虞小珊1，3，张丰进2，3，蒋琳兰1，2，3*
1广州军区广州总医院药学部(广州510010))；2．广州中医药大学(广州510405)；
3．华南理工大学生物科学与工程学院（广州510640）
摘要优化紫果西番莲果皮可溶性膳食纤维的脱色工艺。通过Box-Benheken响应面分析法，在单因素试验基础上，以脱色pH、流速、高径比为自变量，分别以多糖保留率与脱色率为响应值，将D301R大孔树脂对西番莲果皮可溶性膳食纤维的脱色工艺进行优化。结果表明，优化后的最佳脱色工艺条件为：脱色pH 3.34，流速1.36 BV/h,高径比11.8，此时多糖保留率为83.59%,混合脱色率为75.90%。响应面法优化西番莲果皮SDF脱色参数准确可靠，具有一定的实际应用价值。
关键词 西番莲；可溶性膳食纤维；脱色：大孔树脂：响应面法
西番莲为西番莲科多年生常绿攀缘木质藤本植物，原产南美巴西、巴拉圭等地，现广泛分布于世界热带和亚热带地区。西番莲果皮含量约为45%～55%，含有丰富的膳食纤维，研究表明膳食纤维尤其是可溶性膳食纤维具有防治糖尿病、结肠癌、心血管疾病等功能。但西番莲可溶性膳食纤维中色素容易造成产品粗糙、颜色变黑等问题，而且由于我国特有的饮食特点和饮食习惯，消费者对食物的颜色要求较高，不便于作为功能性食品原料进一步研究和开发，因此膳食纤维需要经过脱色处理才能应用于食品当中。
脱色方法一般有活性炭吸附、双氧水氧化法、大孔树脂法等。活性炭法脱色时间较长；双氧水法容易破坏多糖结构，影响其活性。大孔吸附树脂是一类具有大孔结构、不溶于水、不可解离基团的高分子固体物质，比表面积大，通过物理吸附可以从溶液中选择性地富集有机物，应用于成分提取分离，有效用于改善产品的外观。经前期研究所得，在综合考虑脱色率、多糖保留率和蛋白去除率，D301R阴离子树脂较其他脱色剂有优势，因此被选择作为脱色剂用于西番莲果皮SDF的脱色试验。
试验对西番莲果皮可溶性膳食纤维采用响应面优化树脂法脱色，确定最佳脱色工艺，为进一步研究可溶性膳食纤维脱色工艺奠定基础。
1 材料与方法
1.1材料与仪器
紫果西番莲果皮由广东省梅州市五华县水寨腾骊公司提供，由广东省药学院田素英教授鉴定为西番莲科( Passifloraceae)西番莲属（Passiflora）紫果西番莲（Pass/f/ora edulis）的果皮；柠檬酸（药品级）：山东新宁制药有限公司；耐高温a-淀粉酶、木瓜蛋白酶：阿拉丁试剂；其他试剂均为分析纯。
1.5 cm ×30 cm层析柱：上海达丰玻璃仪器厂；大孔树脂：广州齐云生物有限公司；SHZ-DⅢ循环水式真空泵：巩义市予华仪器有限责任公司；PHS-3D型pH计：上海精密科学仪器有限公司；YPJ-337型紫外可见分光光度计：北京莱伯泰科仪器有限公司；BP210S型分析天平：Sartorius公司；HH-2数显恒温水浴锅：金坛市富华仪器有限公司。
1.2试验方法
1.2.1 D301R大孔树脂的预处理
用水浸泡24 h，水洗至水液澄清，倾去水后加1 mol/L盐酸溶液浸泡24 h，水洗至中性，加1 mol/LNa OH溶液浸泡24 h，水洗至中性。试验前0.5 h向层析柱中加入10 m L去离子水，充分湿润柱子，将处理过的树脂连水加入柱中，在装柱及之后的过程中，必须使树脂层始终浸泡在液面下约1 cm处，放出多余的水，为防止以后加SDF水溶液时树脂被冲起，在上面
铺一层脱脂棉。
1.2.2西番莲可溶性膳食纤维的制备
取50 g果皮粉末置于2L烧杯中，按1：30(g／m L)加入3%柠檬酸溶液，超声提取30 min，调节pH至6.23，加入100 VL耐高温a-淀粉酶，于85 ℃水浴20min，冷却至65℃，加入50 mg/m L木瓜蛋白酶溶液lm L，65℃水浴30 min，冷却过滤，滤液浓缩后用4倍体积的95%乙醇沉淀，沉淀干燥粉碎后得SDF。
1.2.3动态吸附脱色过程
以动态法测定D301R树脂对西番莲果皮SDF水溶液的脱色能力。使用内径为15 mm、柱高为300 mm交换柱，装入树脂。SDF溶液以一定流速通过交换柱，自动部分收集器定体积收集，测定流出液达到某一体积时[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)]时的即时吸光度、整个流出液的混合吸光度以及多糖含量，并计算出即时脱色率，混合脱色率和多糖保留率。
1.2.4响应面试验
根据单因素试验结果，利用Box-Behnken响应面法对西番莲果皮可溶性膳食纤维脱色工艺进行优化，以多糖保留率和混合脱色率(Y)为响应值，对脱色pH、流速、高径比3个因素设计3因素3水平的Box-Behnken中心组合试验。Box-Behnken中心组合试验因素与水平见表1。
1.2.5评价脱色效果的指标及其测定方法学建立
1.2.5.1脱色率
1.2.5.1.1 即时脱色率
在某一时间点，由层析柱流出溶液的瞬时吸光度而计算出的脱色率。
1.2.5.1.2混合脱色率
在某一时间点，由层析柱滤液收集器中溶液的混合吸光度而计算出的脱色率。
1.2.5.2多糖保留率
1.2.5.3脱色效果评价指数
脱色效果评价指数(DI)=50%脱色率+50%多糖保留率 (4)
2结果与分析
2.1单因素试验结果与分析
2.1.1上柱液pH对脱色效果的影响
如图1和图2所示，随着处理量的增加，即时脱色率和混合脱色率有着相似的变化规律，即随着处理量的增加，果皮SDF的脱色率持续降低，但前后变化率有所不同，在处理量小于2 BV时，其变化率较大，当处理量大于2 BV时，变化较为缓和，所以在后续试验中选择处理量为2 BV。
当pH 1和pH 7时，混合脱色率和即时脱色率明显低于pH 3和pH 5时的混合脱色率和即时脱色率，而且差距随着处理量的增加而增加，这说明pH是影响D301R树脂动态吸附西番莲果皮SDF色素的一个重要因素。
由图3可知，在D301R阴离子树脂吸附过程中，不同pH西番莲果皮SDF溶液多糖保留率随处理量的变化趋势相同，即随着处理量的增加，多糖保留率逐步降低，当BV=2时多糖保留率达到一个极值85.63%，后随着处理量的继续增加，经过一个平台期后继续降低，且降幅有所变化。与脱色率变化趋势相同的是，当pH 1和pH 7时的多糖保留率明显低于pH 3和pH 5时的多糖保留率，但不随着处理量的增加而改变。
2.1.2流速对脱色效果的影响
从图4和图5中可以发现，随着处理量的增加，即时脱色率和混合脱色率都减小，且二者有着相似的变化规律。随着流速的增加脱色率逐步降低，如当BV=4时，流速由小至大的4个样品的即时脱色率分别为71.44%，66.67%，64.41%和63.08%．混合脱色率分别是73.8 7%，70.31%，66.52%和63.88%。这一现象可以从吸附理论得到解释，流速越慢，有利于上柱液中色素分子与树脂表面充分进行粒扩散和膜扩散，使色素分子充分被树脂吸附，同时，流速过快，液膜阻力降低，使树脂交换容量降低，从而降低吸附柱的柱效率。
如图6所示，D301R阴离子树脂对西番莲果皮SDF多糖的吸附量随着处理量的增加而增加，且不同流速流经吸附柱溶液的多糖有着相同的变化规律，但其多糖保留率有着一定的差异，即随着流速的增加，溶液的多糖保留率有所减小，且随着流速的增大差距越来越大，如当BV=3时，流速由小至大的四个样品的多糖保留率分别为85.16%，86.03%, 84.41%。和83.91%；如当BV=5时，流速由小至大的四个样品的多糖保留率分别为76.44%，75.27%，73.21%和71.08%，这一现象可以从吸附理论得到解释。
2.1.3树脂填充柱高径比对脱色效果的影响
增加高径比，使得溶液和大孔树脂之间的接触时间延长，进而使吸附交换效率增加，使脱色效果显著增强。正如图7和图8所示，随着样品溶液处理量的加大，脱色率不断减小，高径比为8和10时，脱色率改变不大，而当高径比为12时，脱色率显著增强，可见当高径比12时，用树脂交换柱进行脱色效率最高。从样品处理量方面来看，当处理相同量的样品溶液时，高径比越大，交换柱效率越高，而且脱色效果随着溶液处理量的增加而减小。
如图9所示，多糖损失量随着样品处理量的增加而增加，进而多糖保留率越低，这主要是与树脂柱的累积吸附相关。高径比越大，多糖的损失量越多，这与阴离子树脂D301R吸附色素有着相同的变化规律。如当BV=4时，高径比由小至大的4个样品多糖保留率分别为79.86%，78.20%，76.63%和74.68%。
2.2 Box-Behnken响应面法优化西番莲果皮SDF的脱色工艺及结果
2.2.1试验设计与结果
试验设计与结果参见表1和表2。
2.2.2回归方程拟合与响应面分析
2.2.2.1响应值为多糖保留率的回归拟合与分析
对表3中的数据进行回归分析，可得到pH(A)、流速(B)和径高比(C)三个因素与多糖保留率y之间的二次多项回归方程：
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，径高比）
回归方程中各变量对响应值影响的显著性由F检验来判定，p值越小，则相应变量的显著程度越高。经方差分析可知，模型p <0.000 1，为极显著；失拟项p=0.290 1不显著，说明此模型模拟可靠；模型相关系数R2=0.984 5，说明响应值的变化有98.45%来源于所选变量，模型拟合度很好。该模型能够很好地解释响应值的变化，方法可靠，得到的回归方程模拟真实的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均为显著性影响因素，可见试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系，二次项对响应值也有很大的影响，交互项作用的影响也较大。在各影响因素中，径高比(C)的影响最大，其次是流速(B)和pH (A)，3个因素对西番莲果皮SDF脱色过程中多糖保留率影响程度为：径高比>流速>pH。回归方程的相关系数R2=0.984 5．表明回归方程拟合程度良好，可以较好地描述各因素与响应值之间的真实关系，可以利用该回归方程确定最佳条件。
2.2.2.2多糖保留率的响应面分析及最优提取条件的确定
图10～图12是根据回归分析结果做出曲面图，可直观反映各因素间交互作用对响应值影响。通过比较可知，径高比对西番莲果皮SDF多糖保留率影响最为显著，表现为曲面较陡；流速次之；pH相对影响较小，相应表现为曲面较为平滑。由图10～图12可知，多糖保留率随着流速的增加逐渐降低；多糖保留率随着径高比的增加而减小。任意两因素的交互效应强弱可以从等高线的形状来判断，若等高线的形状为椭圆形，说明这两因素之间的交互作用显著；而若等高线的形状为圆形，说明这两因素之间的交互作用不显著。进行分析计算后可知，当pH 3.42，流速为1.55 BV/h，高径比为10时，多糖保留率最高，为84.98%。
2.2.2.3 响应值为混合脱色率的回归拟合与分析
对表4中的数据进行回归分析，可得到pH(A)、流速(B)和径高比(C)三个因素与混合脱
色率Y间的二次多项回归方程：
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，径高比）
回归方程中各变量对响应值影响的显著性由F检验来判定，p的值越小，则相应变量的显著程度越高。经方差分析可知，模型p <0.000 1，为极显著；失拟项p=0.287 1不显著，说明此模型模拟可靠；模型相关系数R2=0.962 8，说明响应值的变化有96.28%来源于所选变量，模型拟合度很好。该模型能够很好地解释响应值的变化，方法可靠，得到的回归方程模拟真实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均为显著性影响因素，可见试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系，二次项对响应值也有很大的影响，交互项作用的影响也较大。在各影响因素中，径高比(C)的影响最大，其次是流速(B)和pH (A)，3个因素对西番莲果皮SDF脱色过程中混合脱色率影响程度为：径高比>流速>pH。回归方程的相关系数R2=0.962 8，表明回归方程拟合程度良好，可以较好地描述各因素与响应值之间的真实关系，可以利用该回归方程确定最佳条件。
2.2.2.4混合脱色率的响应面分析及最优提取条件的确定
图13～图15是根据回归分析结果做出曲面图和等值线图，可直观反映各因素间交互作用对响应值影响。通过比较可知，径高比对西番莲果皮SDF混合脱色率影响最为显著，表现为曲面较陡；流速次之；pH相对影响较小，相应表现为曲面较为平滑。由图13～图15可知，随着流速的增大，脱色率逐渐降低；脱色率随着径高比的增加而减小。进行分析计算后可知，当pH 3.35，流速为1.00 BV/h，高径比14时混合脱色率最大，为77.95%。
综合考虑多糖保留率和脱色率，当pH 3.34，流速为1.36 BV/h，高径比为11.8时，工艺效率最高，此时的多糖保留率为83.59%，混合脱色率为75.90%，收益达到最大化。
2.3优化结果验证
验证试验结果如表5所示。5次平行试验得到的平均脱色率为70.15%，实际值达到理论预测值的92.42%;得到的平均多糖保留率为81.23%，实际值达到理论预测值的97.18%。因此，响应面法优化西番莲果皮SDF脱色参数准确可靠，具有一定的实际应用价值。
3结论与讨论
D301R阴离子树脂动态吸附单因素试验表明，脱色溶液pH、流速和高径比是影响西番莲果皮SDF脱色效果的重要因素。具体表现在：随着溶液处理量的增加，脱色率和多糖保留率明显下降；pH 3与pH 5时的脱色率和多糖保留率均高于pH 1与pH 7时的脱色率和多糖保留率；脱色率随着溶液流速的增大而减小，而多糖保留率则随着溶液流速的增大而增大；脱色率随着树脂填充径高比的增大而增大，而多糖保留率则随着树脂填充径高比的增大而减小。
试验中3个因素对西番莲果皮SDF脱色过程中多糖保留率影响程度为：径高比 >流速>pH，当pH3.42，流速为1.55 BV/h，高径比为10时，多糖保留率最高，为84.98%;对西番莲果皮SDF脱色过程中混合脱色率影响程度也为：径高比>流速>pH，当pH3.35，流速为1.00 BV/h．高径比14时混合脱色率最大，为77.95%;综合考虑多糖保留率和混合脱色率，当pH 3.34，流速为1.36 BV/h，高径比为11.8时，工艺效率最高，此时的多糖保留率为83.59%，混合脱色率为75.90%，收益达到最大化。
验证试验表明，5次平行试验得到的平均脱色率为70.15%，实际值达到理论预测值的92.42%;得到的平均多糖保留率为81.23%，实际值达到理论预测值的97.18%。因此，响应面法优化西番莲果皮SDF脱色工艺准确、可靠，具有一定实际应用价值。
西番莲果皮占整果质量的45%～55%，在大量的西番莲果汁加工中成为副产物，造成了资源的极大浪费和环境的污染。对其中膳食纤维的利用，用利于充分利用其资源，保护环境，延长产业链。有研究发现，西番莲果皮中的色素主要是黄酮活性成分，具有抗焦虑、镇静、减除烦躁，缓解压力，改善睡眠，抗氧化等作用。同时还发现，紫果西番莲果皮色素中含有大量花青素，花青素具抗氧化，增强血管弹性，改善循环系统和增进皮肤的光滑度等作用，可以开发为天然色素和抗氧化剂，应用于食品和化妆品行业。西番莲果皮膳食纤维脱色后，若再对其色素进行开发利用，提高西番莲果皮的综合利用价值，定会带来巨大的经济效益，其发展前景非常广阔。
