響應(yīng)面法優(yōu)化亞麻籽粕不溶性膳食纖維提取工藝

1、響應(yīng)面法優(yōu)化亞麻籽粕不溶性膳食纖維提 取工藝可侯偉偉娜娜天蘭雙雙海燕*(農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830052)摘要：以亞麻籽粕為原料，采用堿性蛋白酶水解。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取酶 解溫度、時(shí)間、加酶量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和料液比為響應(yīng)變量，以不溶性膳食纖維提取 率為響應(yīng)值，利用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和響應(yīng)面分析法，建立不溶性膳食 纖維提取率與響應(yīng)變量的回歸方程，并確定最佳提取條件為：酶解溫度55C、酶解時(shí)間4h、料液比1:20、加酶量9%,此條件下水不溶性膳食纖維得率為 52.05%, 與預(yù)測(cè)值52.5%較為一致。關(guān)鍵詞：亞麻籽粕；不溶性膳食纖維；響應(yīng)面分析法；優(yōu)化Respo

2、nse Surface Methodology for Optimization of Extraction Process of InsolubleDietary Fiber fromFlaxseed MealLi Ke Yang Hai-yan*(College of Food Science and Pharmacy, Xinjiang Agricultural University, Urumqi830052, China)Abstract： This article used flaxseed meal as raw material, completed hydrolysis wi

3、th alkaline protease. On the basis of single factor test, selected the hydrolysis temperature, time, enzyme amount (mass fraction) and the ratio of solid to liquid as response variable, regarded the insoluble dietary fiber extraction rate as response value, establish insoluble dietary fiber extracti

4、on rate and response variables regression equation by Box-Behnken experimental design and response surface analysis method, and determined the optimum extraction conditions： Hydrolysis temperature of 55 c , enzymatic hydrolysis time of 4h, solid to liquid ratio of 1:20, enzyme amount of 9%. Under th

5、is condition, the water-soluble dietary fiber yield is 52.05%, it is consistent with the predictive value of 52.51%.Key words: flaxseed meal; insoluble dietary fiber ； response surface method010gy optimization亞麻又稱胡麻，是古老的經(jīng)濟(jì)作物，廣泛分布于世界各地。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng) 組織的統(tǒng)計(jì)，世界亞麻種植面積年平均314.6萬(wàn)hm2、年產(chǎn)量平均為271萬(wàn)t。我國(guó)的亞麻種植面積每年約 57萬(wàn)hm

6、2,僅次于加拿大和印度，居世界第 3位； 亞麻年產(chǎn)量約47萬(wàn)t,僅次于加拿大，居世界第2位1。亞麻是喜涼作物，在北 方適宜早春種植，一般海拔高度8702000m均可種植，需有效積溫10002200c 我國(guó)的亞麻以油用為主，約占總播面積的90%,主要分布在華北、西北地區(qū)2。但胡麻籽也含有一些抗?fàn)I養(yǎng)因子，如植酸、生鼠糖甘、抗叱多醇因子（抗維生素 B6）和致甲狀腺月中素等，限制胡麻籽在食品和家禽飼料方面應(yīng)用3,造成資源的收稿日期：作者簡(jiǎn)介：可（1985-）,男，碩士研究生，研究方向：天然產(chǎn)物提取與利用。Email: 31866460.通訊 海燕（1962-）,女，博士，教授，研究方向：食品資源開(kāi)發(fā)與

7、利用。E-mail: 浪費(fèi)。膳食纖維具有預(yù)防肥胖癥、緩解便秘、改善腸道菌群、降低血糖、降低血清膽固醇水平、防治高血壓、抗腸胃癌癥、消除重金屬離子、抗氧化、清除自由基 等功效4-7,是繼蛋白質(zhì)、脂肪、水、礦物質(zhì)、維生素、碳水化合物之后，能夠 改善人體營(yíng)養(yǎng)狀況、調(diào)節(jié)機(jī)體功能的第七類營(yíng)養(yǎng)素”9。而亞麻籽脫脂后的纖維 占到亞麻餅粕的1/2左右5,是膳食纖維的很好來(lái)源。但是，在我國(guó)報(bào)道用亞麻 籽提取亞麻蛋白和膳食纖維的文獻(xiàn)很少，更未見(jiàn)有規(guī)?；a(chǎn)的報(bào)道1。本試驗(yàn)利用亞麻籽制油后的亞麻籽粕開(kāi)展不溶性膳食纖維（IDF）的提取工 藝條件研究，旨在提高亞麻籽粕加工產(chǎn)品的附加值， 為亞麻產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供技 術(shù)支撐

8、，這對(duì)于推動(dòng)亞麻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提高經(jīng)濟(jì)效益、增加農(nóng)民收入、促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著重要的意義。1材料與方法1.1 原料與試劑龐博生物工程。德國(guó)Sartorius公司； 梅特勒-托利多儀器（）; 金壇市醫(yī)療儀器廠； 長(zhǎng)城科工貿(mào)； 安亭科學(xué)儀器廠； 一包科學(xué)儀器。亞麻籽粕西域金鋤生物技術(shù)；堿性蛋白酶（產(chǎn)品規(guī)格20萬(wàn)U/g）1.2 儀器與設(shè)備PH-10 pH 計(jì)AL204電子分析天平HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋SHB-m循環(huán)水式多用真空泵TDL-5離心機(jī)DHG-9140A型電熱鼓風(fēng)干燥箱1.3 實(shí)驗(yàn)方法1.3.1 IDF提取工藝流程亞麻籽粕一粉碎過(guò)篩一脫毒一脫膠一調(diào)底物濃度一滅酶一調(diào)pH值一恒溫酶 解一

9、滅酶一離心分離一干燥一IDF1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)為了確定工藝條件，分別對(duì)影響IDF提取率的酶解溫度、加酶量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、 酶解時(shí)間和液料比4個(gè)因素進(jìn)行研究。在酶解溫度 45C、50C、55C、60C、 65c五個(gè)水平，加酶量4%、6%、8%、10%、12%六個(gè)水平，酶解時(shí)間2h、2.5h、 3h、3.5h、4h、4.5h 六個(gè)水平,液料比 1: 10、1: 15、1: 20、1: 25、1: 30（g/mL） 六個(gè)水平，分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，計(jì)算 IDF提取率，以確定各因素的變化圍與 適宜值。確定在提取過(guò)程中溫度、時(shí)間、料液比、加酶量對(duì)提取率的影響。 1.3.3響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)在單因素的基礎(chǔ)上，根

10、據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理，以提取率 為響應(yīng)值，選擇溫度（X1）、時(shí)間（X2）、料液比依3）、與加酶量（X4）,進(jìn)行四因素三 水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，通過(guò)響應(yīng)面曲面分析進(jìn)提取條件的優(yōu)化，因素水平見(jiàn)表 1,并 運(yùn)用軟件分析得到最優(yōu)提取條件。表1試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Test factor and level table水平因 素X1溫度（C）X2時(shí)間（h）X3料液比（m/v）X4加酶量（）-15031:1560553.51:20816041:25101.4 分析評(píng)價(jià)方法1.4.1 亞麻籽粕水不溶性膳食纖維測(cè)定IDF 測(cè)定(AACC 法10)1.4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理采用軟件D

11、esign-Expert 7.0.0 Trial進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理2結(jié)果與分析2. 1單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1.1溫度對(duì)IDF提取率的影響圖1溫度對(duì)IDF提取率的影響Fig.1 The effect of t temperature on extraction ratio of IDF在酶解溫度分別為45C、50C、55C、60C、65C,酶解時(shí)間4h,料液比20%, 加酶量8%的條件下，提取率如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)提取溫度低于55c時(shí)， 隨著溫度的升高，膳食纖維提取率逐步升高；但是，當(dāng)溫度高于55c時(shí)，膳食纖維提取率反而隨溫度的升高而降低。 這是因?yàn)?，?dāng)酶解溫度低于55c時(shí)，堿性蛋 白酶

12、活力隨溫度的升高而升高；當(dāng)酶解溫度高于55c時(shí)，隨著溫度的升高堿性蛋 白酶活性降低，IDF提取率下降。因此，選擇溫度為 50c60c作為響應(yīng)面試驗(yàn) 的因素水平圍。酶解時(shí)間IDF提取率的影響252022.533 5445時(shí)闿M圖2時(shí)間對(duì)IDF提取率的影響Fig.2 The effect of time on extraction ratio of IDF在溫度為55C,分別為2h、2.5h、3h、4h、4.5h,料液比20%,加酶量8%的 條件下，提取率如圖2所示。由圖2可知，酶解時(shí)間達(dá)到3.5h時(shí)IDF取率達(dá)到最高， 其提取率達(dá)到45.96%,繼續(xù)延長(zhǎng)酶解時(shí)間，膳食纖維的提取率變化不明顯。 這

13、是 因?yàn)閬喡樽哑芍杏写罅康牡鞍?，酶解時(shí)間過(guò)短，蛋白水解不完全，隨時(shí)間的延長(zhǎng)， 蛋白充分酶解。當(dāng)酶解時(shí)間達(dá)到3.5小時(shí)，其中的酶已充分酶解蛋白，繼續(xù)延長(zhǎng) 酶解時(shí)間對(duì)IDF的提取率趨于平緩。料液比對(duì)IDF提取率的影響圖3料液比對(duì)IDF提取率的影響Fig.3 The effect of material-to-liquid on extraction ratio of IDF在溫度55C,時(shí)間3.5h,料液比分別為1: 10、1: 15、1: 20、1: 25、1: 30,加酶量8%的條件下，提取率如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)料液比小于1: 20時(shí)，隨料液比增加提取率增加，但料液比高于1:20時(shí)IDF

14、的提取率開(kāi)始下降， 這是因?yàn)楫?dāng)料液比達(dá)到1:20時(shí)，其中的液體用量已使酶可充分與蛋白接觸，從 而達(dá)到降解蛋白的目的。而在升高液體的用量過(guò)高時(shí)，酶濃度過(guò)低，從而使 IDF 提取率降低。加酶量對(duì)IDF提取率的影響 %圖4加酶量對(duì)IDF提取率的影響Fig.4 The effect of amylase density on extraction ratio of IDF在溫度55C,時(shí)間3.5h,料液比1: 20,加酶量分別為4%、6%、8%、10%、 12%的條件下，提取率如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)加酶量小于8%時(shí)，隨著加酶 量的增大，IDF的提取率也增大，酶添加量達(dá)到8%時(shí)IDF取率達(dá)到最高，其

15、提取 率達(dá)到51.56%。繼續(xù)增加加酶量，膳食纖維的提取率趨于平緩。 這是因?yàn)閬喡樽?粕中有大量的蛋白，當(dāng)加酶量低于8%時(shí)，酶用量過(guò)低；當(dāng)酶添加量達(dá)到8%時(shí)其 中的酶已可充分與蛋白接觸從而達(dá)到降解蛋白的目的，而加大酶用量時(shí)對(duì)IDF提取率的作用已經(jīng)不明顯。2.2制備工藝的優(yōu)化2.2.1 響應(yīng)面法優(yōu)化酶解條件試驗(yàn)結(jié)果表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and corresponding experimental results試驗(yàn)序號(hào)XiX2X3X4提取率（%）11-10036.112-110047.4330-10-143.21400-1

16、141.775-100148.316000050.8870-10147.738001-141.1790-11040.7810000049.331101-1045.2112-10-1039.2213000051.7414-100-139150-1-1042.6716010152.2317010-146.718000051.7419011044.312000-1-140.2121100-136.542210-1038.6723110044.812400005125000048.9726001147.3927000050.3628-101038.3729100140.8130101039.4331-

17、1-10046.682.2.2 模型的建立與其顯著性檢驗(yàn)利用Design-Expert 7.0.0 Trial軟件又t表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，以酶解溫 度、時(shí)間、料液比、加酶量為響應(yīng)變量，以亞麻籽粕中IDF提取率為響應(yīng)值對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，獲得二次多項(xiàng)式回歸模型為：Y=+50.57-1.89*Xi+1.96*X2+0.31*X3+2.62*X4+1.99*Xi*X2+0.40*Xi*X3-1.26*X i*X4+0.25*X2*X3+0.25*X2*X4+1.16*X3*X4-6.23* Xi2-0.92*X22-5.75* X32 -2.52*X42對(duì)該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)

18、和回歸模型系數(shù)顯著性結(jié)果見(jiàn)表3。表3回歸模型系數(shù)與顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Regression coefficients and significant test for quadratic polynomial model equation方差來(lái)源平方和自由度均方ValueProb > FXi42.71142.7112.340.0029*X246.06146.0613.300.0022*X31.1411.140.330.5739X482.22182.2223.750.0002*X1X215.80115.804.560.0484*X1X30.6510.650.190.6710X1X46

19、.3516.351.830.1944X2X30.2510.250.0710.7936X2X40.2610.260.0740.7895X3X45.4315.431.570.2285X12277.441277.4480.14< 0.0001*X226.0316.031.740.2055X32236.541236.5468.32< 0.0001*X4245.34145.3413.100.0023*模型680.131448.5814.03< 0.0001*失擬項(xiàng)48.23104.824.040.0505純誤差7.1661.19總和735.5330R-Squared (R2)=0.92

20、47注：*差異極顯著(P<0.001) ; *差異高度顯著 (0.001<P<0.01) ; *差異顯著(0.01<P<0.05)。由表3分析可見(jiàn)，模型的一次項(xiàng) X1、X2、X4均顯著，X3不顯著，二次項(xiàng)除 X22外均顯著，交立項(xiàng)X1X2顯著，其他交互項(xiàng)均不顯著，說(shuō)明各因素間交互作用 對(duì)響應(yīng)值的影響相對(duì)較小。其中，模型 PV0.0001,模型達(dá)到顯著。失擬項(xiàng) P=0.0505>0.05不顯著，因此二次模型成立，應(yīng)用此模型可以分析和預(yù)測(cè)亞麻籽 粕IDF的提取工藝的優(yōu)化。影響IDF提取率的因素依次為X4>X2>Xi>X3,即 加酶量 >

21、時(shí)間 > 溫度 > 料液比。2.2.3 亞麻籽粕不溶性膳食纖維提取工藝的響應(yīng)面分析與優(yōu)化為了考察各個(gè)交互項(xiàng)對(duì)IDF得率的影響，在其他因素固定不變的情況下， 利用Design-Expert 7.1.6 Tria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 圖與等高線圖見(jiàn)圖5。臨職軍Ka溫度與時(shí)間b溫度與料液比c溫度與加酶量d料液比與時(shí)間e加酶量與時(shí)間f加酶量與料液比圖5各兩因素交互作用對(duì)IDF提取率影響的響應(yīng)面與等高線圖Fig.5 Response surface plots showing the pair wise interaction effects of extractio

22、n parameters onextraction ratio of IDF由圖5可知，溫度和料液比之間的交互作用、溫度和加酶量之間的交互作用、 料液比和時(shí)間之間的交互作用、 加酶量和時(shí)間之間的交互作用、加酶量和料液比之間的交互作用均不顯著，僅有溫度和時(shí)間之間的交互作用顯著。2.2.4 提取條件的優(yōu)化通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，亞麻籽粕不溶性膳食纖維的最佳提取工藝參數(shù)為：溫度為54.74C,時(shí)間為4h,料液比1: 20.54,加酶量為9.22%,在此條件下，IDF 提取率的理論值為52.514%。為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu) 化提取條件進(jìn)行亞麻籽粕IDF的提取，考慮到實(shí)際操作的便利，將提

23、取工藝參 數(shù)修正為：溫度55C,提取時(shí)間4 h,料液比1: 20,加酶量9%。在此條件下提 取，實(shí)際測(cè)得的平均得率為 52.05%,與理論值較接近，因此，基于響應(yīng)面法所 得的優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)學(xué)回歸模型的合適性。3結(jié)論根據(jù)單因素試驗(yàn)和Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以酶解溫度、時(shí)間、料液比和加 酶量為響應(yīng)變量，以不溶性膳食纖維得率為響應(yīng)值。通過(guò)方差分析以與對(duì)響應(yīng)曲 面圖和等高線圖分析得出，溫度(X1)、時(shí)間(X2)、加酶量(X3)以與酶解溫度與酶解 時(shí)間的交互作用(X1X2)對(duì)亞麻籽粕中水不溶性膳食纖維得率影響顯著。經(jīng)優(yōu)化后 的最佳提取條件為：酶解溫度 55C、酶解時(shí)間5

24、h、料液比1: 20、加酶量9%, 在此條件下IDF的實(shí)際得率為52.05%。參考文獻(xiàn)：1胡曉軍.亞麻產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策J.農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010,38:8-10.2海華.亞麻籽的營(yíng)養(yǎng)成分與開(kāi)發(fā)利用J.中國(guó)油脂，2004, 29( 6): 72.3 Madhusudhan K T , Singh N. Effect of detoxification treatment on the physiochemical properties of linseed proteins J. J. Agrjc. Food Chem,1985,33:1219-1222.4胥晶，濤，江波.國(guó)外膳食纖維的研究進(jìn)展J.食品工業(yè)科技，2009, 30(6): 360-367.5