苤藍皮中果膠的提取工藝研究

侯蘭芳 韓艷萍

【摘 要】本文采用微波輔助加熱法從苤藍皮中提取果膠，通過單因素試驗，得出微波加熱時間t、料液比和提取液pH對果膠得率有顯著影響，并用響應面分析法優化了提取工藝參數（微波加熱時間t、料液比和提取液pH）對果膠提取率的影響。選擇微波加熱時間、料液比和提取液pH為自變量， 果膠的提取率為響應值，采用Box-Behnken試驗設計方法，研究各單因素及其交互作用對果膠提取率的影響。實驗結果表明，苤藍皮中果膠的提取最佳工藝條件為：微波加熱時間51.14s，料液比1：31，提取液pH1.31，苤藍皮粉末提取果膠最高得率15.09﹪。

【關鍵詞】苤藍皮；果膠；微波輔助提取；響應面分析

Abstract：This paper use microwave-assisted method extraction （MAE） to extract pectin from kohlrabi peel， by single-factor test， obtained by microwave heating time， solid-liquid ratio and pH has a significant influence to the pectin extract ratio， The response surface methodology （RSM） is used to optimize the extraction process parameters （microwave heating time， solid-liquid ratio and extract pH）， which are play an important role in the process of pectin extraction rate. Select microwave heating time， solid-liquid ratio and extract liquid pH as extract variables， pectin extraction rate of response to the value， using Box-Behnken experimental design method to study all their interactions on pectin extraction rate. Experimental results show that Kohlrabi peel powder pectin optimum extraction conditions are： microwave heating time： 51.14s， solid-liquid ratio： 1：31， extract pH： 1.31， Kohlrabi peel powder extraction pectin the highest rate is 15.09%.

Key Words：ohlrabi peel； Pectin； Microwave-assisted extraction（MAE）； Response surface methodology（RSM）.

引言

苤藍，又名球莖甘藍、玉蔓青、苴蓮。是一種在我國產銷量都很大的蔬菜。本實驗利用苤藍皮為原料，采用微波輔助提取法提取果膠類物質，期望為苤藍皮的綜合利用提供一定的參考[1-3]。

一、材料、試劑與儀器設備

（一）材料與試劑

（1）原料

苤藍，購于臨汾市堯豐市場

（2）化學試劑

98%的濃硫酸、無水乙醇、濃鹽酸、氫氧化鈉、咔唑，均為分析純AR；半乳糖醛酸（Sigama公司產品）。

（二）試驗儀器與設備

二、試驗方法

（一）工藝流程

苤藍皮→滅酶→漂洗→烘干→粉碎→微波輔助提取→抽濾→濾液→處理→測定其吸光度→計算果膠得率。

（二）標準曲線的繪制[4]

從濃度為1.0mg/mL的半乳糖醛酸溶液中分別取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mL在50mL容量瓶中定容至刻度，形成濃度為10、20、30、40、50和60μg/mL的半乳糖醛酸標準溶液。在七支比色管中，分別加入分析純濃硫酸6mL，置于冰水中冷卻，邊冷卻邊緩緩加入濃度為10、20、30、40、50、60μg/mL的半乳糖醛酸溶液各1mL，在第七支比色管中加入1mL蒸餾水作空白對照，充分混合后繼續冷卻，然后于沸水浴中加熱10min，冷卻至室溫后，再加入0.15%咔唑0.5mL，充分混合，室溫放置30min，在波長530nm處以空白試劑作對照，測定吸光度A，并建立果膠含量的標準曲線。

（三）果膠提取工藝的確定

（1）單因素試驗

1、微波加熱時間對果膠提取率的影響

準確稱取0.5g的苤藍皮粉末5份，在料液比1：30、提取液pH1.5、微波功率450W不變的條件下，分別對樣液采取微波加熱輔助法提取，微波加熱時間分別取為：30s、50s、70s、90s、110s，同時做平行試驗3次，所得結果取平均值。比較所得結果，選擇合適的微波加熱時間。

2、料液比對果膠提取率的影響

準確稱取0.5 g苤藍皮粉末5份，在微波加熱時間t=70s、提取液pH1.5、微波功率450W的條件下，料液比分別取為1：20、1：25、1：30、1：35、1：40，采用微波加熱輔助法提取，同時做平行試驗3次，結果取平均值。比較所得結果，選擇合適的料液比。

3、提取液pH對果膠提取率的影響

準確稱取0.5 g苤藍皮粉末5份，采用上述實驗確定的提取時間和料液比，在微波功率450W下，提取液pH分別選擇1.0、1.5、2.0、2.5、3.0，采用微波加熱輔助法處理，同時做平行試驗3次，結果取平均值。比較所得結果，選擇合適的提取液pH。

（2）響應曲面法試驗設計[5]

在單因素試驗的研究基礎上，采用Box-Behnken設計方案，選取微波加熱時間（X1）、料液比（X2）和提取液pH（X3）三個因素的3個水平對響應值（果膠提取率）進行響應面試驗設計，其中+1、0、-1分別代表變量的水平，響應面設計因素與水平見表1。

表1 響應面設計因素與水平表

Tab. 1 Factors and Levels for Box-Behnken Design Table

（四）果膠含量的測定

本文所有試驗果膠含量測定方法均為：將提取液移入50mL的容量瓶定容至50mL，吸取5mL再次定容至50mL，取1mL按照本文2.2.2處理，530nm處測定吸光度值，根據標曲換算，計算果膠得率。

果膠得率計算公式：

三、結果與分析

（一）標準曲線與回歸方程的建立

圖1 果膠標準曲線

Fig.1 Calibration curve of pectin

（二）單因素試驗結果與分析

（1）微波加熱時間對果膠提取率的影響

圖2 微波加熱時間對果膠提取率的影響

Fig.2 Effect of microwave heating time on the extraction rate of pectin

延長加熱時間有利于苤藍皮中的果膠轉移到液相中，果膠的產率提高，70s時達到最大產率。如果溫度太高，果膠就會發生去甲基化和解聚[6]。因而，微波輔助加熱最佳時間選擇為70s。

（2）料液比對果膠提取率的影響

圖3 料液比對果膠提取率的影響

Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of pectin

隨著料液比的增大，苤藍皮中果膠的提取率增加，1：30時果膠得率最大。

（3）提取液pH對果膠提取率的影響

圖4提取液pH對果膠提取率的影響

Fig.4 Effect of extraction liquid pH on the extraction rate of pectin

開始時隨著提取液pH值的降低果膠提取率在逐漸增加，這主要是因為隨著pH值的降低原果膠水解逐漸增強，pH為1.5時達到最大提取率；此后果膠得率開始呈下降趨勢，且下降趨勢較大。這是因為pH值過低時，原果膠水解過度，致使果膠脫去酯基和裂解[13]。而pH值過高時，酸的作用不明顯，果膠的提取不完全，果膠的提取率低。苤藍皮果膠的提取最佳pH為1.5。

（三）響應曲面分析與結果

（1）設計響應曲面試驗

根據Box-Beknhen中心組合試驗設計原理，以微波加熱時間、料液比和提取液pH對應三個獨立變量 X1、X2、X3對響應值（果膠提取率）進行三因素三水平的響應面分析試驗。設計方案及果膠提取率的測定結果見表2。

（2）模型的建立 [7-8] 及顯著性分析

本試驗分別以獨立變量X1、X2、X3對應3個提取因素微波加熱時間、料液比和提取液pH，并以-1，0，1分別代表變量的水平（見表1），按下式對自變量進行編碼：

xi=（ Xi- X0）/ΔXi，i=1，2，3；

式中：xi為變量Xi的編碼值；

X0為變量Xi的試驗中心點的值；

△X為變量Xi的變化間隔值。

利用Design Expert 7.0（version 7.0， Stat-EaseInc，Minneapolis，MN.USA）軟件對

表2數據進行多元回歸擬合，得二次多元回歸模型為（Fin概率=0.05，Fout概率=0.1）：

Y=+15.05-0.22X1+0.16X2-0.25X3-0.35X1X2-0.37X1X3-0.42X2X3-0.46X12-1.00X22-0.59X32

該方程預測了獨立變量X1、X2、X3這三個因素在苤藍皮果膠提取中的影響。

該模型回歸方程系數及其顯著性檢驗（見表3），由表3可知，X3、X1X3、X12、X22和X32為顯著影響因素。各影響因素中，影響最大的是二次項的微波加熱時間（X12），其次是二次項的提取液pH值（X32），一次項的提取液pH值（X3），二次項的微波加熱時間（X12）以及交互項的微波加熱時間、提取液pH值（X1X3）和二次項的提取料液比（X22），表明各因素對果膠提取率的影響不是簡單線性關系。

模型的可靠性也可從表3的回歸模型的方差分析（ANOVA）和相關系數來分析，當“Pr >F”值小于0.001時，即表示該項指標顯著。對果膠提取率方差分析結果表明對果膠提取率所建立的回歸模型是極顯著的（P<0.001）， 說明此模型描述各因子與響應值之間的關系時，其應變量與全體自變量之間的線性關系是顯著的，即這種試驗方法設計可靠；模型的校正決定系數R2Adj=0.9043，說明該模型能解釋90.43%響應值的變化；相關系數R2越接近1，說明模型的預測和實驗值的相關性越好。本實驗R2=0.9581，說明模型能很好的描述試驗結果。上述分析可知本試驗模型擬合程度好，可以用來對苤藍皮中果膠的提取率進行分析和預測[15]。

表2 響應面分析方案與試驗結果

Table 2 Response design and test results of pectin extraction

注①：X1、X2、X3在響應曲面圖中分別為 A、B、C。

表3 回歸方程系數及其顯著性檢驗

Table 3 Test of significance for regression coefficient

R2=0.9581 R2Adj=0.9043

（3）響應面分析與優化

1、微波加熱時間和料液比交互作用

a

b

圖5微波加熱時間與料液比對果膠提取率的響應面圖（a）與等高線（b）

Fig.5 Surface plot （a） and contour plot （b） of the effects of microwave heating time and liquid-solid ratio on the extraction rate of pectin

由圖5（a）可知，當提取液pH值為1.5時，在本試驗范圍內，隨著微波加熱時間和料液比的增大，果膠的提取率先呈上升趨勢，之后又開始下降。由圖5（b）可以看出其等高線的形狀為橢圓形，表現為微波加熱時間和料液比交互效應顯著。同時也可以看出料液比對果膠提取率的影響顯著，表現為較陡的曲線，微波加熱時間對果膠提取率的影響較小，表現為曲線較平緩。

2、提取液pH值和微波加熱時間交互作用

圖6微波加熱時間和提取液pH值對果膠提取率的響應面圖（a）與等高線（b）（如下）

Fig.6 Surface plot （a） and contour plot （b） of the effects of microwave heating time and pH value on the extraction rate of pectin

由圖6可知，當料液比為1：30時，在本試驗范圍內，提取液pH值和微波加熱時間交互效應對果膠提取率的影響顯著，表現為其等高線的形狀為橢圓形，而且提取液pH值對果膠的提取率的影響較顯著，表現為曲線較陡；微波加熱時間對果膠提取率的影響較小，表現為曲線較平緩。

a

b

3、提取液pH值和料液比交互作用

a

b

圖7料液比和提取液pH值對果膠提取率的響應面圖（a）與等高線（b）

Fig.7 Surface plot （a） and contour plot （b） of the effects of liquid-solid ratio and pH value on the extraction rate of pectin

由圖7（b）可知，當微波加熱時間為70s時，在本試驗范圍內，pH值對果膠提取率的影響極顯著，料液比對果膠提取率的影響較小。由于等高線的形狀接近圓形，可知其交互效應對提取率的影響不顯著。

4、最優工藝條件求取

由上述試驗數據知，提取液pH值和微波加熱時間之間的交互效應最顯著，微波加熱時間和料液比之間的交互效應次之，料液比和提取液pH值的交互效應最不顯著。綜合比較，可知因素的主效應關系為：提取液pH值>微波加熱時間t>料液比。

為進一步確定最佳點值，對二次多元回歸模型取一階偏導等于零，得到如下三元一次方程組[18]：

-0.22-0.92 X1-0.35X2-0.37X3=0；

0.16-0.35X1-2.00X2-0.42X3=0；

-0.25-0.37X1-0.42X2-1.18X3=0。

對方程求解得：X1=0.057，X2=0.011，X3=-0.38。

變換為真實值為：微波加熱時間為51.14s、料液比1：31，提取液pH值為1.31。此條件下，果膠提取率理論值為15.09%。

四、結論

將微波輔助加熱法應用于果膠提取可以加快組織的水解，使果膠的提取時間較傳統提取法大大縮短。采用Design-Expert 7.0 軟件二次回歸試驗設計優化果膠提取參數（微波加熱時間t、料液比和提取液pH）取得了較好的效果。

試驗結果表明，果膠提取最佳優化工藝參數為：微波加熱時間51.14s、料液比1：31、提取液pH1.31；果膠的平均提取率可達15.09%.可見微波輔助加熱提取果膠的工藝方法較為合理。該模型能較好地反映果膠的提取條件，也證明了響應面分析法在確定苤藍皮果膠微波輔助提取條件的可行性。可見，采用微波輔助加熱法提取果膠和用響應面分析法優化工藝參數不僅科學合理，而且快速有效，為以后的果膠分離純化及工業化生產提供了一定的依據。

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