響應面法優化油莎豆粕低聚糖的提取工藝

田曉琳，張國權*

1. 山西師范大學食品科學學院（臨汾 041000）；2. 西北農林科技大學食品科學與工程學院（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、北美和南美等國家和地區[2-4]，在中國有16個省區也有種植[5]。油莎豆含20%～30%油脂、5%～10%蛋白質、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[3,5-7]，是一種優質、高產、綜合利用價值很高的植物油料資源[5]。

油莎豆主要用于榨油，副產品油莎豆粕仍有較高的利用價值，目前對其食品領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，鮮有對油莎豆低聚糖的研究。試驗采用乙醇為溶劑對油莎豆粕中的低聚糖進行浸提，并通過響應面分析法優化工藝條件，以期為油莎豆的綜合開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

油莎豆，市售；重蒸酚、濃硫酸、葡萄糖標品、無水乙醇，分析純。

1.2 儀器設備

LH 188型智能家用榨油機，佛山市南海莉華電子科技有限公司；FW 100高速萬能粉碎機：天津泰斯特儀器有限公司；UVmini-1240型紫外分光光度計：日本島津公司；KW-1000 DC型數顯恒溫水浴鍋：國華電器有限公司。

1.3 試驗方法

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80目篩，裝自封袋4 ℃保存備用。

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倍體積無水乙醇醇沉24 h（去除多糖及蛋白質）→離心取上清液→旋蒸濃縮→油莎豆粗低聚糖溶液

1.3.1.3 提取工藝參數選擇

以低聚糖提取率為指標，選取液料比、乙醇體積分數、提取時間和提取溫度4個因素進行單因素試驗。

1.3.2 低聚糖含量測定

1.3.2.1 低聚糖含量測定方法

采用苯酚-硫酸法[14]測定低聚糖含量。

1.3.2.2 葡萄糖標準曲線繪制

稱取1.00 g葡萄糖（于105 ℃干燥至恒質量）溶于去離子水，定容至100 mL，即得100 μg/mL標準葡萄糖溶液。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標準葡萄糖溶液于試管，以去離子水定容至1.0 mL，即得不同質量濃度葡萄糖標準溶液（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波長處測定其他各管溶液的吸光度，以葡萄糖濃度為橫坐標，490 nm處吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。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為溶液中葡萄糖質量濃度，μ g/mL。

1.3.3 優化試驗設計

根據Design-Expert 8.0軟件，采用BBD建立數學模型，以液料比X1、乙醇體積分數X2、提取時間X33個因子為自變量（經單因素試驗，不對提取溫度進行優化處理），按方程X=（Xi-X0）/2對自變量進行編碼。以低聚糖提取率為響應值，建立回歸方程模型，見表1。

表1 Box-Behnken試驗因素及編碼水平

1.3.4 數據處理

數據采用Design-Expert 8.0軟件進行方差分析及顯著性檢驗，采用QriginPro 9.0軟件進行圖表處理。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 液料比的選擇

由圖1可知，當液料比在12︰1～20︰1（mL/g）變化時，隨著提取溶劑比例的增加，提取率增大，當液料比達到18︰1～20︰1（mL/g）時，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]，當達到18︰1（mL/g）時已基本將低聚糖溶出，繼續增大液料比沒有實際意義，故選擇液料比18︰1（mL/g）為宜。

圖1 液料比對低聚糖提取率的影響

2.1.2 乙醇體積分數的選擇

由圖2可知，當乙醇體積分數在30%～70%變化時，低聚糖提取率隨乙醇體積分數增加呈現先增加后減少的趨勢，當乙醇體積分數為40%時，低聚糖提取率最高?？赡茉蚴且掖俭w積分數較高（＞40%）會導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]。故選擇乙醇體積分數40%為宜。

圖2 乙醇體積分數對低聚糖提取率的影響

2.1.3 提取時間的選擇

由圖3可知，當提取時間在20～60 min變化時，提取率隨提取時間的增加呈現先增加后減少的趨勢。當提取時間為30 min時，低聚糖提取率最高?？赡茉蚴翘崛r間過長會導致低聚糖水解，使其得率降低[15]。故選擇提取時間30 min為宜。

圖3 提取時間對低聚糖提取率的影響

2.1.4 提取溫度的選擇

由圖4可知，提取溫度對低聚糖提取率影響不大。因此，在后續優化的時候對溫度條件不再做優化處理。從節約能源及簡化提取工藝角度，選擇40 ℃的條件進行固定。

圖4 提取溫度對低聚糖提取率的影響

2.2 油莎豆低聚糖提取工藝參數的優化

以油莎豆粕低聚糖提取率為響應值，選取液料比（X1）、乙醇體積分數（X2）、提取時間（X3）進行三因素三水平試驗，模型共設15個試驗點，結果見表2。

表2 響應面試驗方案及結果

2.2.1 回歸模型的建立

對表2試驗結果進行多元回歸擬合，得油莎豆低聚糖提取率Y對液料比（X1）、乙醇體積分數（X2）、提取時間（X3）的二次多項式回歸模型：

表3 回歸分析結果

由回歸模型方差分析結果可知，模型p=0.000 3＜0.01，高度顯著，失擬項p=0.115 9＞0.05不顯著，表明所建立的回歸二次模型成立，可用此模型來分析和預測低聚糖提取工藝參數。模型中X1、X2、X2X3、X22對油莎豆低聚糖提取率的影響高度顯著。確定系數R2=0.988 4，證明模型與真實試驗擬合度好；R2Adj=0.967 8，表明可以解釋96.78%的響應值變化。各因素一次項F值越大，表明對提取率的影響越顯著，影響程度依次為液料比＞浸提時間＞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，即乙醇體積分數＞液料比＞提取時間。

2.2.2 響應面分析

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

2.3 驗證性試驗

通過Design-Expert 8.0分析，獲得最佳工藝參數，因素X1、X2、X3代碼分別為0.994，-0.32和0.804，轉化為實際參數為19.988︰1（mL/g），39.36%和31.608 min，預測提取率為17.878 4%。為了驗證回歸模型所得結果與實際值的符合程度，在實際試驗中將參數修正為液料比20︰1（mL/g）、乙醇體積分數39.4%、提取時間31.6 min，在此條件下得油莎豆低聚糖提取率為17.82%，比預測值略降低，但相差不大。

圖5 液料比與乙醇體積分數對低聚糖提取率影響的響應面與等值線圖

圖6 乙醇體積分數與提取時間對低聚糖提取率影響的響應面與等值線圖

圖7 液料比與提取時間對低聚糖提取率Y影響的響應面與等值線圖

3 結論

在單因素試驗的基礎上，結合Box-Behnken分析，建立了響應面優化乙醇浸提法提取油莎豆低聚糖的二次多項式數學模型。結果表明，對低聚糖提取率影響從大到小的的順序依次為：乙醇體積分數、液料比、提取時間。最佳的提取工藝條件為液料比20︰1（mL/g）、乙醇體積分數39.4%、提取時間31.6 min，此時油莎豆低聚糖提取率為17.82%，與預測值相對誤差較小，說明優化得到的模型準確、可靠。該試驗為進一步深入研究油莎豆低聚糖提供了參考依據。