響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助加熱酸法提取果膠工藝*

鄭一南,宋小利,付玉秀,龐亞明,高立國(guó)

(榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 榆林 719000)

果膠類物質(zhì)存在于植物的細(xì)胞壁之間,主要形態(tài)有原果膠、果膠和果膠酸,能夠起到降血糖[1]、增強(qiáng)免疫力[2]、抗菌[3]、保護(hù)腸道[4]及連接和保護(hù)細(xì)胞的作用[5]。有研究表明,果膠含量最高的物質(zhì)為植物的果實(shí),大多數(shù)的果膠都是從柑橘皮類和蘋果渣等物質(zhì)中提取,蘋果果膠是第二大商品果膠來(lái)源。中國(guó)是蘋果生產(chǎn)大國(guó)[6],與蘋果相關(guān)的產(chǎn)業(yè)盛行。很多果渣被浪費(fèi),造成環(huán)境污染,而果渣中含有果膠較多且易提取。果膠是純天然無(wú)毒的酸性雜多糖,由于提取方法、來(lái)源不同,使其具有結(jié)構(gòu)多樣性[7],提取果膠的方法主要有水提法[8-9]、酸提法[10-11]、堿提法[12-13]、酶提法[14]。其中酸提法[15]最為普遍,常輔以微波[16]和超聲[17]提高提取效率,但是目前提取效率依舊不高,且超聲輔助成本較高,而且工業(yè)上采取如鹽酸和硫酸提取容易造成水體污染和設(shè)備的腐蝕,硫酸根離子的去除也非常困難[18],采用檸檬酸不僅可以規(guī)避以上問(wèn)題,同時(shí)也可以防止果膠凝聚[19],其作為一種不受任何限制的安全材料[20],很適合作為提取溶劑。

微波是一種通過(guò)頻率為3×103～3×105MHz的電磁波,能夠穿透萃取媒質(zhì),到達(dá)待萃取物的內(nèi)部,使被萃取的成分加速向萃取溶劑擴(kuò)散,加快萃取速率[21-22]。其萃取效率高、純度高、能耗小、環(huán)保的特點(diǎn)可用于果膠行業(yè)。對(duì)提取工藝進(jìn)行以單因素實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、響應(yīng)面法為輔助的進(jìn)一步優(yōu)化,改善果膠的提取效率。

利用響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助加熱檸檬酸提法鮮有報(bào)道,作者以蘋果渣為原料,以安全溶劑檸檬酸作為提取溶劑,輔以微波輻射加熱方法,以果膠的提取率作為參考指標(biāo),在以單因素實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),響應(yīng)面法優(yōu)化的方法為進(jìn)階的條件下,確定最佳的提取條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑與儀器

蘋果:榆林區(qū)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

檸檬酸、鹽酸、無(wú)水乙醇:體積分?jǐn)?shù)95%,分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

微孔濾膜、25.4 mm孔徑篩網(wǎng):上海市新亞凈化器件廠;pH精密試紙:沈陽(yáng)富陽(yáng)特種紙業(yè)有限公司;微波發(fā)生器:上海精密科學(xué)儀器有限公司;電子天平:沈陽(yáng)龍騰電子有限公司;恒溫干燥箱:DHG-9023A,天津市通利信達(dá)儀器廠;離心機(jī):800X,多功能攪拌機(jī):JYL-B052,浙江紹興蘇泊爾生活電器有限公司;循環(huán)水真空泵:SHZ-D,河南省予華儀器有限公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋:HH-2,金壇市丹陽(yáng)門石英玻璃廠;智能磁力攪拌器:ZNCL-TS,鄭州杜甫儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蘋果預(yù)處理方法

用鹽水對(duì)蘋果進(jìn)行擦洗,切成塊狀去除果蒂果核,放入榨汁機(jī)中榨汁,用紗布擠壓得到果渣去除汁液,再將果渣置于85 ℃的水中煮15 min,用35 ℃的溫水清洗,于75 ℃的恒溫干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定,用25.4 mm孔徑篩網(wǎng)過(guò)濾,將得到的果渣用密封袋密封后放在冰箱中4 ℃保存。

1.2.2 果膠提取方法

稱取10 g果渣放入錐形瓶中,加入檸檬酸溶液攪拌均勻。調(diào)節(jié)溶液pH值后,置于恒溫水浴中,907 W微波輻射輔助水解7.14 min[23]。抽濾水解液,混合13 mL無(wú)水乙醇攪拌均勻,室溫下靜置,直至果膠沉淀。n=4 500 r/min離心10 min,收集沉淀物,用無(wú)水乙醇充分洗滌后攤鋪在表面皿上,于75 ℃的恒溫干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定,取出稱量,根據(jù)公式(1)計(jì)算果膠提取率。

(1)

式中:m1為干燥后果膠質(zhì)量,g;m為蘋果渣質(zhì)量,g。

1.2.3 果膠提取單因素實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)運(yùn)用單因素法逐步研究果膠提取實(shí)驗(yàn)中V(檸檬酸)∶m(果渣)(以下簡(jiǎn)稱液料比)、pH值、水解溫度和水解時(shí)間分別對(duì)果膠提取率的影響,實(shí)驗(yàn)方法與1.2.2相同,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用Box-Benhnken Design方法進(jìn)行設(shè)計(jì),建立模型,利用響應(yīng)面分析單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以液料比(A)、pH值(B)、水解溫度(C)和水解時(shí)間(D)為影響因子,均選擇3個(gè)水平,建立四因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),因素水平見(jiàn)表1,在最佳單因素實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上,共進(jìn)行了29組實(shí)驗(yàn),以果膠提取率的大小為響應(yīng)值,采用響應(yīng)面法進(jìn)行分析。

表1 因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

各單因素對(duì)果膠提取率的影響見(jiàn)圖1。

液料比/(mL·g-1)a 液料比

由圖1a可知,果膠提取率隨液料比的增加而增加,最大提取率為17.5%,此時(shí)液料比為30 mL/g。液料比大于25 mL/g,果膠提取率變化不大。由圖1b可知,pH=1.0～2.0,果膠提取率隨pH值的增加而增加;pH=2.0,最大提取率為17.4%;pH>2.0,果膠提取率隨pH值的增加而減少。這是因?yàn)閜H值的增加使酸的含量降低,不足以破壞蘋果渣中原果膠與纖維素等結(jié)構(gòu)的連接,果膠不能充分溶解,提取率減少。因此,pH=2.0為最佳。由圖1c可知,水解溫度低于90 ℃,果膠提取率隨溫度的增加而增加,最大提取率為17.5%。水解溫度高于90 ℃,果膠提取率卻隨溫度的增加而減少。溫度過(guò)高會(huì)破壞果膠本身結(jié)構(gòu),溫度過(guò)低則易水解不完全,所以最佳水解溫度選擇90 ℃。由圖1d可知,在其他條件固定不變的情況下,果膠提取率隨水解時(shí)間的增加而增加,水解時(shí)間為3.0 h,果膠的最大提取率為18.1%;水解時(shí)間超過(guò)1.5 h,果膠提取率增加不多,這是因?yàn)楣z長(zhǎng)時(shí)間被熱酸溶液水解,導(dǎo)致其部分被分解,所以水解時(shí)間最好選擇1.5 h。

2.2 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用Box-Behnken Design方法在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上優(yōu)化果膠的提取條件,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2,方差回歸分析及顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表3。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 方差回歸分析及顯著性檢驗(yàn)1)

數(shù)學(xué)回歸模型決定系數(shù)R2=0.998 5,證明該模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)擬合較好,能作為實(shí)際實(shí)驗(yàn)的理論預(yù)測(cè)。F值表示對(duì)各因素之間的影響程度,F值越大影響程度越大,由表3可知,4個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值果膠提取率的影響順序依次為pH值>水解溫度>液料比>水解時(shí)間。

2.2.2 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)分析及優(yōu)化

將液料比、pH值、水解溫度、水解時(shí)間4個(gè)影響因素兩兩交互,用Design-Expert 13軟件中的Optimization功能對(duì)其分別繪制3D響應(yīng)面圖和平面等高線圖,結(jié)果見(jiàn)圖2～圖7。

a 響應(yīng)面

a 響應(yīng)面

a 響應(yīng)面

a 響應(yīng)面

a 響應(yīng)面

a 響應(yīng)面

由等高線圖可知,各因素之間的交互作用均為極顯著,與數(shù)學(xué)回歸模型的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果相同。由三維圖可知,果膠提取率隨影響因素的升高均發(fā)生變化,均為先增大后減小,并通過(guò)Design-Expert 13軟件預(yù)測(cè)了最佳實(shí)驗(yàn)條件。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)出的最佳實(shí)驗(yàn)條件為液料比25.42 mL/g,pH=1.95,水解溫度90.41 ℃,水解時(shí)間1.43 h,微波輻射功率600 W,輻射時(shí)間4 min,果膠提取率的理論響應(yīng)值為18.05%,高于傳統(tǒng)微波法[24](12.9%)、傳統(tǒng)酸法[25](12.45%)、酶法[26](11.34%)。表明微波輔助加熱酸提法提取蘋果渣中果膠能夠獲得較高的果膠提取率,實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高,能夠?yàn)樘O果渣的深加工提供新的解決方案。

為了數(shù)據(jù)的可靠性,設(shè)置重復(fù)實(shí)驗(yàn),條件為水解溫度90.41 ℃,水解時(shí)間1.43 h,微波輻射功率907 W,輻射時(shí)間7.14 min,進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn),果膠提取率分別為18%、18.05%、17.9%,說(shuō)明該結(jié)果具有實(shí)際可操作性。

3 結(jié) 論

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)得到各因素對(duì)果膠提取率的影響范圍,再用響應(yīng)面法得到最佳的果膠提取實(shí)驗(yàn)條件為液料比25.42 mL/g,pH=1.95,水解溫度90.41 ℃,水解時(shí)間1.43 h,微波功率907 W,微波輻射時(shí)間7.14 min,果膠的提取率為18.05%。采用響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助加熱酸提法提取蘋果渣中的果膠,果膠提取率相比傳統(tǒng)方法提升較高,提取工藝參數(shù)可靠,具有實(shí)際可操作性。實(shí)驗(yàn)中采用了檸檬酸作為提取溶劑,兼顧環(huán)保安全等特點(diǎn),可為蘋果產(chǎn)區(qū)果渣浪費(fèi)等問(wèn)題提供可靠的解決方法。實(shí)驗(yàn)中不同的果渣來(lái)源,也可能會(huì)對(duì)果膠提取率產(chǎn)生影響,后續(xù)還可對(duì)果膠進(jìn)行分離純化,研究其結(jié)構(gòu)組成及在食品中的應(yīng)用。