超聲波輔助提取向日葵盤中果膠的工藝優(yōu)化

劉倩倩

(菏澤學(xué)院 藥物科學(xué)與技術(shù)系， 山東 菏澤 274015)

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超聲波輔助提取向日葵盤中果膠的工藝優(yōu)化

劉倩倩

(菏澤學(xué)院 藥物科學(xué)與技術(shù)系， 山東 菏澤 274015)

為提高向日葵盤的經(jīng)濟(jì)附加值，為向日葵盤的開發(fā)利用提供依據(jù)，采用超聲波輔助法提取向日葵盤中的果膠，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，對(duì)提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明:向日葵盤果膠的最佳提取工藝條件為草酸銨溶液濃度3.7 mg/mL、提取溫度66℃、提取時(shí)間52 min、超聲波功率350 W、液料比25∶1(mL/g)、pH 2.0，在此工藝條件下，果膠提取率達(dá)19.27%。

向日葵盤； 果膠； 超聲波提??； 響應(yīng)面分析

果膠因其具有良好的凝膠性和穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中，是維持身體健康的重要物質(zhì)，可促進(jìn)胃腸吸收，具有良好的抗癌、抗腹瀉、治療糖尿病和減肥等多種作用，是醫(yī)藥不可缺少的輔料[1]。向日葵盤中果膠含量高達(dá)17%～25%，其中，低甲氧基果膠含量為20%～25%[2]，但是在生產(chǎn)加工葵花籽的過程中，向日葵盤通常作為廢棄物丟掉，造成資源大量流失，若能從中提取果膠，不但能夠增加向日葵盤的價(jià)值，豐富生產(chǎn)果膠的原料來源，還有利于保護(hù)環(huán)境。有關(guān)向日葵盤果膠提取的報(bào)道較為有限，針對(duì)提取工藝進(jìn)行研究的報(bào)道主要有張磊等[3]關(guān)于六偏磷酸鈉提取向日葵盤果膠的研究，王琨等[4]研究向日葵盤果膠的提取工藝并采用色譜法測定向日葵盤果膠的分子質(zhì)量和單糖組成。傳統(tǒng)的果膠提取方法主要是酸法和鹽法等[5-13]，其缺點(diǎn)是果膠提取率低，耗時(shí)長等。超聲波法相比傳統(tǒng)方法具有時(shí)間短、對(duì)有效成分破壞小等優(yōu)點(diǎn)，故試驗(yàn)采用超聲波輔助提取果膠，并通過單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化其提取工藝條件，以期為向日葵盤的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

原材料：向日葵盤(品種：金色莫妮卡)，購于菏澤市東明縣。

試劑：草酸銨、丙酮、乙醇(均為分析純)。

儀器：FW-100型高速萬能粉碎機(jī)(上海星堯科學(xué)儀器有限公司)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠)，TU-1810型紫外可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)，SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水真空泵(鞏義市予華儀器有限公司)，Sartorius CP225D型電子天平(德國)，電熱恒溫水浴鍋(常州亞特實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，DZF-6050型真空干燥箱(上海捷呈實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，TG16G臺(tái)式高速離心機(jī)(金壇市三和儀器有限公司)。

1.2 果膠提取工藝流程

向日葵盤→粉碎→加入草酸銨溶液→用酸堿調(diào)節(jié)pH→超聲波提取→真空濃縮(40℃)→95%乙醇沉淀2 h(2倍體積)→離心分離(4 000 r/min，20 min)→75%乙醇洗滌沉淀→真空干燥(55℃)→果膠

1.3 不同因素的考察

1.3.1 草酸銨濃度 稱取向日葵盤100 g，在液料比25∶1(mL/g)，pH 2.0，提取溫度為75℃，超聲波功率400 W，草酸銨溶液濃度分別為2 mg/mL、3 mg/mL、4 mg/mL、5 mg/mL、6 mg/mL、7 mg/mL和8 mg/mL的條件下提取60 min，測定果膠提取率(下同)。

1.3.2 提取溫度 稱取向日葵盤100 g，在液料比25∶1(mL/g)，草酸銨溶液濃度4 mg/mL ，pH 2.0，超聲波功率400 W，提取溫度分別為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃和90℃的條件下提取60 min。

1.3.3 pH 稱取向日葵盤100 g，在液料比25∶1(mL/g)，草酸銨溶液濃度4 mg/mL，提取溫度為75℃，超聲波功率400 W， pH分別為 1、 1.5、 2、 2.5、 3、 3.5、 4、 4.5的條件下提取60 min。

1.3.4 提取時(shí)間 稱取向日葵盤100 g，在液料比25∶1(mL/g)，草酸銨溶液濃度4 mg/mL ，pH 2.0，超聲波功率400 W，提取溫度為75℃的條件下分別提取15 min、30 min、45 min、60 min、75 min、90 min和105 min。

1.3.5 液料比 稱取向日葵盤100 g，在草酸銨溶液濃度4 mg/mL，提取溫度為75℃，超聲波功率400 W， pH 2.0，料液比分別為5 mL/g、10 mL/g、15 mL/g、20 mL/g、25 mL/g、30 mL/g和35 mL/g的條件下提取60 min。

1.3.6 超聲波功率 稱取向日葵盤100 g，在液料比25∶1(mL/g)，草酸銨溶液濃度4 mg/mL，提取溫度為75℃，pH 2.0，超聲功率分別為200 W、250 W、300 W、350 W、400 W、450 W和500 W的條件下提取60 min。

1.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

為考察各因素間的交互作用并得到最佳的果膠提取工藝條件，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Design-Expert 8.0軟件，以x1代表草酸銨溶液濃度，x2代表提取溫度，x3代表提取時(shí)間，y代表果膠提取率作為響應(yīng)指標(biāo)，由Box-Behnken中心組合進(jìn)行三因素三水平優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)水平見表1。

1.5 果膠提取率的計(jì)算

果膠提取率=干燥后果膠的重量/向日葵盤的干重×100 %

1.6 數(shù)據(jù)分析

單因素試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用excel軟件處理進(jìn)行顯著性分析，并在圖上添加S.E誤差線，響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行方差分析和顯著性分析。

表1 超聲波輔助提取向日葵盤果膠的響應(yīng)面 因素及水平

Table 1 Factors and levels of response surface experiment of ultrasonic-assisted extraction for pectin from sunflower head

水平Level草酸銨溶液濃度/(mg/mL)Ammoniumoxalatesolutionconcentration提取溫度/℃Extractiontemperature提取時(shí)間/minExtractiontime-13604503.57060148075

2 結(jié)果與分析

2.1 不同因素對(duì)向日葵盤果膠提取率的影響

由圖1可知：

1) 果膠提取率隨著草酸銨溶液濃度的增加而增加，當(dāng)濃度達(dá)4 mg/mL時(shí)，果膠質(zhì)基本水解完全，然后果膠提取率基本保持不變，故試驗(yàn)選用的提取劑草酸銨濃度范圍在4 mg/mL左右。經(jīng)顯著性分析，草酸銨溶液濃度對(duì)果膠提取的影響顯著(P<0.05)。

2) 果膠的提取率隨著時(shí)間的延長先迅速增大后降低，當(dāng)提取時(shí)間為60 min左右時(shí)，提取率達(dá)峰值16.1%。時(shí)間過長果膠會(huì)發(fā)生降解。故提取時(shí)間為60 min比較合適。經(jīng)顯著性分析，提取時(shí)間對(duì)果膠提取的影響顯著(P<0.05)。

3) 液料比小不利于果膠的水解，果膠提取率隨著液料比的增加而逐漸提高，當(dāng)液料比為25∶1(mL/g)時(shí)，提取率達(dá)最大，為16.0%；若液料比過大，溶液中果膠濃度較小，不利于果膠析出。液料比選用25∶1左右較好。經(jīng)顯著性分析，其P>0.05。

4) 果膠提取率隨著溫度的增加而增加，在60℃左右比較適合果膠的提取。溫度升高可以加速糖苷鍵的水解反應(yīng)。但是溫度太高時(shí)果膠會(huì)發(fā)生降解，不利于果膠的提取。故試驗(yàn)選擇60℃比較合適。經(jīng)顯著性分析，提取溫度對(duì)果膠提取的影響顯著(P<0.05)。

5) 隨著pH的不斷增加，果膠提取率先迅速增加后急劇降低，當(dāng)pH為2.0時(shí)，提取率達(dá)最大，為16.3%，因酸性有利于糖苷鍵和酯鍵的水解和斷裂，酸性過大，導(dǎo)致果膠溶解度減小，故pH 2.0較合適。經(jīng)顯著性分析，P>0.05。

6) 隨著超聲功率的增大，果膠得率呈現(xiàn)先增加再緩慢下降的趨勢。當(dāng)超聲功率為350 W時(shí)，提取率最高，為16.1%。這是由于超聲功率增大，空化現(xiàn)象劇烈，超聲波對(duì)細(xì)胞壁的破碎作用增強(qiáng)，果膠溶出速度增加。故選擇超聲波功率350 W左右較為合適。經(jīng)顯著性分析，P>0.05。綜上所述，草酸銨溶液濃度、提取時(shí)間和提取溫度可作為響應(yīng)面試驗(yàn)的考察因素。

圖 1 不同草酸銨溶液濃度、提取時(shí)間、料液比、提取溫度、pH和超聲功率的向日葵盤果膠的提取率

Fig.1 Extraction rate of pectin affected by different ammonium oxalate concentration, extraction time, solid-liquid ratio, extraction temperature, pH, ultrasonic power

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助提取向日葵盤果膠的工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)及各處理的果膠提取率 由表2可知超聲輔助提取向日葵盤果膠的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及各處理的果膠提取率。利用統(tǒng)計(jì)分析軟件Design-Expert8.0對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出果膠提取率與草酸銨溶液濃度(x1)、提取溫度(x2)、提取時(shí)間(x3)之間的二次多項(xiàng)回歸模型方程如下：

y=19.14+0.94x1-0.97x2-0.59x3-1.62x1x2+0.35x1x3-0.2x2x3-1.43x12-3.79x22-0.69x32

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析表明，該數(shù)學(xué)模型P<0.000 1，說明模型極其顯著，一次項(xiàng)x1P<0.001、x2P<0.001、x3P=0.000 7，對(duì)果膠提取的影響為極顯著；二次項(xiàng)x12P<0.001、x22P<0.001、x32P=0.001 7，對(duì)果膠提取的影響為極顯著；交互項(xiàng)x1x2P<0.001，對(duì)果膠提取的為極顯著；x1x3P=0.047 9，對(duì)果膠提取的影響影響顯著。線性方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.994 5，與校正的R2(0.987 3)具有良好的一致性，表明該模型的準(zhǔn)確性和適用性較好。由F值大小可知，影響果膠提取率的主要因素主次順序?yàn)閤2(F=91.18)>x1(F=84.74)>x3(F=33.66)，即提取溫度>草酸銨溶液濃度>提取時(shí)間。

2.2.2 響應(yīng)面分析 根據(jù)回歸方程，做出響應(yīng)面分析圖。由圖2可知，草酸銨溶液濃度、提取時(shí)間和提取溫度兩兩因素對(duì)于響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系，響應(yīng)面趨勢呈拋物線。交互作用水平選擇適當(dāng)，方程模型符合實(shí)際。

表2 超聲輔助提取向日葵盤果膠的響應(yīng)面設(shè)計(jì)及各處理的果膠提取率

Table 2 Response surface design of ultrasonic-assisted extraction for pectin from sunflower head and the extraction rate of different treatments

試驗(yàn)號(hào)No.草酸銨溶液濃度/(mg/mL)Ammoniumoxalatesolutionconcentration提取溫度/℃Extractiontemperature提取時(shí)間/minExtractiontime果膠提取率/%Extractionrateofpectin10(3.5)0(70)0(60)19.2520-1(60)-1(45)16.31300018.98400019.13500019.386-1(3)0-116.9171(4)0-117.918-1-1012.159-10115.4410-11(80)013.621111012.44120-11(75)15.131301-114.59141-1017.451501112.611610117.821700018.97

注：**差異極顯著(P<0.01)，*差異顯著(0.01

Note: ** and * indicated 0.01 and 0.05 significant levels respectively.

圖2 兩因素間相互作用的果膠提取率的響應(yīng)面圖

Fig.2 Response surface plots of pairwise interactive effects on the extraction rate of pectin

2.3 模型驗(yàn)證

響應(yīng)面優(yōu)化工藝為草酸銨溶液濃度3.77 mg/mL、提取溫度65.9℃、提取時(shí)間51.94 min，在此條件下果膠提取率為19.38%。為了方便試驗(yàn)操作，選取草酸銨溶液濃度3.7 mg/mL、提取溫度66℃、提取時(shí)間52 min、pH 2.0、液料比25∶1(mL/g)、超聲波功率350 W，在此條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別為19.32%、19.21%、19.28%，計(jì)算果膠提取率的平均值為19.27%， 與預(yù)測值差0.11%，RSD值為0.288 9， 進(jìn)一步驗(yàn)證了該模型的可行性。

3 結(jié)論

試驗(yàn)采用響應(yīng)面法對(duì)向日葵盤中果膠的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，影響果膠提取率的主要因素依次為提取溫度>草酸銨溶液濃度>提取時(shí)間。向日葵中果膠的最佳提取工藝條件為草酸銨溶液濃度3.7%(mg/mL)、提取溫度66℃、提取時(shí)間52 min、超聲波功率350 W，液料比25∶1(mL/g)、pH 2.0，在此工藝條件下，果膠提取率達(dá)19.27%，為向日葵盤中果膠提取工業(yè)化生產(chǎn)提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

試驗(yàn)未對(duì)提取得到的果膠做進(jìn)一步的研究，如果能對(duì)向日葵盤中的果膠進(jìn)行具體的成分分析及其功能研究，其研究結(jié)果將對(duì)食品行業(yè)中果膠的應(yīng)用具有很大的實(shí)用價(jià)值。

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(責(zé)任編輯： 孫小嵐)

Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction Technology for Pectin from Sunflower Head

LIU Qianqian

(PharmaceuticalScienceandTechnologyDepartment,HezeUniversity,Heze,Shandong274015,China)

The optimum conditions of ultrasonic-assisted extraction of pectin from sunflower head was studied to enhance the high value-added and provide the basis for the development and utilization of the sunflower head. The process conditions were optimized by single-factor experiments combined with response surface methodology. The results showed that the optimal extraction conditions were ammonium oxalate concentration 3.7 mg/mL, extraction temperature 66℃, extraction time 52 min, material-liquid ratio 25∶1(mL/g), ultrasonic wave power 350 W, pH 2.0. Under the optimal extraction conditions, the extraction rate of pectin reached 19.27%.

sunflower head; pectin; ultrasonic extraction; response surface analysis

2015-01-08； 2015-07-08修回

山東省“十二五”高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助。

劉倩倩(1986-)，女，助教，從事天然產(chǎn)物提取與利用的研究。E-mail:zhengdaqianqian@163.com

1001-3601(2015)07-0389-0168-04

S565.5

A