苤藍(lán)皮中果膠的提取工藝研究

侯蘭芳 韓艷萍

【摘 要】本文采用微波輔助加熱法從苤藍(lán)皮中提取果膠，通過(guò)單因素試驗(yàn)，得出微波加熱時(shí)間t、料液比和提取液pH對(duì)果膠得率有顯著影響，并用響應(yīng)面分析法優(yōu)化了提取工藝參數(shù)（微波加熱時(shí)間t、料液比和提取液pH）對(duì)果膠提取率的影響。選擇微波加熱時(shí)間、料液比和提取液pH為自變量， 果膠的提取率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究各單因素及其交互作用對(duì)果膠提取率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，苤藍(lán)皮中果膠的提取最佳工藝條件為：微波加熱時(shí)間51.14s，料液比1：31，提取液pH1.31，苤藍(lán)皮粉末提取果膠最高得率15.09﹪。

【關(guān)鍵詞】苤藍(lán)皮；果膠；微波輔助提?。豁憫?yīng)面分析

Abstract：This paper use microwave-assisted method extraction （MAE） to extract pectin from kohlrabi peel， by single-factor test， obtained by microwave heating time， solid-liquid ratio and pH has a significant influence to the pectin extract ratio， The response surface methodology （RSM） is used to optimize the extraction process parameters （microwave heating time， solid-liquid ratio and extract pH）， which are play an important role in the process of pectin extraction rate. Select microwave heating time， solid-liquid ratio and extract liquid pH as extract variables， pectin extraction rate of response to the value， using Box-Behnken experimental design method to study all their interactions on pectin extraction rate. Experimental results show that Kohlrabi peel powder pectin optimum extraction conditions are： microwave heating time： 51.14s， solid-liquid ratio： 1：31， extract pH： 1.31， Kohlrabi peel powder extraction pectin the highest rate is 15.09%.

Key Words：ohlrabi peel； Pectin； Microwave-assisted extraction（MAE）； Response surface methodology（RSM）.

引言

苤藍(lán)，又名球莖甘藍(lán)、玉蔓青、苴蓮。是一種在我國(guó)產(chǎn)銷(xiāo)量都很大的蔬菜。本實(shí)驗(yàn)利用苤藍(lán)皮為原料，采用微波輔助提取法提取果膠類(lèi)物質(zhì)，期望為苤藍(lán)皮的綜合利用提供一定的參考[1-3]。

一、材料、試劑與儀器設(shè)備

（一）材料與試劑

（1）原料

苤藍(lán)，購(gòu)于臨汾市堯豐市場(chǎng)

（2）化學(xué)試劑

98%的濃硫酸、無(wú)水乙醇、濃鹽酸、氫氧化鈉、咔唑，均為分析純AR；半乳糖醛酸（Sigama公司產(chǎn)品）。

（二）試驗(yàn)儀器與設(shè)備

二、試驗(yàn)方法

（一）工藝流程

苤藍(lán)皮→滅酶→漂洗→烘干→粉碎→微波輔助提取→抽濾→濾液→處理→測(cè)定其吸光度→計(jì)算果膠得率。

（二）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制[4]

從濃度為1.0mg/mL的半乳糖醛酸溶液中分別取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mL在50mL容量瓶中定容至刻度，形成濃度為10、20、30、40、50和60μg/mL的半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。在七支比色管中，分別加入分析純濃硫酸6mL，置于冰水中冷卻，邊冷卻邊緩緩加入濃度為10、20、30、40、50、60μg/mL的半乳糖醛酸溶液各1mL，在第七支比色管中加入1mL蒸餾水作空白對(duì)照，充分混合后繼續(xù)冷卻，然后于沸水浴中加熱10min，冷卻至室溫后，再加入0.15%咔唑0.5mL，充分混合，室溫放置30min，在波長(zhǎng)530nm處以空白試劑作對(duì)照，測(cè)定吸光度A，并建立果膠含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

（三）果膠提取工藝的確定

（1）單因素試驗(yàn)

1、微波加熱時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.5g的苤藍(lán)皮粉末5份，在料液比1：30、提取液pH1.5、微波功率450W不變的條件下，分別對(duì)樣液采取微波加熱輔助法提取，微波加熱時(shí)間分別取為：30s、50s、70s、90s、110s，同時(shí)做平行試驗(yàn)3次，所得結(jié)果取平均值。比較所得結(jié)果，選擇合適的微波加熱時(shí)間。

2、料液比對(duì)果膠提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.5 g苤藍(lán)皮粉末5份，在微波加熱時(shí)間t=70s、提取液pH1.5、微波功率450W的條件下，料液比分別取為1：20、1：25、1：30、1：35、1：40，采用微波加熱輔助法提取，同時(shí)做平行試驗(yàn)3次，結(jié)果取平均值。比較所得結(jié)果，選擇合適的料液比。

3、提取液pH對(duì)果膠提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.5 g苤藍(lán)皮粉末5份，采用上述實(shí)驗(yàn)確定的提取時(shí)間和料液比，在微波功率450W下，提取液pH分別選擇1.0、1.5、2.0、2.5、3.0，采用微波加熱輔助法處理，同時(shí)做平行試驗(yàn)3次，結(jié)果取平均值。比較所得結(jié)果，選擇合適的提取液pH。

（2）響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)[5]

在單因素試驗(yàn)的研究基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)方案，選取微波加熱時(shí)間（X1）、料液比（X2）和提取液pH（X3）三個(gè)因素的3個(gè)水平對(duì)響應(yīng)值（果膠提取率）進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中+1、0、-1分別代表變量的水平，響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平表

Tab. 1 Factors and Levels for Box-Behnken Design Table

（四）果膠含量的測(cè)定

本文所有試驗(yàn)果膠含量測(cè)定方法均為：將提取液移入50mL的容量瓶定容至50mL，吸取5mL再次定容至50mL，取1mL按照本文2.2.2處理，530nm處測(cè)定吸光度值，根據(jù)標(biāo)曲換算，計(jì)算果膠得率。

果膠得率計(jì)算公式：

三、結(jié)果與分析

（一）標(biāo)準(zhǔn)曲線與回歸方程的建立

圖1 果膠標(biāo)準(zhǔn)曲線

Fig.1 Calibration curve of pectin

（二）單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）微波加熱時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

圖2 微波加熱時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

Fig.2 Effect of microwave heating time on the extraction rate of pectin

延長(zhǎng)加熱時(shí)間有利于苤藍(lán)皮中的果膠轉(zhuǎn)移到液相中，果膠的產(chǎn)率提高，70s時(shí)達(dá)到最大產(chǎn)率。如果溫度太高，果膠就會(huì)發(fā)生去甲基化和解聚[6]。因而，微波輔助加熱最佳時(shí)間選擇為70s。

（2）料液比對(duì)果膠提取率的影響

圖3 料液比對(duì)果膠提取率的影響

Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of pectin

隨著料液比的增大，苤藍(lán)皮中果膠的提取率增加，1：30時(shí)果膠得率最大。

（3）提取液pH對(duì)果膠提取率的影響

圖4提取液pH對(duì)果膠提取率的影響

Fig.4 Effect of extraction liquid pH on the extraction rate of pectin

開(kāi)始時(shí)隨著提取液pH值的降低果膠提取率在逐漸增加，這主要是因?yàn)殡S著pH值的降低原果膠水解逐漸增強(qiáng)，pH為1.5時(shí)達(dá)到最大提取率；此后果膠得率開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)較大。這是因?yàn)閜H值過(guò)低時(shí)，原果膠水解過(guò)度，致使果膠脫去酯基和裂解[13]。而pH值過(guò)高時(shí)，酸的作用不明顯，果膠的提取不完全，果膠的提取率低。苤藍(lán)皮果膠的提取最佳pH為1.5。

（三）響應(yīng)曲面分析與結(jié)果

（1）設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面試驗(yàn)

根據(jù)Box-Beknhen中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以微波加熱時(shí)間、料液比和提取液pH對(duì)應(yīng)三個(gè)獨(dú)立變量 X1、X2、X3對(duì)響應(yīng)值（果膠提取率）進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。設(shè)計(jì)方案及果膠提取率的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

（2）模型的建立 [7-8] 及顯著性分析

本試驗(yàn)分別以獨(dú)立變量X1、X2、X3對(duì)應(yīng)3個(gè)提取因素微波加熱時(shí)間、料液比和提取液pH，并以-1，0，1分別代表變量的水平（見(jiàn)表1），按下式對(duì)自變量進(jìn)行編碼：

xi=（ Xi- X0）/ΔXi，i=1，2，3；

式中：xi為變量Xi的編碼值；

X0為變量Xi的試驗(yàn)中心點(diǎn)的值；

△X為變量Xi的變化間隔值。

利用Design Expert 7.0（version 7.0， Stat-EaseInc，Minneapolis，MN.USA）軟件對(duì)

表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得二次多元回歸模型為（Fin概率=0.05，F(xiàn)out概率=0.1）：

Y=+15.05-0.22X1+0.16X2-0.25X3-0.35X1X2-0.37X1X3-0.42X2X3-0.46X12-1.00X22-0.59X32

該方程預(yù)測(cè)了獨(dú)立變量X1、X2、X3這三個(gè)因素在苤藍(lán)皮果膠提取中的影響。

該模型回歸方程系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)（見(jiàn)表3），由表3可知，X3、X1X3、X12、X22和X32為顯著影響因素。各影響因素中，影響最大的是二次項(xiàng)的微波加熱時(shí)間（X12），其次是二次項(xiàng)的提取液pH值（X32），一次項(xiàng)的提取液pH值（X3），二次項(xiàng)的微波加熱時(shí)間（X12）以及交互項(xiàng)的微波加熱時(shí)間、提取液pH值（X1X3）和二次項(xiàng)的提取料液比（X22），表明各因素對(duì)果膠提取率的影響不是簡(jiǎn)單線性關(guān)系。

模型的可靠性也可從表3的回歸模型的方差分析（ANOVA）和相關(guān)系數(shù)來(lái)分析，當(dāng)“Pr >F”值小于0.001時(shí)，即表示該項(xiàng)指標(biāo)顯著。對(duì)果膠提取率方差分析結(jié)果表明對(duì)果膠提取率所建立的回歸模型是極顯著的（P<0.001）， 說(shuō)明此模型描述各因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系時(shí)，其應(yīng)變量與全體自變量之間的線性關(guān)系是顯著的，即這種試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)可靠；模型的校正決定系數(shù)R2Adj=0.9043，說(shuō)明該模型能解釋90.43%響應(yīng)值的變化；相關(guān)系數(shù)R2越接近1，說(shuō)明模型的預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性越好。本實(shí)驗(yàn)R2=0.9581，說(shuō)明模型能很好的描述試驗(yàn)結(jié)果。上述分析可知本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合程度好，可以用來(lái)對(duì)苤藍(lán)皮中果膠的提取率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)[15]。

表2 響應(yīng)面分析方案與試驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Response design and test results of pectin extraction

注①：X1、X2、X3在響應(yīng)曲面圖中分別為 A、B、C。

表3 回歸方程系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)

Table 3 Test of significance for regression coefficient

R2=0.9581 R2Adj=0.9043

（3）響應(yīng)面分析與優(yōu)化

1、微波加熱時(shí)間和料液比交互作用

a

b

圖5微波加熱時(shí)間與料液比對(duì)果膠提取率的響應(yīng)面圖（a）與等高線（b）

Fig.5 Surface plot （a） and contour plot （b） of the effects of microwave heating time and liquid-solid ratio on the extraction rate of pectin

由圖5（a）可知，當(dāng)提取液pH值為1.5時(shí)，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著微波加熱時(shí)間和料液比的增大，果膠的提取率先呈上升趨勢(shì)，之后又開(kāi)始下降。由圖5（b）可以看出其等高線的形狀為橢圓形，表現(xiàn)為微波加熱時(shí)間和料液比交互效應(yīng)顯著。同時(shí)也可以看出料液比對(duì)果膠提取率的影響顯著，表現(xiàn)為較陡的曲線，微波加熱時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響較小，表現(xiàn)為曲線較平緩。

2、提取液pH值和微波加熱時(shí)間交互作用

圖6微波加熱時(shí)間和提取液pH值對(duì)果膠提取率的響應(yīng)面圖（a）與等高線（b）（如下）

Fig.6 Surface plot （a） and contour plot （b） of the effects of microwave heating time and pH value on the extraction rate of pectin

由圖6可知，當(dāng)料液比為1：30時(shí)，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，提取液pH值和微波加熱時(shí)間交互效應(yīng)對(duì)果膠提取率的影響顯著，表現(xiàn)為其等高線的形狀為橢圓形，而且提取液pH值對(duì)果膠的提取率的影響較顯著，表現(xiàn)為曲線較陡；微波加熱時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響較小，表現(xiàn)為曲線較平緩。

a

b

3、提取液pH值和料液比交互作用

a

b

圖7料液比和提取液pH值對(duì)果膠提取率的響應(yīng)面圖（a）與等高線（b）

Fig.7 Surface plot （a） and contour plot （b） of the effects of liquid-solid ratio and pH value on the extraction rate of pectin

由圖7（b）可知，當(dāng)微波加熱時(shí)間為70s時(shí)，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，pH值對(duì)果膠提取率的影響極顯著，料液比對(duì)果膠提取率的影響較小。由于等高線的形狀接近圓形，可知其交互效應(yīng)對(duì)提取率的影響不顯著。

4、最優(yōu)工藝條件求取

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)知，提取液pH值和微波加熱時(shí)間之間的交互效應(yīng)最顯著，微波加熱時(shí)間和料液比之間的交互效應(yīng)次之，料液比和提取液pH值的交互效應(yīng)最不顯著。綜合比較，可知因素的主效應(yīng)關(guān)系為：提取液pH值>微波加熱時(shí)間t>料液比。

為進(jìn)一步確定最佳點(diǎn)值，對(duì)二次多元回歸模型取一階偏導(dǎo)等于零，得到如下三元一次方程組[18]：

-0.22-0.92 X1-0.35X2-0.37X3=0；

0.16-0.35X1-2.00X2-0.42X3=0；

-0.25-0.37X1-0.42X2-1.18X3=0。

對(duì)方程求解得：X1=0.057，X2=0.011，X3=-0.38。

變換為真實(shí)值為：微波加熱時(shí)間為51.14s、料液比1：31，提取液pH值為1.31。此條件下，果膠提取率理論值為15.09%。

四、結(jié)論

將微波輔助加熱法應(yīng)用于果膠提取可以加快組織的水解，使果膠的提取時(shí)間較傳統(tǒng)提取法大大縮短。采用Design-Expert 7.0 軟件二次回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化果膠提取參數(shù)（微波加熱時(shí)間t、料液比和提取液pH）取得了較好的效果。

試驗(yàn)結(jié)果表明，果膠提取最佳優(yōu)化工藝參數(shù)為：微波加熱時(shí)間51.14s、料液比1：31、提取液pH1.31；果膠的平均提取率可達(dá)15.09%.可見(jiàn)微波輔助加熱提取果膠的工藝方法較為合理。該模型能較好地反映果膠的提取條件，也證明了響應(yīng)面分析法在確定苤藍(lán)皮果膠微波輔助提取條件的可行性?？梢?jiàn)，采用微波輔助加熱法提取果膠和用響應(yīng)面分析法優(yōu)化工藝參數(shù)不僅科學(xué)合理，而且快速有效，為以后的果膠分離純化及工業(yè)化生產(chǎn)提供了一定的依據(jù)。

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