響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助酶法提取香菇柄可溶性膳食纖維工藝

吳麗萍 蔡永久 徐江 胡長玉

摘 要：以廢棄物香菇柄為原料，采用微波輔助酶法提取香菇柄可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）。通過單因素試驗(yàn)探討微波功率、微波時(shí)間、酶解時(shí)間、復(fù)合酶添加量對(duì)SDF提取率的影響;選取對(duì)SDF提取率影響較大的因素進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化分析并確定最佳工藝參數(shù)。結(jié)果表明，在微波功率400W、微波時(shí)間4min、酶解時(shí)間1.3h、復(fù)合酶添加量0.5%條件下，SDF的提取率達(dá)到14.22%，與模型理論預(yù)測值基本相符，該研究可為廢棄物香菇柄的綜合利用及SDF的提取提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：響應(yīng)面法;微波;酶;香菇柄;水溶性膳食纖維

中圖分類號(hào) TS201.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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，在我國廣泛種植，被稱為“第二大食用菌”。香菇不僅蛋白質(zhì)、膳食纖維、礦物質(zhì)含量豐富，同時(shí)富含香菇多糖、香菇核酸、香菇多肽等多種活性物質(zhì)，具有抗菌消炎、降膽固醇、提升免疫力等藥用價(jià)值[1]，因此香菇被稱為“藥食同源”類食物，在中國深受廣大消費(fèi)者喜愛。香菇中菇柄量約占子實(shí)體的25%，其中營養(yǎng)成分及纖維的含量較其他食物高很多[2]，然而在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，香菇柄因質(zhì)地偏硬，口感粗糙而不能被很好的應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域，大部分都被作為廢棄物所丟棄，造成極大的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染。研究表明，香菇柄中膳食纖維含量豐富[3]，是一種綠色天然、來源廣泛且價(jià)格低廉的潛在膳食纖維資源。目前的研究主要傾向于香菇傘的食品加工，關(guān)于香菇柄綜合利用的研究卻鮮見報(bào)道。

膳食纖維被稱為“第七大營養(yǎng)素”，在自然界中廣泛存在。膳食纖維根據(jù)其物理性能的不同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），其中SDF具有較高的持水力（WHC）、持油力（OHC）和膨脹力（SC）和較強(qiáng)的抗氧化活性[4]，SDF不僅在維持膳食平衡方面發(fā)揮重要作用，而且在預(yù)防結(jié)腸癌、心血管疾病和降低膽固醇等方面具有重要的生理功能，同時(shí)還可降低血液膽固醇和甘油三酯含量、減緩小腸對(duì)葡萄糖的吸收速率，進(jìn)而預(yù)防糖尿病的發(fā)生[5]，在降血壓、降低膽固醇，抗腫瘤、預(yù)防癌癥、消炎等方面具有良好的功效。相關(guān)資料顯示，SDF成分含量應(yīng)達(dá)10%以上，方可使產(chǎn)品有較好的品質(zhì)，如此才具備較強(qiáng)的生理活性和保健功能[6]?？梢?，SDF是影響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提取率的有效途徑。

目前對(duì)于不同來源的水溶性膳食纖維的提取技術(shù)有物理法、化學(xué)法、生物酶法和微生物發(fā)酵法[7]。化學(xué)法提取膳食纖維工藝較為成熟，但是使用化學(xué)法提取可能會(huì)導(dǎo)致膳食纖維的分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致部分營養(yǎng)功能失效[8]，并且還會(huì)造成環(huán)境污染[9]。微生物發(fā)酵法能夠明顯提高產(chǎn)品中SDF的含量，使其功效更加均衡，且相對(duì)環(huán)保，但是發(fā)酵時(shí)間較長，產(chǎn)物難以分離。物理法和生物酶法因無化學(xué)溶劑的殘留，是綠色環(huán)保的膳食纖維提取工藝，被專家和學(xué)者廣泛采用。微波是一種能夠穿透介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的高頻電磁波，其電磁波的能量能夠被物料吸收，并且物料的細(xì)胞內(nèi)部溫度因吸收大量電磁波能量而上升，并致使分子間化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，分子間通過相互擠壓，促使物料微孔隙的形成，比表面積增大，達(dá)到改善物料性能的作用[10]。微波輔助提取技術(shù)在食品工業(yè)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用到提取薄荷、海藻等有效成分的生產(chǎn)中[11]。本研究通過微波輔助酶法提取香菇柄中SDF，采用響應(yīng)面優(yōu)化最佳提取工藝，旨在提高廢棄物香菇柄的資源利用率和附加值，并為膳食纖維的提取工藝提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑 香菇柄，黃山市徽珍食品有限公司生產(chǎn)加工下腳料;纖維素酶（10萬u/g），寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司;α-淀粉酶（10萬u/g），河南安銳生物科技有限公司;95%乙醇，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備 BSA-124S型電子天平，廣州標(biāo)格達(dá)實(shí)驗(yàn)室儀器用戶有限公司;HH-6S型數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市杰瑞爾電器有限公司;R6S-GF23型微波爐，格蘭仕電器有限公司;800型離心分離機(jī)，北京醫(yī)用離心機(jī)廠;FW135中草藥粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司;XMTA-608電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海佳勝實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 工藝流程 香菇柄預(yù)處理→烘干→粉碎→微波處理→酶解→離心→95%乙醇沉淀→離心→干燥→恒重，稱量→SDF。

1.4 操作要點(diǎn) （1）香菇柄預(yù)處理：選取無霉變的香菇柄去除根蒂，清洗干凈;（2）烘干、粉碎：將香菇柄放置于電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行烘干，設(shè)置溫度為60℃，干燥時(shí)長設(shè)為8h。將烘干后的香菇柄放入粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎，過60目篩后密封保存;（3）微波處理：以蒸餾水為溶劑，稱取粉碎后的2.0g香菇柄粉末，按照料液比1∶10（g/mL）添加筍衣粉末，混合攪拌均勻;（4）微波處理：將溶質(zhì)置于微波爐中，調(diào)節(jié)微波功率范圍在300～500W，控制微波時(shí)間在1～9min;（5）酶解：加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的復(fù)合酶（復(fù)合酶的質(zhì)量比值為纖維素酶∶α淀粉酶=1∶3），置于60℃恒溫水浴鍋中水浴加熱，水浴30min～150min后滅酶;（6）離心：將所得混合溶液放入離心機(jī)中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速4000r/min，離心30min，并且將殘?jiān)谜麴s水和無水乙醇洗滌，收集洗滌液;（7）醇沉：按照體積比為1∶4的比例，加入95%乙醇溶液，充分反應(yīng)，常溫下靜置6h，得到了SDF絮狀沉淀物;（8）離心：將靜置后的溶液恒重后對(duì)稱放入離心機(jī)中，離心30min，調(diào)節(jié)離心機(jī)轉(zhuǎn)速4000r/min，最后去除上清液，保留底部沉淀物;（9）干燥，恒重：設(shè)置干燥箱溫度為65℃，將所得沉淀物進(jìn)行烘干，恒重，即得SDF。

1.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.5.1 單因素試驗(yàn) 參照1.3工藝流程及1.4操作要點(diǎn)，以SDF提取率為考察指標(biāo)，分別探討微波功率（300、350、400、450、500W）、微波時(shí)間（1、3、5、7、9min）、酶解時(shí)間（0.5、1、1.5、2、2.5h）、復(fù)合酶用量（0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%）4個(gè)單因素對(duì)SDF提取率的影響。

1.5.2 Box-Behnken響應(yīng)面法試驗(yàn) 利用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，基于單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選擇對(duì)SDF影響較大的3個(gè)因素即微波功率（A）、微波時(shí)間（B）、酶解時(shí)間（C）為自變量，將SDF提取率設(shè)定為響應(yīng)值，依據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，利用Design-Expert 8.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合分析，并對(duì)SDF的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)因素和水平表見表1。

1.7 數(shù)據(jù)處理 每組試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)操作以提升結(jié)果的可靠性。運(yùn)用Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與繪制，運(yùn)用Design-Expert 8.0進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)與結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 微波功率對(duì)SDF提取率的影響 由圖1所示，在其他條件一定時(shí)，由低到高調(diào)節(jié)微波功率，觀察到SDF的提取率有先上升后下降的走向。當(dāng)微波功率設(shè)置范圍在300～400W時(shí)，SDF提取率呈現(xiàn)繼續(xù)增加趨勢;當(dāng)設(shè)置微波功率在400W時(shí)，在這條件下SDF提取率最大;當(dāng)微波功率超過400W時(shí)，SDF提取率呈現(xiàn)出小幅度降低的趨勢，導(dǎo)致這一結(jié)果的可能原因是微波功率過高，溶液的溫度會(huì)迅速增加，會(huì)對(duì)分子具有一定的破壞作用，導(dǎo)致提取率下降[12]。因此，選擇在350～450W范圍的微波功率較為適宜。

2.1.2 微波時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響 由圖2所示，當(dāng)其它影響因素恒定時(shí)，調(diào)節(jié)微波時(shí)間，觀察到SDF提取率出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。微波時(shí)間范圍在1～3min內(nèi)時(shí)，SDF提取率出現(xiàn)較快的增長趨勢;微波時(shí)間為5min時(shí)，SDF提取率最大;微波時(shí)間超過5min時(shí)，SDF提取率略微減少，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的可能原因是隨著微波時(shí)間的增加，加熱時(shí)間的延長，導(dǎo)致部分SDF結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)SDF提取率有降低現(xiàn)象[13]。因此，選擇在3～7min范圍的微波時(shí)間較為適宜。

2.1.3 酶解時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響 由圖3所示，酶解時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響較大，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。設(shè)置酶解時(shí)間為1～1.5h時(shí)，SDF提取率出現(xiàn)快速上升的趨勢;設(shè)置酶解時(shí)間為1.5h，在此條件下SDF的提取率最大，這是因?yàn)槊概c底物反應(yīng)充分導(dǎo)致SDF提取率增加;當(dāng)酶解時(shí)間為1.5～2h時(shí)，SDF提取率出現(xiàn)一定程度的下降趨勢，分析原因可能是過長的酶解時(shí)間使得纖維素酶降解纖維素，從而SDF的溶解度增加，導(dǎo)致SDF提取率稍微降低[14]。所以，酶解時(shí)間選擇1～2h較為適宜。

2.1.4 復(fù)合酶添加量對(duì)SDF提取率的影響 由圖4可以觀察到，復(fù)合酶的添加量對(duì)SDF提取率存在一定程度的影響。SDF提取率隨著復(fù)合酶添加量的增加而呈現(xiàn)持續(xù)上升而后平緩的現(xiàn)象。當(dāng)復(fù)合酶添加量從0.2%增加至0.5%時(shí)，SDF提取率出現(xiàn)不斷增加走向，當(dāng)增加復(fù)合酶添加量到0.5%時(shí)，SDF提取率最大，分析原因可能是過量的復(fù)合酶繼續(xù)發(fā)揮作用于SDF，導(dǎo)致產(chǎn)物減少[15]?？紤]到試驗(yàn)的可操作性及簡便性，確定復(fù)合酶添加量為0.5%。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，使用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和線性回歸分析，獲得了1個(gè)關(guān)于SDF的提取率與微波功率（A）、微波時(shí)間（B）、酶解時(shí)間（C）3因素的二次線性回歸方程：Y=14.21-0.15A-0.77B-0.47C+0.095AB+0.43AC+0.086BC-1.68A2-1.42B2-1.58C2。

2.3 回歸模型方差分析 通過表3可知，回歸模型p<0.0001，呈現(xiàn)極顯著差異，說明回歸模型對(duì)香菇柄SDF提取率有很好的預(yù)測性。失擬項(xiàng)P值差異不顯著（P=0.9492），說明此試驗(yàn)下建立的模型擬合效果較好;本模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.9036以及校正相關(guān)系數(shù)R2Adj=0.9195都接近于1，均說明該響應(yīng)值有較高的可信度，應(yīng)用到試驗(yàn)中具有很高的成功率，可用此模型來分析預(yù)測微波輔助酶提取香菇柄SDF。此外，可以觀察到模型的一次項(xiàng)B和二次項(xiàng)A2、B2及C2的P值均小于0.01，表明影響極顯著。由顯著性檢驗(yàn)F、P值的大小得出各因素對(duì)SDF提取率影響的順序分別為微波時(shí)間（B）>酶解時(shí)間（C）>微波功率（A），其中微波時(shí)間（B）對(duì)SDF提取率影響極顯著（P<0.01），酶解時(shí)間（C）對(duì)SDF提取率影響顯著（P<0.05），各因素之間的交互作用影響呈現(xiàn)不顯著（P>0.05），A2、B2、C2對(duì)SDF提取率的影響極顯著（P<0.01）。

2.4 優(yōu)化結(jié)果及驗(yàn)證試驗(yàn) 根據(jù)二次線性回歸方程的分析結(jié)果，確定香菇柄SDF最佳提取工藝條件為：微波功率為401W，微波時(shí)間為3.89min，酶解時(shí)間為1.34h，在此時(shí)提取率為14.36%。為提升試驗(yàn)可操作性，調(diào)整提取條件為：微波功率為400W，微波時(shí)間4min，酶解時(shí)間為1.3h，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)（n=3），SDF提取率為14.22%，與理論預(yù)測值相對(duì)誤差為0.97%，說明回歸模型與實(shí)際情況可以較好的擬合，同時(shí)也說明Box-Behnken設(shè)計(jì)響應(yīng)面法得到的微波輔助酶法提取香菇柄SDF最佳工藝條件準(zhǔn)確且有一定的可行性。

2.5 響應(yīng)面圖形分析 各種因素之間的相互作用和對(duì)預(yù)報(bào)值的影響關(guān)系可以通過三維響應(yīng)面圖和輪廓反映，若是曲面較為緩和則表明該影響不明顯，曲面若是陡峭則說明該影響較為顯著。圖5呈現(xiàn)的是微波功率（A）和微波時(shí)間（B）對(duì)香菇柄SDF提取率的交互影響，曲線較陡，隨著微波功率和微波時(shí)間的增加香菇柄SDF提取率不斷上升，當(dāng)達(dá)到一定功率及時(shí)間時(shí)香菇柄SDF提取率呈下降趨勢，這說明功率過高或者微波時(shí)間過長對(duì)SDF的提取是不利的。圖6和圖7結(jié)果顯示，等高線近似圓形，BC、AC的曲線峰較為平緩，交互作用不顯著。根據(jù)曲面陡峭程度可以判斷B對(duì)響應(yīng)值影響最顯著，其次是C，A，這與表3的方差結(jié)果分析相吻合。

3 結(jié)論

以廢棄香菇柄為原料，通過微波輔助酶法提取香菇柄SDF。在單因素的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法對(duì)微波輔助酶法提取香菇柄SDF的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳工藝條件為：微波功率400W，微波時(shí)間4min，酶解時(shí)間1.3h，復(fù)合酶添加量0.5%;在此條件下進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)（n=3），SDF提取率為14.22%，與理論預(yù)測值14.36%的相對(duì)誤差為0.97%，說明回歸模型與實(shí)際擬合情況良好。采用Box-Behnken設(shè)計(jì)響應(yīng)面法優(yōu)化方案得到的香菇柄SDF最佳工藝條件準(zhǔn)確，且具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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（責(zé)編：王慧晴）