響應(yīng)面法優(yōu)化油莎豆粕低聚糖的提取工藝

田曉琳，張國(guó)權(quán)*

1. 山西師范大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院（臨汾 041000）；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（楊凌 712100）

油莎豆（Cyperus esculeutus）是一種塊莖可食的多年生草本植物[1-2]，廣泛分布于西班牙、澳大利亞、非洲、北美和南美等國(guó)家和地區(qū)[2-4]，在中國(guó)有16個(gè)省區(qū)也有種植[5]。油莎豆含20%～30%油脂、5%～10%蛋白質(zhì)、25%～40%淀粉、15%～25%糖，此外還富含膳食纖維、維生素C、E和礦物質(zhì)[3,5-7]，是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、綜合利用價(jià)值很高的植物油料資源[5]。

油莎豆主要用于榨油，副產(chǎn)品油莎豆粕仍有較高的利用價(jià)值，目前對(duì)其食品領(lǐng)域的研究大多集中在蛋白[8-9]、淀粉[10-11]、多糖[12-13]等成分的提取和分析上，鮮有對(duì)油莎豆低聚糖的研究。試驗(yàn)采用乙醇為溶劑對(duì)油莎豆粕中的低聚糖進(jìn)行浸提，并通過(guò)響應(yīng)面分析法優(yōu)化工藝條件，以期為油莎豆的綜合開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

油莎豆，市售；重蒸酚、濃硫酸、葡萄糖標(biāo)品、無(wú)水乙醇，分析純。

1.2 儀器設(shè)備

LH 188型智能家用榨油機(jī)，佛山市南海莉華電子科技有限公司；FW 100高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：天津泰斯特儀器有限公司；UVmini-1240型紫外分光光度計(jì)：日本島津公司；KW-1000 DC型數(shù)顯恒溫水浴鍋：國(guó)華電器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 油莎豆低聚糖提取

1.3.1.1 油莎豆粕制備

油莎豆洗凈，于105 ℃烘干，壓榨法榨油，取豆粕，脫脂，粉碎，過(guò)80目篩，裝自封袋4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.1.2 油莎豆低聚糖提取工藝流程[13]

油莎豆豆粕粉→乙醇溶液浸提→離心→取上清液→旋蒸濃縮→加4倍體積無(wú)水乙醇醇沉24 h（去除多糖及蛋白質(zhì)）→離心取上清液→旋蒸濃縮→油莎豆粗低聚糖溶液

1.3.1.3 提取工藝參數(shù)選擇

以低聚糖提取率為指標(biāo)，選取液料比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取時(shí)間和提取溫度4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.3.2 低聚糖含量測(cè)定

1.3.2.1 低聚糖含量測(cè)定方法

采用苯酚-硫酸法[14]測(cè)定低聚糖含量。

1.3.2.2 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

稱取1.00 g葡萄糖（于105 ℃干燥至恒質(zhì)量）溶于去離子水，定容至100 mL，即得100 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液。分別移取0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9和1.0 mL配制的100 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液于試管，以去離子水定容至1.0 mL，即得不同質(zhì)量濃度葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液（0，10，20，30，40，50，60，70，80，90和100 μg/mL），加入1.0 mL的6%苯酚溶液，然后5.0 mL加入濃硫酸，室溫靜置20 min，以零管為空白，在490 nm波長(zhǎng)處測(cè)定其他各管溶液的吸光度，以葡萄糖濃度為橫坐標(biāo)，490 nm處吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。所得方程為A=0.010 1C-0.007 7，R2=0.999 2。式中：A為葡萄糖吸光度，C為溶液中葡萄糖質(zhì)量濃度，μ g/mL。

1.3.3 優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Design-Expert 8.0軟件，采用BBD建立數(shù)學(xué)模型，以液料比X1、乙醇體積分?jǐn)?shù)X2、提取時(shí)間X33個(gè)因子為自變量（經(jīng)單因素試驗(yàn)，不對(duì)提取溫度進(jìn)行優(yōu)化處理），按方程X=（Xi-X0）/2對(duì)自變量進(jìn)行編碼。以低聚糖提取率為響應(yīng)值，建立回歸方程模型，見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素及編碼水平

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn)，采用QriginPro 9.0軟件進(jìn)行圖表處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 液料比的選擇

由圖1可知，當(dāng)液料比在12︰1～20︰1（mL/g）變化時(shí)，隨著提取溶劑比例的增加，提取率增大，當(dāng)液料比達(dá)到18︰1～20︰1（mL/g）時(shí)，提取率的增加幅度趨于平緩，可能原因是提取劑的增加有利于低聚糖的溶出[15]，當(dāng)達(dá)到18︰1（mL/g）時(shí)已基本將低聚糖溶出，繼續(xù)增大液料比沒(méi)有實(shí)際意義，故選擇液料比18︰1（mL/g）為宜。

圖1 液料比對(duì)低聚糖提取率的影響

2.1.2 乙醇體積分?jǐn)?shù)的選擇

由圖2可知，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)在30%～70%變化時(shí)，低聚糖提取率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，低聚糖提取率最高。可能原因是乙醇體積分?jǐn)?shù)較高（＞40%）會(huì)導(dǎo)致聚合度高的低聚糖析出，乙醇溶劑中低聚糖含量減少，使低聚糖提取率降低[16-17]。故選擇乙醇體積分?jǐn)?shù)40%為宜。

圖2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)低聚糖提取率的影響

2.1.3 提取時(shí)間的選擇

由圖3可知，當(dāng)提取時(shí)間在20～60 min變化時(shí)，提取率隨提取時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。當(dāng)提取時(shí)間為30 min時(shí)，低聚糖提取率最高?？赡茉蚴翘崛r(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致低聚糖水解，使其得率降低[15]。故選擇提取時(shí)間30 min為宜。

圖3 提取時(shí)間對(duì)低聚糖提取率的影響

2.1.4 提取溫度的選擇

由圖4可知，提取溫度對(duì)低聚糖提取率影響不大。因此，在后續(xù)優(yōu)化的時(shí)候?qū)囟葪l件不再做優(yōu)化處理。從節(jié)約能源及簡(jiǎn)化提取工藝角度，選擇40 ℃的條件進(jìn)行固定。

圖4 提取溫度對(duì)低聚糖提取率的影響

2.2 油莎豆低聚糖提取工藝參數(shù)的優(yōu)化

以油莎豆粕低聚糖提取率為響應(yīng)值，選取液料比（X1）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X2）、提取時(shí)間（X3）進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，模型共設(shè)15個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2.1 回歸模型的建立

對(duì)表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，得油莎豆低聚糖提取率Y對(duì)液料比（X1）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X2）、提取時(shí)間（X3）的二次多項(xiàng)式回歸模型：

表3 回歸分析結(jié)果

由回歸模型方差分析結(jié)果可知，模型p=0.000 3＜0.01，高度顯著，失擬項(xiàng)p=0.115 9＞0.05不顯著，表明所建立的回歸二次模型成立，可用此模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)低聚糖提取工藝參數(shù)。模型中X1、X2、X2X3、X22對(duì)油莎豆低聚糖提取率的影響高度顯著。確定系數(shù)R2=0.988 4，證明模型與真實(shí)試驗(yàn)擬合度好；R2Adj=0.967 8，表明可以解釋96.78%的響應(yīng)值變化。各因素一次項(xiàng)F值越大，表明對(duì)提取率的影響越顯著，影響程度依次為液料比＞浸提時(shí)間＞浸提溫度。影響油莎豆低聚糖提取率的主次因素依次為X2＞X1＞X3，即乙醇體積分?jǐn)?shù)＞液料比＞提取時(shí)間。

2.2.2 響應(yīng)面分析

由圖5可知，與X1方向比較，X2效應(yīng)面曲線較陡，X2等高線密度明顯高于沿X1移動(dòng)的密度，表明乙醇體積分?jǐn)?shù)X2對(duì)低聚糖提取率的貢獻(xiàn)更大，同理，由圖6和圖7可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)提取率的影響較提取時(shí)間更顯著，液料比對(duì)提取率的影響較提取時(shí)間更顯著，即三個(gè)因素對(duì)低聚糖提取率的影響順序是：乙醇體積分?jǐn)?shù)＞液料比＞提取時(shí)間。等高線的形狀可直觀地看出交互效應(yīng)的大小，橢圓形或馬鞍形反映了兩因素的交互作用較強(qiáng)，呈圓形則相反，而響應(yīng)曲線曲線較陡也說(shuō)明交互作用較強(qiáng)[18]。從圖5和圖7可看出，各因素的相互作用的等高線并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的橢圓形，響應(yīng)曲線相對(duì)較平緩，說(shuō)明液料比與提取時(shí)間、液料比與乙醇體積分?jǐn)?shù)之間交互作用并不顯著；圖6等高線圖呈馬鞍形，說(shuō)明乙醇體積分?jǐn)?shù)與提取時(shí)間交互作用較強(qiáng)。響應(yīng)面分析結(jié)果與方差分析結(jié)果相符。

2.3 驗(yàn)證性試驗(yàn)

通過(guò)Design-Expert 8.0分析，獲得最佳工藝參數(shù)，因素X1、X2、X3代碼分別為0.994，-0.32和0.804，轉(zhuǎn)化為實(shí)際參數(shù)為19.988︰1（mL/g），39.36%和31.608 min，預(yù)測(cè)提取率為17.878 4%。為了驗(yàn)證回歸模型所得結(jié)果與實(shí)際值的符合程度，在實(shí)際試驗(yàn)中將參數(shù)修正為液料比20︰1（mL/g）、乙醇體積分?jǐn)?shù)39.4%、提取時(shí)間31.6 min，在此條件下得油莎豆低聚糖提取率為17.82%，比預(yù)測(cè)值略降低，但相差不大。

圖5 液料比與乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)低聚糖提取率影響的響應(yīng)面與等值線圖

圖6 乙醇體積分?jǐn)?shù)與提取時(shí)間對(duì)低聚糖提取率影響的響應(yīng)面與等值線圖

圖7 液料比與提取時(shí)間對(duì)低聚糖提取率Y影響的響應(yīng)面與等值線圖

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Box-Behnken分析，建立了響應(yīng)面優(yōu)化乙醇浸提法提取油莎豆低聚糖的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，對(duì)低聚糖提取率影響從大到小的的順序依次為：乙醇體積分?jǐn)?shù)、液料比、提取時(shí)間。最佳的提取工藝條件為液料比20︰1（mL/g）、乙醇體積分?jǐn)?shù)39.4%、提取時(shí)間31.6 min，此時(shí)油莎豆低聚糖提取率為17.82%，與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差較小，說(shuō)明優(yōu)化得到的模型準(zhǔn)確、可靠。該試驗(yàn)為進(jìn)一步深入研究油莎豆低聚糖提供了參考依據(jù)。