馬鈴薯渣中提取果膠的工藝優(yōu)化及產(chǎn)品成分分析

楊希娟，黨 斌

馬鈴薯渣中提取果膠的工藝優(yōu)化及產(chǎn)品成分分析

楊希娟，黨 斌

(青海省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016)

為優(yōu)化超聲輔助提取馬鈴薯渣中果膠的工藝參數(shù)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用五因素(1/2實(shí)施)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計對影響果膠得率的5個主要因素(超聲功率、提取溫度、提取時間、pH值和料液比)進(jìn)行優(yōu)化。建立各因素與果膠得率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明，超聲波提取馬鈴薯渣中果膠的優(yōu)化工藝為超聲功率300W、提取溫度80℃、提取時間47.6min、pH1.8、料液比1:21(g/mL)，在此條件下，馬鈴薯渣果膠得率達(dá)到15.76%。測定最優(yōu)工藝條件下提取的果膠產(chǎn)品的主要成分，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

馬鈴薯渣；超聲波提取；果膠；優(yōu)化；成分分析

果膠是一類親水性植物膠，廣泛存在于植物的細(xì)胞間質(zhì)中。其主要成分為D-半乳糖醛酸(D-galactuonicacisd)，具有良好的膠凝性和乳化穩(wěn)定作用。主要用于果醬、果凍、食品添加劑、食品包裝膜及生物培養(yǎng)基的制造方面[1]。全世界果膠的年需求量近2萬t，據(jù)有關(guān)專家預(yù)計，果膠的需求量在相當(dāng)時間內(nèi)仍將以每年15%的速度增長，而我國每年消耗果膠約1500t以上，進(jìn)口約占80%[2]。我國對果膠的需求量呈高速增長趨勢，但商品果膠的來源仍非常有限。

馬鈴薯渣是馬鈴薯加工淀粉的副產(chǎn)物，常被作為垃圾廢棄掉。馬鈴薯渣中膠質(zhì)含量較高，約占干基的15%～30%，同時產(chǎn)量大，具有實(shí)用性[3-4]。目前，國內(nèi)對馬鈴薯渣中果膠的提取主要采用酸法和微波輔助提取，應(yīng)用超聲輔助提取馬鈴薯渣中果膠的研究還鮮見報道，對該方法提取果膠的成分分析未見報道。超聲波技術(shù)用于天然活性成分的提取具有明顯的優(yōu)勢，利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動、空化效應(yīng)、攪拌作用等可以加速活性成分進(jìn)入溶劑，提高提取率，有效縮短提取時間[5-7]。因此，本實(shí)驗(yàn)對超聲波輔助提取馬鈴薯渣中果膠技術(shù)進(jìn)行研究，從而為馬鈴薯渣的進(jìn)一步開發(fā)利用提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯渣 青海威思頓生物工程有限公司；鹽酸、無水乙醇、硫酸銅、氫氧化鈉、硫酸、咔唑、氯化碘、碘均為分析純；α-淀粉酶(生化試劑，酶活力3700U/g)北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；D-半乳糖醛酸(生化試劑，純度99%) 瑞士Fluka公司。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ-500型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；FZ102微型植物試樣粉碎機(jī) 河北省黃驊市齊家務(wù)振興電器廠；LD4-2離心機(jī) 北京醫(yī)用離心機(jī)廠；AE240s電子分析天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司；PHS-25型pH計 上海雷磁儀器廠；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵 上海亞榮生化儀器廠；HH-S型數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市正基儀器有限公司；LGJ-18冷凍干燥機(jī) 北京松源華興科技發(fā)展有限公司制造；7230G分光光度計 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

濕馬鈴薯渣→酶解→加熱滅酶→離心→醇洗→濾渣→風(fēng)干→粉碎→超聲波提取→濃縮→酒精沉淀→凍干→成品

1.3.2 操作要點(diǎn)

1.3.2.1 原料預(yù)處理

本實(shí)驗(yàn)使用的材料為提取淀粉后所剩的馬鈴薯渣，仍含有20%～40%淀粉。淀粉也是多糖類物質(zhì)，與果膠混在一起不易分離，對果膠的質(zhì)量和純度有嚴(yán)重影響。因此，本實(shí)驗(yàn)使用α-淀粉酶降解淀粉，使馬鈴薯渣中淀粉的含量降到最低[8]。酶解后的馬鈴薯渣溶液經(jīng)4500r/min離心30min，棄去上清液，無水乙醇洗滌一次，以除去游離糖、部分色素和雜質(zhì)，收集沉淀自然干燥備用。

1.3.2.2 超聲波提取

按一定固液比加入水，用鹽酸調(diào)節(jié)pH值，用超聲波升溫至一定溫度，加熱超聲提取，立即用紗布過濾，取濾液[9]。

1.3.2.3 濃縮沉淀

果膠提取溶液在40℃進(jìn)行真空濃縮后，加入等體積無水乙醇，攪拌均勻，4500r/min離心30min，并用75%無水乙醇洗滌2次，收集沉淀[10]。

1.3.2.4 干燥

采用真空冷凍干燥，真空度10Pa、溫度-20℃、時間2h。

1.3.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化馬鈴薯渣中提取果膠工藝試驗(yàn)設(shè)計

在進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)前，本實(shí)驗(yàn)室在大量預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定超聲功率(X1)、提取溫度(X2)、提取時間(X3)、pH值(X4)和料液比(X5)5個主因素作為輸入變量，以果膠得率(Y)作為輸出指標(biāo)，進(jìn)行五因素(1/2實(shí)施)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計。各因素在單因素試驗(yàn)中選出的最佳水平定為二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計時的零水平。試驗(yàn)因素水平編碼見表1。

表1 五因素(1/2實(shí)施)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化馬鈴薯渣中提取果膠工藝因素水平編碼Table 1 Levels and codes of five factors

1.3.4 果膠得率計算

1.3.5 測試指標(biāo)

果膠純度的測定：咔唑比色法[1-2]；酯化度測定：酸堿滴定法[3-4]；膠凝度的測定：下陷法[5-6]；干燥質(zhì)量損失、灰分、鹽酸不溶物、pH值、總半乳糖醛酸的測定參照標(biāo)準(zhǔn)QB 2484—2000《食品添加劑：果膠》中的方法進(jìn)行；重金屬測定按GB/T 8451—1987《食品添加劑中重金屬限量試驗(yàn)法》進(jìn)行；砷的測定按GB/T 8450—1987《食品添加劑中砷的測定方法》進(jìn)行。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

利用DPS數(shù)據(jù)處理軟件對二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)進(jìn)行方案設(shè)計，并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[7]。利用Design-Expert 6.0.5進(jìn)行響應(yīng)曲面作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波提取馬鈴薯渣中果膠工藝的優(yōu)化試驗(yàn)

2.1.1 回歸模型的建立

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上采用五因素(1/2實(shí)施)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計方案對超聲波提取馬鈴薯渣中果膠的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

以果膠得率為固定變量，超聲功率(X1)、提取溫度(X2)、提取時間(X3)、pH值(X4)、料液比(X5)為因變量，經(jīng)過統(tǒng)計分析得到的數(shù)學(xué)模型為(已剔除不顯著項(xiàng))：

Y=10.0049-0.4900X1＋2.5170X2＋0.2584X3-0.7684X4＋1.0767X5-1.0577X32-1.504X42-0.2527X52＋0.5112X1X4＋0.5875X1X5＋0.3675X2X3＋0.7562X3X4-0.2912X4X5

表2 五因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計及結(jié)果Table 2 Scheme and experimental results of quadratic regressionorthogonal rotation combination design

2.1.2 回歸模型的檢驗(yàn)

回歸方程經(jīng)方差分析后進(jìn)行顯著性及擬合度檢驗(yàn)。由表3可知，回歸方程P=0.0001＜0.01，達(dá)到極顯著水平，失擬項(xiàng)檢驗(yàn)P=0.1675＞0.01，且相關(guān)系數(shù)R=0.9764，說明所建立的二次回歸方程與實(shí)際情況擬合程度好，預(yù)測值與實(shí)測值之間具有高度的相關(guān)性，可進(jìn)行有效的預(yù)測；復(fù)決定系數(shù)R2＝0.9533，表明該數(shù)學(xué)模型中5個因素對果膠得率的影響達(dá)95.33%，而其他因素的影響和誤差占4.67%，即只有4.67%的變異不能由該模型解釋；另外，理論上Durbin-Watson統(tǒng)計量(d)接近于2時，表明模型擬合是合適的，而本試驗(yàn)統(tǒng)計量d=2.0539，同樣可知該方程的擬合度良好。

表3 多元回歸模型方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis of the multiple regression model

回歸方程系數(shù)的顯著性分析結(jié)果(表4)表明，提取溫度(X2)、pH值(X4)、料液比(X5)的一次項(xiàng)回歸系數(shù)達(dá)到極顯著水平，超聲功率(X1)的一次項(xiàng)回歸系數(shù)達(dá)到顯著水平，即提取溫度、pH值、料液比對果膠的得率有極顯著影響，超聲功率對其有顯著影響；提取時間(X3)、pH值(X4)的二次項(xiàng)回歸系數(shù)達(dá)到極顯著水平，即提取時間、pH值和果膠得率之間存在明顯的二次關(guān)系；超聲功率(X1)與pH值(X4)、超聲功率(X1)與料液比(X5)交互項(xiàng)回歸系數(shù)顯著，提取時間(X3)與pH值(X4)的交互項(xiàng)的回歸系數(shù)達(dá)到極顯著水平，說明他們之間存在明顯的交互作用。

表4 回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)表Table 4 Significance test of regression equation coefficients

2.1.3 主效應(yīng)分析

由于設(shè)計中各因素均經(jīng)無量綱線性編碼處理，且各一次項(xiàng)回歸系數(shù)之間，各一次項(xiàng)回歸系數(shù)與交互項(xiàng)、平方項(xiàng)的回歸系數(shù)都不相關(guān)，用回歸系數(shù)的絕對值大小可直接比較各因素一次項(xiàng)對提取的果膠得率的影響。影響果膠得率的因素順序依次為提取溫度＞料液比＞pH值＞超聲功率＞提取時間。

2.1.4 雙因素交互作用分析

為了觀察因素交互作用的影響，固定任意3個因素在零水平，研究另兩個因素的交互效應(yīng)。X1與X4、X1與X5及X3與X4存在明顯的交互作用(表4)，其響應(yīng)面與等高線圖見圖1～3。

圖1 超聲功率與pH值交互作用對果膠得率影響的響應(yīng)面圖與等高線圖Fig.1 Response surface and contour plots illustrating the effect of ultrasonic power and pH on the yield of pectin

從圖1等高線圖可以直觀看出，超聲功率與pH值兩因素對果膠得率的交互作用顯著。在不同的超聲功率條件下，隨著pH值的升高，果膠得率呈先增加后減小的趨勢；在不同pH值水平下，果膠得率隨著超聲功率的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，這說明雖然超聲波能加強(qiáng)對植物細(xì)胞壁的破碎作用，使胞內(nèi)果膠溶出速率增加，但當(dāng)超聲功率達(dá)到一定的程度，超聲功率的增大使得空化作用過大，會造成部分溶出果膠的分解，導(dǎo)致果膠得率降低。且超聲功率對果膠得率的影響沒有pH值的影響明顯。超聲功率水平為-2，pH值水平在0～-1間的果膠得率最高。

圖2顯示，超聲功率與料液比的交互作用對果膠得率影響顯著。在不同的超聲功率水平下，果膠得率隨料液比的增加呈現(xiàn)不斷增高的趨勢；在不同的料液比水平下，果膠得率隨著超聲功率的增加呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，但料液比對果膠得率的影響比超聲功率的趨勢更明顯。超聲功率水平為-2，料液比水平在1～2間果膠得率最高。

圖2 超聲功率與料液比交互作用對果膠得率影響的響應(yīng)面圖與等高線圖Fig.2 Response surface and contour plots illustrating the effect of ultrasonic power and solid/liquid ratio on the yield of pectin

由圖3響應(yīng)面圖和等高線可以看出，隨著提取時間和pH值水平的增加，果膠得率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在低水平pH值條件下，提取時間對果膠得率的影響比其在高水平pH值時更敏感。在低水平提取時間條件下，增加pH值對果膠得率的影響比高水平提取時間時更明顯，說明提取時間并不是越長越好。提取時間水平在0～1間和pH值水平在-1～0間時果膠得率最高。

圖3 提取時間與pH值交互作用對果膠得率影響的響應(yīng)面圖與等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots illustrating the effect of extraction time and pH on the yield of pectin

2.1.5 超聲波提取馬鈴薯渣中果膠工藝參數(shù)的優(yōu)化和驗(yàn)證

用DPS軟件對模型進(jìn)行擬和，超聲波提取馬鈴薯渣果膠最適工藝參數(shù)為X1＝-2.00、X2＝2.00、X3＝0.2623、X4＝-0.5539、X5＝0.1675，即當(dāng)超聲功率300W、提取溫度80℃、提取時間47.6min、pH1.8、料液比1:21時，果膠得率的理論最大值為16.6301%，在此條件下，果膠得率的實(shí)際值為15.76%，與預(yù)測值基本符合。

2.2 馬鈴薯渣果膠產(chǎn)品的主要成分分析

表5 馬鈴薯渣果膠產(chǎn)品的主要成分分析Table 5 Physico-chemical parameters of pectin product extracted from potato pulp under optimized conditions

考慮到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB 2484—2000《食品添加劑：果膠》高于國家標(biāo)準(zhǔn)GBn 246—85《食品添加劑：果膠》，故果膠的理化性質(zhì)指標(biāo)均參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB 2484—2000。本實(shí)驗(yàn)采用超聲波提取工藝所得果膠產(chǎn)品的干燥質(zhì)量損失、灰分、鹽酸不溶物、膠凝度、重金屬和砷的含量均符合標(biāo)準(zhǔn)QB 2484—2000。從表5可以看出，所得果膠產(chǎn)品酯化度大于50%，屬于高酯果膠，這也與所對應(yīng)的pH值測定結(jié)果一致，均符合標(biāo)準(zhǔn)QB 2484—2000。總半乳糖醛酸含量為果膠特性之一，本實(shí)驗(yàn)所得的果膠產(chǎn)品的總半乳糖醛酸含量達(dá)到65.91%，高于標(biāo)準(zhǔn)QB 2484—2000。采用超聲波法提取馬鈴薯渣中的果膠純度較高，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié)論與討論

馬鈴薯渣中含有豐富的果膠物質(zhì)，作為食品工業(yè)的加工副產(chǎn)物，將馬鈴薯渣開發(fā)成生產(chǎn)果膠的新原料，不僅能增加薯類加工的附加值、豐富果膠生產(chǎn)的原料來源，還有利于保護(hù)自然環(huán)境。

超聲提取法具有能提高有效成分的溶出速度、縮短提取時間，節(jié)省溶劑的消耗、提取率高等優(yōu)點(diǎn)，因而在小型實(shí)驗(yàn)室里應(yīng)用較多，但因所采用的超聲波儀器的種類和指標(biāo)各異，因而不同超聲波處理設(shè)備提取物料中果膠的提取功率不盡相同。超聲波功率越強(qiáng)，其空化作用越大，超聲波對細(xì)胞壁的破碎作用增強(qiáng)，胞內(nèi)果膠溶出速率增加，媒質(zhì)粒子的速度和加速度亦越大，界面擴(kuò)散層上的分子擴(kuò)散就越快[18]。但如果空化作用過大，溶出的果膠又被分解，果膠得率降低。因此，利用超聲波輔助提取馬鈴薯渣中的果膠，其超聲功率在較低水平時果膠得率最高，功率越大果膠得率反而下降。

該研究以果膠得率為指標(biāo)，采用五因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計考察了超聲功率、提取溫度、提取時間、pH值與料液比對超聲波提取馬鈴薯渣中果膠的影響。結(jié)果表明，超聲功率、提取溫度、pH值、料液比各因素對果膠得率都影響顯著，而提取時間對果膠得率的影響不顯著，這與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致(單因素試驗(yàn)中，提取時間從25min增加到65min，果膠得率最大值比最小值僅增加1.19個百分點(diǎn)，不同時間果膠得率之間沒有顯著差異(P≥0.05))。這是因?yàn)樵谝欢ǖ某暡l件下，提取一定的時間就可以較為完全的將果膠從馬鈴薯渣中提取出來，因此隨著時間的延長，果膠得率增加幅度很小。此外，超聲功率與pH值、超聲功率與料液比、提取時間與pH值的交互作用顯著影響果膠得率。

超聲波輔助提取馬鈴薯渣中果膠的優(yōu)化工藝條件為超聲功率300W、提取溫度80℃、提取時間47.6min、pH1.8、料液比1:21，果膠得率可達(dá)到15.76%，與傳統(tǒng)酸法相比，超聲波因具有空化效應(yīng)、機(jī)械震動及熱效應(yīng)等作用，促進(jìn)了果膠在溶劑中的擴(kuò)散釋放，從而強(qiáng)化了果膠的提取效果，使得提取溫度從90℃降低到80℃，提取時間100min縮短到47.6min，果膠得率從11.30%提高到15.76%，相對提高率為39.45%。測定超聲波輔助提取最優(yōu)工藝條件下的果膠產(chǎn)品的主要成分，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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Optimization of Pectin Extraction from Potato Pulp and Product Composition Analysis

YANG Xi-juan，DANG Bin
(Laboratory of Agric-Product Processing, Qinghai Academy of Agriculture and Forestry, Xining 810016, China)

In order to optimize the ultrasound-assisted extraction of pectin from potato pulp left after starch extraction, five key factors affecting pectin yield including ultrasound power, extraction temperature and pH, the length of extraction time and solid-to-liquid ratio were investigated by one-factor-at-a-time experimental design, and a mathematical model representing the relationship between the function and the five variables was constructed using quadratic regression orthogonal rotation combination design, and the effects of pairwise cross-interactions among the above factors on pectin yield were evaluated by response surface analysis (RSM). The optimal process for the extraction of pectin from potato pulp was determined to be the extraction of the raw material at 80 ℃ for 47.6 min with a 21-fold volume of water under the assistance of ultrasound treatment at 300 W. Under these optimal conditions, the yield of potato pectin reached up to 15.76%. Furthermore, the obtained product was analyzed for its physico-chemical parameters, and all the analytical results met the requirements of the national and industrial standards.

potato pulp；ultrasonic extraction；pectin；optimization；composition analysis

TS209

A

1002-6630(2011)04-0025-06

2010-04-08

青海農(nóng)林科學(xué)院青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目

楊希娟(1980—)，女，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品精深加工。E-mail：156044169@qq.com