響應面法對山竹殼中果膠提取條件的優化

劉曉雨，李立國，朱亮亮，馬朝紅

吉林農業科技學院（吉林 132101）

果膠屬于一種親水性植物膠，主要成分是半乳糖醛酸，廣泛存在于高等植物的根、莖、葉、果實的細胞壁中。果膠在醫藥、食品和化妝品工業等領域應用廣泛。果膠在預防動脈粥樣硬化方面有一定效果，同時可以凈化體內的細菌和鉛、汞等重金屬及放射性元素，對調節餐后血糖上升也具有輔助作用等[1]。商品果膠主要以柑橘皮、蘋果渣等為原料生產，我國果膠需求量的80%需要進口，而進口果膠的價格遠高于國產果膠，因此，大力開發中國果膠生產顯得愈加重要[2]。

山竹（Garcinia mangostanaL.）屬藤黃科藤黃屬。山竹果實中果肉呈白色瓣狀，可食用。果殼呈深紫色或紅紫色，厚6～10 mm，約占整果質量的70%。近年，以山竹整果、果肉為原料的功能產品增長迅速，山竹類產品僅在美國就有超過每年2億美元的市場[3]。但是對于山竹果殼的利用程度很低，只是粗略處理后制成活性炭、微纖維乳化穩定劑等新型工業產品，沒有發揮其最大功效，造成極大浪費。所以，對于山竹殼的深入開發利用必定具有商業價值。

試驗探究用酸提取法從山竹殼中提取果膠的主要因素，并通過響應面分析法優化最佳提取工藝條件，為進一步開發利用其價值提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山竹（市售）；D-半乳糖醛酸標品（純度＞93%，Sigma）；咔唑（分析純，中國國藥集團上海化學試劑公司）。

1.2 方法

1.2.1 果殼的預處理

山竹果殼切小塊，加入沸水中浸泡5～10 min，以滅活果膠酶。蒸餾水漂洗后自然風干，放入電熱恒溫鼓風中在60 ℃下烘干，研磨，并過孔徑0.850 mm篩[4]，得到山竹果殼粉，備用。

1.2.2 果膠的提取與沉淀

稱取山竹殼粉3.0 g于燒杯中，加入適當鹽酸溶液。調節適當溫度，提取一定時間。趁熱抽濾，洗滌濾渣。取抽濾瓶中的濾液倒入燒杯中。加入適量活性炭脫色即得到果膠提取液。

95%乙醇加入果膠提取液，并保證持續攪拌。穩定后靜置0.5～1 h，待出現膠態黏稠狀物質。抽濾，即得粗果膠。將所得的粗果膠放入50 ℃干燥箱內干燥，直至水分達到5%以下。得到山竹殼果膠成品。

1.2.3 半乳糖醛酸標準曲線的繪制[5-6]

精確稱取D-半乳糖醛酸標準品0.100 0 g，溶解于水中，定容至100 mL。取0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0和9.0 mL分別注入10 mL容量瓶，定容得一組半乳糖醛酸標準溶液（質量濃度0，10，20，30，40，50，60，70，80和90 μg/mL）。取10支50 mL比色管加入1 mL不同質量濃度的半乳糖醛酸標準溶液，分別沿比色管壁加入6 mL濃H2SO4混勻，置于沸水浴中反應20 min，冰浴降至室溫。最后加入質量濃度為0.15%咔唑-乙醇溶液0.5 mL，搖勻靜放在暗處顯色1 h，在λ=528 nm處測定其吸光度，每組試驗平行3次。以x（半乳糖醛酸質量濃度）為橫坐標，y（吸光度）為縱坐標，繪制出標準曲線。

由圖1可知，半乳糖醛酸溶液的線性方程為y=0.041 5x-0.018，R2=0.999 1，表明半乳糖醛酸的含量在10～90 μg/mL范圍內有良好線性關系。

圖1 果膠含量標準曲線

1.2.4 山竹殼果膠提取率測定

稱取獲得的果膠樣品蒸餾水復溶后，精密移取一定體積稀釋，稀釋液按圖1標準曲線制備方法平行測定3次吸光度，按式（1）計算山竹殼果膠提取率[7]。

果膠提取率=C×V×N/（106×W）×100% （1）

式中：C為樣品的半乳糖醛酸質量濃度，μg/mL；V為果膠總體積，mL；N為稀釋倍數；W為山竹殼粉質量，g。

1.2.5 果膠提取單因素試驗

設置不同梯度的提取溫度（40，50，60，70和80 ℃）、pH（1.0，1.5，2.0，2.5和3.0）、提取時間（0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 h）和液料比（V（酸解液）∶m（山竹殼粉）=10∶1，15∶1，20∶1，25∶1和30∶1 mL/g），以果膠提取率為評價指標，考察提取溫度、pH、提取時間及液料比對果膠提取的影響。

1.2.6 果膠提取條件優化試驗

在單因素試驗基礎上，運用Design-Expert 8.0.6軟件程序根據Box-Behnken試驗設計原理，以提取溫度（A）、pH（B）、提取時間（C）及液料比（D）為影響因素，果膠提取率（Y）為響應值，對提取條件進行優化（表1）。

表1 Box-Behnken試驗因素與水平

2 結果與分析

2.1 山竹果膠提取單因素試驗

2.1.1 酸度對果膠提取率的影響

由圖2可以看出，pH 1.5左右時果膠的提取率最大。pH過低，酸性較強，原果膠水解過于強烈，果膠脫酯裂解[8]，使得果膠的提取率偏低。pH過高，酸性減弱時，果膠的穩定性下降，導致果膠分解成果膠酸，使提取率降低[9]。

圖2 提取液pH對果膠提取率的影響

2.1.2 提取溫度對果膠提取率的影響

由圖3可以看出，70 ℃左右時果膠提取率最大。溫度偏低，水解速度較慢，使提取效果不徹底，提取率偏低。溫度過高，由于果膠的耐熱性[10]較差，導致果膠的結構本身被破壞[11]，使果膠的提取率降低。

圖3 提取溫度對果膠提取率的影響

2.1.3 提取時間對果膠提取率的影響

由圖4可以看出，加熱1.5 h左右時果膠提取率最大。加熱時間過短，果膠水解不徹底，提取率低。加熱時間過長長，果膠會發生解酯、裂解[12]導致提取率降低。

圖4 提取時間對果膠提取率的影響

2.1.4 液料比對果膠提取率的影響

由圖5可以看出，液料比＞20∶1（mL/g），提取率趨于平衡。這是因為液料比較小時，溶液的黏度較大，分子擴散速度低，提取率小，同時葉片中果膠含量與酸解程度相當，反應趨于平衡，提取率不再變化。

圖5 液料比對果膠提取率的影響

2.2 響應面分析試驗

2.2.1 試驗設計及結果

根據單因素試驗結果，試驗設計及結果見表2。通過Design-Expert 8.0.6軟件，建立二次響應面回歸模型，以果膠提取率Y為響應值進行二次多元回歸擬合，得回歸模型：Y=14.86+0.26A+0.40B+0.12C+0.29D-0.20AB-0.038AC-0.18AD-0.50BC-0.29BD+0.21CD-1.12A2-1.22B2-1.29C2-0.75D2。

2.2.2 山竹殼果膠提取條件響應面法優化結果

以提取溫度（A）、pH（B）、提取時間（C）及液料比（D）為影響因素，以果膠提取率（Y）為響應值，對提取條件進行優化。Box-Behnken響應面試驗結果見表2，方差分析結果見表3。

表2 Box-Behnken響應面試驗設計結果

由表3可知，模型的p＜0.000 1，表示回歸模型的方差關系是顯著的。失擬項的p=0.051 5＞0.05，表示方程與實際擬合中非正常誤差所占比例小，回歸方程的關系是好的。R2=0.983 9，表示響應值的變化有98.39%來源于所選因素，表明模型擬合度較好。回歸模型一次項A、B、D對果膠提取率影響極顯著，C對果膠提取率影響顯著；交互項BC、BD影響極顯著，交互項AB、CD影響顯著，其余不顯著；二次項均達到極顯著水平，說明各因素對響應值的影響較為復雜，并非簡單的線性關系。響應曲面圖可以描述各因素間的相互作用，見圖2～圖5。響應曲面坡度越陡峭，表明響應值對于操作條件的改變越敏感[13]，且其中心位于所考察區域內，說明在考察區域范圍內存在最大響應值。通過軟件響應面分析優化得到果膠提取最佳工藝條件為提取溫度70.50 ℃、pH 1.56、提取時間1.53 h、液料比20.67∶1（mL/g）。此時果膠提取率為14.92%。考慮到實際操作，修正條件為提取溫度70℃、pH 1.5、提取時間1.5 h、液料比20∶1（mL/g）。進行3次平行試驗，得到果膠提取率均值為14.56%。

表3 回歸方程方差分析

圖6 液料比、pH、提取溫度及提取時間交互作用對果膠提取率的響應面及等高線

3 結論

試驗采用酸提取法提取山竹殼中果膠，在單因素試驗基礎上采用響應曲面法優化提取工藝。結果表明，采用響應面法所得到的試驗模型可靠，具有一定實用和參考價值，其優化的提取工藝條件為提取溫度70 ℃、pH 1.5、提取時間1.5 h、液料比20∶1（mL/g）。果膠提取率為14.56%，與理論值14.92%較接近，方法可行。