響應(yīng)面法優(yōu)化石榴皮果膠微波輔助提取工藝

鄧建梅，余傳波*，甘雨薇

1. 攀枝花學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院（攀枝花 617000）；2. 攀枝花市干熱河谷特色生物資源工程技術(shù)中心（攀枝花 617000）

石榴（Punica granatum L.）為石榴科的落葉小喬木或灌木[1]，其果實(shí)內(nèi)石榴籽的外種皮肉質(zhì)半透明多汁，不僅可以當(dāng)水果食用，它還有極大的藥用價(jià)值，味甘酸、性溫和?！侗静菥V目》和《食療本草》早有記載：“榴者，天漿也，止瀉、化淤、清渴、祛火。”由于四川省攀枝花市域地處干熱河谷氣候地帶，日照充足，早晚溫差大，石榴品質(zhì)好，近年來(lái)又大量種植，故石榴產(chǎn)量較大，已成為國(guó)家地理標(biāo)志保護(hù)產(chǎn)品。然而石榴深加工后，產(chǎn)生了大量石榴皮渣。石榴皮中含有豐富的生物活性物質(zhì)，主要有鞣質(zhì)、酮、氨基酸、生物堿、多糖等[2]，在中藥上具有澀腸止瀉、止血、驅(qū)蟲(chóng)等功效，利用價(jià)值較高；但目前只有少部分經(jīng)加工后作為藥材，絕大部分被作為垃圾廢棄，既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境[3]。因此石榴皮的綜合利用，就逐漸被業(yè)界關(guān)注。相關(guān)研究主要集中在石榴皮的有效成分提取[4-6]、結(jié)構(gòu)鑒定[7]，以及在工業(yè)[8-9]、食品[10-12]和醫(yī)藥[13-15]中的應(yīng)用。

果膠是植物中的天然高分子多糖化合物[16-17]，具有良好的凝膠、增稠、穩(wěn)定的特性，是一種重要的食品添加劑。一些研究表明果膠還具有降血壓，降膽固醇，抑制脂肪酶，誘導(dǎo)腸癌細(xì)胞凋亡等保健功能，可以預(yù)期石榴皮果膠的保健功能更有特色。果膠可采用酸提取、鹽析提取、離子交換提取、超聲波輔助提取、微波輔助提取、酶與微生物等多種方法[18-19]。但僅有少數(shù)學(xué)者嘗試了超聲波法提取石榴皮果膠[20]，因此，嘗試不同方法提取石榴皮果膠有著重要的產(chǎn)業(yè)意義[21-23]。試驗(yàn)采用微波輔助提取石榴皮中果膠，響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備與儀器

石榴，產(chǎn)自四川省攀枝花市域。無(wú)水乙醇、95%乙醇（均為分析純）。

202 A-2型電熱恒溫干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；MKX-J1-3型微波提取儀，青島邁可威有限責(zé)任公司；FA2204B型電子天平，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 石榴皮的預(yù)處理

將石榴皮洗凈，50 ℃恒溫烘至恒質(zhì)量，粉碎后過(guò)60目篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 試驗(yàn)流程

取5.00 g石榴皮粉末于三口燒瓶中，加一定量蒸餾水，設(shè)置提取溫度70 ℃、提取時(shí)間7 min、微波提取功率500 W，按液料比25∶1 g/mL加入80%乙醇進(jìn)行提取，提取完畢后，于離心機(jī)中4 000 r/min離心10 min，取上清液，再倒入2倍體積的95%乙醇混合，置于4 ℃冰箱中，等待果膠析出，再次在4 000 r/min下離心10 min，傾去上層清液，后在40 ℃烘箱中烘至恒質(zhì)量，得到果膠產(chǎn)品[24-25]。

1.2.3 單因素試驗(yàn)

1.2.3.1 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

在提取溫度70 ℃、微波提取功率500 W、液料比25∶1 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)80%的條件下，設(shè)置提取時(shí)間3，5，7，9和11 min，考察微波提取時(shí)間對(duì)石榴皮果膠提取率的影響。

1.2.3.2 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響

在提取時(shí)間7 min、微波提取功率500 W、液料比25∶1 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)80%的條件下，設(shè)置微波溫度40，50，60，70和80 ℃，考察提取溫度對(duì)石榴皮果膠提取率的影響。

1.2.3.3 微波提取功率對(duì)果膠提取率的影響

在微波時(shí)間7 min、微波提取溫度70 ℃、液料比25∶1 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)80%的條件下，設(shè)置微波功率為300，400，500，600和700 W，考察微波功率對(duì)石榴皮果膠提取率的影響。

1.2.3.4 液料比對(duì)果膠提取率的影響

在微波時(shí)間7 min、提取溫度70 ℃、微波提取功率500 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)80%的條件下，設(shè)置液料比15∶1，20∶1，25∶1，30∶1和35∶1 g/mL，研究液料比對(duì)石榴皮果膠產(chǎn)率的影響。

1.2.4 響應(yīng)面設(shè)計(jì)

根據(jù)響應(yīng)面Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以以上幾個(gè)因素為變化值，以果膠提取率（Y）為響應(yīng)值，進(jìn)行4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探索微波輔助提取石榴皮果膠的最佳工藝條件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平

1.2.5 石榴皮果膠提取率的測(cè)定

按照式（1）進(jìn)行果膠提取率計(jì)算。

式中：W為果膠提取率，%；E為提取得到的果膠質(zhì)量，g；E為石榴皮粉末的質(zhì)量，g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均設(shè)3次重復(fù)，用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 提取時(shí)間對(duì)石榴皮果膠產(chǎn)率的影響

從圖1可以看出，在提取時(shí)間從3～9 min時(shí)，果膠提取率呈上升趨勢(shì)；當(dāng)提取時(shí)間9 min時(shí)，達(dá)到最大提取率24.37%，隨后又呈下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樘崛r(shí)間較短，果膠還沒(méi)有完全溶出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，果膠逐漸溶出，但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，果膠可能發(fā)生水解，因此產(chǎn)率下降。因此，試驗(yàn)選定9 min，作為提取時(shí)間。

2.1.2 提取溫度對(duì)石榴皮果膠產(chǎn)率的影響

從圖2中可以看出，當(dāng)提取溫度在50～80 ℃之間時(shí)，果膠提取率不斷增加，并在80 ℃達(dá)到峰值；當(dāng)其高于80 ℃時(shí)，果膠提取率下降。原因可能是果膠在低溫下難于水解，但高溫時(shí)水解過(guò)度。因此，選取提取溫度80 ℃，果膠提取率為23.17%。

圖1 不同提取時(shí)間對(duì)石榴皮果膠產(chǎn)率的影響

圖2 不同提取溫度對(duì)石榴皮果膠產(chǎn)率的影響

2.1.3 微波提取功率對(duì)石榴皮果膠產(chǎn)率的影響

從圖3可以看出，隨著功率的提高，果膠提取率起初持續(xù)增長(zhǎng)，并在500 W達(dá)到峰值，然后下降。微波功率小時(shí)果膠提取率較低，可能是由于功率小時(shí)，微波的能量不足以使果膠從石榴皮粉末中剝離出來(lái)。但是功率太大又可能會(huì)使果膠物質(zhì)水解過(guò)度，難以形成膠體。因此選擇微波提取功率500 W，此時(shí)果膠提取率為24.48%。

圖3 不同微波提取功率對(duì)石榴皮果膠產(chǎn)率的影響

2.1.4 液料比對(duì)石榴皮果膠提取率的影響

從圖4中可以看出，當(dāng)液料比為20∶1 g/mL時(shí)提取率最高，此時(shí)為25.89%。但液料比高于20∶1 g/mL時(shí)，產(chǎn)率逐漸下降。原因可能是：當(dāng)液料比太小時(shí)，不利于果膠的形成，并且果膠難以轉(zhuǎn)移到水溶液中，因而在分離時(shí)損失較多；當(dāng)液料比太大時(shí)，溶液中的果膠濃度變低，難以形成膠體，不易被濾出。

圖4 液料比對(duì)石榴皮果膠產(chǎn)率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。通過(guò)響應(yīng)面軟件Design-Expert進(jìn)行方差分析，得到以下結(jié)果：

Y=25.59+0.076A+0.68B+1.80C+1.95D-0.025AB-0.21AC+0.068AD-1.25BC+0.51BD+1.33CD-3.11A2-1.53B2-2.04C2-2.57D2

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)方差分析（表3）可以看出，模型p＜0.01，表明具有極顯著性，失擬項(xiàng)p=0.155 5＞0.05，表明回歸方程的擬合度較好，能很好地反映各種因素和果膠提取率（Y）之間的關(guān)系?；貧w方程的R2=0.977 2，=0.954 4，二者值很接近，得出模型具有良好的擬合度。其中一次項(xiàng)B、C、D；交互項(xiàng)BC、CD和二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2影響極顯著（p＜0.01），其余因素影響不顯著（p＞0.05），各因素影響程度為液料比（D）＞提取功率（C）＞提取時(shí)間（B）＞提取溫度（A）。

表3 果膠提取率回歸方程的方差分析

圖5 提取溫度、提取時(shí)間、提取功率和液料比對(duì)石榴皮果膠提取率的影響

從圖5的分析可以看出，在果膠提取率模型中，可以看出AB、AD、AC、BD的交互作用不顯著，BC、CD的交互作用顯著。以圖5（e）中的交互作用為例，把提取溫度和提取時(shí)間設(shè)為恒定值，當(dāng)液料比為15∶1～20∶1 mL/g范圍內(nèi)時(shí)，果膠提取率逐漸增加，當(dāng)液料比為20∶1～25∶1 mL/g范圍內(nèi)時(shí)，果膠提取率逐漸降低；當(dāng)提取功率為400～500 W范圍內(nèi)時(shí)，果膠提取率逐漸增加，當(dāng)提取功率為500～600 W范圍內(nèi)時(shí)，果膠提取率逐漸降低。說(shuō)明二者交互作用對(duì)果膠提取率有最大值呈現(xiàn)，并且等高線為橢圓形，曲面坡陡，提取功率和液料比的交互作用對(duì)果膠提取率有顯著影響。同理固定提取功率和液料比，果膠提取率隨提取時(shí)間和提取溫度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但等高線橢圓型不明顯，說(shuō)明提取時(shí)間和提取溫度的交互作用不明顯。

2.2.2 驗(yàn)證性試驗(yàn)

由上述條件擬合后確定優(yōu)化結(jié)果為微波輔助提取溫度（A）79.98 ℃，微波輔助提取時(shí)間（B）為8.07 min，微波輔助提取功率（C）為559.71 W，液料比為22.70∶1 mL/g，預(yù)測(cè)果膠提取率（Y）為26.67%。

為了驗(yàn)證試驗(yàn)的可行性，對(duì)得到的工藝條件進(jìn)行修正，即：微波提取溫度80 ℃、微波提取時(shí)間8 min，微波提取功率560 W，液料比為23∶1 mL/g，重復(fù)3次。按此條件進(jìn)行試驗(yàn)，得到果膠提取率為26.25%，與預(yù)測(cè)值26.67%基本一致，表明試驗(yàn)方法是可行的。

3 結(jié)論

通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化了微波輔助提取石榴皮果膠的工藝，得到最佳工藝條件為提取溫度80 ℃、提取時(shí)間8 min，微波提取功率560 W，液料比為23∶1 mL/g，此時(shí)實(shí)際果膠提取率為26.25%，與預(yù)測(cè)值基本相符，說(shuō)明模型可行。

研究?jī)?yōu)化了微波輔助提取石榴皮果膠的提取工藝，進(jìn)一步為石榴皮的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。另一方面，此研究結(jié)果的應(yīng)用，或可增長(zhǎng)攀枝花果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也具有很大的科研價(jià)值，為最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。