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1、分类号 单位代码 11395 密 级 学 号 1006220129 学生毕业论文 题 目响应曲面法优化陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取工艺的研究作 者*院 (系)化学与化工学院专 业化学指导教师*答辩日期*年 * 月 * 日榆 林 学 院毕业论文诚信责任书本人郑重声明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人毕业论文与资料若有不实
2、，愿意承担一切相关的法律责任。 论文作者签名: 年 月 日摘 要膳食纤维是功能性食品的重要基料。豆腐渣中因含有丰富的膳食纤维成分成为最近食品界研究的热点。本论文通过对碱浓度，酶浓度，酶解温度，酶解时间进行单因素实验，以水不溶性膳食纤维的纯度为考察指标，确定出提取水不溶性膳食纤维的最佳条件。在单因素试验基础上，根据Box-Behnken中心组合设计原理，选取酶浓度、酶解温度和酶解时间3因素进行响应曲面分析，建立了豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取率的二次多项数学模型。实验结果表明豆腐渣中水不溶性膳食纤维最佳提取工艺条件为：酶浓度4%，酶解温度60oC，酶解时间5h,在此条件下水不溶性膳食纤维提取率为5
3、6.27%。关键词：豆腐渣；水不溶性膳食纤维；响应曲面；提取工艺Study the Method of Response Surface Optimized Extraction Technology for Insoluble Dietary Fiber of Bean Curd Residue in Shanbei ABSTRACTDietary fiber is an important basic material of functional food. Bean curd residue because of containing rich dietary fiber becomes
4、 the hot spot in food research recently. In this paper, the highest purity based on the single factor experiment of alkali concentration, enzyme concentration, reaction temperature and hydrolysis time, determined the optimal extraction of IDF. According to the design principle of Box-Behnken center
5、combination, set up the quadratic mathematical models of insoluble dietary fiber extraction rate in bean curd residue by the single-factor, selected enzyme concentration, reaction temperature and hydrolysis time 3 factors response surface analysis. The results showed that the optimal extraction cond
6、itions were enzyme concentration of 4%, reaction temperature of 60oC and hydrolysis time of 5 h. In conditions of the optimal extraction, the extraction rate of IDF was 56.27%.Keywords: Bean curd residue; insoluble dietary fiber; response surface; extraction technology目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1绪 论11.1
7、膳食纤维的定义及组成11.1.1膳食纤维的定义11.1.2膳食纤维的组成21.2水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维21.3膳食纤维的生理功能31.3.1预防肥胖症的功效31.3.2预防心血管疾病的功效31.3.3降低血压的功效31.3.4预防糖尿病的功效31.3.5缓解便秘，预防肠道疾病的功效41.4制取水不溶性膳食纤维的原料豆腐渣41.5豆腐渣膳食纤维的研究现状41.6从陕北豆腐渣中制取水不溶性膳食纤维的目的和意义51.7用响应曲面法优化陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取工艺的意义52实验部分72.1 实验材料、仪器及试剂72.1.1实验材料72.1.2实验仪器72.1.3 实验试剂72.2 陕
8、北豆腐渣中提取水不溶性膳食纤维工艺流程82.3 陕北豆腐渣中提取水不溶性膳食纤维工艺的操作步骤82.3.1冲洗烘干82.3.2粉碎过筛82.3.3称取样品82.3.4加纯水82.3.5碱处理82.3.6调PH82.3.7酶解82.3.8灭酶92.3.9抽滤92.3.10烘干92.3.11称量92.4 影响陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取效率单因素试验92.4.1碱浓度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响92.4.2酶浓度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响92.4.3酶解温度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响92.4.4酶解时间对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响102.5 陕北豆腐渣中水不
9、溶性膳食纤维提取工艺优化102.6 分析评价方法102.7 膳食纤维的测定方法112.8水不溶性膳食纤维提取率与纯度计算方法113结果与分析123.1陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取工艺单因素试验123.1.1碱浓度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响123.1.2酶浓度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响123.1.3酶解温度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响133.1.4酶解时间对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响143.2陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取工艺优化153.2.1水不溶性膳食纤维提取率响应曲面分析153.2.2对水不溶性膳食纤维提取率影响的响应曲面分析163.2.3水不溶性
10、膳食纤维提取率的响应曲面优化结果204 结 论21参考文献22致 谢231绪 论1.1膳食纤维的定义及组成1.1.1膳食纤维的定义在不同的时期人们对于膳食纤维的认识是不同的，人们首先认识到的是粗纤维，而粗纤维不能被人体吸收，所以人们认为粗纤维对人体健康没有什么益处。第一次提出膳食纤维的概念是在20世纪50年代，由HipSley1率先提出的，他认为膳食纤维是一种不能被人体消化的植物细胞壁成分，它主要是由纤维素、半纤维素、木质素及果胶等组成。膳食纤维是食物中有一定生理功能的化学成分。1972年，Huge Trowell 给膳食纤维定义为“食物中不能被人体消化酶所消化的植物细胞的残留部分”，他的这种
11、定义是片面的。1974年Trowell 修正的定义是“抗人体消化酶所消化的植物组分”。1976年，他又重新对膳食纤维定义为“不能被人体内的消化酶所消化的多糖和木质素”。 Trowell 建立了很多膳食纤维与健康相关的假说，被人们称为“膳食纤维假说”。它指出：膳食纤维的摄入量与结肠癌及心脏病的发生率呈负相关，这个假说的提出使营养学、食品工程、分析化学及其它领域对膳食纤维进行了大量的研究，从而拉开了膳食纤维研究的序幕。1979年美国职业分析化学家学会年会上，Prosky 和Harland提出，期望能统一膳食纤维的定义和分类方法，但结果是没有达成共识。1981年美国职业分析化学家学会再次年会上，有学
12、者提出了他们对膳食纤维的定义和分类方法，但大部分学者认同的还是1976年由Trowell 提出的，即膳食纤维是那些不能被人体消化吸收的多糖和木质素。2000年6月，美国谷物化学家协会把膳食纤维定义为不能被人体小肠消化吸收，但能被大肠内菌群部分或完全发酵的可食用的植物成分，包括多糖、木质素、低聚糖及相关的植物物质，具有降低血液中胆固醇含量、及促进通便、及降低血糖含量等保健功效。随着人们对膳食纤维的不断认识，各个组织包括国际生命科学会、美国谷物化学师协会、美国化学家协会等都对膳食纤维提出了不同的定义。2009年，国际食品法典委员会给膳食纤维的最新定义为：膳食纤维是指具有10个或以上单体链节的碳水化
13、合物，不能够被人体小肠内生酶消化，而且属于天然存在于消费食物中的可食用的碳水化合物、由食物原料经物理、化学或酶法获得的碳水化合物、对人类的健康表现出有益的生理效果的聚合物2。综上所述，膳食纤维的认识是一个漫长而曲折的过程。从把膳食纤维等同于粗纤维和半纤维素3到认识了膳食纤维是一种有益于人们健康的营养素，如果缺乏膳食纤维就会对人体健康产生消极影响。近几年来，膳食纤维已经引起了世界各地的关注，被誉为“第七营养素”。1.1.2膳食纤维的组成膳食纤维主要是由纤维状碳水化合物（纤维素）、基料碳水化合物（半纤维素、果胶、果胶类化合物）和填充类化合物（木质素）三大部分组成1。纤维素（Cellulose）：纤
14、维素的分子式(C6H10O5)n，它是植物细胞壁的主要成分，是由类似于多个葡萄糖分子组成的大分子多糖。由D-葡萄糖通过-1，4糖苷键组成的直链线性多糖。它的化学结构与直链淀粉相似，但是物理性质与淀粉截然相反。纤维素既不溶于水，也不溶于一般有机溶剂。半纤维素（Hemicellulose）：半纤维素主要由木聚糖、半乳糖或甘露糖和葡聚糖组成的一类多糖，在其支链上带有半乳糖或阿拉伯糖。在人的大肠内半纤维素比纤维素易于被细菌分解。半纤维素大部分是不可溶的，起着一定的生理作用。但是，有一些半纤维素是可溶的。果胶（Pectin）：果胶是以聚半乳糖醛酸为骨架链，主链中有（1-2）鼠李糖残基，部分半乳糖醛酸残基
15、经常被甲基酯化。该结构是通过C4鼠李糖基位置携带取代基阿拉伯低聚糖、半乳糖或者阿拉伯半乳低聚糖，成为阿拉伯半乳聚糖。果胶是植物中一种酸性多糖无定形的物质，可以在热水中溶解，它对于维持膳食纤维的结构有非常重要的作用。木质素（Lignin）：木质素不属于多糖物质，而是由芥子醇、松柏醇、对羟基肉桂酸这三种单体为主体的芳香族苯丙烷聚合物，具有复杂的三维结构。天然的木质素大多与碳水化合物紧密结合在一起，处于细胞壁中，因此很难与纤维素分离。木质素是一种抗氧化剂，人和动物都不能消化它。1.2水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维根据膳食纤维在水中溶解性能不同，可分为水溶性膳食纤维（Soluble Dietary
16、Fiber，简称SDF）和水不溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber，简称IDF）两大类。SDF是指不被人体消化道酶消化，但是可溶于温水或热水且其水溶液又能被四倍体积的乙醇再沉淀的那部分膳食纤维，它的主要成分是植物细胞内的储存物质和分泌物，另外还包括部分微生物多糖和合成多糖。主要包括存在于植物种子中的胶，水果中的果胶，海藻中的海藻酸，卡拉胶、琼脂和微生物发酵产物黄原胶等。IDF是指不被人体消化道酶消化且不溶于热水的那部分膳食纤维，它是细胞壁的主要成分，包括纤维素、半纤维素、原果胶、木质素、植物蜡和壳聚糖等。水溶性膳食纤维（SDF）和水不溶性膳食纤维（IDF）都对人们的身体
17、有着不同的作用。水溶性膳食纤维（SDF）不仅能增加饱腹感，对肥胖症有效，而且使胃肠道中内容物黏度增加，延缓和降低消化道中其他成分，如胆固醇、葡萄糖等的吸收4-5；水不溶性膳食纤维（IDF）能增加粪便体积，促进肠道蠕动，预防便秘及降低血脂含量、延缓小肠对葡萄糖的吸收速度，刺激胰岛产生胰岛素，从而预防糖尿病的发生。1.3膳食纤维的生理功能随着人们对膳食纤维的深入认识及研究，发现合理地食用膳食纤维能有效减少和预防糖尿病、肠癌、高血压、高血脂、心脑血管病、肥胖症，便秘及冠心病等疾病的发生。1.3.1预防肥胖症的功效膳食纤维体积较大，具有吸水膨胀性，在肠胃中吸水膨胀并形成高黏度的胶体溶液，容易引起饱腹感
18、而减少进食量。同时，膳食纤维具有低热能的特点，控制热量的摄入对减肥非常重要，膳食纤维在人体中以发酵的方式代谢，所提供的能量低于一般碳水化合物，有助于控制人的体重和保持人的体形。1.3.2预防心血管疾病的功效膳食纤维分子表面带有许多活性基因，可以吸附胆汁酸、胆固醇及肠道内的有毒物质、有毒医药品和化学药品等有机化合物。膳食纤维的吸附作用，抑制中性脂肪和胆固醇在肠道的吸收，增加胆固醇的排出量，减少血清胆固醇浓度，加快脂肪的排泄。因此，对预防高血脂、冠状动脉硬化、心脑血管疾病等有着非常重要的作用。1.3.3降低血压的功效膳食纤维中的酸性多糖类具有较强的阳离子交换功能，在与Ca2+、Zn2+等离子交换时
19、，能改变阳离子的瞬间浓度，因此，对消化道的PH值、氧化电位及渗透压产生影响，形成一个理想的缓冲环境。且它能与肠道中的Na+、K+进行交换，使血液中的Na+、 K+比值降低，直接产生降血压的作用6。1.3.4预防糖尿病的功效科学研究发现，由于膳食纤维能在胃肠中形成一种粘膜，使食品中营养素的消化和吸收过程缓慢，影响葡萄糖的吸收。膳食纤维可以调节肠道对糖类物质的吸收，减缓血糖的急剧升高，有利于糖尿病患者控制症状。在饮食中，增加膳食纤维的含量，还可以改善神经末梢对胰岛素的感受性，从而降低人们对胰岛素和药物的需求，达到调节患者的血糖水平7。 1.3.5缓解便秘，预防肠道疾病的功效膳食纤维可被肠内的有益细
20、菌分解，使粪便具有一定的水分和体积。微生物发酵产生的脂肪酸能降低肠内PH值，促进有益菌的大量繁衍，加强了大肠的蠕动，加快粪便的排泄。同时，使肠道内的一些有害物质随粪便排出，减少有害物质与结肠的接触机会，从而达到预防肠道疾病的功效。1.4制取水不溶性膳食纤维的原料豆腐渣我国对水不溶性膳食纤维的制取已经初具规模，常见的制取水不溶性膳食纤维的品种有大豆、小麦麸、燕麦、黑麦、果皮、大麦麸、小麦和甜菜等纤维。另外，在食品配方中常见的有阿拉伯胶、琼脂、瓜尔豆胶、刺槐豆胶以及海藻盐等。目前研究比较多的品种主要有大豆、甜菜、小麦及小麦麸等这几个纤维素品种。以大豆等豆类作为原材料提取水不溶性膳食纤维时，常用方法
21、是酶法和热提取法，缺点是难以大规模生产，使其经济效益降低。因此，越来越多的专家关注利用豆腐渣，果皮渣等一些生产过程中的废弃物作为原材料，制取水不溶性膳食纤维。豆腐渣是大豆生产豆腐和豆浆的过程中的副产品，除了少部分作为饲料外，大部分作为废弃物弃掉，这样就造成了资源的浪费和环境的污染。随着人们文化素质的提高，人们已经开始从营养学的角度重新认识豆腐渣。经研究表明8：豆腐渣经脱水干燥后，所含成分为：蛋白质为：22.56%，脂肪为：9.7%，糖类为37.99%，纤维素为14.62%，灰分为6.14%。豆腐渣中含有丰富的食物纤维，起降糖和减肥等作用，因此，豆腐渣被看作为一种新的保健和功能性食品源。合理利用
22、豆腐渣制取水不溶性膳食纤维不仅可以使废弃物再利用，还因其来源广阔，数量极大，价格低廉，可以给公司带来经济效益。1.5豆腐渣膳食纤维的研究现状 近年来，除了从谷物类和果蔬类中提取分离膳食纤维的研究较多外，以豆类为原料提取膳食纤维的研究也成为热点之一。比如，在大豆油脂与大豆加工制品（如豆腐、豆腐花等）过程中，副产物大豆皮，豆腐渣等中提取分离膳食纤维。然而新鲜豆腐渣含水量极高，如果不及时处理，尤其在夏季，很容易发酵腐烂，变成不能加以利用的废弃物，因此对豆腐渣的研发刻不容缓。现在，有很多发达国家已相继建立起开发研制豆类膳食纤维的专门机构。由于人们的饮食中缺乏膳食纤维，因此，膳食纤维已被作为食品配料应用
23、于食品加工中。在早期，膳食纤维提取方法主要有粗分离法、化学分析法、膜分离法及化学试剂和酶结合分离法9。随着科技的快速发展，膳食纤维的提取方法也不断进步。当今的膳食纤维提取方法有热水提法、化学法、酶法、Prosky法、酶化法、超声波法、高压蒸煮法、发酵法、酸碱法和挤压法等10。目前，提取膳食纤维的方法朝着工艺简单，提取率及提取纯度高，环境污染小，投资少等方向发展。目前，我国由于资金投入不足和缺乏导向等诸多原因，对豆腐渣进行开发利用的研究并未引起高度的重视，与国际发达国家相比较，我国在豆腐渣的开发利用方面存在着一定的差距，表现为利用方法简单，原始，利用率不高及有关豆腐渣的贮存，运输过程中也存在一定
24、的问题，使其工艺基本上处于一种无序的状态。因此，要合理开发利用这个新兴工程，不仅有必要，而且对于我国来说越来越重要。1.6从陕北豆腐渣中制取水不溶性膳食纤维的目的和意义每年全球豆腐渣的产量很大。中国是生产豆腐的发源地，在我国生产豆腐具有悠久的历史,每年我国豆腐渣产量大约2000万吨11。豆腐是陕北地区每家每户农民不可缺少的菜食，因此豆腐渣在陕北的农村几乎是随处可见。在陕北的农村，豆腐渣一般都会给动物食用，剩下的当作垃圾扔掉。陕北豆腐渣数量很大，但利用率很低。后来，随着人们的生活水平提高，人们的饮食也发生了变化，致使膳食纤维的摄入量不足。高血压、糖尿病、肥胖症、冠心病等疾病发病年龄提前，同时发病
25、率也增加。因此，对陕北豆腐渣资源进行合理开发利用具有重大意义，它不仅在改善和调整饮食营养及膳食结构方面具有深远的意义，同时还可以发展当地产业，促进人们就业，促进经济的健康发展，解决豆腐渣视为废弃物处理时的环保问题，使豆腐渣真正的变废为宝。1.7用响应曲面法优化陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取工艺的意义 响应曲面法，也称为回归设计，是在多元线性回归的基础上主动收集数据的方法获得具有较好性质的回归方程的一种试验设计方法。响应曲面回归模型的出现就是集统计、数学和计算机科学紧密联系的结果。由于它考虑的因素很多, 运算非常繁杂, 是人工运算所不及的。通过计算机运算, 可以达到建立模型的目的。由于建立的复
26、杂的多维空间曲面与实际情况较接近, 因此响应曲面回归模型逐渐开始应用。响应曲面法(Response surface methodology，RSM)是一种优化生物过程的统计学试验设计。该法以建立连续变量曲面模型，对影响生物过程的因子及其交互作用进行评价，确定最佳水平范围，而且所需要的试验组数相对较少，可节省人力物力，因此该方法已经成功应用于生物优化过程中的各个方面。之所以使用响应曲面法而不使用正交设计就是因为响应曲面法不仅可以处理离散的水平值，还可以得到整个区域上因素的最佳组合。该方法通过响应曲面图可以直观的反应各因素对响应值的影响大小。通过使用响应曲面法来优化陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取
27、工艺，从而得到提取水不溶性膳食纤维的最佳生产工艺，为陕北豆腐渣变废为宝提供一条新的途径。2实验部分2.1 实验材料、仪器及试剂2.1.1实验材料实验材料如下表：表2-1实验材料实验材料销售地豆腐渣陕北榆林市 木瓜蛋白酶南宁庞博生物工程有限公司 微晶纤维素河南永康精细化工有限公司2.1.2实验仪器实验仪器如下表：表2-2实验仪器实验仪器销售地HH-2数显恒温水浴锅金坛市丹阳门石英玻璃厂ZH-2C超级恒温水浴锅南京多助科技发展有限公司小型高速粉碎机潍坊市北方制药设备制造有限公司电子天平沈阳龙腾电子有限公司SHZ-D循环水式真空泵巩义市予华仪器有限责任公司1012A型电热恒温鼓风干燥箱 天津市通利信
28、达仪器厂标准检验筛60目浙江省上虞市大亨桥化验仪器厂2.1.3 实验试剂实验试剂如下表：表2-3实验试剂实验试剂销售地 冰醋酸(AR)天津市致远化学试剂有限公司碳酸氢钠（AR）西安化学试剂厂2.2 陕北豆腐渣中提取水不溶性膳食纤维工艺流程新鲜豆腐渣冲洗烘干粉碎过筛称取样品加纯水碱处理冷却调PH酶解灭酶冷却抽滤烘干称量成品计算分析2.3 陕北豆腐渣中提取水不溶性膳食纤维工艺的操作步骤2.3.1冲洗烘干 用自来水洗涤新鲜豆腐渣2-3次，然后用恒温鼓风干燥箱进行干燥。鼓风干燥箱温度为40oC，干燥时间12小时，在此期间每1小时翻搅一次，以防豆腐渣褐变。2.3.2粉碎过筛将干燥后的豆腐渣用小型高速粉碎
29、机进行粉碎，粉碎后过60目筛备用。2.3.3称取样品用电子天平准确称取5.0g干燥豆腐渣样品，置于250mL锥形瓶中。2.3.4加纯水向锥形瓶中添加125mL蒸馏水，使豆腐渣粉与蒸馏水料液比为1:25。2.3.5碱处理取浓度为2.4.1中设定的碳酸氢钠10mL加入锥形瓶中，并搅拌均匀，放置恒温水浴锅中（70oC）水解70min，然后，将它取出冷却至室温。2.3.6调PH冷却后，用冰醋酸将溶液PH调至6。2.3.7酶解用2.4.2中设定的木瓜蛋白酶浓度，在2.4.3中设定的温度下浸提2.4.4中设定的时间后取出。2.3.8灭酶取出后直接放置在90oC恒温水浴锅中30min。2.3.9抽滤取出之后
30、，冷却至室温并进行抽滤，得到白灰色固体物质，将滤饼上的物质转移到表面皿中。2.3.10烘干将表面皿放置在温度为40oC鼓风干燥箱中，干燥时间为8小时。2.3.11称量干燥之后的物质颜色加深变为棕色，冷却后，用电子天平对物质进行称量，并记录数据。2.4 影响陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取效率单因素试验2.4.1碱浓度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响采用料液比1：25（g/ml）,在70oC下分别加入浓度为2%、3%、4%、5%、6%碳酸氢钠处理70min后，在豆腐渣溶液中分别加入浓度为4%的木瓜蛋白酶，于60oC浸提4h,以水不溶性膳食纤维的提取率和纯度为评价指标，探讨碳酸氢钠浓度对提取水
31、不溶性膳食纤维的影响。2.4.2酶浓度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响采用料液比1：25（g/ml）,在70oC下分别加入浓度为5%碳酸氢钠处理70min后，在豆腐渣溶液中分别加入浓度为1%、2%、4%、6%、8%的木瓜蛋白酶，于60oC浸提4h,以水不溶性膳食纤维的提取率和纯度为评价指标，探讨木瓜蛋白酶浓度对提取水不溶性膳食纤维的影响。2.4.3酶解温度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响采用料液比1：25（g/ml）,在70oC下分别加入浓度为5%碳酸氢钠处理70min后，在豆腐渣溶液中分别加入浓度为4%的木瓜蛋白酶，于40oC、50oC、60oC、70oC、80oC浸提4h,以水不溶
32、性膳食纤维的提取率和纯度为评价指标，探讨酶解温度对提取水不溶性膳食纤维的影响。2.4.4酶解时间对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响采用料液比1：25（g/ml）,在70oC下分别加入浓度为5%碳酸氢钠处理70min后，在豆腐渣溶液中分别加入浓度为4%的木瓜蛋白酶，于60oC浸提2h、3h、4h、5h、6h,以水不溶性膳食纤维的提取率和纯度为评价指标，探讨酶解时间对提取水不溶性膳食纤维的影响。2.5 陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取工艺优化在单因素实验基础上，采用Design-Expert.V8.0.6中的Box-Behnken程序，以酶浓度（%）、酶解温度（OC）、酶解时间（h）为主要考察因
33、子(自变量)分别以X1、X2、X3 表示，并以+ 1、0、- 1分别代表自变量的高、中、低水平。按方程xi = (Xi- X0 )/X 对自变量进行编码。式中：xi 为自变量的编码值，Xi 为自变量的真实值，X0 为试验中心点处自变量的真实值，X 为自变量的变化步长，根据预试验选定酶浓度、酶解温度和酶解时间范围。试验因素水平见表2-6。2.6 分析评价方法表2-6 响应曲面分析因素与水平表因素代码水平编码非编码-10+1酶浓度/%x1X1345酶解温度/x2X2506070酶解时间/hx3X3345以水不溶性膳食纤维提取率为响应值()，由最小二乘法拟合的二次多项式方程： 公式 (2-1)本试验
34、中方程( 2-1 ) 可转化为： 公式 (2-2)Y提取率为响应值，a0 为常数项：a1、a2、a3分别为线性系数，a12、a13、a23分别为交互项系数，a11、a22、a33分别为二次项系数。2.7 膳食纤维的测定方法按照GB/T5009.882008食品中膳食纤维的测定方法进行检测。2.8水不溶性膳食纤维提取率与纯度计算方法 公式 （2-3） 式中：m1 为提取物的质量/g ； r 1 为提取物水分及挥发物含量/%； m2 为原料的质量/g；r 2 为原料水分及挥发物含量/%。 公式 （2-4）式中：m2 为滤器加玻璃棉及试样中纤维的质量/g；m1 为滤器加玻璃棉的质量/g； m为样品的
35、质量/g 。3结果与分析3.1陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取工艺单因素试验3.1.1碱浓度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响图3-1 碱浓度的影响由图3-1可知，随着碱浓度的增加，提取物中水不溶性膳食纤维纯度增加，提取率下降，当碱浓度为5%时，脂肪分解完全，纯度较高，提取率较低；随着碱浓度的进一步增大，会引起纤维素的分解，使水不溶性膳食纤维纯度降低，提取率升高，故选择碱浓度为5%左右。3.1.2酶浓度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响由图3-2可知，当木瓜蛋白酶浓度小于4%时，提取物中水不溶性膳食纤维纯度随着木瓜蛋白酶浓度的增加呈快速增加趋势；提取率则相反。当木瓜蛋白酶浓度大于4%时，水
36、不溶性膳食纤维纯度呈缓慢下降趋势；提取率则相反。这表明木瓜蛋白酶和底物之间有一个适宜的比例。木瓜蛋白酶浓度确定为4%左右。图3-2 木瓜蛋白酶浓度的影响3.1.3酶解温度对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响图3-3 酶解温度的影响一般来说，酶的反应速度随温度的升高而加快。但当温度过高时，由于酶的热变性作用会引起酶的活性降低，进而降低酶的催化反应速度，因此，应确定酶的最适作用温度。由图3-3可知，水不溶性膳食纤维的纯度先随温度的升高而升高，60oC时纯度达到最高，之后随温度的升高而逐渐降低；水不溶性膳食纤维的提取率的变化趋势则与纯度的变化趋势相反。表明此条件下木瓜蛋白酶的适宜酶解温度为60oC左
37、右。3.1.4酶解时间对提取豆腐渣中水不溶性膳食纤维的影响酶解反应需要一定的时间以达到酶与底物间的充分反应，但时间太长不利于生产，因此应确定合适的酶解反应时间。由图3-4可以看出，水不溶性膳食纤维纯度先随时间的增加迅速上升，提取率迅速下降；4h时纯度达到最大，超过4h后，水不溶性膳食纤维纯度上升趋势和提取率下降趋势基本保持不变，因此木瓜蛋白酶的酶解时间应确定为4h左右。图3-4 酶解时间的影响3.2陕北豆腐渣中水不溶性膳食纤维提取工艺优化3.2.1水不溶性膳食纤维提取率响应曲面分析利用Design Expert .V8.0.6分析系统的试验设计程序对表3-1数据进行二次多元回归拟合，获得了水不
38、溶性膳食纤维提取率的预测值对编码自变量酶浓度、酶解温度和酶解时间的二次多项回归方程，而回归方程系数显著性检验见表3-2 表3-1 响应曲面设计Factor 1Factor 2Factor 3Response StdRunA:酶浓度B:温度C:时间提取率% h%215.0050.004.0053.18723.0060.005.0056.32333.0070.004.0052.09445.0070.004.0053.22153.0050.004.0054.82665.0060.003.0054.731674.0060.004.0057.41583.0060.003.0053.641494.0060
39、.004.0056.549104.0050.003.0051.3212114.0070.005.0054.378125.0060.005.0055.6215134.0060.004.0056.8311144.0050.005.0054.7813154.0060.004.0058.1217164.0060.004.0057.6310174.0070.003.0051.85利用Design Expert .V8.0.6软件对表3-1试验数据进行多元回归拟合，得水不溶性膳食纤维提取率对酶浓度（X1）、酶解温度（X2）、酶解时间（X3）的二次多项回归模型方程：表3-2回归方程系数显著性检验平方和自由度
40、均方F值P值模型67.3497.4815.380.0008A1.800E-00311.800E-0033.699E-0330.9532B0.8310.831.700.2339C11.40111.4023.430.0019AB1.9211.923.940.0875AC0.8010.801.650.2403BC0.2210.220.450.5221A24.1314.138.490.0225B237.59137.5977.260.0001C26.4516.4513.260.0083残差3.4170.49失拟项1.8130.601.520.3387纯误差1.5940.40总和70.7416注：P0.0
41、100表示该指标极显著；P0.0500表示该指标不显著。回归模型要能较好地解释所反映的现象，其决定系数至少为0.80，响应变量的R2要大于0.80。由表3-2方差分析可以看出: F=15.38F0.05(3、4)=6.59，P=0.00080.05,表示该模型方程显著,不同处理间的差异显著。失拟项F=1.520.05,失拟项不显著，表示实验数据与模型不相符。预测的R2为0.9519，校正的R2为0.8900，证明数学拟合模型与试验实际值拟合较好，可以充分体现各变量之间的关系。且该二次回归方程的模型一次项C(P=0.0019)极显著，A(P=0.9532)、B(P=0.2339)不显著，二次项B
42、2(P酶解温度酶解浓度。3.2.2对水不溶性膳食纤维提取率影响的响应曲面分析为形象描述交互项对水不溶性膳食纤维提取率的影响，在其它因素条件固定不变的情况下，考察交互项对水不溶性膳食纤维提取率的影响，对模型进行分析，经Design Expert .V8.0.6软件分析，所得的响应曲面和等高线见图3-1、3-2、3-3。图3-1 酶浓度与酶解温度的响应曲面图和等高线图 图3-2 酶浓度与酶解时间的响应曲面图和等高线图 图3-3 酶解温度与酶解时间的响应曲面图和等高线图等高线的形状可以反映出交互效应的强弱大小，椭圆表示两因素交互作用显著，而圆形则与之相反。处在同一椭圆形区域中的等高线表示水不溶性膳食
43、纤维的提取率是相同的，越靠近区域中心，提取率越大；等高线排列越密集，表示因素的变化对提取率影响越大。图3-1、3-2、3-3就是利用Design-Expert.V8.0.6系统得到的响应曲面图和等高线图，从上述三图中可直观地看出每个响应曲面都为凸面，表示该模型在试验范围内存在稳定点。酶浓度与酶解温度、酶浓度与酶解时间、酶解温度与酶解时间的交互作用都比较明显，但是酶浓度与酶解温度和酶浓度与酶解时间的交互作用较酶解温度与酶解时间的交互作用明显，他们的等高线图中的椭圆图形比较明显，交互效应比较强。3.2.3水不溶性膳食纤维提取率的响应曲面优化结果 本试验的最终目的是水不溶性膳食纤维提取率越大越好，通过软件自动分析得到的试验方案为酶浓度3.84%，酶解温度59.08oC，酶解时间4.52h,水不溶性膳食纤维提取率为57.632%。考虑到可操作性，将最优提取条件定为酶浓度4%、酶解温度60oC、酶解时间5h。用此最优提取条件进行验证，得到豆腐渣中水不溶性
