酸质量分数大于2.0%时，可溶性膳食纤维提取率开始下降。原因是可溶性膳食纤维的主要成分为果胶，其水解需在较适宜的酸性条件下发生，酸性弱时，不利于水解，反应进行缓慢；酸性过强，会导致果胶脱脂断裂，造成产量的急剧下降[14]。因此盐酸质量分数在2.0%左右为宜。

图1 盐酸质量分数对提取率的影响Fig.1 Effect of hydrochloric acid concentration on yield of SDF

2.1.2 浸提时间对可溶性膳食纤维提取率的影响 由图2可知，随着浸提时间的延长，可溶性膳食纤维提取率逐渐升高，当浸提时间大于90min后，可溶性膳食纤维提取率呈下降趋势，且较为明显。原因是时间过短，果渣中可溶性膳食纤维的主要成分果胶不能充分溶于酸液中，提取率较低；然而浸提时间过长，果胶脱脂发生断裂，从而提取率迅速下降[14]。因此，浸提时间选择不超过90min较为适宜。

图2 浸提时间对提取率的影响Fig.2 Effect of extraction time on yield of SDF

2.1.3 料液比对可溶性膳食纤维提取率的影响 由图3可知，可溶性膳食纤维的提取率随着液料比的增大而升高，当液料比达到15mL/g后，提取率逐渐趋于平稳，变化幅度较小。虽然提取率略有增幅，但从经济角度出发，同时考虑后续醇析步骤节省乙醇和能耗，因此选取15mL/g较为适宜。

图3 液料比对提取率的影响Fig.3 Effect of liquid/material ratio on yield of SDF

2.1.4 浸提温度对可溶性膳食纤维提取率的影响 由图4可知，当温度在50~80℃范围内时，可溶性膳食纤维随温度升高提取率有所升高，80℃时，提取率达到最大为16.78%，温度高于80℃时，可溶性膳食纤维分子结构被破坏，导致提取率急速下降。因此，浸提温度选择80℃，使可溶性膳食纤维提取率最大。

图4 浸提温度对提取率的影响Fig.4 Effect of extraction temperature on yield of SDF

2.2 苹果渣可溶性膳食纤维提取的响应曲面优化分析

2.2.1 响应面实验结果及模型的建立 实验采用Design Expert 7.1.3中的Box-Behnken设计，可溶性膳食纤维提取的实验设计方案及结果见表2，回归方差分析见表3。拟合所得多元二次回归方程如下：Y=17.22-2.26X1-1.07X2+0.95X3-1.35X4-2.20X1X2+1.46X1X3-1.38X1X4-1.08X2X3-1.31X2X4+1.93X3X4-1.96X12-1.52X22-1.08X32-2.83X42

表2 响应面实验设计及结果Table 2 Response surface Box-Behnken design arrangement and the result

表3 回归方程方差分析表Table 3 Analysis of variance of established regression model for SDF yield

回归模型要能较好地解释所反映的现象，其决定系数至少为0.80，响应变量的R2要大于0.80[15]。从表3分析可以看出：模型P<0.0001，模型显著；失拟项P=0.0605＞0.05，失拟项不显著；决定系数（R2）为0.9242，校正系数（Adj R2）为0.8485。证明该回归模型与实际值拟合较好，可充分体现各变量之间的关系。且该回归模型一次项、二次项及交互项中的X1X2、X1X3、X1X4、X2X4、X3X4均表现出显著水平；各因素对可溶性膳食纤维提取率的影响依次为盐酸质量分数＞浸提温度＞浸提时间＞液料比。

2.2.2响应面分析为形象描述交互项对响应值——提取率的影响，经Design Expert 7.1.3分析得到各响应面图，见图5~图10。

图5 盐酸质量分数与浸提时间响应面图Fig.5 Response surface plot for the effect of hydrochloric acid concentration and extraction time on the yield of SDF

图6 盐酸质量分数与液料比响应面图Fig.6 Response surface plot for the effect of hydrochloric acid concentration and liquid/material ratio on the yield of SDF

图7 盐酸质量分数与浸提温度响应面图Fig.7 Response surface plot for the effect of hydrochloric acid concentration and extraction temperature on the yield of SDF

图8 浸提时间与液料比响应面图Fig.8 Response surface plot for the effect of extraction time and liquid/material ratio on the yield of SDF

图9 浸提时间与浸提温度响应面图Fig.9 Response surface plot for the effect of extraction time and temperature on the yield of SDF

图10 浸提温度与液料比响应面图Fig.10 Response surface plot for the effect of extraction temperature and liquid/material ratio on the yield of SDF

由图5可知，浸提时间一定时，盐酸质量分数在1.0%~2.0%时，可溶性膳食纤维提取率随盐酸质量分数增大而逐渐升高，达到极大值后，提取率随盐酸质量分数的增大又逐渐降低；盐酸质量分数一定，提取率随浸提时间的延长呈现先升高后降低的过程。由图6可知，盐酸质量分数与液料比对可溶性膳食纤维提取率的影响之间存在协同作用，即在一定范围内，两者同时升高时，才能提高提取率。盐酸质量分数1.0%~1.5%，液料比12~17mL/g时，提取率最大。图7可见，盐酸质量分数在1.0%~2.5%之间，温度在73~87℃范围内，提取率有极大值。盐酸质量分数大于2.5%，温度低于73℃或高于87℃时，均会导致提取率的降低。如图8所示，当浸提时间在60~95min，液料比超过16mL/g时，可溶性膳食纤维提取率能达到最大值，液料比大于16mL/g后，交互作用对提取率影响趋势减缓且趋于平行。从图9可以看出，浸提温度75~85℃，浸提时间65~115min，对可溶性膳食纤维提取率影响较大，温度过高或过低，浸提时间过短或过长，都不利于可溶性膳食纤维的提取，导致提取率降低。图10表明，浸提温度与液料比交互作用中，液料比对可溶性膳食纤维提取率影响变化不大，而温度在72~76℃之间时，提取率随着温度升高有较为缓慢的升高趋势，但温度高于76℃时，可溶性膳食纤维提取率呈下降趋势，且变化明显。

2.2.3 响应面工艺的验证 通过Design Expert 7.1.3求解回归方程，得到可溶性膳食纤维提取率的最佳工艺条件为：盐酸质量分数2.0%、液料比17.2mL/g、浸提时间65.2min、浸提温度78.2℃。可溶性膳食纤维提取率理论值为17.52%。实际操作条件为盐酸质量分数2.0%、液料比17mL/g、浸提时间65min、浸提温度78.2℃。此条件下，可溶性膳食纤维提取率为17.40%。实际值与预测值之间相对误差为0.68%，说明回归模型拟合较好，可用来优化苹果渣可溶性膳食纤维提取工艺。

将提取的可溶性膳食纤维通过喷雾干燥得成品，检测其理化指标。其中，干燥减量为5.64%，酸不溶灰分为0.42%，粗蛋白未检出；产品为白色粉末状固体，性状较好。

3 结论

利用苹果渣提取可溶性膳食纤维，在单因素实验基础上，采用响应曲面设计，以盐酸质量分数（%）、浸提时间（min）、液料比（mL/g）和浸提温度（℃）为自变量，可溶性膳食纤维提取率为响应值，建立回归模型。通过对回归模型进行方差分析和交互作用分析，得出各因素对可溶性膳食纤维提取率的影响。求解回归方程，得到提取苹果渣可溶性膳食纤维的最佳工艺条件为：盐酸质量分数2.0%、液料比17mL/g、浸提时间65.2min、浸提温度78.2℃，在此条件下，可溶性膳食纤维提取率可达到17.40%。

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Optimization of extraction of soluble dietary fiber from apple pomace by response surface method

DING Chen-yang1，HAN Shun-yu1，*，SHENG Wen-jun1，MAO Qiu-dan1，ZHANG Jun2
（1.College of Food Science and Engineering，Gansu Agriculture University，Lanzhou 730070，China；2.Tianshui Great Wall Fruit Juice Group Co.，Ltd，Tianshui 741020，China）

The acid-catalyzed hydrolysis was applied in the extraction of soluble dietary fiber from dried apple pomace which were discharged by apple juice industry.Through the response surface methodology（RSM）designing and analyzing，four independent variables included the hydrochloric acid concentration，the ratio of solid to liquid in slurry，the extraction time and the extraction were determined.Each of the four variables had highly significant influence on the response value.The optimum conditions of soluble dietary fiber extraction were as follows：hydrochloric acid concentration 2.0%，liquid/material ratio 17mL/g，extraction time 65min and temperature 78.2℃.Under these conditions，soluble dietary fiber yield of 17.68%was obtained.

apple pomace；dietary fiber；response surface method

TS255.1

B

1002-0306（2012）07-0266-05

2011－06－27 * 通讯联系人

丁晨阳（1985-），女，硕士研究生，主要从事农产品贮藏与加工研究。

科技人员服务企业行动（2009GJG10018）。