微波輔助法提取胭脂蘿卜果膠的響應面分析

陽 暉，胡本金

（長江師范學院生命科學與技術學院，重慶涪陵408100）

胭脂蘿卜又名涪陵紅心蘿卜，系十字花科蘿卜屬蘿卜種下的一個地方品種，是重慶市涪陵區(qū)的一種特產農產品[1]。胭脂蘿卜加工主要是提取胭脂蘿卜色素、腌漬泡菜和加工胭脂蘿卜干為主。經調查，在提取出胭脂蘿卜紅色素之后，胭脂蘿卜就只能做泡菜、甚至喂豬的原料，未能充分的開發(fā)利用，資源浪費嚴重[2]。

目前，我國果膠的資源豐富，百合、菠蘿、南瓜、柑桔、蘆薈、柚子皮、仙人掌、蘋果皮渣和蘿卜等都含有大量的果膠，已經成為具有工業(yè)化生產價值的主要原料[3-5]。有關果膠的提取方法已有許多文獻報道過，常用的方法有鋁鹽鹽析法[6]、離子交換法[7]、微生物法[8]等。提取時間一般要求在1h以上，由于高溫和長時間加熱，原料中的果膠不可避免地會產生變性和分解破壞，且提取的果膠數(shù)量和質量也不理想。微波是一種頻率為300MHz～300GHz的電磁波，用于天然成分的提取，選擇性強、操作時間短、溶劑耗量小、目標組分得率高，并且能極大限度的保留分離組分的天然活性[9]。

本實驗以胭脂蘿卜為原料，采用微波輔助法提取胭脂蘿卜中的果膠，并對其可行工藝進行優(yōu)化，確定其最佳工藝及工藝參數(shù)，旨在探索出一種最大限度提取優(yōu)質的胭脂蘿卜果膠的方法，為胭脂蘿卜的規(guī)?；_發(fā)利用提供新的方法和思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

胭脂蘿卜 購于重慶涪陵農貿市場；無水乙醇、鹽酸和活性炭 分析純。

JJ-2型組織搗碎機 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；DZ5-2型離心機 北京京立離心機有限公司；SG2型pH計 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；CS101-2ABN型電熱鼓風干燥箱 重慶市永生實驗儀器廠；RV10BS25型旋轉蒸發(fā)儀 德國IKA公司；WP700型微波爐 佛山市順德區(qū)格蘭仕微波爐有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 胭脂蘿卜→滅酶→漂洗→干燥→粉碎→鹽酸萃取→微波加熱→過濾→脫色→濾液濃縮→冷卻→醇沉→離心→干燥→果膠。

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 滅酶 將新鮮胭脂蘿卜洗凈后，切成塊狀在95℃，滅酶10min[10]。

1.2.2.2 漂洗 用40～50℃溫水漂洗8～10次，直到漂洗液顏色呈淺色。

1.2.2.3 干燥粉碎 用紗布擠壓漂洗后的胭脂蘿卜，除去部分水分后置于50℃，干燥18～20h。然后粉碎，過40目篩，備用。

1.2.2.4 過濾 將加熱后的提取液用8層紗布趁熱過濾，再抽濾，得到半透明狀果膠粗提液。

1.2.2.5 脫色 在果膠提取液中加入5%活性炭，于60℃，脫色10min。然后4000r/min，10min離心除去活性炭，收集濾液[11]。

1.2.2.6 濾液濃縮 將果膠粗提液進行蒸發(fā)濃縮。溫度控制在60～70℃，濃縮比為3∶1。

1.2.2.7 醇沉 待濃縮液冷卻后，加入約原體積的1倍的95%乙醇，使酒精濃度達50%～60%，靜置1h，在5500r/min離心10min后，沉淀用無水乙醇洗滌2次。

1.2.3 微波法提取胭脂蘿卜果膠單因素實驗

1.2.3.1 不同pH對胭脂蘿卜果膠提取率的影響 在微波功率400W、液料比為25∶1、微波加熱時間為7min的條件下，研究不同pH（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5）的鹽酸萃取液的對胭脂蘿卜中果膠提取率的影響。

1.2.3.2 不同料液比對果膠提取率的影響 在鹽酸萃取液pH為2.0、微波功率為400W、微波加熱時間為7min的條件下，研究不同液料比（15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1（v∶m））對胭脂蘿卜中果膠提取率的影響。

1.2.3.3 不同微波功率對果膠提取率的影響 在萃取液pH為2.0、液料比為25∶1、微波加熱時間為7min的條件下，研究不同微波功率（300、400、500、600、700、800W）對胭脂蘿卜中果膠提取率的影響。

1.2.3.4 不同微波加熱時間對果膠提取率的影響 在微波功率為400W、萃取液pH為2、液料比為25∶1的條件下，研究不同微波加熱時間（5、6、7、8、9、10min）對胭脂蘿卜中果膠提取率的影響。

1.2.4 響應面實驗結果與分析 為了進一步探討萃取液的pH、微波功率和微波加熱時間以及液料比對胭脂蘿卜中果膠的提取的影響，在單因素實驗的基礎上，采用響應面實驗，以果膠提取率為指標對影響因素進行進一步優(yōu)化。根據(jù)Box-Behnken中心組合的設計原理，實驗設計的水平及因素見表1。

表1 實驗設計的水平及因素Table 1 Factors and levels of test design

1.2.4 果膠提取率的計算 公式如下：

果膠提取率（%）=M/W×100

式中：M—提取的果膠重量，g；W—胭脂蘿卜質量（干基），g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)Box-Benhnken原理，用Design Expert 7.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 微波法提取胭脂蘿卜中果膠單因素結果與分析

2.1.1 不同pH對胭脂蘿卜果膠提取率的影響 不同pH對胭脂蘿卜果膠提取率的影響，結果如圖1所示。

圖1 pH對果膠提取率的影響Fig.1 Effect of pH on extraction yield of pectin

由圖1可知，當pH達到2.0時，果膠的提取率最高。提取液的pH過低，果膠的水解較強烈，果膠發(fā)生脫酯降解，果膠提取率較低；提取液的pH較高，果膠的水解不完全，從而果膠的提取率較低。因此較佳的pH為2.0。

2.1.2 不同料液比對果膠提取率的影響 不同料液比對果膠提取率的影響，結果如圖2所示。

圖2 液料比對果膠提取率的影響Fig.2 Effect of liquid-solid ratio on extraction yield of pectin

由圖2可知，液料比為25∶1時，果膠的提取率最高。當液料比較小時，則難以保證胭脂蘿卜中的果膠全部轉移到液相中，物料的粘度比較大，過濾也比較困難，殘留增多，提取不完全，從而導致產率低。當液料比較大時，果膠在溶液中濃度較低，過濾容易，但是濃縮所需要的時間較長，破壞了果膠成分，且乙醇的消耗增大，生產成本較高。因此，較佳的液料比為25∶1。

2.1.3 不同微波功率對果膠提取率的影響 不同微波功率對果膠提取率的影響，結果如圖3所示。

由圖3可知，當微波功率達到500W時，果膠提取率最高。當微波功率較低時，萃取溫度較低，果膠水解不充分，果膠提取率降低；當微波功率過高，萃取溫度較高，果膠雖水解較完全但容易發(fā)生脫酯降解，從而降低了果膠的提取率。因此，微波功率在500W左右為宜。

圖3 微波功率對果膠提取率的影響Fig.3 Effect of microwave power on extraction yield of pectin

2.1.4 不同微波加熱時間對果膠提取率的影響 不同微波加熱時間對果膠提取率的影響，結果如圖4所示。

圖4 微波加熱時間對果膠提取率的影響Fig.4 Effect of micro wave-heating time on extraction yield of pectin

由圖4可知，隨著微波加熱時間的延長，果膠的提取率也不斷增加，但當微波加熱時間達到8min以后開始下降，可能是因為加熱時間過長會使果膠分解，所以微波加熱時間以8min左右為宜。

2.2 響應面模型擬合

2.2.1 響應面實驗結果與分析 用Design Expert 7.0統(tǒng)計軟件設計響應面分析實驗，結果見表2；方差分析結果見表3。

由表2中實驗結果可得，微波法胭脂蘿卜果膠提取率預測模型：Y=12.63+0.24A+0.054B-0.19C-4.167×10-3D-0.18AB-0.49AC+0.11AD+0.23BC-0.36BD-0.055CD-0.66A2-0.84B2-0.39C2-0.56D2。

由表3方差分析結果可知，該回歸方程（模型）的回歸效果極顯著（p＜0.01），失擬項不顯著，說明模型擬合程度好，有實際應用意義。各因素對提取率影響的大小順序分別為：pH（A）＞微波功率（C）＞液料比（B）＞微波加熱時間（D）。對響應值提取率作用極顯著的是A、AC、BD、A2、B2、C2和D2，顯著的是C?？梢?，實驗各因素對胭脂蘿卜果膠提取率的影響不是簡單的線性關系。在α=0.05顯著水平下剔除不顯著項后，對原模型進行優(yōu)化可得，提取率Y=12.63+0.24A-0.19C-0.49AC-0.36BD-0.66A2-0.84B2-0.39C2-0.56D2。

表2 響應面分析方案及實驗結果Table 2 Program and test results of response surface analysis

2.2.2 交互作用對胭脂蘿卜提取率的影響 響應面圖是響應值在各實驗因子交互作用下得到的結果構成的一個三維空間曲面。通過Design expert7.0軟件分析，根據(jù)回歸方程做出相應的響應面分析圖（圖5和圖6），考察擬合的響應面曲線，分析液料比、pH、加熱時間和微波功率對胭脂蘿卜果膠提取率的影響。

圖5 pH與微波功率對提取率的影響Fig.5 Effect of pH and microwave power on extraction yield

表3 提取率回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation on viscosity

圖6 加熱時間和液料比對提取率的影響Fig.6 Effect of heating time and liquid-solid ratio on extraction yield

由圖5可知，pH的變化坡度較微波功率的坡度變化大，且pH的等高線變化數(shù)量多于微波功率，說明pH對果膠提取率的影響大于微波功率的影響；同理可知，圖6中液料比對提取率的影響大于加熱時間的影響。

2.2.3 提取條件優(yōu)化及驗證 經軟件Design Expert 7.0優(yōu)化，得到微波法提取胭脂蘿卜果膠最高提取率的最佳工藝參數(shù)為：液料比為24.57∶1、加熱時間為8.10min、微波功率為445.73W、pH為2.2。為驗證響應曲面法所得結果的可靠性，考慮到實際操作的便利，將工藝參數(shù)修正為：液料比為25∶1、加熱時間為8.0min、微波功率為450W、pH為2.0。在此條件下進行3次驗證實驗，胭脂蘿卜果膠的提取率為12.58%，與預測值12.73%較接近，說明采用此法優(yōu)化得到的提取條件可靠。

3 結論

采用微波法提取胭脂蘿卜果膠在最佳提取條件：pH2.0、液料比25∶1、微波功率450W、微波加熱時間8.0min下，胭脂蘿卜果膠提取率達胭脂蘿卜干質的12.58%。經微波處理后果膠的提取率得以提高，且果膠質量好、分子質量大、膠凝強度大。微波法的選擇性強、操作時間短、萃取劑的用量少，既節(jié)約了萃取劑的花銷又減少了對環(huán)境的污染，是一種比較好的提取方法。

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