响应面法优化微波辅助酶法提取香菇柄可溶性膳食纤维工艺

吴丽萍 蔡永久 徐江 胡长玉

摘 要：以废弃物香菇柄为原料，采用微波辅助酶法提取香菇柄可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）。通过单因素试验探讨微波功率、微波时间、酶解时间、复合酶添加量对SDF提取率的影响;选取对SDF提取率影响较大的因素进行Box-Behnken响应面优化分析并确定最佳工艺参数。结果表明，在微波功率400W、微波时间4min、酶解时间1.3h、复合酶添加量0.5%条件下，SDF的提取率达到14.22%，与模型理论预测值基本相符，该研究可为废弃物香菇柄的综合利用及SDF的提取提供科学依据。

关键词：响应面法;微波;酶;香菇柄;水溶性膳食纤维

中图分类号 TS201.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）10-0125-05

Optimization of Microwave-assisted Enzymatic Extraction of Dietary Fiber from Lentinus edods Root by Response Surface Analysis

WU Liping1   CAI Yongjiu1   XU Jiang2   HU Changyu1

（1College of Life and Environmental Sciences， Huangshan University， Huangshan 245000， China; 2Huangshan Huizhen Food Co. LTD， Huangshan 245000， China）

Abstract： The Soluble Dietary Fiber（SDF） was extracted from waste lentinus root by microwave-assisted enzymatic extraction. The effects of microwave power， microwave time， enzyme hydrolysis time and compound enzyme addition on SDF extraction rate were investigated by single factor experiment. The factors that have great influence on SDF extraction rate was selected to carried out Box-behnken response surface optimization and determine the optimum process parameters . The results showed that under the conditions of microwave power 400W， microwave time 4 min， enzymatic hydrolysis time 1.3h and compound enzyme addition 0.5%， the extraction rate of SDF reached 14.22%， which was basically consistent with the theoretical predicted value of the model. This study could provide a theoretical basis for the comprehensive utilization of waste Lentinus edods root and the extraction of SDF.

Key words： Response surface method; Microwave; Lentinus edods root; Soluble dietary fiber

香菇（Lentinus edodes），又名花菇、冬菇，在我國广泛种植，被称为“第二大食用菌”。香菇不仅蛋白质、膳食纤维、矿物质含量丰富，同时富含香菇多糖、香菇核酸、香菇多肽等多种活性物质，具有抗菌消炎、降胆固醇、提升免疫力等药用价值[1]，因此香菇被称为“药食同源”类食物，在中国深受广大消费者喜爱。香菇中菇柄量约占子实体的25%，其中营养成分及纤维的含量较其他食物高很多[2]，然而在实际生产加工过程中，香菇柄因质地偏硬，口感粗糙而不能被很好的应用于食品加工领域，大部分都被作为废弃物所丢弃，造成极大的资源浪费与环境污染。研究表明，香菇柄中膳食纤维含量丰富[3]，是一种绿色天然、来源广泛且价格低廉的潜在膳食纤维资源。目前的研究主要倾向于香菇伞的食品加工，关于香菇柄综合利用的研究却鲜见报道。

膳食纤维被称为“第七大营养素”，在自然界中广泛存在。膳食纤维根据其物理性能的不同分为水溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）和水不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF），其中SDF具有较高的持水力（WHC）、持油力（OHC）和膨胀力（SC）和较强的抗氧化活性[4]，SDF不仅在维持膳食平衡方面发挥重要作用，而且在预防结肠癌、心血管疾病和降低胆固醇等方面具有重要的生理功能，同时还可降低血液胆固醇和甘油三酯含量、减缓小肠对葡萄糖的吸收速率，进而预防糖尿病的发生[5]，在降血压、降低胆固醇，抗肿瘤、预防癌症、消炎等方面具有良好的功效。相关资料显示，SDF成分含量应达10%以上，方可使产品有较好的品质，如此才具备较强的生理活性和保健功能[6]。可见，SDF是影响DF生理作用的重要因素，采用合理有效的提取方式是提高SDF提取率的有效途径。

目前对于不同来源的水溶性膳食纤维的提取技术有物理法、化学法、生物酶法和微生物发酵法[7]。化学法提取膳食纤维工艺较为成熟，但是使用化学法提取可能会导致膳食纤维的分子内部结构发生变化，导致部分营养功能失效[8]，并且还会造成环境污染[9]。微生物发酵法能够明显提高产品中SDF的含量，使其功效更加均衡，且相对环保，但是发酵时间较长，产物难以分离。物理法和生物酶法因无化学溶剂的残留，是绿色环保的膳食纤维提取工艺，被专家和学者广泛采用。微波是一种能够穿透介质到达物料内部的高频电磁波，其电磁波的能量能够被物料吸收，并且物料的细胞内部温度因吸收大量电磁波能量而上升，并致使分子间化学键发生断裂，分子间通过相互挤压，促使物料微孔隙的形成，比表面积增大，达到改善物料性能的作用[10]。微波辅助提取技术在食品工业中已经广泛应用到提取薄荷、海藻等有效成分的生产中[11]。本研究通过微波辅助酶法提取香菇柄中SDF，采用响应面优化最佳提取工艺，旨在提高废弃物香菇柄的资源利用率和附加值，并为膳食纤维的提取工艺提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂 香菇柄，黄山市徽珍食品有限公司生产加工下脚料;纤维素酶（10万u/g），宁夏和氏璧生物技术有限公司;α-淀粉酶（10万u/g），河南安锐生物科技有限公司;95%乙醇，江苏强盛功能化学股份有限公司。

1.2 仪器与设备 BSA-124S型电子天平，广州标格达实验室仪器用户有限公司;HH-6S型数显恒温水浴锅，金坛市杰瑞尔电器有限公司;R6S-GF23型微波炉，格兰仕电器有限公司;800型离心分离机，北京医用离心机厂;FW135中草药粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司;XMTA-608电热鼓风干燥箱，上海佳胜实验设备有限公司。

1.3 工艺流程 香菇柄预处理→烘干→粉碎→微波处理→酶解→离心→95%乙醇沉淀→离心→干燥→恒重，称量→SDF。

1.4 操作要点 （1）香菇柄预处理：选取无霉变的香菇柄去除根蒂，清洗干净;（2）烘干、粉碎：将香菇柄放置于电热鼓风干燥箱内进行烘干，设置温度为60℃，干燥时长设为8h。将烘干后的香菇柄放入粉碎机中进行粉碎，过60目筛后密封保存;（3）微波处理：以蒸馏水为溶剂，称取粉碎后的2.0g香菇柄粉末，按照料液比1∶10（g/mL）添加筍衣粉末，混合搅拌均匀;（4）微波处理：将溶质置于微波炉中，调节微波功率范围在300～500W，控制微波时间在1～9min;（5）酶解：加入质量分数为0.5%的复合酶（复合酶的质量比值为纤维素酶∶α淀粉酶=1∶3），置于60℃恒温水浴锅中水浴加热，水浴30min～150min后灭酶;（6）离心：将所得混合溶液放入离心机中，调节转速4000r/min，离心30min，并且将残渣用蒸馏水和无水乙醇洗涤，收集洗涤液;（7）醇沉：按照体积比为1∶4的比例，加入95%乙醇溶液，充分反应，常温下静置6h，得到了SDF絮状沉淀物;（8）离心：将静置后的溶液恒重后对称放入离心机中，离心30min，调节离心机转速4000r/min，最后去除上清液，保留底部沉淀物;（9）干燥，恒重：设置干燥箱温度为65℃，将所得沉淀物进行烘干，恒重，即得SDF。

1.5 试验设计

1.5.1 单因素试验 参照1.3工艺流程及1.4操作要点，以SDF提取率为考察指标，分别探讨微波功率（300、350、400、450、500W）、微波时间（1、3、5、7、9min）、酶解时间（0.5、1、1.5、2、2.5h）、复合酶用量（0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%）4个单因素对SDF提取率的影响。

1.5.2 Box-Behnken响应面法试验 利用Box-Behnken响应面试验设计原理，基于单因素试验的结果，选择对SDF影响较大的3个因素即微波功率（A）、微波时间（B）、酶解时间（C）为自变量，将SDF提取率设定为响应值，依据Box-Behnken试验设计原理，利用Design-Expert 8.0软件对实验数据进行回归拟合分析，并对SDF的提取工艺进行优化，试验因素和水平表见表1。

1.7 数据处理 每组试验进行3次重复操作以提升结果的可靠性。运用Excel 2016对数据进行处理与绘制，运用Design-Expert 8.0进行响应面设计与结果分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 微波功率对SDF提取率的影响 由图1所示，在其他条件一定时，由低到高调节微波功率，观察到SDF的提取率有先上升后下降的走向。当微波功率设置范围在300～400W时，SDF提取率呈现继续增加趋势;当设置微波功率在400W时，在这条件下SDF提取率最大;当微波功率超过400W时，SDF提取率呈现出小幅度降低的趋势，导致这一结果的可能原因是微波功率过高，溶液的温度会迅速增加，会对分子具有一定的破坏作用，导致提取率下降[12]。因此，选择在350～450W范围的微波功率较为适宜。

2.1.2 微波时间对SDF提取率的影响 由图2所示，当其它影响因素恒定时，调节微波时间，观察到SDF提取率出现先增加后降低的趋势。微波时间范围在1～3min内时，SDF提取率出现较快的增长趋势;微波时间为5min时，SDF提取率最大;微波时间超过5min时，SDF提取率略微减少，导致这一现象的可能原因是随着微波时间的增加，加热时间的延长，导致部分SDF结构破坏，出现SDF提取率有降低现象[13]。因此，选择在3～7min范围的微波时间较为适宜。

2.1.3 酶解时间对SDF提取率的影响 由图3所示，酶解时间对SDF提取率的影响较大，呈现先上升后下降的趋势。设置酶解时间为1～1.5h时，SDF提取率出现快速上升的趋势;设置酶解时间为1.5h，在此条件下SDF的提取率最大，这是因为酶与底物反应充分导致SDF提取率增加;当酶解时间为1.5～2h时，SDF提取率出现一定程度的下降趋势，分析原因可能是过长的酶解时间使得纤维素酶降解纤维素，从而SDF的溶解度增加，导致SDF提取率稍微降低[14]。所以，酶解时间选择1～2h较为适宜。

2.1.4 复合酶添加量对SDF提取率的影响 由图4可以观察到，复合酶的添加量对SDF提取率存在一定程度的影响。SDF提取率隨着复合酶添加量的增加而呈现持续上升而后平缓的现象。当复合酶添加量从0.2%增加至0.5%时，SDF提取率出现不断增加走向，当增加复合酶添加量到0.5%时，SDF提取率最大，分析原因可能是过量的复合酶继续发挥作用于SDF，导致产物减少[15]。考虑到试验的可操作性及简便性，确定复合酶添加量为0.5%。

2.2 响应面优化试验结果 试验结果如表2所示，使用Design-Expert软件对试验设计结果进行显著性检验和线性回归分析，获得了1个关于SDF的提取率与微波功率（A）、微波时间（B）、酶解时间（C）3因素的二次线性回归方程：Y=14.21-0.15A-0.77B-0.47C+0.095AB+0.43AC+0.086BC-1.68A2-1.42B2-1.58C2。

2.3 回归模型方差分析 通过表3可知，回归模型p<0.0001，呈现极显著差异，说明回归模型对香菇柄SDF提取率有很好的预测性。失拟项P值差异不显著（P=0.9492），说明此试验下建立的模型拟合效果较好;本模型的相关系数R2=0.9036以及校正相关系数R2Adj=0.9195都接近于1，均说明该响应值有较高的可信度，应用到试验中具有很高的成功率，可用此模型来分析预测微波辅助酶提取香菇柄SDF。此外，可以观察到模型的一次项B和二次项A2、B2及C2的P值均小于0.01，表明影响极显著。由显著性检验F、P值的大小得出各因素对SDF提取率影响的顺序分别为微波时间（B）>酶解时间（C）>微波功率（A），其中微波时间（B）对SDF提取率影响极显著（P<0.01），酶解时间（C）对SDF提取率影响显著（P<0.05），各因素之间的交互作用影响呈现不显著（P>0.05），A2、B2、C2对SDF提取率的影响极显著（P<0.01）。

2.4 优化结果及验证试验 根据二次线性回归方程的分析结果，确定香菇柄SDF最佳提取工艺条件为：微波功率为401W，微波时间为3.89min，酶解时间为1.34h，在此时提取率为14.36%。为提升试验可操作性，调整提取条件为：微波功率为400W，微波时间4min，酶解时间为1.3h，在此条件下进行验证试验（n=3），SDF提取率为14.22%，与理论预测值相对误差为0.97%，说明回归模型与实际情况可以较好的拟合，同时也说明Box-Behnken设计响应面法得到的微波辅助酶法提取香菇柄SDF最佳工艺条件准确且有一定的可行性。

2.5 响应面图形分析 各种因素之间的相互作用和对预报值的影响关系可以通过三维响应面图和轮廓反映，若是曲面较为缓和则表明该影响不明显，曲面若是陡峭则说明该影响较为显著。图5呈现的是微波功率（A）和微波时间（B）对香菇柄SDF提取率的交互影响，曲线较陡，随着微波功率和微波时间的增加香菇柄SDF提取率不断上升，当达到一定功率及时间时香菇柄SDF提取率呈下降趋势，这说明功率过高或者微波时间过长对SDF的提取是不利的。图6和图7结果显示，等高线近似圆形，BC、AC的曲线峰较为平缓，交互作用不显著。根据曲面陡峭程度可以判断B对响应值影响最显著，其次是C，A，这与表3的方差结果分析相吻合。

3 结论

以废弃香菇柄为原料，通过微波辅助酶法提取香菇柄SDF。在单因素的试验基础上，通过响应面法对微波辅助酶法提取香菇柄SDF的工艺条件进行优化，确定最佳工艺条件为：微波功率400W，微波时间4min，酶解时间1.3h，复合酶添加量0.5%;在此条件下进行重复验证试验（n=3），SDF提取率为14.22%，与理论预测值14.36%的相对误差为0.97%，说明回归模型与实际拟合情况良好。采用Box-Behnken设计响应面法优化方案得到的香菇柄SDF最佳工艺条件准确，且具有一定的实用价值。

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（责编：王慧晴）