響應(yīng)面法優(yōu)化茶渣水不溶性膳食纖維的提取及性能研究

陳仕學(xué)，王一帆，姚元勇，魯?shù)劳?/p>

（1.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，梵凈山特色動(dòng)植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州銅仁554300；2.三都水族自治縣鵬程希望學(xué)校，貴州黔南558000）

響應(yīng)面法優(yōu)化茶渣水不溶性膳食纖維的提取及性能研究

陳仕學(xué)1，王一帆2，姚元勇1，魯?shù)劳?

（1.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，梵凈山特色動(dòng)植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州銅仁554300；2.三都水族自治縣鵬程希望學(xué)校，貴州黔南558000）

以石阡苔茶茶渣作為實(shí)驗(yàn)材料，堿提法對(duì)水不溶性膳食纖維進(jìn)行提取。采用Design-Expert V8.0軟件中的Box-Behnken（BBD）中心組合原理設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，考察浸提溫度、料液比、堿濃度、浸提時(shí)間對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響，優(yōu)化提取工藝，結(jié)果表明：優(yōu)化的最佳提取工藝條件為：浸提溫度32.6℃、堿濃度0.2mol/L、浸提時(shí)間50min、料液比1∶13.5（g/mL），茶渣中水不溶性膳食纖維的提取率為78.66%；性質(zhì)研究的結(jié)果表明：提取得到水不溶性膳食纖維的持水力為183.92%，溶脹度為2.83mL/g。由此可知，響應(yīng)面法優(yōu)化提取水不溶性膳食纖維具有時(shí)間短、能耗低、提取率高等特點(diǎn)。

石阡苔茶，水不溶性膳食纖維，響應(yīng)面分析，持水力，溶脹度

膳食纖維（dietary fiber，DF）是指不被人體消化的多糖類碳水化合物和木質(zhì)素的總稱。對(duì)預(yù)防疾病和保障人體健康具備重要作用，是理想的功能性保健食品原料，被稱為繼碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)和水之后的“第七大營(yíng)養(yǎng)素”。根據(jù)溶解性不同，可分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber， SDF）和水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩大類［1-3］。水不溶性膳食纖維的主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、原果膠和殼聚糖等，具有良好的吸水性和膨脹性，可促進(jìn)腸蠕動(dòng)，吸附腸毒素并促其排出體外，不僅具有預(yù)防便秘、肥胖、結(jié)腸癌、高血壓、心臟病、糖尿病和動(dòng)脈硬化等多種生理功能［4］。而且能改善食品的加工品質(zhì)，因而已在保健品、肉制品、面制品等產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用［5］。目前中低檔茶葉的深加工以提取茶多酚、多糖和水浸出物為主，茶渣多作為垃圾丟棄，未能充分利用。水不溶性膳食纖維是茶渣的主要成分之一，通過(guò)提取制備茶渣水不溶性膳食纖維，可增加茶葉的綜合利用價(jià)值。石阡苔茶是中國(guó)貴州省石阡縣當(dāng)?shù)馗髯宀柁r(nóng)長(zhǎng)期栽培選育形成的一個(gè)地方品種，母樹屬古茶樹系列，是中國(guó)屈指可數(shù)的茶樹良種，該茶具有抗逆性好、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)等特點(diǎn)。然而，對(duì)于石阡苔茶的研究集中在發(fā)展現(xiàn)狀、資源調(diào)查和保護(hù)等方面［6-7］，近年尹杰等［6］和魯?shù)劳龋?］又分別對(duì)石阡苔茶的生化成分和茶多酚的提取進(jìn)行研究。關(guān)于茶渣水不溶性膳食纖維的提取及性能研究未見報(bào)道。本文以石阡苔茶為實(shí)驗(yàn)材料，采用響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得出水不溶性膳食纖維最佳提取工藝條件，為石阡苔茶的進(jìn)一步開發(fā)利用提供理論依據(jù)，從而提高石阡苔茶的綜合利用價(jià)值。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

石阡苔茶購(gòu)于石阡苔茶專賣店；30%H2O2成都金山化學(xué)試劑有限公司；乙酸乙酯成都金山化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉天津市永大化學(xué)試劑有限公司；鹽酸遵義師范學(xué)院化學(xué)試劑廠；試劑均為分析純。

AR124CN型電子天平奧豪斯儀器上海有限公司；101-3型電熱鼓風(fēng)干燥箱北京科偉永興儀器有限公司；KQ-C型玻璃儀器氣流烘干器鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水式真空泵鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋國(guó)華電器有限公司；FW80型萬(wàn)能粉碎機(jī)北京科偉永興儀器有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1材料預(yù)處理及茶渣的制備取適量石阡苔茶置于1000mL大燒杯中，在室溫下用乙酸乙酯浸泡3.5h，再用蒸餾水清洗殘留的有機(jī)物直至無(wú)味，放入干燥箱內(nèi)60℃烘干得脫脂樣品，粉碎過(guò)50目篩。再按提取石阡苔茶多糖的方法（乙醇濃度40%，時(shí)間30min，超聲功率80W，料液比1∶40g/mL）提取水溶性成分，抽濾，去除濾液得茶渣。取茶渣用蒸餾水洗滌后于60℃干燥至恒重，粉碎過(guò)50目篩，得茶渣干品備用。

1.2.2IDF的提取流程茶渣→NaOH溶液提取→鹽酸調(diào)節(jié)pH至中性→5%H2O2除色素→真空抽濾→沉淀（洗滌）→熱風(fēng)干燥→水不溶性膳食纖維［9］

1.2.3單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1料液比的選擇稱取5份預(yù)處理后的茶粉各1g，料液比分別為1∶5、1∶8、1∶11、1∶14、1∶17、1∶20g/mL，設(shè)置提取時(shí)間為1h，NaOH濃度為0.2mol/L，提取溫度為40℃，以考察料液比對(duì)IDF提取率的影響。重復(fù)三次，取平均值，測(cè)定IDF的提取率。

1.2.3.2浸提液濃度的選擇稱取5份預(yù)處理后的茶粉各1g，NaOH濃度分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35mol/L，料液比為1∶14g/mL，提取時(shí)間為1h，提取溫度為40℃，考察堿濃度對(duì)IDF提取率的影響。重復(fù)三次，取平均值，測(cè)定IDF的提取率。

1.2.3.3浸提溫度的選擇稱取5份預(yù)處理后的茶粉各1g，浸提溫度分別為30、40、50、60、70、80℃，料液比為1∶14g/mL，NaOH濃度為0.15mol/L，提取時(shí)間為1h，以考察溫度對(duì)IDF提取率的影響。重復(fù)三次，取平均值，測(cè)定IDF的提取率。

1.2.3.4浸提時(shí)間的選擇稱取5份預(yù)處理后的茶粉各1g，提取時(shí)間分別為30、45、60、75、90、105min，料液比為1∶14g/mL，NaOH濃度為0.15mol/L，溫度為40℃，以考察浸提時(shí)間對(duì)IDF提取率的影響。重復(fù)三次，取平均值，測(cè)定IDF的提取率。

1.2.4響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)以浸提溫度、料液比、堿濃度和浸提時(shí)間四個(gè)因素為自變量，根據(jù)中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用4因素3水平的響應(yīng)面分析方法求取優(yōu)化的工藝參數(shù)［10］，實(shí)驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)見表1。

表1　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1　The response surface test factors level tables

1.2.5數(shù)據(jù)分析處理單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SSPS 19.0在95%和99%兩個(gè)置信區(qū)間進(jìn)行Duncan’s新復(fù)極差多重比較（SSR），然后采用Microsoft Office Excel 2007作圖。響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert. V8.0進(jìn)行分析處理和作圖。

1.2.6IDF提取率計(jì)算

IDF（%）=干燥IDF粉末質(zhì)量/干燥原料質(zhì)量×100

1.3ⅠDF性能測(cè)定

1.3.1持水力測(cè)定準(zhǔn)確稱取已經(jīng)處理好的IDF粉末1g（m1），置于100mL量筒中加入20mL蒸餾水飽和2h，將其放在濾紙上瀝干，不滴水后將其轉(zhuǎn)移在培養(yǎng)皿中稱取結(jié)合了水的IDF的質(zhì)量（m2），重復(fù)三次，取平均值，計(jì)算IDF持水力［11］。

持水力（%）=（m2-m1）/m1×100

1.3.2溶脹度測(cè)定準(zhǔn)確稱取1g IDF粉末（m），置于100mL的量筒中，加入20mL蒸餾水，搖勻后在室溫下放置24h，讀取液體中膨脹纖維的體積，重復(fù)3次，取平均值，計(jì)算IDF的溶脹度［12］。

溶脹度（mL/g）=（V2-V1）/m

2　結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1料液比對(duì)IDF提取率的影響從圖1可以看出，當(dāng)料液比在1∶5～1∶14之間隨著料液比的增加，提取率明顯升高，在1∶14處達(dá)到最大，之后隨著料液比的增加，提取率呈下降趨勢(shì)，這是由于料液比較大時(shí)，裸露出來(lái)的纖維素與水發(fā)生反應(yīng)，被水解而損失，導(dǎo)致提取率下降。因此，確定最佳料液比為1∶14。

2.1.2NaOH濃度對(duì)IDF提取率的影響由圖2可以看出，NaOH濃度在0.1～0.15mol/L之間，隨著濃度的增大，提取率不斷增大，在0.15mol/L處達(dá)到最大值，在0.15～0.35mol/L之間，隨著濃度的增大，提取率反而呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)NaOH濃度較低時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致半纖維素與纖維素之間的氫鍵破壞，而濃度較大時(shí)，分離的纖維素會(huì)與NaOH發(fā)生反應(yīng)，生成堿纖維素，引起纖維素的降解。因此，確定最佳濃度為0.15mol/L。

圖1　料液比對(duì)提取率的影響Fig.1　Effect of liquid ratio on the extraction rate

圖2　NaOH濃度對(duì)提取率的影響Fig.2　Effect of alkali concentration on extraction rate

2.1.3浸提溫度對(duì)IDF提取率的影響從圖3可以看出，浸提溫度在30～40℃時(shí)IDF提取率隨著溫度的升高而增加；在40℃時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)溫度高于40℃以后，IDF的提取率隨著溫度的升高逐漸下降。因?yàn)闇囟壬哂欣诶w維素和半纖維素之間的氫鍵破壞，使纖維素的溶解加快［13］。而茶葉中水不溶性膳食纖維可能是一種熱敏性物質(zhì)，溫度過(guò)高會(huì)引起其結(jié)構(gòu)破壞，也可能由于溫度上升使得茶渣與堿液混合后變得粘稠而不利于提取。因此，確定最佳溫度為40℃。

2.1.4浸提時(shí)間對(duì)IDF提取率的影響從圖4可以看出，提取時(shí)間在30～45min之間，IDF提取率急劇上升，在45min時(shí)達(dá)到最大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)IDF呈緩慢下降趨勢(shì)。這可能是由于提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使得茶渣與堿液混合后的物質(zhì)變得粘稠而不利于反應(yīng)進(jìn)行［14］。因此，確定最佳時(shí)間為45min。

圖3　浸提溫度對(duì)提取率影響Fig.3　Effect of extraction temperature on the extraction rate

圖4　浸提時(shí)間對(duì)提取率的影響Fig.4　Effect of extraction time on the extraction rate

表2　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2　The results and experimental designs of the response surface

2.2響應(yīng)面法優(yōu)化提?、馜F

2.2.1響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為了優(yōu)化提取IDF的最佳工藝條件，以浸提溫度（X1）、料液比（X2）、堿濃度（X3）、浸提時(shí)間（X4）為自變量，以IDF提取率（Y）為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果見表2，方差分析見表3，表2中共27組實(shí)驗(yàn)，1～24為析因?qū)嶒?yàn)，25～27為中心實(shí)驗(yàn)，用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差［15-16］。

表3　回歸方程方差分析Table 3　Analysis of variance of the regression equation

2.2.2模型建立與方差分析利用Design-Expert V8.0軟件對(duì)表2響應(yīng)值進(jìn)行回歸擬合，以X1、X2、X3、X4為自變量對(duì)提取率Y進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合建立如下多元二次回歸數(shù)學(xué)模型：Y=23.021+0.993X1+2.577X2+ 128.150X3+0.477X4-0.002X1X2-0.015X1X3-0.005X1X4-1.383X2X3+0.001X2X4+0.753X3X4-0.011X12-0.086X22-449.167X32-0.004X42

由表3可知該二次回歸方程的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及交互項(xiàng)中的X1、X12、X32、X42都表現(xiàn)出極顯著影響，X1X4、X22影響顯著，說(shuō)明各因素對(duì)提取率的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，且表3中可知建立的模型極顯著而失擬項(xiàng)不顯著。說(shuō)明建立的模型能與實(shí)際有較好的擬合。從表4可知回歸決定系數(shù)R2為0.9043，說(shuō)明有90.43%的響應(yīng)面值符合此模型，校正決定系數(shù)R2為0.7926。說(shuō)明79.26%實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性可用此回歸模型來(lái)解釋［17］。其中CV變異系數(shù)較小為0.77%和精密度為9.807。說(shuō)明此方程具有良好的穩(wěn)定性和精密度。因此，利用此模型能很好地?cái)M合石阡苔茶茶渣中水不溶性膳食纖維。

由F值大小比較可知，影響茶渣中IDF提取率的主要因素主次順序?yàn)椋篨1＞X3＞X2＞X4，即浸提溫度對(duì)茶渣中IDF提取率影響最大，堿濃度和料液比影響次之，浸提時(shí)間影響最小。

2.2.3響應(yīng)面分析為了考察交互項(xiàng)對(duì)提取率的影響，在其他因素條件固定不變的情況下，考察交互項(xiàng)對(duì)提取率的影響，對(duì)模型進(jìn)行降維分析。通過(guò)Design-Expert V8.0對(duì)實(shí)驗(yàn)因素X1、X2、X3、X4以任意的兩項(xiàng)固定為0水平，對(duì)其余兩項(xiàng)進(jìn)行響應(yīng)面分析和作圖，以考察各交互項(xiàng)對(duì)茶渣中IDF提取率的影響和各因素的響應(yīng)值。結(jié)果見圖5～圖10。

由圖7可知X1X4即浸提時(shí)間與浸提溫度之間交互作用顯著，與方差分析結(jié)果相一致。

表4　回歸方程可靠性分析Table 4　Credibility analysis of regression equation

圖5　浸提溫度與料液比對(duì)提取IDF影響的三維響應(yīng)曲面圖Fig.5　The three-dimensional response surface map temperature and ratio of material to solvent on the influence the extraction of IDF

圖6　浸提溫度與堿濃度對(duì)提取IDF影響的三維響應(yīng)曲面圖Fig.6　The three-dimensional response surface map and contour map about the extraction temperature the extraction of IDF

圖7　浸提溫度與浸提時(shí)間對(duì)提取IDF影響的三維響應(yīng)曲面圖Fig.7　The three-dimensional response surface map and contour map about the extraction temperature and extraction time on the influence of the extraction of IDF

圖8　料液比與堿濃度對(duì)提取IDF影響的三維響應(yīng)曲面圖和等高線圖Fig.8　The three-dimensional response surface map and contour map about the ratio of material to solvent and Alkali concentration on the influence of the extraction of IDF

2.2.4最佳提取工藝確定和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)通過(guò)Design-Expert.V 8.0對(duì)二元回歸方程求最大值得到最佳提取工藝條件和IDF理論最大提取率，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件將最佳提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次測(cè)定IDF提取率［18］，并計(jì)算RSD。實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果見表5和表6。

由表5和表6可知，在最佳提取工藝條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)，IDF提取率為78.66%，接近理論提取率78.89%，RSD為0.64%，說(shuō)明響應(yīng)面法建立的茶渣IDF提取數(shù)學(xué)模型具有穩(wěn)定可靠性。

圖9　料液比與浸提時(shí)間對(duì)提取IDF影響的三維響應(yīng)曲面圖和等高線圖Fig.9　The three-dimensional response surface map and contour map about the ratio of material to solvent and extraction time on the influence of the extraction of IDF

圖10　堿濃度與浸提時(shí)間對(duì)提取IDF影響的三維響應(yīng)曲面圖和等高線圖Fig.10　The three-dimensional response surface map and contour map about the Alkali concentration and extraction time on the influence of the extraction of IDF

表5 提取條件優(yōu)化Table 5　Optimization of extraction conditions

表6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6　Verification testing results

2.3ⅠDF性能的測(cè)定

2.3.1持水力的測(cè)定根據(jù)1.3.1持水力的測(cè)定方法，代入公式計(jì)算出茶渣IDF的持水力為183.92%。

2.3.2溶脹度的測(cè)定根據(jù)1.3.2溶脹度的測(cè)定方法，代入公式計(jì)算出茶渣IDF的溶脹度為2.83mL/g。

3　結(jié)論

采用響應(yīng)面優(yōu)化堿提法提取石阡苔茶茶渣中的IDF，結(jié)果表明：石阡苔茶茶渣中IDF最佳提取工藝條件為浸提溫度32.6℃、堿濃度0.2mol/L、浸提時(shí)間50min、料液比1∶13.5（g/mL）。提取率的實(shí)際值78.66%與理論值78.89%相差較小，說(shuō)明響應(yīng)面法建立的茶渣IDF提取數(shù)學(xué)模型對(duì)茶渣IDF提取具有穩(wěn)定可靠性。提取得到的IDF持水力為183.92%、溶脹度為2.83mL/g。

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Study on optimum extraction and properties of watery insoluble dietary fiber from tea sullage by response surface methodology

CHEN Shi-xue1，WANG Yi-fan2，YAO Yuan-yong1，LU Dao-wang1
（1.Institute of Material and Chemical Engineering，Tongren University，the Key Laboratory of Special Animal and Plant Resources of Fanjing Mountain，Tongren 554300，China；2.Sandu-Pengcheng Hope of School，Shui-Race Autonomous County，Qiannan 558000，China）

Much watery insoluble dietary fiber in the sullage of Shiqian moss tea was extracted by the approach of alkali solution.Simultaneously，by applying theoretical approach of Design-Expert V8.0 software to extraction test，all of factors affecting extraction efficiency of watery insoluble dietary fiber，such as extraction temperature，ratio of stuff with solvent，base concentration and extraction time，were optimized completely with Box-Behnken（BBD）basis set.The results demonstrated that 32.6℃ as extraction time，0.2mol/L as alkali concentration，50 min as extraction time and 1∶13.5（g/mL）in ratio of stuff with solvent，were best optimum extraction conditions. The extraction efficiency could arrive to 78.66%.In addition，in testing property of watery insoluble dietary fiber，water holding capacity was 183.92%and the swelling degree was 2.83mL/g.Therefore，the response surface method in optimizing extraction of watery insoluble dietary fiber performed short time，low energy exhausted and high extraction efficiency in feature.

Shiqian moss tea；water insoluble dietary fiber；response surface analysis；water holding capacity；swelling degree

TS201.1

B

1002-0306（2015）10-0249-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.10.044

2014－08－14

陳仕學(xué)（1976-），女，碩士，副教授，主要從事生化分離及天然產(chǎn)物方面的研究。

梵凈山特色動(dòng)植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（黔教合KY［2011］232號(hào)）；野生動(dòng)植物保護(hù)與利用重點(diǎn)支持學(xué)科建設(shè)（黔教合重點(diǎn)支持學(xué)科字［2011］232號(hào)）。