響應(yīng)面法優(yōu)化檸檬中可溶性膳食纖維提取工藝

響應(yīng)面法優(yōu)化檸檬中可溶性膳食纖維提取工藝

芒果是著名的熱帶水果，廣泛種植于亞熱帶和亞熱帶地區(qū)。在芒果加工過程和直接食用中產(chǎn)生大量被廢棄的芒果皮,占鮮果重的9%~16%［1］。芒果皮富含膳食纖維、果膠、多酚類物質(zhì),特別是膳食纖維含量很高,據(jù)國外學(xué)者研究,芒果中總膳食纖維達(dá)到51.2%［2］,可溶性膳食纖維達(dá)到12%~23%(去脂),且不同品種之間差別很大［3］。膳食纖維是不易被消化酶消化的多糖類食物成分,能保持消化系統(tǒng)健康,并有多種生理作用［4］,若對芒果皮進(jìn)行資源再利用來制備膳食纖維添加劑具有較大的研究價值及經(jīng)濟(jì)價值,同時可以提高芒果深加工產(chǎn)業(yè)的附加值。國內(nèi)外對芒果皮的研究,特別是其中膳食纖維方面研究相對較少,本文主要考察了纖維素酶法水解制備可溶性膳食纖維的工藝,本試驗(yàn)的實(shí)施可以為芒果皮的綜合利用開辟一條新的途徑。1材料和方法1.1藥品、試劑與儀器芒果皮:市售成熟象牙芒;纖維素酶:上海如吉生物科技有限公司;GZX-9140ME數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱:上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;FZ102型植物式樣粉碎機(jī):天津泰斯特儀器有限公司;HHS型電熱恒溫水浴鍋:上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。1.1.1-淀粉酶處理?xiàng)l件1.1.1.1原料制備芒果用清水沖洗干凈后,放進(jìn)沸水中熱燙2~3min,撈出后立即置于冷水中冷卻,手工剝離果皮。經(jīng)60℃烘干,粉碎過60目篩,干燥器保存［5］。1.1.1.2α-淀粉酶恒溫酶解取150g預(yù)處理后芒果皮加入20U/g的α-淀粉酶,攪拌均勻,置于恒溫水浴中邊攪拌邊進(jìn)行水解(65oC,60min),滅酶處理。1.1.1.3木瓜蛋白酶酶解恒溫水浴降溫到木瓜蛋白酶酶解溫度45℃,加入10U/g的木瓜蛋白酶,攪拌均勻,并邊攪拌邊水解2h,滅酶處理［6］。1.2sdf含量的測定水溶性膳食纖維(SDF)的測定方法:稱取一定質(zhì)量芒果皮(粉碎過60目篩)置于三角瓶中,加入適量的蒸餾水及水解酶(纖維素酶)恒溫水浴提取,沸水浴加熱10min滅酶,過濾棄去殘?jiān)?。取濾液5mL,加入無水乙醇20mL靜置4h,測定SDF的含量。SDF(%)=提取的SDF質(zhì)量(g)/原料質(zhì)量(g)1.3.1液料比對sdf提取率的影響加酶量為2U/mL,酶解時間為2h,酶解溫度為50℃,醇沉?xí)r間為4h,研究液料比分別為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35時對芒果皮SDF提取率的影響。1.3.2加酶量對sdf提取率的影響料液比參照優(yōu)化結(jié)果設(shè)定,酶解時間為2h,酶解溫度為50℃,醇沉?xí)r間為4h,研究加酶量分別為1.0U/mL、2.0U/mL、3.0U/mL、4.0U/mL、5.0U/mL時對芒果皮SDF提取率的影響。1.3.3酶解時間對sdf提取率的影響料液比和酶用量參照優(yōu)化結(jié)果設(shè)定,酶解溫度為50℃,醇沉?xí)r間為4h,研究酶解時間分別為1h、1.5h、2h、2.5h、3h時對芒果皮SDF提取率的影響。1.3.4醇沉?xí)r間對sdf提取率的影響料液比和酶用量參照優(yōu)化結(jié)果設(shè)定,酶解時間為2h,酶解溫度為50℃,研究醇沉?xí)r間分別為2h、4h、6h、8h、10h時對芒果皮SDF提取率的影響。1.3.5酶解溫度對sdf提取率的影響料液比和酶用量參照優(yōu)化結(jié)果設(shè)定,酶解時間為2h,醇沉?xí)r間為4h,研究酶解溫度分別為40℃、45℃、50℃、55℃、60℃時對芒果皮SDF提取率的影響。1.3.6響應(yīng)面優(yōu)化提取條件根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,確定料液比、纖維素酶用量、醇沉?xí)r間3因素為自變量,以芒果皮SDF得率為響應(yīng)值,對膳食纖維的提取條件做進(jìn)一步優(yōu)化。采用Box-Benhnken設(shè)計(jì),以單因素優(yōu)化中獲得的最佳值為中心點(diǎn)。各因子的水平設(shè)置及編碼值見表1。1.4殘留水分3g準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為m1樣品,加入到含有去離子水的離心管(m2)中,室溫震蕩30min,離心(3000r/min,10min),棄去上清液,用濾紙吸干離心管內(nèi)壁殘留水分,稱其質(zhì)量為m3。則持水力=(m2-m3-m1)。1.4.2量表體積測定準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為m1樣品,加入到10mL量筒中,向量筒中加入去離子水并定容為v1,封口。室溫放置24h,記錄量筒中樣品的體積v2。則膨脹力=(v2-v1)/m1。1.4.3燒杯干燥法準(zhǔn)確稱取1g質(zhì)量的樣品,加入到含有50mL蒸餾水的燒杯中,室溫(20℃)攪拌1h,離心(3000r/min,20min),將上清液轉(zhuǎn)入干燥潔凈的燒杯(m1)中,105℃烘干至質(zhì)量不變,稱重(m2)。可溶性物質(zhì)含量=(m2-m1)100/50。2結(jié)果與分析2.1單因素試驗(yàn)2.1.1液料比對sdf得率的影響料液比會直接影響提取溶劑對目標(biāo)提取物的可及度,進(jìn)而影響最終提取得率。不同料液比對SDF得率的影響由圖1所示。由圖1可知,當(dāng)料液比較低時,由于水量少底物濃度較大,導(dǎo)致反應(yīng)體系過度黏稠,酶未能與底物充分接觸進(jìn)而影響酶解效率。隨著料液比的增加,底物和酶充分接觸,酶的活力較高更易降解芒果皮中的半纖維素成分,芒果皮SDF得率顯著提高。而隨著液料比的增大,當(dāng)料液比超過1∶25時,芒果皮SDF得率不再增加,原因是底物濃度逐漸降低,酶被稀釋,阻礙了酶與底物的結(jié)合。試驗(yàn)確定料液比最佳值為1∶25,此條件下芒果皮SDF得率為15.26%。2.1.2酶用量對sdf得率的影響由圖2可以看出,當(dāng)纖維素酶用量為3.0U/mL時芒果皮SDF得率達(dá)到最大值為15.85%。當(dāng)酶用量繼續(xù)增加,SDF得率逐漸下降。其原因可能是水解酶使得芒果皮中的不溶性纖維發(fā)生降解,纖維素等不溶性多糖的結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞,使其分子質(zhì)量降低,懸濁液的粘度提高,使較小分子量的SDF在一定條件下沉降所需時間較長從而影響SDF的制備得率。2.1.3反應(yīng)時間對sdf得率的影響由圖3可知,在反應(yīng)初始階段隨著提取時間的增加芒果皮SDF得率迅速上升,反應(yīng)2.5h時SDF得率達(dá)到最大值,但隨著提取時間的延長SDF得率并沒有明顯增加。原因可能是在水解反應(yīng)初期,有大量的不溶性多糖作為底物,水解酶主要作用于不溶性多糖,不溶性的纖維素分子間糖苷鍵斷裂,降解生成可溶性多糖,隨著反應(yīng)時間增加,生成的中間產(chǎn)物SDF濃度逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定時間反應(yīng)逐漸趨向于平衡。試驗(yàn)確定反應(yīng)時間最佳值為2.5h。此時芒果皮可溶性膳食纖維的得率為16.59%。2.1.4醇沉?xí)r間對sdf得率的影響由圖4可知,當(dāng)醇沉?xí)r間小于6h時,芒果皮SDF得率呈上升趨勢,當(dāng)醇沉?xí)r間大于6h時,得率沒有明顯增加,由此結(jié)果可知,在此條件下醇沉?xí)r間6h時芒果皮SDF已經(jīng)完全沉淀。之后SDF得率稍有降低,原因是一小部分SDF結(jié)構(gòu)被破壞,不能被析出,從而考慮6h為最佳醇沉?xí)r間。2.1.5提取溫度對可溶性膳食纖維提取率的影響由于本試驗(yàn)為酶解法制備SDF,因此體系溫度主要通過影響酶解效率進(jìn)而影響SDF制備得率。如圖5所示,溫度從40℃升至55℃,酶解率逐漸增加,芒果皮SDF得率隨著溫度的升高而有所增加,在55℃時達(dá)到最高,當(dāng)提取溫度高于50℃時,可溶性膳食纖維提取率隨著溫度的升高而降低。這是由于可溶性膳食纖維主要成分為天然果膠和β-葡聚糖,提取溫度過高,會使其本身分子結(jié)構(gòu)受到破壞,從而使提取率降低［9］。此時芒果皮可溶性膳食纖維的得率為17.82%。2.2反應(yīng)法對簡化纖維提取條件進(jìn)行了優(yōu)化2.2.1響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)采用Box-Benhnken設(shè)計(jì)試驗(yàn),在單因素確定實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇對酶解后芒果皮SDF含量有顯著影響的三個因素:料液比、纖維素酶量、醇沉?xí)r間,以酶解后芒果皮SDF得率為響應(yīng)值,做3因素3水平的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。2.2.2酶解前后罪犯sdf含量的響應(yīng)應(yīng)用DesignExpert8.0.1程序?qū)憫?yīng)值進(jìn)行回歸分析,得到回歸方程:由表2.2的方差分析結(jié)果可知:在影響酶解后芒果皮SDF含量的因素中,一次項(xiàng)A,B影響極其顯著,而C影響顯著,二次項(xiàng)影響極其顯著。由此可知,各個具體實(shí)驗(yàn)因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的一次線性關(guān)系,而符合曲線規(guī)律,如回歸方程所示。模型指標(biāo)Pr>F為0.0001,說明此響應(yīng)面模型達(dá)到極其顯著水平,而失擬項(xiàng)Pr>F為0.0097,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著,說明本實(shí)驗(yàn)要求操作精準(zhǔn),可允許產(chǎn)生的誤差值較小。2.2.3模擬模型的驗(yàn)證做響應(yīng)面圖,分析料液比、纖維素酶量、醇沉?xí)r間對酶解后芒果皮SDF得率的影響。通過軟件Design-Expert8.05的分析得出當(dāng)取最大的響應(yīng)值時對應(yīng)的料液比、纖維素酶酶量及醇沉?xí)r間分別為1∶27、2.7U/mL、6.3h。芒果皮可溶性膳食纖維得率的預(yù)測值為18.41%。為了驗(yàn)證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性及操作方便采用料液比1∶27,纖維素酶酶量2.8U/mL,醇沉?xí)r間6.5h,進(jìn)行3次平行試驗(yàn)得取平均值為18.30%。與理論預(yù)測值相比相對誤差為0.11%。2.3其他酶解玉米秸稈sdf的比較膳食纖維分子中的很多單糖結(jié)構(gòu)含有親水基團(tuán),這種結(jié)構(gòu)賦予膳食纖維很強(qiáng)的持水力和膨脹力,能夠改變面團(tuán)特性和焙烤特性。另外膳食纖維還具有很好的吸油和吸收膽固醇能力。因此對芒果皮SDF性質(zhì)的考察可以初步確定其具體的應(yīng)用價值。膳食纖維持水力是評價膳食纖維品質(zhì)高低的一個非常重要的指標(biāo)主要體現(xiàn)其水合性質(zhì)。膳食纖維具有較強(qiáng)的親水性,吸水膨脹后會呈顯凝膠狀,可以吸附食物中的膽固醇,進(jìn)而減少了人體對膽固醇的吸收。由表3可知芒果皮SDF持水力為10.5g/g。研究對同樣采取酶解法制備果蔬SDF進(jìn)行了比較。胡葉碧等［8］采取纖維素酶及木聚糖酶協(xié)同對玉米皮進(jìn)行水解試驗(yàn),鄧紅波［9］以玉米秸稈為原料提取SDF以及付成程等［10］利用纖維素酶酶解蘋果肉渣,結(jié)果顯示制備得到的SDF持水力分別為5.97~6.12g/g,6.97g/g和5.07g/g,明顯低于本研究結(jié)果。而劉玉梅［11］酶解柚子皮和郭亞姿［12］酶解甘薯得到的SDF持水力為與本試驗(yàn)提取SDF持水力大致相當(dāng)。以上結(jié)果說明以芒果皮為原料制備SDF具有較高的親水性應(yīng)用價值較好。同樣由表3可知,芒果皮SDF膨脹力為5.8mL/g。此結(jié)果同樣與使用酶解法制備柚子皮所得SDF膨脹力(6.4mL/g)相當(dāng),同時明顯優(yōu)于以豆渣(4.38mL/g)花生粕(2.37mL/g)等以谷物原料提取的SDF［13－14］。試驗(yàn)結(jié)果顯示芒果皮SDF可溶性物質(zhì)含量為0.52g/100mL與鄧紅波研究中提取的玉米秸稈SDF可溶性物質(zhì)含量大致相當(dāng)［9］。以上結(jié)果均顯示應(yīng)用本試驗(yàn)方法制備的芒果皮SDF理化性質(zhì)優(yōu)良,具備了非常好的應(yīng)用潛力。3最佳提取條件的確定及對sdf得率的測定本研究以芒果皮為原料,采用酶法制備SDF,并對制得的SDF性質(zhì)進(jìn)行初步研究。得到以下主要結(jié)論:(1)采用纖維素酶法制備芒果皮SDF通過單因素及響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝。結(jié)果顯示最佳提取條件為:料液比1∶2