菜籽皮不溶性膳食纤维提取工艺.doc

1、1菜籽皮不溶性膳食纤维提取工艺的优化摘要：以菜籽皮为原料，采用氢氧化钠为溶剂，通过单因素试验和响应面分析法研究了料液比、氢氧化钠的浓度、温度和时间对菜籽皮不溶性膳食纤维得率的影响，优化了最佳工艺条件。结果表明：碱法提取菜籽皮不溶性膳食纤维的最佳提取工艺为料液比 1:17 (g/mL)、氢氧化钠浓度为 2.0 mol/L、温度为 50 、时间为 45 min，在此条件下不溶性膳食纤维得率为 65.92 %。关键词： 菜籽皮；不溶性膳食纤维；优化中图分类号:TS214. 2 文献标识码:A Optimization of the Extraction of Water Insoluble Diet

2、ary Fiber from Rapeseed hullAbstract：Water insoluble dietary fiber extracted from rapeseed hull by alkaline hydrolysis method and by using Sodium hydroxide (NaOH) as solution was studied. Effects of four crucial parameters (the ratio of material to solution, alkali concentration, temperature and tim

3、e) on extraction yield of water insoluble dietary fiber were investigated trough single-factor experiment method. Subsequently, a central composition experimental design was performed to attain the maximum extraction yield of water insoluble dietary fiber. Under the optimized conditions as follows:

4、the ratio of material to solution 1:17 alkali concentration 2 mol/L, temperature70 C and time 45 min, the yield of water insoluble dietary fiber was found to be 65.92%.Key words: rapeseed hull; water insoluble dietary fiber; optimization油菜是我国的重要农产品之一，总产量达到 1300 多万吨 1。油菜籽的皮中总纤维中含不溶性膳食纤维 47 %左右 2。粗略计算

5、，每年我国有废弃油菜籽皮达 156247 万吨，但现阶段尚没有得到合理的利用，对油菜籽皮的开发利用具有广阔的前景。膳食纤维有预防肥胖症 3、增强免疫、防止糖尿病 4、预防结肠癌、抑制有害菌 5，6 等作用。膳食纤维的提取方法主要有化学法 7，8 、酶法 9、超声波法 10和微波法 11等。目前利用油菜籽皮提取膳食纤维的研究还没有见文献报道。油菜籽皮原料来源方便，易于收集。以菜籽皮为原料采用化学法提取膳食纤维，探讨反应条件对膳食纤维提取的影响，提取条件简单，操作易工业化，具有很好发展前景。同时也对油菜产业的发展有着具有巨大的经济效益。1 材料与方法1.1 实验材料与仪器油菜籽皮，产自安徽芜湖；无

6、水乙醇、乙醚、氢氧化钠等均为分析纯，中国国药集团化学试剂有限公司。FA1004 电子分析天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；PHS-2F 型数字 pH 计： 上海精密科学仪器有限公司；SHB-型循环水式多用真空泵：郑州市上街华科仪器厂；HH-2 恒温水浴锅：金坛市杰瑞尔公司；L-550 台式低速大容量离心机：长沙湘仪离心机有限公司；WF-100 高速万能粉碎机：黄骅市振兴机电仪器厂。1.2 方法1.2.1 工艺流程预处理菜籽皮抽滤分离 不 溶 性膳食纤维滤 渣碱 解21.2.2 操作要点预处理：菜籽皮在 105 干燥箱中干燥 1 h，粉碎。用适量乙醚在室温下浸泡 3 h，用蒸馏水清洗残留的

7、有机溶剂后，抽滤、烘干，得脱脂样品。样品经粉碎过 60 目筛。碱解：称取 3 g（精确至 0.001）经处理的样品，加入 0.52.5mol/L 的氢氧化钠进行碱解，碱解后取出，冷却，抽滤，滤液备用，固体干燥后称重即为不溶性膳食纤维（IDF ） 。IDF 得率 (%)=（所得 IDF 质量/样品质量）1001.2.3 菜籽皮膳食纤维提取单因素实验1.2.3.1 料液比对得率的影响 称取一定量样品，按料液比为 1:8、1: 10、1:12、1: 15 和1:18（g/mL）加入 1.0 mol/L NaOH，在 50 水浴中碱解 60 min 后，调整 pH 为 7.0。抽滤，滤渣进行干燥，称重

8、。计算得率，比较料液比对得率的影响。1.2.3.2 氢氧化钠浓度对得率的影响 在料液比为 1:15 的条件下，分别采用0.5、1.0、1.5、2.0 和 2.5mol/L NaOH 进行碱解。比较浓度对得率的影响。其它操作同1.2.3.1。1.2.3.3 温度对得率的影响 在 30、40、50、60 和 70 水浴中碱解。比较温度对得率的影响。其它操作同 1.2.3.1。1.2.3.4 时间对得率的影响 碱解 30、45、60、75 和 90 min。比较时间对得率的影响。其它操作同 1.2.3.1。1.2.4 提取工艺的响应面优化试验在单因素研究的基础上，选以料液比（X 1） 、氢氧化钠的浓

9、度（ X2） 、温度（X 3）和时间 （ X4） 4个因素为自变量，以得率为响应值，根据 中心组合设计(CCD原理)设计响应面分析实验，其因素水平编码表见表1。表1 菜籽皮不溶性膳食纤维的提取试验因素水平及编码Table 1 Factors and levels in four-factor and three-level response surface analysis编码 料液比（ X1）/g/mLNaOH（X 2）/mol/L温度（X 3）/时间（X 4）/min-1 1:12 1.0 40 300 1:15 1.5 50 45+1 1:18 2.0 60 60注：按方程x i = (

10、Xi X0)/X 对自变量进行编码（x i 为自变量的编码值， Xi为自变量的真实值，X 0 为试验中心点处自变量的真实值，X 为自变量的变化步长）， i=1，2，3，4。1.3 试验设计与数据处理采用辅助软件 Design-Expert 7.1 Trial 数据处理方法。试验中所有处理均重复三次，取平均值。2 结果与分析32.1 菜籽皮膳食纤维提取单因素实验结果2.1.1 料液比对得率的影响Fig.1 Effects of material liquid ratio on yield of IDF Fig.2 Effects of NaOH concentration on yield of

11、 IDF 由图 1 可知，随着料液比的增加，不溶膳食纤维的得率先降低后增加。料液比在1:8 时得率较大，可能因为料液比过小，原料太多，使得原料在溶液中不能充分溶胀，影响了碱的水解作用，蛋白质水解不完全，造成得率出现假象最大值。而提取料液比过大，原料太少容易导致纤维素的水解。因此，料液比选择 1:121:18 为宜。本结果与郭金喜等 7采用化学法提取杏渣不溶性膳食纤维的料液比相似。2.1.2 氢氧化钠的浓度对得率的影响从图 2 可知，氢氧化钠的浓度为 0.5 mol/L 时，膳食纤维的得率较大，随着浓度由0.5 mol/L 增加至 2.5 mol/L 时，膳食纤维的得率呈先增加后下载的趋势。当浓

12、度为 1.5 mol/L 时，膳食纤维的得率最大。而在 0.5 mol/L 时，由于浓度过低，碱液无法与原料进行充分反应，造成了一种假象。因为菜籽皮中含有大量的不溶性膳食纤维，碱浓度过低，不溶性膳食纤维水解不完全，而当碱浓度超过一定值时，不溶性的膳食纤维进一步降解，生成分子量更低的小分子多糖、低聚糖或者单糖，使得得率反而有所降低。因此，氢氧化钠的浓度应选择 1.02.0 mol/L 为宜，本实验结果与花生壳不溶性膳食纤维的提取有相同的趋势 8。2.1.3 温度对得率的影响温度的变化对不溶性膳食纤维的得率影响显著，见图 3。随着碱解温度的升高，不溶性膳食纤维得率增加。当温度超过 50 时其得率达

13、最大值。随后温度继续增加，得率呈明显下降的趋势。因此，综合考虑后选择碱解温度为 4050 为宜。本实验结果与杨芙莲 12在文献中报道的结果基本一致。图 1 料 液 比 对 得 率 的 影 响dcdabbcda50.0055.0060.0065.0070.001:8 1:10 1:12 1:15 1:18 1:20料 液 比 / g/mL得率/%图 2 NaOH浓 度 对 得 率 的 影 响dbbca50.0055.0060.0065.000.5 1.0 1.5 2.0 2.5NaOH/ mol/L得率/%图 3 温 度 对 得 率 的 影 响cbabb50.0055.0060.0065.003

14、0.0 40.0 50.0 60.0 70.0温 度 / 得率/%图 4 时 间 对 得 率 的 影 响cbcbac50.0055.0060.0065.0030.0 45.0 60.0 75.0 90.0时 间 / min得率/%4Fig.3 Effects of temperature on yield of IDF Fig.4 Effects of extraction duration on yield of IDF2.1.4 时间对得率的影响据图 4 可知，随着碱解时间的变化，其不溶性膳食纤维的得率变化不明显。当时间为表 2 响应面实验设计及结果Table 2 Response sur

15、face central composition design arrangement and the test results得 率 Y（ %）实验序号料液比（X 1）NaOH 浓度（X 2）温 度（X 3）时 间（X 4） 实验值 预测值1 -1 -1 0 0 63.301.99 63.46 2 1 -1 0 0 60.400.40 60.60 3 -1 1 0 0 61.070.28 61.51 4 1 1 0 0 61.022.00 61.50 5 0 0 -1 -1 60.061.07 61.77 6 0 0 1 -1 64.700.35 65.02 7 0 0 -1 1 64.70

16、0.30 65.03 8 0 0 1 1 62.900.28 61.84 9 -1 0 0 -1 64.600.68 64.28 10 1 0 0 -1 63.001.00 62.69 11 -1 0 0 1 64.880.20 64.16 12 1 0 0 1 63.601.10 62.88 13 0 -1 -1 0 65.180.89 63.62 14 0 1 -1 0 60.221.06 59.71 15 0 -1 1 0 60.801.84 60.26 16 0 1 1 0 62.200.58 63.13 17 -1 0 -1 0 62.380.33 62.72 18 1 0 -1 0

17、 61.380.12 61.37 19 -1 0 1 0 62.430.03 62.84 20 1 0 1 0 60.971.21 61.32 21 0 -1 0 -1 63.320.94 63.30 22 0 1 0 -1 64.271.00 62.90 23 0 -1 0 1 61.701.33 63.46 24 0 1 0 1 62.400.40 62.81 25 0 0 0 0 65.900.68 66.39 26 0 0 0 0 66.800.64 66.39 27 0 0 0 0 66.700.56 66.39 28 0 0 0 0 66.980.69 66.39 29 0 0 0

18、 0 65.550.13 66.39 45.0 min 时，膳食纤维的得率达到最大值，继续延长碱解时间得率呈下降趋势，时间超过 75.0 min 后得率变化不显著。时间过短菜籽皮水解不完全，造成膳食纤维得率降低，而时间过长，膳食纤维软化，会造成膳食纤维和半膳食纤维发生轻度水解，导致得率降低 8。因此，碱解时间以 3060 min 为宜。本结果与郝林华等 13提取牛蒡渣膳食纤维的结果相近似。 52.2 菜籽皮不溶性膳食纤维提取工艺的优化2.2.1 响应面试验安排及结果应用响应面优化法进行过程优化。以 X 1、X 2、X 3 和 X 4 为自变量，以膳食纤维的得率为响应值 Y，响应面试验方案及结果

19、见表 2。其中 124 为析因试验，2529 为 5个中心试验，用以估计试验误差。通过利用Design-Expert 7.1 Trial 软件中的中心组合设计(CCD) 选项对表2数据进行二次多元回归拟合，得到菜籽皮不溶性膳食纤维的得率预测值(Y)对编码自变量X1、X 2、X 3和 X4的二次多项回归方程，对表2 结果进行统计分析，可建立如下二次回归方程：Y(%)=66.390-0.720 X1-0.260 X2+0.014 X3+0.020 X4+0.710 X1X2-0.042 X1X3+0.079 X1X 4+1.690X2 X3-0.063 X2 X4-1.610 X3 X4-2.12

20、 0X12-2.500 X22-2.210 X32-0.770 X42对二次回归方程进行方差分析，结果见表 3。表3 回归方程方差分析表Table 3 Analysis of variance for the yield of IDF with various extraction conditions方差来源 平方和 自由度 均方 F值 Prob F模 型 104.746 14 7.482 6.444 0.0006*X1 6.163 1 6.163 5.308 0.0371*X2 0.818 1 0.818 0.705 0.4153X3 0.003 1 0.003 0.002 0.9636X

21、4 0.005 1 0.005 0.004 0.9497X1X2 2.031 1 2.031 1.749 0.2072X1X3 0.007 1 0.007 0.006 0.9395X1X4 0.025 1 0.025 0.022 0.8853X2X3 11.447 1 11.447 9.859 0.0072*X2X4 0.016 1 0.016 0.013 0.9093X3X4 10.368 1 10.368 8.930 0.0098*X12 29.071 1 29.071 25.039 0.0002*X22 40.552 1 40.552 34.927 F 栏中的值小于0.05，该指标显著，

22、用*表示，小于0.01则该指标极其显著，用*表示。从表 3 可知，该二次回归方程的一次项 X1、二次项（X 12、X 22、X 32）及交互项中的 X2X3 和 X3X4 均表现出了显著水平，该二次回归方程整体模型比较显著，且失拟项不6显著，该回归模型与实测值能较好地拟合。结果表明，该模型显著，模型的回归相关系数 R2=0.866，说明相关性较好；校正决定系数 Adj R2=0.732，表明 73.200%的实验数据图 5 不溶性膳食纤维的得率响应面图Fig.5 Response surface plot for the yield of IDF-1 0.5 . 1-0.5 0.5 1 6.

23、1.70 62.9 4.10 65.3 /%/min -1.0 .0 5 .-.5 0. 16.0 2.5 63.4 .8 65.30 /%NaOH/%/min-1.0 5.0 1.0-.5 0. 158.0 6.2 1.90 63. 5.0 /%NaOH/%/-1.0 5.0 1-05 . 1.06. 2.08 63.5 .0 6.5 /%/gmL NaOH/% -1.0 5.0 1.-.5 0. 6.20 .53 6.8 5.17 6.0 /%/gmL /-1.0 5.0 .-.5 0. 162.0 3.58 64. 5.3 6.0 /%/gmL /minFA BC DE7的变异性可用此回

24、归模型来解释，CV 值等于 1.700%，表示实验的可信度和精确度较好，本实验精密度达到 8.611。因此，可用此模型对菜籽皮不溶性膳食纤维的提取效果进行分析和预测。2.2.2 响应面分析在其它因素条件固定不变的情况下，考察交互项对得率的影响，对模型进行降维分析。经 Design-Expert 7.1 软件分析，所得的响应面图见图 5。由（图 5-A）可知，膳食纤维的得率随料液比和 NaOH 浓度的增大而增加。当影响因素达中心值时，膳食纤维得率最大。随后膳食纤维的得率随料液比和 NaOH 浓度的增大呈现降低的趋势，且之间有交互作用。从（图 5-B、C、D 、E、F）可知，得率随料液比、碱解时间

25、、碱解温度和 NaOH 浓度的变化均呈现先增大后降低的趋势，且之间有交互作用。另外，可知该模型在实验范围内存在稳定点，且稳定点为最大值。2.2.3 提取工艺的优化与验证为进一步确证提取工艺最佳点，根据软件对拟合的回归方程进行优化，得不溶性膳食纤维最佳提取工艺参数分别为：料液比 1:17、NaOH 浓度 2.02 mol/L、温度 49.88 和时间 45.85 min，在此条件下菜籽皮不溶性膳食纤维的理论得率为 65.20 %。考虑到可操作性，将最优条件定为：料液比 1:17、NaOH 2.0 mol/L、温度 50和时间 45 min。用此最优提取条件进行验证，得到菜籽皮不溶性膳食纤维的得率

26、为 65.92 %，与理论值较为接近，表明数学模型对优化菜籽皮不溶性膳食纤维的提取工艺是可行的。2.2.4 讨论利用碱法提取不溶性膳食纤维已有报道，而关于菜籽皮中膳食纤维的提取的相关报道几乎没有。本实验中 1:17 的料液比基本吻合于郭金喜等 7提取杏渣不溶性膳食纤维所采用的料液比。由于原料不同，膳食纤维的得率略低于该文献报道的 69.25 %。实验单因素中 NaOH 的浓度、温度、时间对得率的影响与于丽娜等 8碱法提取花生壳不溶性膳食纤维的结果基本相似，但该研究中采用碱-酸结合法提取膳食纤维。本实验膳食纤维的得率为 65.92 %，要高于周尽花等 14采用提取剂为 5.0 % (1.25 m

27、ol/L)的氢氧化钠溶液，料液比为 1:10，室温下浸泡 4 h 的工艺所提取得柚皮中水不溶性膳食纤维的得率（46.0% ） ，该研究主要是采用室温长时的浸泡工艺进行提取，与本实验操作明显不同。另外，可能因为菜籽皮与上述原料的膳食纤维组成不同，导致实验结果各不相同。3 结论在单因素试验基础上，采用 CCD 响应面组合设计进行优化，得菜籽皮不溶性膳食纤维提取工艺的二次数学回归模型。通过对模型分析可知，料液比(X 1) 菜籽皮不溶性膳食纤维得率的影响显著，交互项中的 X2X3 和 X3X4，二次项中 X12、X 22 和 X32 对得率的影响较显著。通过回归模型优化得出最佳提取工艺为：料液比 1:

28、17、NaOH 2.0 mol/L、温度 50 和时间 45 min。在此条件下不溶性膳食纤维实际得率为 65.92 %，该数学模型对优化菜籽皮不溶性膳食纤维的提取工艺可行。参考文献1 阿乐 .国家粮油信息中心：2009 年油菜籽产量预测增幅下调至 7.4%.中国主要粮油作物面积和产量预计.EB/OL. 2009.06.12.http:/ 刘运荣，胡健华，黎丽. 油菜籽皮中各成分含量的测定 J.中国油脂，2006，31(9):64.83 Athanasios Papathanasopoulos, Michael Camilleri. Dietary Fiber Supplements: Eff

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