超聲波輔助提取葡萄皮渣果膠工藝研究

張慧芳，賈夢夢，王 君，張偉民

（1.山西省檢驗(yàn)檢測中心，山西 太原 030012；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801）

果膠具有無毒、抗氧化、降低膽固醇的功能，有較高用利價值，但我國目前利用率低、產(chǎn)量少。超聲波輔助提取果膠法能夠高效、簡便提取果膠。本試驗(yàn)通過研究超聲波輔助提取葡萄皮渣中的果膠，探究不同條件下對果膠提取率的影響，尋出最優(yōu)條件，使得果膠提取率提高。

1 材料與方法

1.1 材料

來源于實(shí)驗(yàn)室的葡萄皮渣

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

（1）超聲波輔助提取工藝。將待用皮渣與蒸餾水按不同的料水比混合，放置于超聲波清洗機(jī)中，設(shè)置超聲波清洗機(jī)的溫度，功率和時間，使溶液在不同條件下充分振蕩混合，取上清液2 mL于離心管中，在8000 r/s的條件下離心15 min，在上清液中取樣。

（2）單因素對果膠提取率的影響。首先在超聲波清洗機(jī)的提取溫度為45 ℃，功率為60 W和振蕩提取60 min條件下，考察料水比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30）對果膠提取率的影響。進(jìn)一步考察提取溫度（35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃、75 ℃）、提取功率（40 W、50 W、60 W、70 W、80 W）和提取時間（30 min、45 min、60 min、75 min、90 min）四個單因素對果膠提取率的影響。反應(yīng)完成后，離心取上清液1 mL用DNS測定法分別測定樣品的吸光度值，重復(fù)三次，取其平均值，代入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，求半乳糖醛酸溶液濃度，進(jìn)行比較分析。

（3）響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用DesignExpert8.0.6軟件，采用BBD中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計原理，選取料水比(A)，提取溫度(B)，提取時間(C)，提取功率(D)這四個因素為自變量設(shè)計四因素五水平的試驗(yàn)，因素水平設(shè)計見表1。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計表

1.3 測定方法

DNS測定法：取上清液1 mL為待測樣品于25 mL的帶塞試管中，再加入1 mL蒸餾水，混合后加入2 mL配制好的DNS試劑，輕輕用手振蕩，混勻。放入沸水浴5 min后取出，冷卻至室溫。用蒸餾水稀釋至刻度線25 mL，搖勻后用分光光度計在520 nm下測定吸光度值，記錄數(shù)據(jù)，按標(biāo)準(zhǔn)曲線（y=0.392x+0.0254）進(jìn)行換算。重復(fù)三次，取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對果膠提取率的影響

料水比對果膠提取率的影響如圖1a所示，隨著料水比的增大，溶液含半乳糖醛酸的濃度體呈現(xiàn)顯著減小的趨勢，即料水比越小，半乳糖醛酸的含量會越高。當(dāng)料水比增大至1∶25時，半乳糖醛酸濃度下降趨于穩(wěn)定。提取溫度對果膠提取有顯著影響，結(jié)果如圖1b所示，當(dāng)溫度為65 ℃時，半乳糖醛酸濃度為1.7 mg/mL，為最高值，提取效果最好；進(jìn)一步提高提取溫度，半乳糖醛酸的含量反而下降。說明溫度越高，果膠越容易溶解在蒸餾水中。而當(dāng)提取溫度過高時，果膠結(jié)構(gòu)容易被高溫破壞，從而裂解，使提取率降低。因此提取溫度過高或過低都會影響果膠的提取。進(jìn)一步考察提取功率對果膠提取率的影響發(fā)現(xiàn)圖1c，隨著提取功率的升高，半乳糖醛酸濃度先升高后減少，其中在功率為50~60 W之間大幅度升高；當(dāng)功率增加到70 W時，濃度增加到最高點(diǎn)，濃度為2.0 mg/mL；當(dāng)功率從70 W提高到80 W時，濃度緩慢減少。這表明在功率較低時，超聲波清洗機(jī)的超聲波未能充分沖擊細(xì)胞壁，溶出的果膠較少；當(dāng)功率逐步增大時，分子擴(kuò)散速度增大，果膠溶出變多，所以測得的半乳糖醛酸濃度增大，但是當(dāng)提取功率為70 W以后，反而不利于提取，因此提取功率在70 W左右為宜。最后，由圖1d可得，隨著提取時間的增加，半乳糖醛酸濃度先升高后下降。當(dāng)提取時間從30 min增加到60 min時，濃度達(dá)到最高為2.0 mg/mL，繼續(xù)增加提取時間，半乳糖醛酸濃度下降，且時間為90 min時，濃度最低為0.8 m/mL。表明當(dāng)超聲時間過短，超聲波所產(chǎn)生的能量較低，葡萄皮渣中的果膠溶出較少，不完全，果膠提取率較低，隨著時間的增加，超聲波所產(chǎn)生的能量逐漸增大，果膠溶出增加，從而提取率也提高。但是當(dāng)提取時間過長，超過60 min左右時，部分果膠會分解，或者降解，使得果膠的提取率減少，因此選擇超聲波提取時間為60 min左右較合適。

圖1 單因素對果膠提取率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化分析

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。利用Design Export軟件對四個因素對半乳糖醛酸影響進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到每個因素的顯著性結(jié)果，結(jié)果如表3所示。四個因變量的多元二次回歸方程為:Y=+1.43-0.40A-0.21B+0.027C+0.12D

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果

根據(jù)表3結(jié)果分析得出，方程模型P＜0.01，表明這個方程模型處于極顯著水平，證明該方程可以很好地擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，因變量(A)料水比，(B)提取溫度，(D)提取功率對果膠提取率之間的線性關(guān)系明顯，對半乳糖醛酸濃度影響顯著。因此分析這三個因素交互作用。利用Design Export軟件對響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得到的模型分析，得到各兩個因素的立體分析圖。

表3 Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)半乳糖醛酸濃度方差分析

由圖2可得，在提取時間和功率這兩個條件一定的情況下，當(dāng)水料比一定時，溫度越高，提取效果越差。當(dāng)溫度一定時，料水比越高時，提取效果越高。由圖3可以看出，水料比為15，提取功率為70 W時，提取效率最高。水料比一定時，提取功率越高，提取效果越好。提取功率一定時，水料比越小，提取效率越高。由圖4可得，提取溫度一定時，提取得率隨著提取功率的升高而增加，當(dāng)提取功率一定時，提取得率隨溫度的升高而降低。

圖2 水料比與提取溫度對半乳糖醛酸濃度交互作用響應(yīng)曲面圖

圖3 水料比與提取功率對半乳糖醛酸濃度交互作用響應(yīng)曲面圖

圖4 提取溫度與提取功率對半乳糖醛酸濃度交互作用響應(yīng)曲面圖

回歸方程的最值進(jìn)行求解，得到模型的最優(yōu)組合：料水比為1∶10，提取溫度為35.12 ℃，提取時間為89.86 min，提取功率為80 W時，響應(yīng)值半乳糖醛酸濃度達(dá)到最大值為2.935 93 mg/mL。

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)曲面法(RSM)，分析葡萄皮渣中果膠提取溫度、提取時間、料水比、提取功率這四種影響因素交互作用對果膠提取得率的影響。發(fā)現(xiàn)其中任意兩個因素的交互作用，都會對果膠提取得率產(chǎn)生不同程度的影響。其中對半乳糖醛酸濃度影響較為明顯的是料水比與提取溫度交互作用、料水比與提取功率交互作用、提取溫度與提取功率交互作用。綜合單因素和響應(yīng)面結(jié)果得知，在影響葡萄果膠得率的四個因素中，料水比的影響最大。當(dāng)料水比為1∶10，提取溫度為35.12 ℃，提取時間為89.86 min，提取功率為80 W時，響應(yīng)值半乳糖醛酸濃度達(dá)到最大值為2.935 93 mg/mL。即在此條件下，果膠提取率最優(yōu)。