響應(yīng)面法優(yōu)化紫果西番蓮果皮可溶性膳食纖維脫色工藝研究
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虞小珊1，3，張豐進(jìn)2，3，蔣琳蘭1，2，3*
1廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院藥學(xué)部(廣州510010))；2．廣州中醫(yī)藥大學(xué)(廣州510405)；
3．華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院（廣州510640）
摘要優(yōu)化紫果西番蓮果皮可溶性膳食纖維的脫色工藝。通過(guò)Box-Benheken響應(yīng)面分析法，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以脫色pH、流速、高徑比為自變量，分別以多糖保留率與脫色率為響應(yīng)值，將D301R大孔樹(shù)脂對(duì)西番蓮果皮可溶性膳食纖維的脫色工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后的最佳脫色工藝條件為：脫色pH 3.34，流速1.36 BV/h,高徑比11.8，此時(shí)多糖保留率為83.59%,混合脫色率為75.90%。響應(yīng)面法優(yōu)化西番蓮果皮SDF脫色參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞 西番蓮；可溶性膳食纖維；脫色：大孔樹(shù)脂：響應(yīng)面法
西番蓮為西番蓮科多年生常綠攀緣木質(zhì)藤本植物，原產(chǎn)南美巴西、巴拉圭等地，現(xiàn)廣泛分布于世界熱帶和亞熱帶地區(qū)。西番蓮果皮含量約為45%～55%，含有豐富的膳食纖維，研究表明膳食纖維尤其是可溶性膳食纖維具有防治糖尿病、結(jié)腸癌、心血管疾病等功能。但西番蓮可溶性膳食纖維中色素容易造成產(chǎn)品粗糙、顏色變黑等問(wèn)題，而且由于我國(guó)特有的飲食特點(diǎn)和飲食習(xí)慣，消費(fèi)者對(duì)食物的顏色要求較高，不便于作為功能性食品原料進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)，因此膳食纖維需要經(jīng)過(guò)脫色處理才能應(yīng)用于食品當(dāng)中。
脫色方法一般有活性炭吸附、雙氧水氧化法、大孔樹(shù)脂法等�；钚蕴糠撋珪r(shí)間較長(zhǎng)；雙氧水法容易破壞多糖結(jié)構(gòu)，影響其活性。大孔吸附樹(shù)脂是一類(lèi)具有大孔結(jié)構(gòu)、不溶于水、不可解離基團(tuán)的高分子固體物質(zhì)，比表面積大，通過(guò)物理吸附可以從溶液中選擇性地富集有機(jī)物，應(yīng)用于成分提取分離，有效用于改善產(chǎn)品的外觀。經(jīng)前期研究所得，在綜合考慮脫色率、多糖保留率和蛋白去除率，D301R陰離子樹(shù)脂較其他脫色劑有優(yōu)勢(shì)，因此被選擇作為脫色劑用于西番蓮果皮SDF的脫色試驗(yàn)。
試驗(yàn)對(duì)西番蓮果皮可溶性膳食纖維采用響應(yīng)面優(yōu)化樹(shù)脂法脫色，確定最佳脫色工藝，為進(jìn)一步研究可溶性膳食纖維脫色工藝奠定基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1材料與儀器
紫果西番蓮果皮由廣東省梅州市五華縣水寨騰驪公司提供，由廣東省藥學(xué)院田素英教授鑒定為西番蓮科( Passifloraceae)西番蓮屬（Passiflora）紫果西番蓮（Pass/f/ora edulis）的果皮；檸檬酸（藥品級(jí)）：山東新寧制藥有限公司；耐高溫a-淀粉酶、木瓜蛋白酶：阿拉丁試劑；其他試劑均為分析純。
1.5 cm ×30 cm層析柱：上海達(dá)豐玻璃儀器廠；大孔樹(shù)脂：廣州齊云生物有限公司；SHZ-DⅢ循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；PHS-3D型pH計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；YPJ-337型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：北京萊伯泰科儀器有限公司；BP210S型分析天平：Sartorius公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋：金壇市富華儀器有限公司。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1 D301R大孔樹(shù)脂的預(yù)處理
用水浸泡24 h，水洗至水液澄清，傾去水后加1 mol/L鹽酸溶液浸泡24 h，水洗至中性，加1 mol/LNa OH溶液浸泡24 h，水洗至中性。試驗(yàn)前0.5 h向?qū)游鲋屑尤?0 m L去離子水，充分濕潤(rùn)柱子，將處理過(guò)的樹(shù)脂連水加入柱中，在裝柱及之后的過(guò)程中，必須使樹(shù)脂層始終浸泡在液面下約1 cm處，放出多余的水，為防止以后加SDF水溶液時(shí)樹(shù)脂被沖起，在上面
鋪一層脫脂棉。
1.2.2西番蓮可溶性膳食纖維的制備
取50 g果皮粉末置于2L燒杯中，按1：30(g／m L)加入3%檸檬酸溶液，超聲提取30 min，調(diào)節(jié)pH至6.23，加入100 VL耐高溫a-淀粉酶，于85 ℃水浴20min，冷卻至65℃，加入50 mg/m L木瓜蛋白酶溶液lm L，65℃水浴30 min，冷卻過(guò)濾，濾液濃縮后用4倍體積的95%乙醇沉淀，沉淀干燥粉碎后得SDF。
1.2.3動(dòng)態(tài)吸附脫色過(guò)程
以動(dòng)態(tài)法測(cè)定D301R樹(shù)脂對(duì)西番蓮果皮SDF水溶液的脫色能力。使用內(nèi)徑為15 mm、柱高為300 mm交換柱，裝入樹(shù)脂。SDF溶液以一定流速通過(guò)交換柱，自動(dòng)部分收集器定體積收集，測(cè)定流出液達(dá)到某一體積時(shí)[0.25 BV( 3.5 m L)，0.5 BV( 7.0 m L)，0.75BV(10.5 m L),1.0 BV(14.0 m L),2.0 BV( 28.0m L),3.0 BV (42.0 m L),4.0 BV( 56.0 m L),5.0BV( 70.0 m L)]時(shí)的即時(shí)吸光度、整個(gè)流出液的混合吸光度以及多糖含量，并計(jì)算出即時(shí)脫色率，混合脫色率和多糖保留率。
1.2.4響應(yīng)面試驗(yàn)
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)西番蓮果皮可溶性膳食纖維脫色工藝進(jìn)行優(yōu)化，以多糖保留率和混合脫色率(Y)為響應(yīng)值，對(duì)脫色pH、流速、高徑比3個(gè)因素設(shè)計(jì)3因素3水平的Box-Behnken中心組合試驗(yàn)。Box-Behnken中心組合試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。
1.2.5評(píng)價(jià)脫色效果的指標(biāo)及其測(cè)定方法學(xué)建立
1.2.5.1脫色率
1.2.5.1.1 即時(shí)脫色率
在某一時(shí)間點(diǎn)，由層析柱流出溶液的瞬時(shí)吸光度而計(jì)算出的脫色率。
在某一時(shí)間點(diǎn)，由層析柱濾液收集器中溶液的混合吸光度而計(jì)算出的脫色率。
脫色效果評(píng)價(jià)指數(shù)(DI)=50%脫色率+50%多糖保留率 (4)
2結(jié)果與分析
2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1.1上柱液pH對(duì)脫色效果的影響
如圖1和圖2所示，隨著處理量的增加，即時(shí)脫色率和混合脫色率有著相似的變化規(guī)律，即隨著處理量的增加，果皮SDF的脫色率持續(xù)降低，但前后變化率有所不同，在處理量小于2 BV時(shí)，其變化率較大，當(dāng)處理量大于2 BV時(shí)，變化較為緩和，所以在后續(xù)試驗(yàn)中選擇處理量為2 BV。
由圖3可知，在D301R陰離子樹(shù)脂吸附過(guò)程中，不同pH西番蓮果皮SDF溶液多糖保留率隨處理量的變化趨勢(shì)相同，即隨著處理量的增加，多糖保留率逐步降低，當(dāng)BV=2時(shí)多糖保留率達(dá)到一個(gè)極值85.63%，后隨著處理量的繼續(xù)增加，經(jīng)過(guò)一個(gè)平臺(tái)期后繼續(xù)降低，且降幅有所變化。與脫色率變化趨勢(shì)相同的是，當(dāng)pH 1和pH 7時(shí)的多糖保留率明顯低于pH 3和pH 5時(shí)的多糖保留率，但不隨著處理量的增加而改變。
從圖4和圖5中可以發(fā)現(xiàn)，隨著處理量的增加，即時(shí)脫色率和混合脫色率都減小，且二者有著相似的變化規(guī)律。隨著流速的增加脫色率逐步降低，如當(dāng)BV=4時(shí)，流速由小至大的4個(gè)樣品的即時(shí)脫色率分別為71.44%，66.67%，64.41%和63.08%．混合脫色率分別是73.8 7%，70.31%，66.52%和63.88%。這一現(xiàn)象可以從吸附理論得到解釋?zhuān)魉僭铰�，有利于上柱液中色素分子與樹(shù)脂表面充分進(jìn)行粒擴(kuò)散和膜擴(kuò)散，使色素分子充分被樹(shù)脂吸附，同時(shí)，流速過(guò)快，液膜阻力降低，使樹(shù)脂交換容量降低，從而降低吸附柱的柱效率。
增加高徑比，使得溶液和大孔樹(shù)脂之間的接觸時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而使吸附交換效率增加，使脫色效果顯著增強(qiáng)。正如圖7和圖8所示，隨著樣品溶液處理量的加大，脫色率不斷減小，高徑比為8和10時(shí)，脫色率改變不大，而當(dāng)高徑比為12時(shí)，脫色率顯著增強(qiáng)，可見(jiàn)當(dāng)高徑比12時(shí)，用樹(shù)脂交換柱進(jìn)行脫色效率最高。從樣品處理量方面來(lái)看，當(dāng)處理相同量的樣品溶液時(shí)，高徑比越大，交換柱效率越高，而且脫色效果隨著溶液處理量的增加而減小。
2.2 Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化西番蓮果皮SDF的脫色工藝及結(jié)果
2.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果
試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果參見(jiàn)表1和表2。
2.2.2.1響應(yīng)值為多糖保留率的回歸擬合與分析
對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得到pH(A)、流速(B)和徑高比(C)三個(gè)因素與多糖保留率y之間的二次多項(xiàng)回歸方程：
Y= 83.52+0.52A-0.65B-1.67C+0.21AB-0.082AC-0.017BC-0.61A2-0.60B2-0.48C2（式中：A, pH; B,流速，BV/h；C，徑高比）
回歸方程中各變量對(duì)響應(yīng)值影響的顯著性由F檢驗(yàn)來(lái)判定，p值越小，則相應(yīng)變量的顯著程度越高。經(jīng)方差分析可知，模型p <0.000 1，為極顯著；失擬項(xiàng)p=0.290 1不顯著，說(shuō)明此模型模擬可靠；模型相關(guān)系數(shù)R2=0.984 5，說(shuō)明響應(yīng)值的變化有98.45%來(lái)源于所選變量，模型擬合度很好。該模型能夠很好地解釋響應(yīng)值的變化，方法可靠，得到的回歸方程模擬真實(shí)的3因素3水平的分析是可行的。由表3可以看出，方程中A、B、C、A2、B2和C2均為顯著性影響因素，可見(jiàn)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，二次項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值也有很大的影響，交互項(xiàng)作用的影響也較大。在各影響因素中，徑高比(C)的影響最大，其次是流速(B)和pH (A)，3個(gè)因素對(duì)西番蓮果皮SDF脫色過(guò)程中多糖保留率影響程度為：徑高比>流速>pH�；貧w方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.984 5．表明回歸方程擬合程度良好，可以較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系，可以利用該回歸方程確定最佳條件。
2.2.2.3 響應(yīng)值為混合脫色率的回歸擬合與分析
對(duì)表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得到pH(A)、流速(B)和徑高比(C)三個(gè)因素與混合脫
色率Y間的二次多項(xiàng)回歸方程：
Y=75.25+0.44A-0.72B+2.5 9C -0.060AB-0.05 3AC -0.42BC-0.64A2-0.39B2-0.73C2（式中：A，Ph ; B，流速，BV/h；C，徑高比）
回歸方程中各變量對(duì)響應(yīng)值影響的顯著性由F檢驗(yàn)來(lái)判定，p的值越小，則相應(yīng)變量的顯著程度越高。經(jīng)方差分析可知，模型p <0.000 1，為極顯著；失擬項(xiàng)p=0.287 1不顯著，說(shuō)明此模型模擬可靠；模型相關(guān)系數(shù)R2=0.962 8，說(shuō)明響應(yīng)值的變化有96.28%來(lái)源于所選變量，模型擬合度很好。該模型能夠很好地解釋響應(yīng)值的變化，方法可靠，得到的回歸方程模擬真實(shí)的三因素三水平的分析是可行的。由上表可以看出，方程中A、B、C、BC、A2、B2和C2均為顯著性影響因素，可見(jiàn)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，二次項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值也有很大的影響，交互項(xiàng)作用的影響也較大。在各影響因素中，徑高比(C)的影響最大，其次是流速(B)和pH (A)，3個(gè)因素對(duì)西番蓮果皮SDF脫色過(guò)程中混合脫色率影響程度為：徑高比>流速>pH�；貧w方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.962 8，表明回歸方程擬合程度良好，可以較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系，可以利用該回歸方程確定最佳條件。
圖13～圖15是根據(jù)回歸分析結(jié)果做出曲面圖和等值線圖，可直觀反映各因素間交互作用對(duì)響應(yīng)值影響。通過(guò)比較可知，徑高比對(duì)西番蓮果皮SDF混合脫色率影響最為顯著，表現(xiàn)為曲面較陡；流速次之；pH相對(duì)影響較小，相應(yīng)表現(xiàn)為曲面較為平滑。由圖13～圖15可知，隨著流速的增大，脫色率逐漸降低；脫色率隨著徑高比的增加而減小。進(jìn)行分析計(jì)算后可知，當(dāng)pH 3.35，流速為1.00 BV/h，高徑比14時(shí)混合脫色率最大，為77.95%。
綜合考慮多糖保留率和脫色率，當(dāng)pH 3.34，流速為1.36 BV/h，高徑比為11.8時(shí)，工藝效率最高，此時(shí)的多糖保留率為83.59%，混合脫色率為75.90%，收益達(dá)到最大化。
驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。5次平行試驗(yàn)得到的平均脫色率為70.15%，實(shí)際值達(dá)到理論預(yù)測(cè)值的92.42%;得到的平均多糖保留率為81.23%，實(shí)際值達(dá)到理論預(yù)測(cè)值的97.18%。因此，響應(yīng)面法優(yōu)化西番蓮果皮SDF脫色參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
D301R陰離子樹(shù)脂動(dòng)態(tài)吸附單因素試驗(yàn)表明，脫色溶液pH、流速和高徑比是影響西番蓮果皮SDF脫色效果的重要因素。具體表現(xiàn)在：隨著溶液處理量的增加，脫色率和多糖保留率明顯下降；pH 3與pH 5時(shí)的脫色率和多糖保留率均高于pH 1與pH 7時(shí)的脫色率和多糖保留率；脫色率隨著溶液流速的增大而減小，而多糖保留率則隨著溶液流速的增大而增大；脫色率隨著樹(shù)脂填充徑高比的增大而增大，而多糖保留率則隨著樹(shù)脂填充徑高比的增大而減小。
試驗(yàn)中3個(gè)因素對(duì)西番蓮果皮SDF脫色過(guò)程中多糖保留率影響程度為：徑高比 >流速>pH，當(dāng)pH3.42，流速為1.55 BV/h，高徑比為10時(shí)，多糖保留率最高，為84.98%;對(duì)西番蓮果皮SDF脫色過(guò)程中混合脫色率影響程度也為：徑高比>流速>pH，當(dāng)pH3.35，流速為1.00 BV/h．高徑比14時(shí)混合脫色率最大，為77.95%;綜合考慮多糖保留率和混合脫色率，當(dāng)pH 3.34，流速為1.36 BV/h，高徑比為11.8時(shí)，工藝效率最高，此時(shí)的多糖保留率為83.59%，混合脫色率為75.90%，收益達(dá)到最大化。
驗(yàn)證試驗(yàn)表明，5次平行試驗(yàn)得到的平均脫色率為70.15%，實(shí)際值達(dá)到理論預(yù)測(cè)值的92.42%;得到的平均多糖保留率為81.23%，實(shí)際值達(dá)到理論預(yù)測(cè)值的97.18%。因此，響應(yīng)面法優(yōu)化西番蓮果皮SDF脫色工藝準(zhǔn)確、可靠，具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
西番蓮果皮占整果質(zhì)量的45%～55%，在大量的西番蓮果汁加工中成為副產(chǎn)物，造成了資源的極大浪費(fèi)和環(huán)境的污染。對(duì)其中膳食纖維的利用，用利于充分利用其資源，保護(hù)環(huán)境，延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈。有研究發(fā)現(xiàn)，西番蓮果皮中的色素主要是黃酮活性成分，具有抗焦慮、鎮(zhèn)靜、減除煩躁，緩解壓力，改善睡眠，抗氧化等作用。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，紫果西番蓮果皮色素中含有大量花青素，花青素具抗氧化，增強(qiáng)血管彈性，改善循環(huán)系統(tǒng)和增進(jìn)皮膚的光滑度等作用，可以開(kāi)發(fā)為天然色素和抗氧化劑，應(yīng)用于食品和化妝品行業(yè)。西番蓮果皮膳食纖維脫色后，若再對(duì)其色素進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，提高西番蓮果皮的綜合利用價(jià)值，定會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，其發(fā)展前景非常廣闊。
