响应面优化复合酶法提取竹笋膳食纤维工艺

杨 光，吴嘉豪，郑 炯，2，*（.西南大学食品科学学院，重庆40075；2.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆40075）

响应面优化复合酶法提取竹笋膳食纤维工艺

杨 光1，吴嘉豪1，郑 炯1，2，*
（1.西南大学食品科学学院，重庆400715；2.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆400715）

以竹笋为原料，在酶解时间、酶解温度、复合酶质量分数、复合酶质量比值4个单因素实验的基础上，通过响应面法对竹笋膳食纤维提取工艺条件进行优化。结果表明：最佳提取工艺条件为酶解时间95 min、酶解温度56℃、复合酶质量分数0.52%、复合酶质量比值为蛋白酶∶纤维素酶=3∶1，在此条件下竹笋膳食纤维提取率最大，为53.21%。

竹笋膳食纤维，响应面，复合酶，蛋白酶，纤维素酶

竹笋含有丰富的膳食纤维，具有促进消化，降低血清胆固醇以及预防心血管疾病和癌症等作用，是一种理想的膳食纤维原料［1-3］。目前，我国的竹笋资源利用率仅为30%，在竹笋加工和保鲜过程中容易老化，尤其是纤维素、木质素等含量迅速增加，而这些老化部分往往被作为下脚料废弃，导致资源浪费［4-5］。因此，利用笋罐头、笋干和笋汁饮料等生产过程中的废弃物提取膳食纤维，既提高了废弃物的使用价值，也防止其腐败而污染环境，从而使废料尽其用［6-9］。

膳食纤维的提取方法主要有物理法、化学法、膜分离法、发酵法、生物酶法等。其中，生物酶法提取条件温和，不需要高温高压，而且节约能源、操作方便、环境友好，在生产领域越来越受欢迎，也是当前膳食纤维提取研究的主要热点之一［10-13］。复合酶在实验过程中可以起到协同作用从而取得更好酶解效果，但采用复合酶法提取竹笋膳食纤维的相关报道较少。因此，本实验拟以竹笋膳食纤维提取率为考察目标，在单因素实验的基础上，采用响应曲面法对酶解温度、酶解时间、复合酶质量分数、复合酶质量比值等关键因素进行优化，建立并验证相关的工艺数学模型。以期为竹笋膳食纤维的提取及工业化生产提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

麻竹笋 采自重庆市北碚区施家梁镇麻竹笋种植基地；蛋白质酶（1万U/g）、纤维素酶（3000 U/g） 美国Sigma公司；无水乙醇、硫酸、盐酸、氢氧化钠等均为国产分析纯，成都市科龙化工试剂厂。

JP-500B高速多功能粉碎机 永州市九品工贸有限公司；HHS11-2电热恒温水浴锅 上海医疗器械五厂型；SX-2.5-10马弗炉 浙江嘉兴东诚仪器厂；DHG-101电热鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司；PHS-3C型精密pH计 南京东迈科技仪器有限公司；KDN-04B定氮仪 上海新嘉电子有限公司；循环水真空泵 上海精科实业有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 竹笋膳食纤维提取工艺 新鲜麻竹笋→去壳、切片→烘干→粉碎→称取5.0 g加水→调pH→酶解→灭酶→过滤→洗涤→干燥→粉碎→过筛→成品。

参考冯志强等［11］和刘昊飞等［12］的方法，准确称取5.0 g竹笋粉末，以40∶1（mL∶g）的水料比，在不同酶解时间、酶解温度、复合酶质量分数、复合酶质量比值等条件下进行酶解，在95℃温度下灭酶10 min，抽滤，然后用无水乙醇洗涤3～5次，干燥粉碎后即可得到竹笋膳食纤维。

1.2.2 单因素实验 每个单因素选取5个水平变量，酶解时间为30、60、90、120、150 min；酶解温度为30、40、50、60、70℃；复合酶质量分数为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%；复合酶质量比值为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1。以酶解温度55℃、酶解时间1 h、复合酶质量分数0.5%和复合酶质量比值1∶1为固定水平，变换各个单因素水平进行实验，考察各因素对竹笋膳食纤维提取率的影响。

1.2.3 响应面优化实验 参考相关文献［14-16］，在单因素实验的基础上，选取酶解温度、酶解时间、复合酶质量分数、复合酶质量比值为自变量，竹笋膳食纤维的提取率为响应值，根据Box-Behnken实验设计方法，进行4因素3水平的响应面分析实验，因素与水平见表1。通过Design Expert 8.0.7软件对实验数据进行回归分析，预测酶法提取竹笋膳食纤维的最佳工艺。平行实验3次，进行验证实验。

表1 响应面实验因素水平表Table1 Factors and levels of the response surface test（RSA）

1.2.4 膳食纤维含量和提取率的测定

1.2.4.1 膳食纤维含量的测定 参考GB/T 5009.88-2008［17］方法。

1.2.4.2 膳食纤维提取率的计算

式中：Y—竹笋膳食纤维提取率，%；m—竹笋样品中提取的膳食纤维含量，g；M—竹笋样品处理前的质量，g。

1.3 数据处理

使用Origin 8.6、Excel以及响应面分析软件（Design Expert 8.0.7）进行相关图表的绘制和数据处理。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 不同酶解时间对膳食纤维提取率的影响 由图1可知，当酶解时间在30～90 min时，竹笋膳食纤维提取率快速上升；当酶解时间超过90 min时，膳食纤维提取率仍在上升，但上升速度较慢，趋于平稳。这可能是因为在90 min的时候酶解反应的所用酶消耗完全，增加时间，膳食纤维提取率也不会有明显改变。这一反应趋势与牟建楼等［18］对苹果渣中膳食纤维提取的实验结果一致。因此，酶解时间选择90 min。

图1 不同酶解时间对竹笋膳食纤维提取率的影响Fig.1 Effect of different enzymolysis time on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.1.2 不同酶解温度对膳食纤维提取率的影响 由图2可知，在酶解温度低于60℃时，随着温度的增加，膳食纤维的提取率逐渐增加，60℃时膳食纤维的提取率达到最高，说明此温度下酶解速度可能达到最快。当酶解温度大于60℃后，随着温度的升高，膳食纤维得率显著下降（p＜0.05），这可能是由于较高的温度会抑制酶的反应活性。因此，复合酶在上述反应条件下的较适酶解温度为50～60℃。

图2 不同酶解温度对竹笋膳食纤维提取率的影响Fig.2 Effect of different enzymolysis temperature on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.1.3 不同复合酶质量分数对膳食纤维提取率的影响 由图3可知，当酶质量分数在0.2%～0.5%时，随着酶质量分数的增加膳食纤维的提取率显著提高（p＜0.05），并在0.5%时达到最大；当酶质量分数大于0.5%时，提取率的变化趋于平缓。这可能是因为酶质量分数为0.5%时，与底物的结合已趋于饱和。根据该实验结果，以选择复合酶质量分数为0.5%左右为宜。

图3 不同复合酶质量分数对竹笋膳食纤维提取率的影响Fig.3 Effect of different complex enzyme mass fraction on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.1.4 不同复合酶质量比值对膳食纤维提取率的影响 由图4可知，当蛋白酶与纤维素酶的质量比值在1∶1～3∶1之间时，膳食纤维提取率迅速增加；当两者之比大于3∶1时，膳食纤维提取率逐渐下降；而蛋白酶与纤维素酶比值为3∶1时，膳食纤维提取率达到最大。因此，复合酶质量比（蛋白酶∶纤维素酶）为3∶1左右作为较佳的质量配比。

图4 不同复合酶比值对竹笋膳食纤维提取率的影响Fig.4 Effect of different complex enzyme ratio on the extraction rate of bamboo shoot dietary fibers

2.2 响应面优化竹笋膳食纤维提取工艺

2.2.1 中心组合实验 根据Box-Benhnken中心组合实验设计原理，依据单因素实验结果，以酶解时间、酶解温度、复合酶质量分数、复合酶质量比值作为主要因素，设计4因素3水平响应面分析实验。共有29个实验点，其中24个为分析因子，5个为零点。零点实验进行5次，以估计误差。中心组合实验方案及结果如表2所示。

根据表2中的数据使用Design-Expert软件进行多元回归拟合分析，得到模型的拟合曲线方程为：Y= 50.90+0.70A-1.41B+0.27C+0.11D-0.49AB-0.15AC-0.16AD-0.82BC+0.63BD+0.51CD-2.26A2-2.31B2-1.15C2-3.53D2。

同时对模型进行了回归系数和方差分析的显著性检验，分析和检验结果见表3。

由表3的方差分析可知，该模型的Prob＞F的值为0.0019，小于0.01，表明该模型的回归方程极显著。失拟项p＞0.05，不显著，实验误差较小，故可用此模型对竹笋中总膳食纤维的提取工艺结果进行分析和预测。

表2 响应面实验设计和实验结果Table2 Experimental results of RSA

2.2.2 响应面分析因素之间的交互作用 为了考察各个交互项对膳食纤维提取率的影响，在其他因素固定不变的情况下，利用Design-Expert 8.0.7软件对回归方程进行运算，作出交互项的响应曲面图及等高线图，结果如图5所示。

由图5可知，随着每个因素的增大，响应值增大；当响应值增大到极值后，随着因素的增大，响应值逐渐减小；比较图5并结合表3中p可知：模型的一次项酶解温度B（p＜0.01）极显著，二次项酶解时间A2（p＜0.01）、酶解温度B2（p＜0.01）和复合酶质量分数D2都极显著（p＜0.01），复合酶比值C2（p＜0.05）表明各影响因素对膳食纤维的提取率的影响不是简单的线性关系。

2.2.3 最佳提取条件的确定和验证 利用Design Expert 8.0软件，综合考虑竹笋膳食纤维提取率和实验可操作性等因素，得到最优提取工艺为酶解时间95 min，酶解温度56℃，复合酶质量分数0.52%，复合酶比值为3∶1，在此条件下膳食纤维提取率的预测值为53.25%。采用上述最优工艺条件进行验证，重复实验3次，实际测定值为53.21%，与预测值接近，说明膳食纤维提取工艺条件的可靠性和准确性。

表3 响应面方差分析二次模型方差分析表Table3 ANOVA for response surface model analysis of variance table

3 结论

采用响应曲面法对复合酶法提取竹笋膳食纤维的工艺进行了优化，建立了竹笋膳食纤维提取率的二次响应面回归模型。通过响应面法优化出最佳提取工艺条件为酶解时间95 min、酶解温度56℃、复合酶质量分数0.52%、复合酶比值为3∶1，该条件下膳食纤维提取率预测值为53.25%，验证值为53.21%，与预测值接近。结果说明该优化工艺条件科学可靠，能够为竹笋膳食纤维的提取研究提供一定的参考。

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图5 交互影响的三维曲面图Fig.5 The interaction of 3D surface figure

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Optimization of complex enzyme extraction condition of dietary fiber from bamboo shoots using response surface analysis

YANG Guang1，WU Jia-hao1，ZHENG Jiong1，2，*
（1.College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China；2.Chongqing Research Center of Special Food Engineering and Technology，Chongqing 400715，China）

Bamboo shoots was used as raw material to optimize the complex enzyme extraction condition of dietary fiber through response surface methodology on the basis of four single factor:time，temperature，complex enzyme adding dose and the quality of compound enzyme ratio.The results showed that the optimum extraction conditions as followings:time was 95 minutes，temperature was 56℃，complex enzyme adding dose was 0.52%，the mass ratio of protease to cellulase was 3∶1.Under these conditions，the experimental yield of bamboo shoot dietary fiber was 53.21%，which was the largest.

bamboo shoot dietary fiber；response surface methodology；complex enzyme；protease；cellulase

TS255.1

A

1002-0306（2016）02-0213-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.02.035

2015－06－30

杨光（1994-），女，大学本科，研究方向：食品化学与营养学，E-mail：muyixiaopai@sina.com。

*通讯作者：郑炯（1982-），男，博士，讲师，研究方向：果蔬加工与质量控制，E-mail：zhengjiong_swu@126.com。

重庆市特色食品工程技术研究中心能力提升项目（cstc2014pt-gc8001）；重庆市社会事业与民生保障项目（cstc2015shmszx80007）。