響應面優化石花菜瓊膠提取工藝

劉施琳,朱 豐,林圣楠,黃金城,李天驕,王紅麗,林向陽

(福州大學生物科學與工程學院,福建福州 350108)

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響應面優化石花菜瓊膠提取工藝

劉施琳,朱 豐,林圣楠,黃金城,李天驕,王紅麗,林向陽*

(福州大學生物科學與工程學院,福建福州 350108)

采用高溫高壓法提取石花菜瓊膠,以提取率和凝膠強度為指標研究其提取工藝。在單因素實驗的基礎上,采用BBD中心組合實驗設計,利用Design-Expert軟件,建立數學模型,確定瓊膠最佳提取工藝參數:檸檬酸為0.03%、提取時間為33 min,料液比為1∶36、提取溫度為110 ℃,此條件下瓊膠提取率高達37.85%,其感官性質、理化性質符合國家標準,凝膠強度為873 g/cm2,屬于高強度產品,為石花菜深加工提供一定的理論依據。

石花菜,瓊膠,提取工藝,凝膠強度,響應面分析

瓊膠(Agar)又稱瓊脂、凍粉,由石花菜及其他紅藻植物提取出來的一種經濟藻膠[1]。因瓊膠具有良好的膠凝、穩定、增稠和懸浮性,廣泛應用于食品、生物工程、日用化工、醫藥等許多方面[2]。石花菜(Gelidiumamansii)是我國制造瓊膠的重要原料,其膠質中的硫酸基含量少,不需要堿處理過程就可獲得高品質的瓊膠[1]。

常用的瓊膠提取方法有很多種,如恒溫水浴法、超聲波輔助法、微波輔助法、空氣高壓、蒸汽高壓法、酶法等[3-7]。恒溫水浴法是提取瓊膠最常用的方法,雖然設備簡單,容易操作,適用范圍廣泛,但瓊膠得率低,提取時間長。石花菜細胞壁分為纖維素質層和果膠質層,常溫常壓下難以破壞其纖維素質層,影響石花菜瓊膠的提取。酸性條件下可破壞纖維素質層的骨架結構,加速細胞壁破裂,促使石花菜瓊膠的溶出[8]。

本研究以食品級檸檬酸作為酸性提取溶劑,利用高溫高壓法提取石花菜瓊膠。以提取率和凝膠強度為指標,通過單因素和響應面實驗優化石花菜瓊膠提取工藝條件,為石花菜瓊膠制備技術提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

石花菜 產自山東青島,去雜質、洗凈后烘干備用;碘、硝酸、過氧化氫、硫酸、氨水、乙酸銨、鹽酸、乙醇、檸檬酸氫二胺、鹽酸羥胺、氰化鉀、三氯甲烷、硝酸鉛、三氧化二砷、氧化鎂、硝酸鎂、氫氧化鈉 均為分析純;檸檬酸 食品級。

LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海申安醫療器械廠;BC/BD-217CH冷柜 河南新飛電器有限公司;BS110S電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;TA-XT plus質構儀 北京微訊超技儀器技術有限公司;HH-4數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;HY-8調速振蕩器 常州國華電器有限公司;ZJ-TFG-12通風櫥 上海谷寧儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 石花菜瓊膠提取工藝

1.2.1.1 工藝流程 稱取m0石花菜(精確到0.001 g)→加入一定濃度的檸檬酸溶液→提膠→過濾→凝膠→冷凍→脫水→烘干→粉碎→稱至恒重m1。

1.2.1.2 操作要點 提膠:將稱量好的石花菜置于1L的錐形瓶中,按一定料液比(檸檬酸溶液)置壓力蒸汽滅菌鍋中提膠;過濾:趁熱將提取的膠液用4層紗布過濾,100 ℃水洗滌3次;凝膠:讓濾液冷卻至室溫后,自動形成凝膠;冷凍:于-18 ℃冰箱中冷凍成冰;脫水:將凍結的瓊膠置于室溫中解凍脫水;烘干:將脫水后的瓊膠,在53 ℃的恒溫鼓風烘箱中烘干;粉碎:粉碎機粉碎、過80目篩;稱至恒重:瓊膠粉于干燥器中冷卻干燥至恒重(誤差小于0.01g)。

1.2.2 凝膠強度的測定

1.2.2.1 膠液制備 稱取1.50g瓊膠粉于錐形瓶中,加入100mL蒸餾水,記錄總質量m,用保鮮膜封口后置于92 ℃恒溫水浴中溶解,再用熱蒸餾水補充總質量至m,攪拌均勻后,量取20mL膠液于30mL果凍杯中,放置過夜,測定前置于25 ℃水浴鍋中1h,在質構儀上測定其凝膠強度[9]。

1.2.2.2 質構儀測定參數及凝膠強度計算 測定模式為TPA模式,探頭型號為SMSP/5,測試前速率2mm/s,測試速率為1mm/s,測試后速率為5mm/s,停留時間5s,觸發力5g,測定距離8.00mm[10]。

1.2.3 石花菜瓊膠提取工藝單因素實驗

1.2.3.1 檸檬酸濃度對石花菜瓊膠提取率及凝膠強度的影響 稱取10.000 g石花菜,分別加入濃度為0.00%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%的檸檬酸溶液350 mL,即料液比為1∶35 g/mL,置于105 ℃壓力蒸汽滅菌鍋中提膠30 min,測定加入不同濃度檸檬酸溶液的瓊膠提取率及凝膠強度。

1.2.3.2 料液比對石花菜瓊膠提取率及凝膠強度的影響 稱取10.000 g石花菜,分別按料液比為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40、1∶45 g/mL,加入濃度為0.03%檸檬酸溶液,置于105 ℃壓力蒸汽滅菌鍋中提膠30 min,測定不同料液比的瓊膠提取率及凝膠強度。

1.2.3.3 提取溫度對石花菜瓊膠提取率及凝膠強度的影響 稱取10.000 g石花菜,按料液比1∶35,加入濃度為0.03%檸檬酸溶液,分別置于溫度為100、105、110、115、121、125、130 ℃的壓力蒸汽滅菌鍋中提膠30 min,測定不同提取溫度的瓊膠提取率及凝膠強度。

1.2.3.4 提取時間對石花菜瓊膠提取率及凝膠強度的影響 稱取10.000 g石花菜,按料液比1∶35,加入濃度為0.03%檸檬酸溶液,置于110 ℃壓力蒸汽滅菌鍋中,提膠時間分別為10、20、30、40、50、60、70 min,測定不同提取時間的瓊膠提取率及凝膠強度。

1.2.4 響應面實驗 根據單因素實驗結果,固定提取溶劑即檸檬酸溶液濃度為0.03%,選取料液比、提取時間、提取溫度3個因素作實驗因素,以瓊膠提取率為響應值,進行優化實驗。響應曲面實驗設計因素與水平表見表1。

表1 響應曲面實驗設計因素與水平表

1.2.5 瓊膠的品質檢測 瓊膠的各項指標檢測參照國標GB 1975-2010《食品添加劑 瓊膠》規定的方法執行。

1.2.6 數據處理 利用Design-expert 8.0.6軟件進行分析,建立回歸方程并作等高線和三維曲面圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 檸檬酸濃度對石花菜瓊膠提取率及凝膠強度的影響 由圖1可知,隨著檸檬酸濃度的增加,石花菜瓊膠提取率先增加后減小;瓊膠的凝膠強度則隨檸檬酸濃度增大而減小。在檸檬酸濃度為0.03%時,瓊膠提取率達最大值,而檸檬酸濃度由0.03%增大至0.04%時,瓊膠的凝膠強度顯著(p<0.01)下降,由808.6 g/cm2(高強度:800～1200 g/cm2)降到449.8 g/cm2(中強度:401～800 g/cm2)。這可能是因為檸檬酸濃度在小于0.03%時,檸檬酸主要作用于破壞石花菜表皮,有助于瓊膠溶出,對瓊膠的性質影響較小;而在檸檬酸濃度大于0.03%時,檸檬酸破壞瓊膠化學鍵,使部分瓊膠降解為不具有凝膠作用的多糖或寡糖。因此,最佳檸檬酸濃度為0.03%。

圖1 檸檬酸濃度對瓊膠提取率及凝膠強度的影響Fig.1 Effect of the concentration of citric acid on the extraction rate and the strength of agar gel注:不同字母代表差異顯著(p<0.05);圖2～圖4同。

2.1.2 料液比對石花菜瓊膠提取率及凝膠強度的影響 由圖2可知,料液比對凝膠強度影響較小,料液比為1∶15～1∶40時,瓊膠的凝膠強度均為高強度(840～900 g/cm2)。提取率隨著料液比比值的減小呈先增大后減小的趨勢,在料液比為1∶35時,提取率取得最大值;而料液比比值小于1∶35時,瓊膠提取率反而降低。這是因為當擴散達到平衡時,提取劑增量不會促進石花菜瓊膠的提取[11],且提取劑增量會使酸總量增加,可能會使瓊膠酸水解,從而降低其凝膠強度以及提取率。因此,選擇料液比為1∶35。

圖2 料液比對瓊膠提取率及凝膠強度的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate and the strength of agar gel

2.1.3 提取溫度對石花菜瓊膠提取率及凝膠強度的影響 如圖3所示,瓊膠提取率隨著提取溫度的提高而顯著增大。當提取溫度為110 ℃時,瓊膠提取率達最大值,并且與其他各組均有顯著差異(p<0.05);提取溫度大于110 ℃時,提取率開始逐漸下降。凝膠強度隨提取溫度的升高而下降,在溫度由115 ℃增至121 ℃時,凝膠強度顯著(p<0.05)下降,且由高強度降為中強度。這說明適當提高溫度有利于促進瓊膠提取,但高溫會破壞瓊膠的凝膠性,因此,綜合考慮瓊膠的提取率和凝膠強度,選擇提取溫度為110 ℃。

圖3 提取溫度對瓊膠提取率及凝膠強度的影響Fig.3 effect of temperature on the extraction rateand the strength of agar gel

2.1.4 提取時間對石花菜瓊膠提取率及凝膠強度的影響 由圖4可知,當提取時間較短時,隨著時間的延長瓊膠提取率顯著(p<0.05)增大;當提取時間超過30 min時,提取率開始緩慢下降。凝膠強度隨著提取時間延長呈下降趨勢,當提取時間由30 min增至40 min時,凝膠強度顯著(p<0.05)下降,由高強度降為中強度。這說明適當延長提取時間有利于促進瓊膠提取,但超過一定時間后會降低瓊膠的提取率且瓊膠的凝膠強度會顯著下降,因此,綜合考慮瓊膠的提取率和凝膠強度,選擇提取時間為30 min。

圖4 提取時間對瓊膠提取率及凝膠強度的影響Fig.4 Effect of time on the extraction rate and the strength of agar gel

2.2 響應面實驗

2.2.1 石花菜瓊膠提取響應面實驗設計與結果 按1.2.4中的因素水平進行響應面實驗,總共取17個實驗點,包括12個析因點和5個中心點,實驗設計及結果見表2。

表2 石花菜瓊膠提取響應面實驗設計及結果

2.2.2 二階模型的建立與分析 根據表2的實驗結果,利用Design-Expert 8.0.6軟件對實驗數據進行多元回歸方程擬合,得到回歸模型:

Y=37.55+0.75A+0.59B+0.20C-0.21AB-0.28AC-0.11BC-1.35A2-1.68B2-1.30C

對模型進行方差分析,其方差分析結果見表3。

表3 響應面分析法對瓊膠提取率的ANOVA分析

注:“*”表示顯著(p<0.05);“**”表示極顯著(p<0.01)。 由方差分析表3可知,模型的p值<0.01,表明該實驗二次方程模型極顯著。失擬項p值為0.7994>0.05,說明方程對實驗的擬合度良好,即可用該二次方程模型推測實驗結果。其方程的相關系數為R2=0.9957,表明99.57%的數據可用此方程解釋。由表3還可知,因素A、B、C對瓊膠提取率的影響極顯著;因素A2、B2和C2對瓊膠提取率的曲面效應都是極顯著;因素AC對瓊膠提取率交互效應極顯著,因素AB的交互效應顯著,而BC的交互效應不顯著。

2.2.3 響應曲面分析與優化 利用Design-Expert 8.0.6軟件中的等高線圖和響應曲面圖對3因素間的交互作用進行分析,具體見圖5～圖7。

從圖5～圖7可知,在考察因素范圍內,瓊膠提取率隨著提取時間、料液比及提取溫度的變化呈先升高后下降的趨勢。提取時間、料液比及提取溫度取值在中心點附近時,提取率最大。通過Design-Expert 8.0.6軟件進行優化,得出最優提取工藝參數:提取時間32.62 min,料液比1∶35.78,提取溫度為110.21 ℃,在此條件下石花菜瓊膠提取率為37.70%。考慮到可操作性,將優化條件修正為:提取時間33 min,料液比1∶36,提取溫度為110 ℃。

圖5 DH=f(A、B)的響應面Fig.5 Responsive surface of DH=f(A、B)

圖6 DH=f(A、C)的響應面Fig.6 Responsive surface of DH=f(A、C)

圖7 DH=f(B、C)的響應面Fig.7 Responsive surface of DH=f(B、C)

2.2.4 驗證實驗 采用上述最佳提取工藝進行驗證實驗,取3個平行實驗,測定其提取率,得到提取率的平均值為37.85%,與預測值37.70%基本相符,表明該二次方程模型對優化石花菜瓊膠提取工藝可行。

2.3 瓊膠的品質檢測

2.3.1 瓊膠的感官指標 瓊膠的感官指標及國標要求見表4,由表4可知,瓊膠感官指標符合要求。

表4 瓊膠的感官性質

2.3.2 瓊膠的理化指標 瓊膠的理化性質及國標標準見表5,由表5可知瓊膠理化性質符合要求。

3 結論

以食品級檸檬酸為酸性提取溶劑,利用高溫高

表5 瓊膠的理化指標

壓法提取石花菜瓊膠,研究了檸檬酸濃度、提取時間、料液比、提取溫度對瓊膠提取率和凝膠強度的影響。單因素實驗結果表明檸檬酸最適濃度為0.03%,在此基礎上進行響應面實驗優化其它工藝條件,得出最佳提取工藝參數為:提取時間33 min,料液比1∶36,提取溫度為110 ℃,此條件下瓊膠提取率為37.85%,與預測值基本相符,且瓊膠感官性質、理化性質符合標準,凝膠強度為873 g/cm2,屬于高強度產品。

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Optimization of extraction process ofGelidiumamansiiagar by response surface methodology

LIU Shi-lin,ZHU Feng,LIN Sheng-nan,HUANG Jin-cheng,LI Tian-jiao,WANG Hong-li,LIN Xiang-yang*

(College of Biological Science and Technology,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

In this paper,high temperature and high pressure were used to extractGelidiumamansiiagar. Extraction rate and gel strength were used as index of extraction process. Based on single factor experiments,BBD central composite design and Design-Expert software were used to build a mathematical model. The optimum extraction parameters of agar were determined as follows:citric acid 0.03%,extraction time 33 min,solid-liquid ratio 1∶36,extraction temperature 110 ℃. Under these conditions,the extraction rate of agar was 37.85%. Agar’s organoleptic properties,physical and chemical properties met the standard. The strength of gel was 873 g/cm2,which belonged to a high strength products for the industry. The extraction rate of high-quality agar was improved,and research base was provided.

Gelidiumamansii;agar;extraction procedure;gel strength;response surface analysis

2016-05-27

劉施琳(1992-),女,碩士研究生,研究方向:水產品加工及貯藏,E-mail:954857051@qq.com。

*通訊作者:林向陽(1969-),男,教授,研究方向:生物質資源化,E-mail:925400384@qq.com。

TS202.3

B

1002-0306(2016)22-0296-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.049