響應面法優化泡沫分離蘆筍加工廢水中皂苷工藝

于素素，馬迪，曹寧，王文昌，吳茂玉，鄭曉冬

中華全國供銷合作總社濟南果品研究所/山東省果蔬貯藏加工技術創新中心（濟南 250220）

蘆筍學名石刁柏，又名龍須菜、文山竹，是百合科天門冬屬的多年生宿根性草本植物，主要分布在山東、河南、江西、貴陽、云南等地[1-6]。蘆筍根莖中的甾體皂苷水解后可產生菝葜皂苷元，因其具有抗癌、抗炎的功效，所以蘆筍具有極高的藥用價值和保健功能，被譽為“蔬菜之王”[7]。此外，新鮮蘆筍加工而成的蘆筍罐頭富含營養物質，產量居世界首位，但在蘆筍罐頭預煮環節中會產生大量的廢水，如何將蘆筍罐頭加工過程中產生的廢水再利用，進而提高蘆筍加工產業的附加值，是當前蘆筍罐頭加工行業的研究熱點之一。

以往研究多集中在蘆筍總皂苷的提取工藝上，如：揭晶等[8]利用響應面法對超聲提取蘆筍總皂苷的工藝進行優化；劉杰[9]利用正交試驗對溶劑浸提法提取蘆筍莖中總皂苷的工藝進行優化；張若潔等[10]通過超聲波輔助提取優化蘆筍總皂苷的工藝；才衛川等[11]通過模擬工業生產條件，采用單因素試驗和響應面法得到最佳工藝條件，使得蘆筍中的總皂苷提取率達8.71%±0.3%。但這些方法都是在加工過程中從蘆筍或加工下腳料莖皮中提取皂苷，還未見有關于從蘆筍加工廢水中提取皂苷的研究報道。同時，泡沫分離法具有設備簡單、操作方便、運行成本低和適于大規模工業化生產等優點[12-15]，被成功用于表面活性劑、蛋白質及中藥有效成分的分離富集。因皂苷具有良好的起泡性和泡沫穩定性，所以蘆筍加工廢水具備泡沫分離的必要條件。采用泡沫分離法提取蘆筍加工廢水中的皂苷，可實現蘆筍加工廢水中皂苷高效、簡便和環境友好的分離提取。泡沫分離法提取蘆筍加工廢水中皂苷的研究鮮見報道。

試驗選用蘆筍罐頭加工廢水中的皂苷為分離對象，考察鼓泡方式及時間、氣流速、廢水中皂苷濃度、起泡劑濃度、pH對泡沫分離皂苷過程的影響，并通過響應面優化工藝條件，以期為泡沫分離法提取蘆筍罐頭加工廢水中皂苷的工業規模化應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘆筍（綠參食品專營店提供的新鮮蘆筍莖）；人參皂苷標準品（純度≥99%，北京索萊寶科技有限公司）；高氯酸（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；其他試劑均為分析純；超純水。

1.2 儀器與設備

TU-1810型全自動紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；RE52A型旋轉蒸發儀（上海昕儀儀器儀表有限公司）；HHS-21-8型恒溫水浴鍋（上海博訊實業有限公司）；GZX-9240MBE型鼓風干燥箱（上海博訊實業有限公司）；LGJ-18A型冷凍干燥機（德國Christ有限責任公司）；PHS-25型pH計（上海精密儀器制造有限公司）；ME203E型電子天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）；LDZ4-2型自動平衡離心機（江蘇省金壇市醫療儀器廠）；泡沫分離裝置自制（圖1）。

圖1 泡沫分離裝置圖

1.3 試驗方法

1.3.1 總皂苷標準曲線繪制

準確稱取20 mg人參皂苷標準品，用70%乙醇溶解定容至50 mL，得400 mg/L人參皂苷標準液。準確吸取0，0.2，0.4，0.8和1.2 mL的人參皂苷標準溶液，于60℃水浴加熱，待揮發完全后，分別加入0.4 mL 5%香草醛冰醋酸溶液使殘渣溶解，加入1.6 mL高氯酸，混勻轉移至10 mL比色管，于70 ℃水浴20 min，取出后冰浴冷卻2 min，加入5.0 mL冰醋酸，搖勻后，于545 nm波長處測定其吸光度[16]。以皂苷質量為橫坐標，吸光度為縱坐標，得標準曲線方程Y=1.336 6X-0.001 8，R2=0.996 8。

1.3.2 皂苷提取含量測定

精確吸取5.0 mL液體試樣于50 mL容量瓶中，用70%乙醇溶液定容，搖勻后，于60 ℃水浴揮干，加入0.4 mL 5%香草醛冰醋酸溶液使殘渣溶解，加入1.6 mL高氯酸，混勻后移入10 mL比色管中，于70 ℃水浴20 min，取出后置于冰水中冷卻2 min，精確加入5.0 mL冰醋酸，搖勻后，在30 min內于545 nm波長處測定其吸光度[17]。

試樣中總皂苷含量用質量分數X表示，單位為百分率（%），按式（1）計算。

式中：m1為由標準曲線計算得出的待測液中總皂苷質量，mg；V1為制備試樣體積，mL；m2為樣品質量，g；V2為純化后試樣體積，mL。

1.3.3 單因素試驗

試驗考察鼓泡方式及時間、氣流速、廢水中皂苷濃度、起泡劑（SDS）濃度和pH 5個因素對皂苷回收率的影響。采用分光光度法測定皂苷含量，以回收率為指標[18]評價泡沫分離效果。通過單因素試驗篩選出對蘆筍總皂苷得率具有顯著影響的因素，并確定其試驗水平值。回收率按式（2）計算。

式中：C0為初始液中皂苷質量濃度，mg/mL；Cf為泡沫層中皂苷質量濃度，mg/mL；CS為殘留液中皂苷質量濃度，mg/mL；V0為原液的體積，mL；VS為殘留液的體積，mL；Vf為泡沫層的體積，mL。

1.3.4 響應面試驗設計

根據Box-Behnken試驗設計原理[13]，設置氣流速（A）、SDS濃度（B）、蘆筍廢水pH（C）為響應面因子，并依據單因素試驗的試驗結果確定自變量的范圍，以皂苷回收率為響應值，設計三因素三水平響應面分析試驗，對蘆筍加工廢水中皂苷回收條件參數進行優化。響應面因子和水平見表1[19-21]。

表1 Box-Behnken試驗設計因素與水平

1.4 數據處理

采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析與顯著性差異分析，運用Origin 2019軟件作圖，響應面結果用Design Expert 10.0.1進行Box-Behnken分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 鼓泡方式及時間對皂苷回收率的影響

鼓泡方式及時間對皂苷回收率的影響如圖2所示。在同一鼓泡方式下，鼓泡時間對皂苷回收率的影響不顯著。以氣體分布的方式鼓氣，得到的皂苷回收率明顯高于其他2種鼓氣方式。這是由于泡沫分離裝置中的氣體分布器使得氣體與殘液的接觸面增大，皂苷回收率增加。在以氣體分布的方式下，鼓泡時間的長短對皂苷回收率的影響不顯著。故選擇鼓泡時間3 min為宜。該結果與路帥等[22]的研究結果不同，可能是因為皂苷與杏仁蛋白的結構不一致所導致。

2.1.2 氣流速對皂苷回收率的影響

氣體流速對泡沫分離蘆筍廢水中皂苷的影響如圖3所示。隨著氣體流速的增加，廢水中皂苷回收率呈先升高后降低趨勢，氣體流速2.8 L/min時，皂苷回收率最高，可達78.1%，隨著氣體流速繼續增大，皂苷回收率逐漸降低，這可能是由于氣流速過大對皂苷類物質的結構造成破壞所致[23]。鼓泡氣速較大時，氣泡的流動速率大，泡沫上升過程鼓泡時間較短，導致泡沫層間隙排液量減少，故泡沫分離裝置流出的泡沫持液量大，液體夾帶的雜質含量增多。鼓泡氣速較低時，泡沫上升過程鼓泡時間較長，泡沫間隙排液量增多，隨著鼓泡時間推移，泡沫分離柱內料液皂苷含量逐漸減少，料液起泡性及泡沫穩定性減弱，鼓泡氣速過小不易將泡沫層從泡沫分離柱上方鼓出，皂苷回收率減小[24-25]。故氣流速選擇2.8 L/min。

圖3 氣流速對皂苷回收率的影響（n=3）

2.1.3 廢水中皂苷濃度對皂苷回收率的影響

廢水中皂苷濃度對皂苷回收率的影響如圖4所示。廢水中皂苷濃度對皂苷回收率有顯著影響，隨著廢水中皂苷濃度的提高，皂苷回收率逐漸提高。這主要是由于廢液中皂苷濃度的增加會使其表面活性物質的質量濃度也增加，導致泡沫的穩定性提高，泡沫所夾帶的液體量增多，因此皂苷的回收率升高[26-27]。考慮到實際工業生產產生的廢水皂苷濃度不可能太高，故廢液中皂苷濃度選擇3 000 mg/L。

圖4 廢水皂苷濃度對皂苷回收率的影響（n=3）

2.1.4 起泡劑（SDS）濃度對皂苷回收率的影響

SDS濃度對泡沫分離廢水中皂苷的影響如圖5所示。隨著SDS濃度的增加，皂苷回收率逐步增加，后期趨于穩定，SDS濃度0.1%時，皂苷回收率最高。可能是因為SDS增加了表面活性物質的量[28-30]，故SDS濃度0.1%的起泡效果最好。

圖5 起泡劑濃度對皂苷回收率的影響（n=3）

2.1.5 pH對皂苷回收率的影響

pH對泡沫分離廢水中皂苷的影響如圖6所示。pH 7時進行泡沫分離得到的皂苷回收率最大，這是因為此時形成的泡沫較穩定，表面張力降低可以提高泡沫的穩定性，穩定的泡沫可以使分離過程持續至殘留液相濃度很低的狀態，故選擇廢水pH 7為宜。

圖6 pH對皂苷回收率的影響（n=3）

2.2 響應面優化

2.2.1 響應面試驗設計及結果

根據單因素試驗結果發現，氣流速、SDS濃度、pH對皂苷回收率有顯著影響，故設定為自變量A、B、C，皂苷回收率為響應值（Y），采用Design-Expert 10.0.1軟件設計17組試驗，5組為重復零點試驗，試驗方案及結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果

2.2.2 擬合回歸方程的建立

通過數據分析得到回歸擬合方程：皂苷回收率（Y）=80.92-0.475A-1.212 5B+0.062 5C+1.175AB-0.625AC-1.3BC-2.16A2-4.185B2-3.835C2。

由表3可知，此試驗模型P＜0.01，說明該模型差異性極顯著。表5中R2=0.982 0，Radj2=0.958 8，失擬項不顯著（P＞0.05），表明該模型在試驗區間內擬合度優[31]，線性關系良好，并且能夠解釋95.88%的響應值變化，具有較高的重復度和準確性，因此回歸方程可以很好地描述各因素與響應值之間的關系。根據3個變量的方差顯著性結果可以看出，3個變量對皂苷回收率的影響效果依次為SDS濃度＞氣流速＞蘆筍廢水pH，且SDS濃度對皂苷回收率影響極顯著（P＜0.01）。交互項中AC的作用不顯著，AB對響應值的作用顯著（P＜0.05），BC對響應值的作用極顯著（P＜0.01）。二次項中A2、B2、C2對響應值的作用極顯著（P＜0.01）。

表3 響應面試驗方差分析

2.2.3 響應曲面分析

根據模型得到的響應面分析圖，見圖7～圖9，可以直觀觀察到，在各因素變量的交互作用下皂苷回收率的變化呈正拋物線的形狀，等高線呈橢圓形，表明各因素在波動水平內均存在峰值[31-33]，曲面圖像的坡度大小則代表該因素對響應值影響的強弱，與方差數據分析相符合。

圖7 SDS濃度和氣流速相互作用的響應面圖

從圖7可以看出，氣流速和SDS濃度的交互作用曲面縱向跨度較大且等高線呈現橢圓形，表明二者交互作用對皂苷回收率影響顯著。當氣流速一定時，隨著SDS濃度的增加，皂苷回收率先上升后下降。同理，SDS濃度不變時，隨著氣流速的提高，皂苷回收率也呈現先增加后減小。

如圖8所示，皂苷回收率隨著氣流速和蘆筍廢水pH的增加均呈現先增后減變化。取適中水平，即氣流速2.7～2.9 L/min、蘆筍廢水pH 6.5～7.5水平區間時，曲面出現最高點，預計皂苷回收率最高。

圖8 pH和氣流速相互作用的響應面圖

由圖9可以看出，SDS濃度和蘆筍廢水pH交互作用曲面縱向跨度最大，且等高線呈現顯著橢圓形，對皂苷回收率影響極顯著。皂苷回收率隨著SDS濃度和蘆筍廢水pH的增加呈先增后減變化，取SDS濃度0.09%～0.11%、蘆筍廢水pH 6.5～7.5水平區間時，皂苷回收率較高，應控制該條件從而得到優化工藝參數。

圖9 pH和SDS濃度相互作用的響應面圖

2.2.4 最優提取條件與驗證

通過Design-Expert 10.0.1軟件對回歸擬合方程進行分析，獲得最優工藝參數：氣流速2.767 L/min、SDS濃度0.096%、蘆筍廢水pH 7.052，在此條件下模型預測的皂苷回收率為81.068%，根據軟件預測結果，結合實際工藝設置的可行性，取氣流速2.8 L/min、SDS濃度0.1%、蘆筍廢水pH 7進行3次平行試驗，皂苷回收率平均值為81.8%，試驗值與預測值接近，優選的工藝條件重復性良好，表明基于該響應面模型分析優化皂苷回收率工藝的方法有效可行。

3 結論與討論

以蘆筍加工廢水中的皂苷為研究對象，通過單因素試驗及響應面統計分析，結合實際操作，得出分離蘆筍廢水中皂苷的最佳工藝條件：氣流速2.8 L/min、SDS濃度0.1%、蘆筍廢水pH 7。在此條件下提取，皂苷回收率為81.8%。試驗方法簡單易行、提取率高、綠色環保，為皂苷資源的充分開發利用提供科學依據，同時也為蘆筍罐頭加工廢水在功能成分提取中的應用提供理論依據。但試驗采用自制簡易泡沫分離設備進行分離，存在分離較慢、耗時較長等問題，需放大分離裝置，進一步優化工藝，提高其分離效率。