響應(yīng)曲面法優(yōu)化南瓜皮果膠的酶提工藝

摘要：研究南瓜（Cucurbita moschata）皮果膠的最佳提取工藝條件，在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用Box-Behnken Design設(shè)計(jì)方法，研究了纖維素酶濃度、pH、液固比、提取溫度及其交互作用對(duì)南瓜皮果膠提取率的影響。結(jié)果表明，最佳工藝條件為酶濃度0.5%、pH 4.34、溫度40 ℃、液固比24.63∶1（mL∶g），在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)得到果膠提取率為16.3%。

關(guān)鍵詞：南瓜（Cucurbita moschata）；果膠；纖維素酶；響應(yīng)曲面法

中圖分類(lèi)號(hào)：S642.1；TS209；R284.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）14-3704-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.041

Abstract： optimal extract conditions for the extraction of pectin from the pumpkin peel were researched，on the basis of single factor tests，response surface analysis experiment was designed by Design Expert8.0.6 the effects of the concentration cellulose solution. material/liquid ratio. extraction temperature. extraction pH were investigated through experiment. The optimum extraction technology were Obtained as follows：the concentration of cellulose solution 0.5%，material/liquid ration 1∶24.63，extraction temperature 40 ℃，extraction pH 4.34. In this condition，the extraction rate of pectin was up to 16.25%. Under these conditions，the yield of pectin could be achieved to 16.3%.

Key words：Cucurbita moschata；pectin；cellulase；response surface methodology

果膠是植物細(xì)胞壁的重要組成部分，混合物，呈酸性，白色至淡黃色粉末，水溶性物質(zhì)。果膠具有良好的膠凝性和穩(wěn)定性[1]，可抗腹瀉、抗癌、治療糖尿病和減肥等[2]，在食品工業(yè)、醫(yī)藥加工上被廣泛應(yīng)用[3]。

目前國(guó)內(nèi)商品果膠主要以柑橘皮、蘋(píng)果渣等為原料生產(chǎn)，中國(guó)每年消耗約1 500 t以上果膠，據(jù)有關(guān)專(zhuān)家預(yù)計(jì)，果膠的需求量在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍將以每年15%的速度增長(zhǎng)，需求量與世界平均水平相比呈高速增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此，大力開(kāi)展果膠的提取分離工作，不僅能為中國(guó)食品加工領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用優(yōu)質(zhì)果膠提供理論依據(jù)，而且將推動(dòng)國(guó)產(chǎn)果膠生產(chǎn)的發(fā)展[4-6]。南瓜（Cucurbita moschata）皮在中國(guó)利用率極低，一直不為人們重視。研究從南瓜皮中提取果膠不僅可減少資源浪費(fèi)，保護(hù)環(huán)境，在一定程度上還為果膠生產(chǎn)提供了原料。目前提取果膠的方法主要是酸提醇沉法、鹽析法、超聲波提取法等[6-8]。用酶解法提取南瓜皮果膠還較為少見(jiàn)。

響應(yīng)曲面試驗(yàn)次數(shù)少、周期短，可以在因素和響應(yīng)值之間的擬合出明確的回歸方程，該回歸方程精度高、能研究幾種因素間交互作用[9]。本試驗(yàn)在預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上再選取部分因素水平作為響應(yīng)曲面優(yōu)化對(duì)象，研究了提取溫度、提取時(shí)間、pH、酶濃度對(duì)果膠提取率的影響，找出了最佳提取工藝條件，為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原材料來(lái)自孝感農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)的新鮮、金黃、無(wú)腐爛的南瓜皮，經(jīng)清洗后切碎，經(jīng)120 ℃酶滅活20 min，然后在60 ℃條件下干燥20 h，干燥完畢用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，粉碎后過(guò)60目篩，取篩下部分作為試驗(yàn)原料。鹽酸、氫氧化鈉均為分析純（調(diào)pH），直徑7 cm定性濾紙，酒石酸、乙醇均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

干燥箱（上海福瑪試驗(yàn)設(shè)備有限公司），中藥粉碎機(jī)（天津泰新特儀器有限公司），BSA223S型電子天平[賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司]，PHS-25C型pH計(jì)（上海鴻蓋儀器有限公司），TL-18M型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)（上海市離心器械研究所），HH-4型水浴鍋（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司），SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵（上海亞榮生化儀器廠）。

1.3 方法

1.3.1 果膠提取工藝流程 新鮮南瓜皮清洗干燥（先在120 ℃下烘20 min以殺青，后在60 ℃條件下烘20 h）→粉碎→過(guò)60目篩→取1 g的原料進(jìn)行水浴加熱酶提→離心10 min（3 000 r/min）（重復(fù)酶提與離心兩次）→取上清液進(jìn)行醇沉（1∶2）12 h→抽濾→烘干至恒重（40 ℃下烘12 h）稱(chēng)量。

檢測(cè)指標(biāo)以提取率為標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)試驗(yàn) 在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取影響效果明顯的因素及其最佳效果附近的3個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，四因素三水平分別是酶濃度（0.5%、0.7%、0.9%），溫度（40、50、60 ℃），提取pH（4.0、4.4、4.8），液固比（15∶1、20∶1、25∶1）（mL∶g，下同）。在設(shè)計(jì)中，一共有29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中24個(gè)為析因點(diǎn)，5個(gè)為零點(diǎn)，用以估算試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)以果膠提取率為響應(yīng)值，試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及水平編碼見(jiàn)表1。用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)曲面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

以果膠提取率為響應(yīng)值，根據(jù)響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)了29組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸及方差分析，方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。各因子與響應(yīng)值之間線性關(guān)系的顯著性由F值檢驗(yàn)來(lái)判斷，P值越小則說(shuō)明變量的顯著性越高。由表3可知，模型的F值為29.59，P<0.000 1，表明模型是極顯著的；校正系數(shù)RAdj=0.934 6，表明在果膠提取率總的變異中有93.46%是由變量引起的；失擬項(xiàng)用來(lái)檢測(cè)回歸模型與實(shí)際試驗(yàn)值擬合程度的好壞[10]，失擬項(xiàng)F為1.34，對(duì)應(yīng)的P為0.419 3>0.05，失擬項(xiàng)不顯著，模型擬合程度較好，試驗(yàn)誤差小，可以用此模型對(duì)南瓜皮中果膠提取進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

F值越大，影響作用越大，在所選各因素水平范圍內(nèi)， 依據(jù)表3參數(shù)估計(jì)值可知影響因子的主效應(yīng)主次順序?yàn)椋簻囟?gt;濃度>液固比>pH。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合得到的回歸模型為：y=-2.243 37-0.895A-0.011 12B+1.682 92C+0.036 249D+0.036AB-0.022 562BC-0.000 855BD+0.001 02532B2-0.242 38C2-0.000 301 216D2-0.000 343 75AB2-0.000 190 625B2C+0.000 008B2D+0.004 687 5BC2。

2.2 響應(yīng)曲面交互作用分析

依據(jù)上述回歸方程作出相應(yīng)的響應(yīng)曲面及等高線（圖1、圖2、圖3），分析確定提取溫度、液固比、酶濃度、pH 4個(gè)因素對(duì)南瓜皮中果膠提取的交互作用，曲線越陡，說(shuō)明因素間的交互作用越強(qiáng)[11，12]。結(jié)果表明，提取溫度、液固比、酶濃度3個(gè)因素的交互作用不明顯，各影響因素對(duì)南瓜皮中果膠提取量的影響不是呈線性關(guān)系。圖1表明，當(dāng)提取pH固定為4.4，液固比固定為20∶1，在提取溫度不變的條件下，酶濃度在0.5%～0.9%，隨著濃度的升高，南瓜皮果膠的提取量逐漸增加；圖2表明，當(dāng)酶濃度固定為0.7%，液固比固定為20∶1，在提取溫度不變的條件下，果膠提取率隨著pH的增加先上升后下降；圖3表明，當(dāng)提取酶濃度固定為0.7%，提取液pH固定為4.4，在提取溫度不變的條件下，液固比在（15∶1）～（25∶1），南瓜皮中果膠的提取率隨液固比的升高而增加。

結(jié)合回歸模型的數(shù)學(xué)分析結(jié)果，酶法提取南瓜皮果膠的最佳工藝參數(shù)為：酶濃度0.5%，提取溫度40 ℃，pH 4.34，液固比24.63∶1。在此條件下模型預(yù)測(cè)南瓜皮果膠提取率為16.25%，實(shí)測(cè)提取率為16.30%，兩者接近，說(shuō)明該模型可靠，利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化的南瓜皮果膠提取工藝是可行的。

3 結(jié)論

研究采用響應(yīng)曲面分析法，通過(guò)改變提取條件優(yōu)化了從南瓜皮粉中提取果膠的方法，提高了果膠提取率。探究了酶濃度、提取溫度、pH和液固比對(duì)南瓜皮中果膠提取率的影響，利用響應(yīng)曲面分析法優(yōu)化出了最佳提取工藝參數(shù)為：酶濃度0.5%，提取溫度40 ℃，pH 4.34，液固比24.63∶1。在此條件下模型預(yù)測(cè)南瓜皮果膠提取率16.25%，實(shí)測(cè)為16.30%，兩者接近，說(shuō)明該模型可靠，利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化的南瓜皮果膠提取工藝是可行的，在食品醫(yī)藥行業(yè)具有應(yīng)用價(jià)值。

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