響應(yīng)面分析法優(yōu)化黃秋葵花中果膠的提取工藝研究

劉曉霞，蘇 平，吳秋敏

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州310058）

響應(yīng)面分析法優(yōu)化黃秋葵花中果膠的提取工藝研究

劉曉霞，蘇 平*，吳秋敏

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州310058）

通過(guò)響應(yīng)面分析法對(duì)黃秋葵花果膠的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。以黃秋葵花為原料，采用酸解乙醇沉淀的方法提取黃秋葵花果膠，探討酸種類、料液比、提取液pH、提取溫度、提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面對(duì)黃秋葵花果膠的提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。研究表明，黃秋葵花果膠提取的最佳工藝條件為：料液比1∶30，提取溫度90℃，鹽酸溶液pH=1.60和提取時(shí)間2.76h，此時(shí)果膠理論得率達(dá)32.26%，驗(yàn)證值為32.46%，相對(duì)誤差為0.62%。因此，該研究對(duì)產(chǎn)業(yè)化制備果膠有一定理論指導(dǎo)價(jià)值。

黃秋葵花，果膠，提取，響應(yīng)面分析法

果膠是由α-1，4糖苷鍵聯(lián)接的半乳糖醛酸與鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖等中性糖形成的聚合物，廣泛存在于高等植物的果實(shí)、根、莖、葉中[1-2]。果膠具有良好的乳化、增稠、穩(wěn)定和膠凝作用，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、日化、紡織、印染、煙草、冶金等領(lǐng)域[3-4]。果膠不僅是膳食纖維的主要成分，而且具有良好的抗菌、止血、抗腹瀉、抗癌、降血脂、治療糖尿病和減肥等等多種保健功效。目前商品果膠的原料主要是蘋果渣、柑橘皮、向日葵盤、甜菜渣等，來(lái)源非常有限，提高果膠產(chǎn)量、開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)果膠資源已顯得極為迫切。

黃秋葵為錦葵科錦葵屬一年生草本植物[5]，原產(chǎn)非洲熱帶地區(qū)，世界各國(guó)均有分布。黃秋葵主要以莢嫩果供食用，其葉、芽和花也可食用，是一種具有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的菜、藥、花兼用型植物[6]。黃秋葵嫩果和花被中富含果膠類物質(zhì)，是較好的果膠資源，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。目前利用黃秋葵花為原料提取果膠尚未見(jiàn)報(bào)道。本文采用酸解醇沉法提取黃秋葵花中的果膠，并利用響應(yīng)面法優(yōu)化其最佳提取工藝條件，以期為黃秋葵資源的綜合利用提供科學(xué)依據(jù)，也為果膠的生產(chǎn)提供新的資源。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

黃纖指黃秋葵花 70℃烘干，粉碎后過(guò)80目篩，冰箱（-20℃）備用；鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、95%乙醇、檸檬酸、酒石酸 均為分析純；去離子水。

GB204萬(wàn)分之一電子天平 瑞士梅特勒·托利多公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；新型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 杭州藍(lán)天化驗(yàn)儀器廠；HH-10數(shù)顯恒溫?cái)嚢杷?金杭市科杰儀器廠；

高速冷凍離心機(jī) 日立。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 黃秋葵花中果膠的提取 分別精確稱取5.0g黃秋葵花粉末，加入一定體積和pH的酸溶液，在一定溫度下浸提一定時(shí)間后，4000r/m in離心30m in收集濾液，濾渣進(jìn)行二次提取；合并兩次濾液，40℃下用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行濃縮（濃縮比10∶1），冷卻后按1∶3加入5%的酒石酸乙醇[7]（100m L 95%的乙醇和5g的酒石酸配制而成），4℃醇沉12h，4000r/min下離心30min；沉淀依次用70%乙醇、95%乙醇、無(wú)水乙醇洗滌，置于50℃烘箱中烘干至恒重。

1.2.2 果膠得率計(jì)算方法 果膠得率為提取果膠的質(zhì)量占共提取黃秋葵花粉末質(zhì)量的百分率。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1 提取溶劑的選擇 分別以鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸及檸檬酸溶液（pH為2.0）作為提取溶劑，在料液比1∶30（w/v，g/m L）、提取溫度85℃、提取時(shí)間1.5h條件下進(jìn)行提取，平行測(cè)定4次取平均值，比較不同萃取劑對(duì)果膠得率的影響。

1.2.3.2 料液比對(duì)果膠得率的影響 用鹽酸溶液作為萃取劑，在提取溫度85℃，提取時(shí)間1.5h，pH 2.0條件下按料液比1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60（w/v）平行測(cè)定4次取平均值，考察料液比對(duì)果膠提取得率的影響。

1.2.3.3 提取溫度對(duì)果膠得率的影響 以鹽酸溶液為萃取劑，固定料液比1∶30（w/v）、提取時(shí)間1.5h、提取液pH為2，分別在溫度為70、75、80、85、90、95、100℃下進(jìn)行果膠的提取，平行測(cè)定4次取平均值，考察不同提取溫度對(duì)果膠得率的影響。

1.2.3.4 pH對(duì)果膠得率的影響 用鹽酸溶液作為萃取劑，在料液比1∶30（w/v），提取溫度85℃，提取時(shí)間1.5h條件下，選擇pH1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，平行測(cè)定4次取平均值，考察不同pH對(duì)果膠提取率的影響。

1.2.3.5 提取時(shí)間對(duì)果膠得率的影響 用鹽酸溶液作為萃取劑，在料液比1∶30（w/v），提取溫度85℃，pH 2.0條件下，選擇提取時(shí)間1、1.5、2、2.5、3、3.5、4h進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，平行測(cè)定4次取平均值，考察提取時(shí)間對(duì)果膠提取得率的影響。

1.2.4 響應(yīng)面分析[8-10]實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken設(shè)計(jì)原則，選取提取溫度、提取時(shí)間和提取液pH 3個(gè)對(duì)果膠提取率影響較大的因素，以果膠的提取率為響應(yīng)值，采用三因素三水平響應(yīng)面分析法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化黃秋葵花果膠提取工藝。響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 Box-Benhnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素和水平Table 1 Factors and levels of Box-Benhnken experiment design

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用Excel和Design-Expert 8.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 不同酸類型對(duì)果膠得率的影響 圖1為酸解pH=2.0、提取溫度85℃、提取時(shí)間1.5h、料液比1∶30（w/v）時(shí)，不同酸溶液對(duì)黃秋葵花果膠產(chǎn)量的影響。由圖可以看出，在同一pH下，不同種類的酸對(duì)果膠的提取效果不同。鹽酸作為萃取劑果膠的產(chǎn)量最高，其次為檸檬酸，硫酸提取率最低。這是因?yàn)辂}酸是強(qiáng)酸，水解能力較強(qiáng)。因此，在以下的實(shí)驗(yàn)中選用價(jià)格比較低廉的的HCl作為果膠萃取劑。

圖1 不同酸溶液對(duì)果膠得率的影響Fig.1 Effectof differentacids on extraction rate of Pectin

2.1.2 不同料液比對(duì)果膠提取得率的影響 在鹽酸溶液pH=2.0、提取溫度85℃、提取時(shí)間1.5h的條件下，探討料液比對(duì)果膠提取效果的影響。

圖2 不同料液比對(duì)果膠得率的影響Fig.2 Effectof the ratio ofmaterial to water on rate of pectin

由圖2可知，隨著液料比的增加，果膠得率先增后降。料液比從1∶20變化到1∶30，果膠提取率顯著升高，但當(dāng)料液比大于1∶30時(shí)，果膠得率無(wú)顯著變化，果膠提取率的增加趨于平緩；料液比從1∶50變化至1∶60時(shí)，果膠得率降低。這是由于料液比過(guò)小時(shí)，難以保證原料中的果膠質(zhì)全部轉(zhuǎn)移到提取液中，溶液黏度大、過(guò)濾困難，果膠殘留增多且雜質(zhì)濃度高，造成提取不完全、得率較低；而料液比過(guò)大時(shí)，后續(xù)的濃縮和沉淀工藝難度加大，能耗高、設(shè)備投資大，且果膠在過(guò)量的酸液中易水解使損失增大。因此，從節(jié)約能源、降低成本和安全運(yùn)行等角度考慮，在以后的

實(shí)驗(yàn)中選擇料液比為1∶30較為適宜。

2.1.3 提取溫度對(duì)果膠提取得率的影響 在料液比1∶30、pH為2、提取時(shí)間1.5h時(shí)，不同提取溫度對(duì)提取率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 不同提取溫度對(duì)果膠得率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of pectin

由圖3可知，溫度對(duì)果膠的提取率有顯著影響，果膠提取率隨提取溫度的升高先增大后下降，當(dāng)提取溫度為95℃時(shí)，果膠提取率最大。一定溫度范圍內(nèi)，溫度的升高可促使原果膠更快地水解成可溶性果膠，從而提高果膠的產(chǎn)量和品質(zhì)。溫度偏低時(shí)，原果膠水解不完全，且在較低料液比時(shí)易結(jié)凍，過(guò)濾困難，導(dǎo)致果膠的提取率降低。但溫度過(guò)高，提取液顏色加深，色素等雜質(zhì)增多，果膠易發(fā)生降解且膠凝能力降低，導(dǎo)致果膠產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)。由于受實(shí)驗(yàn)條件限制，只能達(dá)到100℃的溫度，考慮到更高的溫度可能不利于果膠的提取，故提取溫度控制在85～95℃。

2.1.4 浸提液pH對(duì)果膠提取得率的影響 在料液比

1∶30、提取溫度85℃、提取時(shí)間1.5h時(shí)，不同pH對(duì)果膠提取率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 不同pH對(duì)果膠提取得率的影響Fig.4 Effect of extraction pH on extraction rate of pectin

由圖4可知，pH為1.5時(shí)，果膠的提取率最高，pH高于或低于1.5果膠提取率均下降。這可能是因?yàn)槿芤核嵝缘脑鰪?qiáng)有利于提高果膠得率，但若pH過(guò)低，則酸度太強(qiáng)，果膠會(huì)進(jìn)一步脫酯裂解，致使產(chǎn)量降低；同時(shí)果膠色澤加深，膠凝度下降，從而影響果膠品質(zhì)。而pH＞1.5時(shí)，溶液的堿性增大，原果膠水解不完全，且果膠不穩(wěn)定易水解為果膠酸，果膠的提取率亦下降。所以黃秋葵花果膠提取液的適宜pH應(yīng)控制在1.5左右。

2.1.5 不同提取時(shí)間對(duì)果膠提取得率的影響 在料液比1∶30、提取溫度85℃、pH為2時(shí)，不同提取時(shí)間對(duì)提取率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 不同提取時(shí)間對(duì)果膠提取得率的影響Fig.5 Effectof extraction time on extraction rate of pectin

由圖5可知，在1～1.5h浸提時(shí)間范圍內(nèi)，果膠提取率隨浸提時(shí)間的延長(zhǎng)并無(wú)明顯變化；1.5～2.5h之間，果膠得率隨浸提時(shí)間的延長(zhǎng)明顯提高；2.5h以后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，果膠提取率逐漸下降。原因可能是提取時(shí)間過(guò)短，果膠水解不完全，提取率低。延長(zhǎng)萃取時(shí)間有利于原果膠充分水解成可溶性果膠，使果膠提取率增加；但提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起果膠的過(guò)度水解、脫酯，造成果膠產(chǎn)率下降。故選取提取時(shí)間2～3h為宜。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化黃秋葵花果膠的提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及方差分析 響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)以及響應(yīng)值Table 2 Experiment design and resultof response surface method analysis

根據(jù)表2、表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用Design Expert 8.0軟

件進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到二次多元回歸方程：

表3 響應(yīng)面方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由方差分析表3可知：此模型的p＜0.0001，響應(yīng)面回歸模型達(dá)到極顯著水平；失擬項(xiàng)不顯著（p= 0.3605＞0.05），說(shuō)明非實(shí)驗(yàn)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不大；相關(guān)系數(shù)R2=0.9823，表明模型回歸擬合良好，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間具有高度的相關(guān)性，可以較好地反映各因素與果膠提取率響應(yīng)值變化的關(guān)系。校正系數(shù)R2adj=0.9594，說(shuō)明該模型能解釋95.94%的響應(yīng)值的變化，僅有總變異的4.06%無(wú)法通過(guò)該模型解釋。因而在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)可用此模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)酸法提取黃秋葵花果膠的實(shí)際情況。

回歸方程系數(shù)的顯著性分析結(jié)果（表3）表明，方程一次項(xiàng)均為高度顯著因素，即提取溫度、pH、提取時(shí)間對(duì)果膠的得率有極顯著影響；二次項(xiàng)A2、B2對(duì)結(jié)果的影響也為極顯著（p＜0.0001），C2顯著（p＜0.05），即提取溫度、提取時(shí)間和果膠得率之間存在明顯的二次關(guān)系；A與C交互作用極顯著，A與B、B與C交互作用顯著，表明各影響因素與響應(yīng)值的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，二次項(xiàng)和交互項(xiàng)與響應(yīng)值都有很大的關(guān)系。2.2.2 實(shí)驗(yàn)因素交互作用對(duì)響應(yīng)值影響的3D分析

提取溫度和pH對(duì)黃秋葵花果膠提取率的交互影響顯著（0.01＜p＜0.05）。如圖6所示，當(dāng)pH一定時(shí)，黃秋葵花果膠的提取率隨提取溫度的升高先增大后減小，但總體上變化幅度較小，響應(yīng)面比較平坦，果膠提取率在90℃左右達(dá)到最大值。而當(dāng)提取溫度一定時(shí)，提取得率隨著pH的增大先升高后又降低。果膠的提取得率隨pH的增大先快速增加，在pH為1.57左右達(dá)到峰值，然后緩慢減小。

從圖7可以看出，提取時(shí)間和提取溫度之間有極顯著的交互作用（p＜0.01）。如圖7所示，當(dāng)提取溫度不變時(shí)，延長(zhǎng)提取時(shí)間，果膠提取率呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，但增速趨緩；提取時(shí)間不變時(shí)，果膠提取率隨提取溫度的升高先增大后減小，在90℃左右提取率達(dá)到峰值，過(guò)高的提取溫度可能會(huì)破壞果膠的結(jié)構(gòu)．從而導(dǎo)致果膠得率下降。

圖6 提取溫度和pH交互作用對(duì)果膠得率的影響Fig.6 The effectof extraction temperature and pH on extraction rate of pectin

圖7 提取溫度和提取時(shí)間交互作用對(duì)果膠得率的影響Fig.7 The effect of extraction temperature and time on extraction rate of pectin

圖8 pH和提取時(shí)間交互作用對(duì)果膠得率的影響Fig.8 The effect of extraction time and pH on extraction rate of pectin

從圖8可以看出，提取時(shí)間和pH對(duì)黃秋葵花果膠提取率的交互影響顯著。當(dāng)pH一定時(shí)，果膠提取率隨著提取時(shí)間的增加先增大后趨于平穩(wěn)。當(dāng)提取時(shí)間一定時(shí)，提取得率隨著pH的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

2.3 最優(yōu)提取工藝驗(yàn)證

利用Design-Expert 8.0軟件軟件求解回歸方程，得到黃秋葵花中果膠的最佳提取工藝條件為：料液比1∶30，提取溫度90.50℃，pH=1.56和提取時(shí)間2.76h，果膠理論得率達(dá)32.26%。為檢驗(yàn)該法的可靠性?？紤]實(shí)際操作的便利性，將最佳工藝參數(shù)修正為：料液比1∶30，提取溫度90℃，pH=1.60，提取時(shí)間2.76h，在此條件下進(jìn)行果膠提取的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。3次平行實(shí)驗(yàn)果膠的實(shí)際得率分別為32.16%、32.58%及32.63%，平均值為32.46%，與理論預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為0.62%，說(shuō)明用響應(yīng)面對(duì)黃秋葵花果膠的提取進(jìn)行工藝優(yōu)化具有具有實(shí)際可操作性。

3 結(jié)論

本研究采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化黃秋葵花果膠的提取工藝，得到最佳工藝條件為：料液比1∶30（w/v）、提取溫度90℃、pH=1.60、提取時(shí)間2.76h，在此條件下果膠平均得率為32.46%，與理論值的誤差為0.62%。由此可知，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的黃秋葵花果膠提取工藝條件參數(shù)準(zhǔn)確，具有實(shí)際可操作性。

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Optimization of pectin extraction from Okra flowers byresponse surface method

LIU Xiao-xia，SU Ping*，WU Qiu-m in
（College of Biosystems Engineering and Food Science，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

Response Surface Method （RSM） was applied to optimize the pectin extraction condition of Okraflowers．Acid hydrolysis followed by ethanol precipitation was used to extract pectin from Okra flowers in thepresent work. The effects of acid kinds，material-to-liquid ratio，extraction temperature，extraction time and pHof HCl soiution on the extraction yield of pectin were discussed. Based on the single -factor method，theoptimum extraction conditions were obtained by response surface method. As a result，the optimal conditionsfor pectin extraction were determined as follows：material-to-liquid ratio 1∶30，temperature 90℃，extraction time2.76h，and pH1.60. Under these conditions，the actual pectin yield was 32.46％ ，which was close to thepredicted value of 32.26％. Thus，the optimized process could provide a useful guidance for industrial pectinpreparation.

Okra flowers；pectin；extraction；response surface method

TS201.1

：B

：1002-0306（2014）16-0270-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.16.051

2013－11－19 *通訊聯(lián)系人

劉曉霞（1989-），女，在讀碩士研究生，研究方向：食品科學(xué)與工程。