響應(yīng)曲面法用于超聲波提取檸檬皮渣果膠研究

李建鳳，任 磊，王 真，廖立敏，*

（1.內(nèi)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，四川內(nèi)江 641112；2.四川省高等學(xué)?！肮悘U棄物資源化”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川內(nèi)江 641112）

目前，國內(nèi)對(duì)檸檬的加工主要分為淺加工或粗加工，加工成的如檸檬濃縮汁、檸檬鮮片、檸檬干片、檸檬茶等產(chǎn)品，會(huì)產(chǎn)生大量的檸檬皮渣。四川內(nèi)江及附近安岳縣盛產(chǎn)檸檬[1-2]，一些檸檬果汁廠將大量榨汁后的檸檬皮渣直接丟棄于環(huán)境中。而檸檬皮渣是高水分含量物質(zhì)，營養(yǎng)成分也較多，所以遇到雨天或高溫，很快就會(huì)發(fā)酸發(fā)臭，造成當(dāng)?shù)丨h(huán)境的污染[2]。果膠是天然多糖類高分子化合物，也是人體七大營養(yǎng)物質(zhì)中的膳食纖維的主要成分之一，果膠已廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)。檸檬皮渣中的果膠含量大約為30%，因此，從檸檬皮渣中提取果膠具有很大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。目前，從天然產(chǎn)物中提取果膠的方法有：逆流萃取法、鹽析法、酶法、微生物法、酸萃取法、堿萃取法、離子交換法、樹脂法、微波法、超聲波法、復(fù)合技術(shù)、高壓脈沖電場(chǎng)法等[3-9]。超聲波提取技術(shù)是利用超聲波的機(jī)械破碎和空化作用[8]，加速浸提物從原料向溶劑擴(kuò)散的一項(xiàng)技術(shù)。超聲波提取技術(shù)具有提取率高、能耗低、能大大縮短提取時(shí)間，并且設(shè)備簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[9]。本實(shí)驗(yàn)采用響應(yīng)曲面法對(duì)超聲波輔助酸液提取檸檬皮渣中果膠工藝進(jìn)行研究，選取水解液pH、液料比和提取時(shí)間等為考察因素，以果膠粗品提取率為響應(yīng)指標(biāo)，探索了各影響因素及其交互作用對(duì)果膠提取率的影響。本文對(duì)于天然產(chǎn)物中有效成分的提取具有一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

95%乙醇、鹽酸、檸檬皮、原料檸檬 購自四川安岳。

KQ-400KDB型高功率數(shù)控超聲波清洗器（功率：400W；工作頻率：40kHz）昆山市超聲儀器有限公司；BT224S型電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；SHZ-C型循環(huán)水式多用真空泵 常州諾基儀器有限公司；6202型高速粉碎機(jī) 北京錕捷玉誠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 檸檬皮粉末的制備 將購得的新鮮檸檬洗凈，去皮，所得到的檸檬皮放到沸水中煮5～10min，除去果膠酶；然后將檸檬皮在流水中漂洗，可除去可溶性糖、有機(jī)酸、色素及苦味物質(zhì)。擠干水后放入烘箱中以60℃干燥至恒重，用干樣粉碎機(jī)粉碎，即得粗品檸檬皮粉末以備用。

1.2.2 果膠的提取 取一定量的檸檬皮粉末置于干燥潔凈的燒杯中，添加一定量的鹽酸水解液，60℃下超聲波（功率為400W）處理一定的時(shí)間。用已干燥的紗布疊置4層用水循環(huán)真空泵抽慮，收集濾液，濾渣用蒸餾水洗滌，直到水不黏稠為止，合并濾液后得到果膠提取液。向提取液中邊加等體積95%乙醇邊攪拌，將所得乙醇和果膠溶液的混合物靜置1h，得到果膠沉淀。將所得到的乙醇和果膠沉淀混合物用離心機(jī)離心20min，沉淀于50℃下烘干得果膠粗產(chǎn)品，稱重并計(jì)算果膠提取率。果膠提取率（%）=果膠粗產(chǎn)品質(zhì)量（g）/檸檬皮粉質(zhì)量（g）×100。

1.3 影響因素及水平

在查閱參考文獻(xiàn)及前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Design Expert 7.0.0軟件，采用Box-Behnken Design設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，以pH（A）、液料比（B）、提取時(shí)間（C）為影響因素，果膠提取率（Y）為響應(yīng)值設(shè)立處理組，因素編碼及水平見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平表Table 1 Factors and levels of experiments

2 結(jié)果與討論

2.1 回歸模型的建立及方差分析

共設(shè)計(jì)17個(gè)處理組，實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果見表2。

用Design Expert 7.0.0軟件將表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到提取率對(duì)pH（A）、液料比（B）、提取時(shí)間（C）的二次多項(xiàng)式回歸模型：Y果膠提取率（%）=-62.67719+66.14000×A+2.28750×B+0.97850×C-0.22600×AB+0.29925×AC-7.57500×10-3×BC-36.88500×A2-0.032338×B2-9.87812×10-3×C2。對(duì)所建立的響應(yīng)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。由表3可知，實(shí)驗(yàn)選用的模型極顯著（p＜0.01）；相關(guān)系數(shù)R=0.958，模型預(yù)測(cè)值及誤差列于表2，從中我們可以發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值較為接近，預(yù)測(cè)誤差較小，說明該模型擬合程度良好，可以用此模型來分析酸水解法對(duì)檸檬皮渣中的果膠的提取。

回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，模型一次項(xiàng)A、B極顯著（p＜0.01）；二次項(xiàng)A2、B2、C2極顯著；交互項(xiàng)AC顯著；其他項(xiàng)不顯著。

2.2 響應(yīng)曲面分析

響應(yīng)面圖形是響應(yīng)值對(duì)各因素所構(gòu)成的三維空間的曲面圖，本文為pH（A）、液料比（B）、超聲波處理時(shí)間（C）在其中一個(gè)固定時(shí)，另外兩個(gè)因素對(duì)檸檬皮渣果膠提取率的交互影響曲面圖。比較AB、AC及BC交互作用的曲面圖的等高線可知，液料比為：20∶1時(shí)，pH（A）和超聲波處理時(shí)間（C）的交互影響相對(duì)較為顯著（見圖1），表現(xiàn)為等高線最密集，而AB及BC交互作用不顯著（圖略），結(jié)果與方差分析相似。從圖1可以看出pH（A）對(duì)檸檬皮渣果膠提取率的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲線較陡，超聲波處理時(shí)間（C）檸檬皮渣果膠提取率的影響不明顯，表現(xiàn)為曲線相對(duì)平滑，可能是果膠類化合物超聲波處理下浸出速度都較大，故提取時(shí)間的變化對(duì)果膠提取率的影響相對(duì)其他兩個(gè)因素要小。

表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值Table 2 Box-Behnken design and response values

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

表4 回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 4 Significance test for regression coefficient

圖1 pH、提取時(shí)間及其交互作用對(duì)提取率的影響Fig.1 Effect of pH，extraction time and their interactions on the extraction yield

2.3 最優(yōu)條件的確定

在選取的各因素范圍內(nèi)，根據(jù)回歸模型通過Design Expert軟件分析得出，檸檬果膠最佳提取條件為：pH為1.0，液料比為20∶1，超聲波處理時(shí)間為50min，果膠提取率的預(yù)測(cè)值為26.49%。此提取條件恰好包括在實(shí)驗(yàn)組當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)組的5次平均值為26.45%。與直接使用酸水解法[10]提取相比，使用超聲波輔助以后，不但提取時(shí)間有所縮短，而且提取率大大提高了。實(shí)驗(yàn)平均值26.45%與預(yù)測(cè)值26.49%基本一致，即該方程與實(shí)際情況擬合很好，響應(yīng)曲面法適用于檸檬皮渣中果膠的提取工藝分析和參數(shù)優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design Expert，采用Box-Behnken Design設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，得出檸檬皮渣果膠超聲波法酸水解提取檸檬皮渣中的果膠的最佳工藝條件，即：pH為1.0，液料比為20∶1，超聲波處理時(shí)間為50min。在最佳工藝條件下不但提取率更高（26.45%），而且實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性好，說明響應(yīng)曲面法得出的結(jié)論是正確的。本研究得到的只是粗產(chǎn)品，有待進(jìn)一步純化。本文對(duì)于天然產(chǎn)物中有效成分的提取研究具有一定的參考價(jià)值。

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