響應面法優化超聲輔助提取果梅果實有機酸工藝

靳志飛　陳紅

摘要：以果梅果實為原料，利用響應面法確定其有機酸的超聲輔助提取最佳工藝條件。在單因素試驗基礎上，以超聲溫度、超聲時間、料液比、超聲頻率為自變量，有機酸提取量為響應值，使用中心組合（Box-Behnken）試驗設計對各個因素的顯著性和交互作用進行分析。結果表明，果梅果實有機酸的最佳提取工藝為超聲溫度36℃、超聲時間30min、料液比1：19（mL/g）、超聲功率59kHz、提取次數2次。在此條件下有機酸提取量的預測值為6.40%，實測值為6.24%，兩者較接近。表明BoxBehnken試驗設計和響應面法可以優化果梅果實有機酸的超聲輔助提取工藝。

關鍵詞：果梅果實；超聲輔助提?。挥袡C酸；響應面法；工藝優化

果梅（Prunus mume Sieb.et Zucc），俗稱酸梅或青梅，原產于中國，為薔薇科李屬多年生落葉喬木，果實富含多種營養保健成分，是一種藥食兼用型水果，其中最主要的營養成分為天然優質有機酸，如檸檬酸、蘋果酸、兒茶酸、酒石酸、琥珀酸、丙酮酸等。有機酸在人體代謝中具抑菌、抗病毒、增加冠脈流量、抑制腦組織脂質過氧化物生成、抗突變等生理功能，且具有良好的保健和藥用價值。因此，進一步開發利用果梅果實有機酸并對其提取工藝進行優化具有重要意義。近年來，以青梅汁為原料的飲料深受消費者喜愛，從果實中分離、提取、濃縮出有機酸成分，加工成天然梅汁和調味品已成為國內外消費者需求的新動向。

目前，超聲提取已廣泛地應用于天然產物的提取，超聲輔助提取具有高效、節能、省時的特點。利用超聲產生的熱效應、機械作用和空化效應造成植物細胞壁破裂，加快胞內含物的釋放、擴散和溶解，大大縮短了提取時間，提高了提取效率。因此，合理優化超聲提取果梅果實中的有機酸含量，不僅可以最大化提取有機酸含量而且還提高了果梅的利用價值。但是目前，有機酸的提取工藝普遍采用傳統的提取方法，時間較長、溫度較高，限制了有機酸的開發利用。因此，本研究采用響應面法對超聲輔助提取果梅果實中的有機酸工藝條件進行研究，以期為進一步開發利用果梅有機酸提供試驗依據。

1.材料與方法

1.1材料

果梅，采自茂蘭國家級自然保護區內的洞塘鄉：氫氧化鈉、酚酞（1%）、鄰苯二甲酸氫鉀均為分析純。

SK8210LHC型超聲波清洗儀，上海科導超聲儀器有限公司；JJ-2型組織搗碎勻漿機、HH-2型數顯恒溫水浴鍋，金壇市榮華儀器制造有限公司：CPl53型電子天平，美國奧豪斯公司：ThermoD-37520型高速冷凍離心機，德國Heraeus公司：Milli-Q型超純水系列，美國密理博公司。

1.2方法

1.2.1樣品制備 在同一地點選擇樹齡相同、長勢一致的果梅樹5棵，取樣時盡可能地避免外界環境條件的影響，隨機選取樹冠外圍中部不同方位、大小均勻、無病蟲害的果實，每株10-20個果實，采后迅速放入采樣裝置中帶回實驗室。清水洗凈，自然晾干，去皮后用組織搗碎勻漿機打漿，備用。隨機稱取1，00 g左右的果漿，按一定的料液比加入適量的去離子水，在超聲輔助條件下進行提取、過濾，濾液稀釋定容，即得樣液待測。

1.2.2可滴定酸的測定方法 根據酸堿中和原理，以酚酞作指示劑，用移液管吸取定容至50 mL的待測液25 mL于250 mL錐形瓶中，加1%酚酞指示劑2滴，用已標定的NaOH溶液進行滴定。滴定至溶液初顯粉紅色并在0.5 min內不褪色時為終點（pH 8.1～8.3），記錄NaOH滴定液用量，根據消耗的標定堿液量求出樣品中可滴定酸的百分含量。以檸檬酸作為其換算系數即0.064，3次重復，以去離子水為空白對照，依據下面的公式計算果梅果實中有機酸含量。

1.2.3單因素試驗

1）超聲時間對有機酸提取量的影響：以去離子水為提取溶劑，在料液比1：10（g：mL，下同）、超聲溫度30℃、超聲功率50 kHz，提取次數2次的條件下，分別超聲提取10、20、30、40、50和60 min，考察不同超聲時間對有機酸提取量的影響。

2）超聲溫度對有機酸提取量的影響：以去離子水為提取溶劑，在料液比1：10，超聲時間30 min，超聲功率50 kHz，提取次數為2的條件下，分別選擇25、35、45、55、65和75℃的溫度進行提取，然后考察不同超聲溫度對有機酸提取量的影響。

3）料液比對有機酸提取量的影響：以去離子水為提取溶劑，在超聲溫度35℃，超聲時間30min，超聲功率50 kHz，提取次數2次的條件下，分別選擇料液比為1：5、1：10、1：15、1：20、1：25和1：30進行提取，然后考察不同料液比對有機酸提取量的影響。

4）超聲功率對有機酸提取量的影響：以去離子水為提取溶劑，在料液比1：10、超聲溫度35℃、超聲時間30 min、提取次數2次的條件下，研究超聲功率為40、50、60、70、80和90 kHz對果梅果實有機酸提取效果的影響。

5）提取次數對有機酸提取量的影響：以去離子水為提取溶劑，在料液比1：10、超聲溫度35℃、超聲時間30 min、超聲功率50 kHz的條件下分別提取1、2、3和4次，然后測定有機酸含量。

1，2，4響應面法試驗 綜合單因素試驗結果，選取料液比、超聲功率、超聲溫度及超聲時間為自變量，果梅果實提取有機酸的含量為響應值，根據Box-Behnken試驗設計原理，采用4因素3水平的響應面分析試驗，其因素與水平見表1。通過Design Expert 8.06軟件對試驗數據進行回歸分析，預測果梅果實有機酸提取的最優工藝。

1.3數據分析方法

利用Excel 2003程序和Design Expert 8.06軟件對試驗結果進行分析。

2.結果與分析

2.1單因素試驗結果

2.1.1超聲時間對有機酸提取量的影響 由圖1可知，隨著超聲提取時間的延長，果梅果實有機酸提取量逐漸增加，當超聲提取時間達到30 min時，提取量最大，之后隨超聲提取時間的延長，有機酸的提取量反而降低。可能是長時間的超聲處理，揮發性有機酸的含量不斷減少。另外超聲時間越長，耗費的能量越多，故超聲時間以30 min為宜。

2.1.2超聲溫度對有機酸提取量的影響 由圖2可知，隨著超聲溫度的不斷增加，果梅果實有機酸提取量呈先增大后減小的趨勢，當超聲溫度小于35℃時，果實有機酸提取量隨著超聲溫度的升高而增加，當超聲溫度高于35℃時，果實有機酸隨著超聲溫度的繼續增加而下降。這可能是由于溫度高和機械波的作用造成某些熱敏感有機酸的損失。因此，選擇超聲溫度35℃為宜。

2.1.3料液比對有機酸提取量的影響 由圖3可知，果梅果實有機酸提取量隨料液比的變化而變化，當料液比在1：5-1：20之間時，有機酸的提取量呈增加趨勢；料液比為1：20時，有機酸的提取量達到最大，之后隨著提取溶劑的增加有機酸的提取量不斷降低。因此，選擇料液比為1：20為宜。

2.1.4超聲功率對有機酸提取量的影響 由圖4可知，隨超聲波功率的增加，果梅果實有機酸提取量先增大后降低，超聲功率在40～60 kHz范圍內，有機酸提取量隨超聲功率的增大而升高，當超聲頻率為60 kHz時，有機酸提取量達到最高值。當超聲功率繼續增大時，有機酸的提取量反而下降。因此，選擇超聲功率60kHz為宜。

2.1.5提取次數對有機酸提取量的影響 由圖5可知，隨著提取次數的增加，果梅果實有機酸提取量越來越低，當提取次數為3時，有機酸提取量僅為0.30%，可見，經第2次提取后，有機酸的提取量已經很低，綜合考慮產量和能耗等因素，選擇提取2次為宜。

2.2響應面法優化果梅果實有機酸提取工藝

2.2.1響應面試驗設計及結果 在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken試驗設計原理，選取料液比（X1），超聲功率（X2）、超聲溫度（X3）及超聲時間（X4）作為自變量，以有機酸的提取量作為響應值，共設29個試驗點的響應面分析試驗，其中24個為析因試驗，5個為中心試驗，試驗方案及結果見表2。

采用Design Expert 8.06軟件對試驗數據進行回歸分析，得到有機酸提取量與料液比（X1）、超聲功率（X2）、超聲溫度（X3）、超聲時間（X4）的二次多項回歸方程：y=6.37-0.12X，-0.052X2+0.19X3+0.020X4+0.021X1X2-0.30X1X3-0.065X1X4-0.010X2X3-0.14X2X4-0.054X3X4-0.44X12-0.55X22-0.5 1X3-0.34X42。從方程中可以反映出各因素對提取量的影響程度，方程中各項系數絕對值越多，影響越大，系數的正負反映了影響的方向。

2.2.2響應面法優化回歸方程的方差分析 由表3可知，該回歸方差模型極顯著（P=0.000 1<0.01），回歸模型的決定系數R2=0.912 0，說明該模型能夠解釋91.20%的變化，失擬項P=0.235 9>0.05，失擬性檢驗結果不顯著。表明有機酸提取量（Y）實際值與預測值之間擬合程度較好，試驗誤差小，可用該模型分析和預測果梅果實有機酸超聲提取的結果。對模型回歸方程系數的顯著性試驗表明，一次項中X1的偏回歸系數顯著、X3偏回歸系數極顯著，交互項X1X3極顯著，二次項中X1、X2、X3和X4均極顯著，表明這些響應值對有機酸的提取具有顯著影響。結合模型回歸中的線性和回歸方程系數顯著性檢驗可知，對有機酸提取影響因素的大小順序依次為超聲溫度、料液比、超聲功率、超聲時間。

2.2.3響應面的曲面分析 圖6直觀地反映了各因素對響應值的影響，在試驗設定的水平范圍內，隨著每個因素取值的增大，其相應面值相應也增大，但當響應值達到最大值后，其不再隨因素取值的增大而增大。從中可以看出，X1X2（P=0.822 7）、X1X4（P=0.0.4911）、X2X3（P=0.912 6）、X2X4（P=0.157 5）和X3X4（P=0.566 2）的等高線形狀為圓形，曲面的陡峭程度較為平緩，交互作用較弱。X1X3（P=0.005 3）等高線為橢圓形，曲面較陡峭，反映其交互作用顯著。

2.2.4最佳工藝條件的預測與檢驗 通過響應面優化得到果梅果實有機酸提取的最佳工藝方案為料液比1：18.86、超聲功率59.40 kHz、超聲溫度36.26℃、超聲時間30.21 min，預測有機酸提取量可達到6.40%。在最優條件下進行4組驗證試驗，所得果梅果實有機酸提取量為6.24%，與理論預測值的誤差為0.16%?？梢娀貧w方程能較真實地反映各因素對果梅果實有機酸提取量的影響，由響應面法建立的回歸模型具有可靠性，

3.小結

通過單因素試驗和Box-Behnken試驗設計以及響應面法，對超聲提取果梅果實有機酸的工藝進行優化，得到的最佳工藝條件為料液比1：19、超聲功率59 kHz、超聲溫度36℃、超聲時間30 min，提取次數為2次。在此最佳工藝條件下，果梅果實有機酸的提取量為6.24%。