微波輔助提取竹蓀中膳食纖維的工藝優(yōu)化

盧忠英，魯?shù)劳?，陳仕學(xué)，姚元勇

(銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州銅仁554300)

微波輔助提取竹蓀中膳食纖維的工藝優(yōu)化

盧忠英，魯?shù)劳?，陳仕學(xué)，姚元勇

(銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州銅仁554300)

以竹蓀為原料，用微波輔助法提取其膳食纖維。在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以微波功率、微波提取溫度、提取時(shí)間、液料比為自變量，利用Box－Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)，優(yōu)化提取工藝參數(shù)。結(jié)果表明:竹蓀水溶性纖維(SDF)的最佳提取工藝條件為微波功率490 W、微波提取溫度60℃、提取時(shí)間10 min、液料比20∶1，此條件下竹蓀SDF得率可達(dá)12.26%，非水溶性纖維(IDF)得率為74.34%，該SDF得率與SDF得率的最大估計(jì)值比較，相對(duì)誤差約為0.65%，且重復(fù)性也很好，因此，該優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

竹蓀;微波輔助提取;膳食纖維;響應(yīng)面

竹蓀是一類大型真菌，是寄生于枯竹根部的一種隱花菌類，在真菌分類學(xué)上隸屬于真菌界、擔(dān)子菌亞門、腹菌綱、鬼筆目、鬼筆科、竹蓀屬，竹蓀屬于珍貴的藥食同源真菌類，其營(yíng)養(yǎng)豐富，香味濃郁，滋補(bǔ)強(qiáng)壯，益氣補(bǔ)腦，自古就被列為“草八珍”之一［1］。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，竹蓀富含多種生物活性成分，如氨基酸、多糖和黃酮類化合物等，其藥理活性具有抗炎、抗腫瘤、降血壓血脂等功效［2］。目前，對(duì)竹蓀的研究主要集中在竹蓀菌種栽培、制作及活性成分提取等幾個(gè)方面，而對(duì)活性成分膳食纖維(DF)的提取工藝研究鮮見報(bào)道。因此，對(duì)竹蓀中DF的提取工藝進(jìn)行研究具有一定的必要性。

DF主要來源于自然界的植物中，是一種不能被人體消化的碳水化合物，根據(jù)其在水中溶解度差異可分為兩類:水溶性纖維(SDF)和非水溶性纖維(IDF)。IDF常見的有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，主要存在于植物細(xì)胞壁中;而SDF包括果膠和樹膠，存在于自然界的非纖維性物質(zhì)中。據(jù)文獻(xiàn)顯示，DF藥理活性豐富多樣，其具有抗氧化［3-4］、預(yù)防便秘和結(jié)腸癌［5-6］、降血糖、降血脂［7-8］等生理作用，已成為預(yù)防和輔助治療肥胖、腸道疾病、心血管等疾病的功能性食品之一。

微波提取技術(shù)機(jī)制是微波輻射的過程，即高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程［9］，與傳統(tǒng)提取方法比較具有以下幾個(gè)特點(diǎn):溶劑消耗少，提取均勻、省時(shí)、投資少，效率高、易于控制等，具有“綠色提取工藝”的美譽(yù)［10-11］。鑒于對(duì)竹蓀中DF提取工藝的報(bào)道甚少，運(yùn)用微波提取法和響應(yīng)面法優(yōu)化竹蓀中DF的提取工藝條件，以期為提高竹蓀的綜合開發(fā)利用水平提供理論指導(dǎo)和試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

竹蓀子實(shí)體購(gòu)于貴州省畢節(jié)市大方縣農(nóng)業(yè)加工廠。無水乙醇、醋酸鈉、冰醋酸均為分析純，產(chǎn)自成都金山化學(xué)試劑有限公司。

主要儀器: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)、JJ－500精密電子天平(上海恒平科學(xué)儀器有限公司)、美的X3－235A微波爐(廣東美的廚房電器制造有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 DF提取工藝DF提取工藝為:樣品干燥粉碎→預(yù)處理→濾渣→烘干→微波提取→離心→沉淀(得IDF)→調(diào)節(jié)pH值→離心→加醇沉淀→烘干→SDF。

1.2.2 DF提取操作要點(diǎn)將竹蓀干燥粉碎，過孔徑0.3 mm篩，于50℃下烘干備用。稱取一定質(zhì)量的干燥竹蓀粉末，加入6～8倍量的石油醚除脂，靜置浸泡4～6 h，抽濾，重復(fù)操作2次，其粗脂肪得率約為0.43%，干燥后所得產(chǎn)品為脫脂竹蓀粉末。稱取一定量脫脂竹蓀，加入一定量磷酸鹽緩沖液，在一定的微波提取溫度、微波功率、提取時(shí)間條件下進(jìn)行提取，將提取混合液離心15 min，轉(zhuǎn)速3 500 r/min，將沉淀水洗后即為IDF，收集上清液，調(diào)節(jié)pH值至3.5～4.0，離心15 min，轉(zhuǎn)速3 500 r/min，取上清液加4～6倍無水乙醇靜置2 h，抽濾，收集沉淀烘干即為SDF［12］。

1.2.3 SDF和IDF得率的計(jì)算SDF和IDF得率的計(jì)算公式如下:SDF得率=干燥SDF粉末質(zhì)量(g)/干燥原料質(zhì)量(g)×100%，IDF得率=干燥IDF粉末質(zhì)量(g)/干燥原料質(zhì)量(g)×100%。

1.3 SDF、IDF提取的單因素試驗(yàn)

設(shè)定液料比20∶1(mL/g，下同)、微波提取溫度60℃、提取時(shí)間10 min，考查微波功率分別為350、400、450、500、550、600 W時(shí)對(duì)竹蓀SDF、IDF得率的影響;設(shè)定液料比20∶1、提取時(shí)間10 min、微波功率500 W，考查微波提取溫度分別為40、50、60、70、80、90℃時(shí)對(duì)竹蓀SDF、IDF得率的影響(在一定功率條件下，調(diào)節(jié)火力大小，就會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的溫度);設(shè)定微波提取溫度60℃、提取時(shí)間10 min、微波功率500 W，考查液料比分別為5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1時(shí)對(duì)竹蓀SDF、IDF得率的影響;設(shè)定液料比20∶1、提取溫度60℃、微波功率500 W，考查提取時(shí)間分別為6、8、10、12、14、16 min時(shí)對(duì)竹蓀SDF、IDF得率的影響。

1.4 SDF提取的響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，據(jù)Box－Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理［13］，采用響應(yīng)面試驗(yàn)進(jìn)一步分析微波功率、微波提取溫度、提取時(shí)間、液料比對(duì)竹蓀SDF得率(Y)的影響，優(yōu)化其提取工藝條件，所設(shè)計(jì)的因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素及編碼水平

1.5 數(shù)據(jù)分析

單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007分析和作圖。響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design Expert 8.06進(jìn)行分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹蓀SDF、IDF提取的單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 微波功率對(duì)竹蓀SDF和IDF得率的影響從圖1可以看出，在微波功率為350～600 W時(shí)，SDF、IDF得率隨微波功率增加都呈先升后降的趨勢(shì)。其中，SDF得率在500 W時(shí)達(dá)到最高，分析原因可能是隨著微波功率增大，細(xì)胞吸收了微波能后其結(jié)構(gòu)被破壞，使溶劑更易透過細(xì)胞壁，加速了SDF的溶出;當(dāng)超過500 W時(shí)，SDF受微波輻照水解，得率顯著下降。而IDF得率在550 W時(shí)達(dá)到最高，分析原因與SDF類似，微波功率在350～550 W時(shí)，原料中極性較大的IDF首先被萃取出來，微波功率高于550 W時(shí)，IDF可能發(fā)生降解［14］。綜上所述，以SDF的得率為考察指標(biāo)，確定微波功率最佳水平為500 W。

圖1 微波功率對(duì)竹蓀SDF和IDF得率的影響

2.1.2 微波提取溫度對(duì)竹蓀SDF和IDF得率的影響從圖2可以看出，提取溫度在40～60℃時(shí)，SDF得率隨溫度升高而上升，在60℃時(shí)得率達(dá)到最大值，但溫度超過60℃后，SDF得率不再繼續(xù)上升。分析原因可能是提取溫度升高增加了SDF在水中的溶解度，從而得率上升，但溫度過高加速SDF的降解［15］，使得SDF得率下降。而IDF得率隨溫度的變化呈下降趨勢(shì)，分析可能是由于溫度升高加速IDF的降解，使得IDF得率隨溫度升高而下降［16］。以SDF得率為考察指標(biāo)，因此確定微波提取最佳溫度為60℃。

圖2 微波提取溫度對(duì)竹蓀SDF和IDF得率的影響

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)竹蓀SDF和IDF得率的影響從圖3可知，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，SDF得率呈先升后降的趨勢(shì)，在10 min時(shí)得率達(dá)最高;而IDF得率隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸上升，在14 min時(shí)達(dá)最高，14 min后得率呈下降趨勢(shì)。分析其原因可能是延長(zhǎng)提取時(shí)間有助于提高SDF得率，但當(dāng)時(shí)間超過10 min后，可能會(huì)使得大多數(shù)多糖和纖維素等物質(zhì)水解，從而SDF得率下降。因此，確定最佳提取時(shí)間為10 min。

圖3 提取時(shí)間對(duì)竹蓀SDF和IDF得率的影響

2.1.4 液料比對(duì)竹蓀SDF和IDF得率的影響從圖4可知，當(dāng)液料比在5∶1～20∶1時(shí)，隨著液料比的增加，SDF、IDF得率明顯升高，在20∶1處達(dá)到最大，繼續(xù)增加液料比，SDF、IDF得率降低，分析其原因可能是隨著液料比的增大，得率增大，當(dāng)液料比大于20∶1時(shí)，部分裸露纖維素發(fā)生水解，從而導(dǎo)致SDF、IDF得率有所降低［17］。因此，確定最佳液料比為20∶1。

圖4 液料比對(duì)竹蓀SDF和IDF得率的影響

2.2 竹蓀SDF提取響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果、響應(yīng)面方差分析結(jié)果見表2、表3。從表2、表3可以看出，B、C之間交互作用強(qiáng)于A、B之間交互作用，A、B之間交互作用強(qiáng)于A、C之間交互作用。由圖5—7可直觀觀察各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，其中B、C的響應(yīng)面曲線陡峭，對(duì)SDF得率影響顯著，A、B響應(yīng)面曲線較陡，僅次于B、C曲線，A、C響應(yīng)面曲線較平緩，其結(jié)果與方差分析結(jié)果一致。

表2 竹蓀SDF提取響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

表3 竹蓀SDF提取回歸方程方差分析

利用Design Expert 8.06軟件對(duì)表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，由響應(yīng)面分析法［15］得出關(guān)于竹蓀SDF得率的二次回歸擬合方程:SDF得率(Y)= 11.68－0.56A－0.41B+0.094C－0.19D+0.29AB－0.28AC+0.040AD+0.38BC+0.090BD+0.10CD－2.19A2－2.33B2－2.21C2－1.91D2?；貧w模型中Y的最大估計(jì)值為12.34%，與之對(duì)應(yīng)的自變量A、B、C、D分別為493.20 W、59.04℃、10.04 min、19.74∶1。根據(jù)實(shí)際操作情況，選取微波功率為490 W，微波提取溫度為60℃，提取時(shí)間為10 min，液料比為20∶1。在優(yōu)化后的提取條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，竹蓀SDF得率可達(dá)12.26%，IDF得率為74.34%，該SDF得率與SDF得率的最大估計(jì)值比較，相對(duì)誤差約為0.65%，且重復(fù)性也很好，因此該優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

圖5 微波功率與微波提取溫度對(duì)SDF得率的影響

圖6 微波功率與提取時(shí)間對(duì)SDF得率的影響

圖7 微波提取溫度與提取時(shí)間對(duì)SDF得率的影響

3 結(jié)論

采用微波輔助提取竹蓀中的DF，利用Design Expert 8.06軟件，通過Box－Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到了SDF得率與微波功率、微波提取溫度、提取時(shí)間、液料比的回歸模型，經(jīng)驗(yàn)證該模型合理可靠，能較好地預(yù)測(cè)SDF得率。根據(jù)模型的響應(yīng)面及等高線，分析影響SDF得率的主要因素及其相互作用，得到竹蓀SDF的最佳提取工藝條件為微波功率490 W、微波提取溫度60℃、提取時(shí)間10 min、液料比20∶1。在此條件下，竹蓀SDF得率可達(dá)12.26%，IDF得率為74.34%，該SDF得率與SDF得率的最大估計(jì)值比較，相對(duì)誤差約為0.65%，且重復(fù)性也很好，因此，該優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，微波輔助提取竹蓀中的DF得率較高，省時(shí)，成本降低，為竹蓀的綜合開發(fā)利用提供較好的參考價(jià)值。

［1］林陳強(qiáng)，陳濟(jì)琛，林戎斌，等.竹蓀資源綜合利用研究進(jìn)展［J］.中國(guó)食用菌，2011，30(2):8-11.

［2］張靜雯.竹蓀的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及食用方法［J］.甘肅農(nóng)業(yè)，2011(1):87-88.

［3］Elleuch M，Bedigian D，Roiseux O，et al.Dietary fibre and fibre-rich by-products of food processing:Characterisation，technological functionality and commercial applications:A review［J］.Food Chemistry，2011，124(2): 411-421.

［4］薛菲，陳燕.膳食纖維與人類健康的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)食品添加劑，2014(2):208-213.

［5］吳洪斌，王永剛，鄭剛，等.膳食纖維生理功能研究進(jìn)展［J］.中國(guó)釀造，2012，31(3):13-16.

［6］Amy J，G Jill D，Vassiliki C，et al.Dietary fibre，fluids and physical activity in relation to constipation symptoms in pre-adolescent children［J］.Journal of Child Health Care for Professionals Working with Children in the Hospital＆Community，2009，13(2):116-127.

［7］Wagner E M，Jen K L C，Artiss J D，et al.Dietary alphacyclodextrin lowers LDL-C and alters plasma fatty acid profile in LDLr-KO mice on a high-fat diet［J］.Metabolism Clinical＆Experimental，2008，57(8):1046-1051.

［8］鐘希瓊，胡文娥，林麗超.膳食纖維對(duì)油脂、膽固醇、膽酸鈉和亞硝酸根離子吸附作用的研究［J］.食品工業(yè)科技，2010(5):134-136.

［9］盧忠英，姚元勇，陳仕學(xué)，等.響應(yīng)面微波輔助酶法提取油茶枯水溶性膳食纖維的工藝優(yōu)化［J］.食品工業(yè)科技，2015(20):289-292.

［10］梅成.微波萃取技術(shù)的應(yīng)用［J］.中成藥，2002，24 (2):134-135.

［11］王志祥，李紅娟，萬(wàn)水昌，等.微波萃取技術(shù)及其在中藥有效成分提取中的應(yīng)用［J］.時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥，2007 (5):1245-1247.

［12］陳仕學(xué)，胡明念，魯?shù)劳?野生陽(yáng)荷水不溶性膳食纖維的提取及性能測(cè)定［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2014，40(1):250-253.

［13］Giovinni M.Response surface methodology and product optimization［J］.Food Technology，1999，37(2):41-45.

［14］張軼群.動(dòng)態(tài)微波輔助萃取在食品和中藥分析中的應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2014.

［15］郭涵博，張航.菠蘿皮可溶性膳食纖維酸法提取工藝的優(yōu)化［J］.食品工業(yè)，2015(9):73-76.

［16］李丹丹，宋燁，吳茂玉，等.植物多糖的水解及水解物結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2013，39(7): 165-170.

［17］楊華，翁美君，張慧恩.基于響應(yīng)面法優(yōu)化薇菜干不溶性膳食纖維提取工藝的研究［J］.食品工業(yè)科技，2013，34(18):275-279.

Optimization for Microwave-assisted Extraction of Dietary Fiber from Dictyophora

LU Zhongying，LU Daowang，CHEN Shixue，YAO Yuanyong
(Institute of Material and Chemical Engineering，Tongren University，Tongren 554300，China)

Dictyophora was used as raw material for extraction of dietary fiber with microwave-assisted method.Response surface methodology(RSM)was used to optimize the extraction process based on single factor tests.Box-Behnken central composite design principles were used for response surface design，with the power of microwave，liquid-to-solid ratio，microwave-assisted extraction time and temperature as four parameters.The optimum extraction conditions were as follows:microwave power of 490 W，extraction temperature of 60℃，microwave-assisted extraction time of 10 min，and liquid-to-solid ratio of 20∶1.Under the above optimum extraction conditions，the actual yield of SDF from Dictyophora was 12.26%，and the yield of IDF was 74.34%.The relative standard deviation between the theoretical and practical yields was 0.65%，and the results demonstrated a good reproducibility，indicating the effectiveness and reliability of the RSM model.

Dictyophora;microwave-assisted extraction;dietary fiber;response surface

S646.8

A

1004－3268(2017)07－0137－05

2017－01－11

梵凈山特色苗藥資源保護(hù)與開發(fā)產(chǎn)學(xué)研基地項(xiàng)目(黔教合KY字［2014］233);貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合LH字［2016］7310號(hào))

盧忠英(1987－)，女，貴州遵義人，講師，碩士，主要從事天然藥物化學(xué)成分提取分離。E－mail:luzhongying@126.com