響應(yīng)曲面法優(yōu)化伽師瓜皮果膠的微波輔助提取工藝

帕爾哈提·柔孜，劉姍姍，楊海燕，波拉提·馬卡比力，祿 璐

(1 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052;2新疆維吾爾自治區(qū)藥物研究所/新疆維吾爾自治區(qū)哈薩克醫(yī)藥研究所，烏魯木齊 830004)

新疆伽師瓜屬于葫蘆科(Cucurbitaceae)黃瓜屬(Cucumis L.)甜瓜亞屬(Melo Jeffrey)［1，2］。(維文譯名為卡拉庫(kù)賽)(Cucurbitaceae Melo var.saccharinus Naud)屬晚熟厚皮甜瓜［3］，伽師瓜是以地域命名的名優(yōu)特級(jí)產(chǎn)品，據(jù)考證已有1 500 余年的種植歷史，當(dāng)?shù)鬲?dú)特的地域特征和特殊的光熱水土資源條件下蘊(yùn)育的特殊果品之一。伽師瓜富含碳水化合物、多種維生素和膳食纖維，食用后具有清痰化瘀、滋肝潤(rùn)肺、促進(jìn)消化、增進(jìn)食欲和抑制肥胖等功效［4，5］，具有果皮光滑墨綠、果肉厚質(zhì)地細(xì)膩、中級(jí)晚熟、果肉糖分梯度變化小，含糖量高，貯運(yùn)性好，品質(zhì)佳等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外瓜果批零市場(chǎng)上也享有較高的美譽(yù)［6，7］。伽師瓜在20 世紀(jì)末開(kāi)始參與國(guó)內(nèi)各大特色農(nóng)產(chǎn)品博覽會(huì)，加快品牌創(chuàng)建、保護(hù)與營(yíng)銷(xiāo)步伐，展現(xiàn)了前所未有的強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭［8，9］。據(jù)統(tǒng)計(jì)［10，11］，2011—2013年全疆伽師瓜種植面積分別為57.78、63.12、66.13千hm2，其總產(chǎn)量分別為193.06、213.35、239.46 萬(wàn)t。伽師縣不斷擴(kuò)大伽師瓜種植規(guī)模并投入大量的扶持資金使資源優(yōu)勢(shì)發(fā)揮帶頭作用，將伽師瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸作為農(nóng)業(yè)增強(qiáng)、農(nóng)民增收，進(jìn)而帶動(dòng)縣域經(jīng)濟(jì)繼續(xù)增大的支柱性產(chǎn)業(yè)。

由于缺少針對(duì)伽師瓜的采后專(zhuān)門(mén)性研究，伽師瓜的貯藏保鮮和加工技術(shù)仍然延用傳統(tǒng)的方法，每年腐爛廢棄問(wèn)題很?chē)?yán)重。瓜農(nóng)、瓜商及消費(fèi)者對(duì)于伽師瓜皮的利用價(jià)值缺乏認(rèn)識(shí)，同時(shí)伽師瓜皮因營(yíng)養(yǎng)成分研究報(bào)道鮮見(jiàn)，大部分被用來(lái)喂養(yǎng)牲畜或棄去。加之，缺乏研究與生產(chǎn)未能充分結(jié)合，大多被當(dāng)作廢物處理，造成極大的浪費(fèi)。故利用加工副產(chǎn)物—伽師瓜皮做果膠，不僅能滿(mǎn)足人們的消費(fèi)需求，而且能提高伽師瓜的綜合利用率及其商品價(jià)值，有利于進(jìn)一步發(fā)揮特色支柱產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)，故將伽師瓜皮加工成果膠是有效的解決伽師瓜產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題的關(guān)鍵性途徑之一。微波提取技術(shù)是最近發(fā)展較快的一種綠色提取分離技術(shù)，與以前所用的傳統(tǒng)提取技術(shù)相比，縮短了提取時(shí)間，提高了提取效率，為重要成分的提取提供了一種快速、高產(chǎn)的新方法［12，13］。因其得到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外天然產(chǎn)物活性成分提取相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。本試驗(yàn)通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助法提取干燥后的伽師瓜皮粉中的果膠，并確定最佳的工藝及其參數(shù)，為高效地提取果膠提供技術(shù)參考及新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

伽師瓜于2014年8月10 日從伽師縣一鄉(xiāng)采摘。采摘5d 后帶回實(shí)驗(yàn)室備用。鹽酸、乙醇等均為分析純。

1.2 儀器

XP1203S 型精密天平(北京京海佳業(yè)科貿(mào)有限公司);WD900ASL23-2 型格蘭仕微波爐(順德市格蘭仕實(shí)業(yè)有限公司);HR1724 型粉碎機(jī)(珠海經(jīng)濟(jì)特區(qū)飛利浦家庭電器有限公司);S20K 型pH 計(jì)(梅特勒—托利多儀器有限公司);DHG-9140A 型電熱恒熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科技有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

1.3.1 工藝流程

伽師瓜皮→預(yù)處理(取皮)→伽師瓜皮→干燥(晾曬+烘箱)→粉碎(通過(guò)40 目篩)→萃取(鹽酸)→加熱(微波)→過(guò)濾→濃縮(減壓濃縮)→沉降(乙醇)→離心(10 000r/min)→干燥→果膠。

伽師瓜皮經(jīng)過(guò)3d 晾曬，然后在65℃烘箱中存放24h，處理后的瓜皮用粉碎機(jī)粉碎，分別稱(chēng)量1g 樣品放入盛有不同pH 值的鹽酸的燒杯中，接著放入微波爐中進(jìn)行萃取，微波輔助法萃取后過(guò)濾，所得樣品溶液濃縮至10mL，并加入2 倍于濃縮后溶液體積的無(wú)水乙醇后放入60℃的水浴鍋中進(jìn)行2h 的沉淀。隨后將沉淀后的樣品在10 000r/min 的離心機(jī)中離心5min，再放置65℃烘箱中干燥12h 后稱(chēng)量所得果膠重量，最后算出提取率。

1.3.2 操作要點(diǎn)

(1)干燥:將伽師瓜皮切成條狀，在陽(yáng)光充足的地方晾曬3 天，再將晾曬后的瓜皮放入65℃的烘箱中烘烤24h。(2)粉碎:將干燥處理后干脆的伽師瓜皮放入粉碎機(jī)中粉碎30s，過(guò)40 目篩。(3)減壓濃縮:用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將果膠粗提液在60～70℃下濃縮到10mL。(4)乙醇沉降:待濃縮液冷卻后，加入2 倍濃縮后溶液體積的無(wú)水乙醇，放入60℃的水浴鍋中沉淀2h。(5)離心:將醇沉后的樣品去掉上清液進(jìn)行5min 的離心。(6)干燥:離心后小心倒出離心管中的液體，將存有果膠的離心管的燒杯放入60℃的烘箱中干燥12h［14-15］。

1.3.3 微波法提取伽師瓜皮果膠單因素試驗(yàn)

(1)不同微波時(shí)間對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響:在提取液pH 值為3.0、料液比1∶50 的條件下，研究不同時(shí)間(10、30、50、70、90s)時(shí)對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響。

(2)不同pH 值對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響:在料液比1∶50、微波加熱時(shí)間為70s 的條件下，研究不同提取鹽酸萃取液pH 值分別為(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0)時(shí)對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響。

(3)不同料液比對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響:在提取液pH 值為3.5、微波加熱時(shí)間為70s 的條件下，研究不同料液比(1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60g/mL)時(shí)對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響。

1.3.4 響應(yīng)面分析

為了使工藝更加優(yōu)化，在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，選擇微波加熱時(shí)間、pH 值、料液比3 個(gè)因素對(duì)瓜皮果膠提取率的影響因素，以果膠的提取率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)進(jìn)行響應(yīng)面分析，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平

1.3.5 果膠提取率的計(jì)算

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 微波加熱時(shí)間對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響

由圖1 可見(jiàn)，當(dāng)加熱時(shí)間延長(zhǎng)到70s 左右時(shí)，伽師瓜皮果膠的提取率上升趨勢(shì)最顯著。反應(yīng)初始到70s 的范圍內(nèi)，提取率與時(shí)間增長(zhǎng)趨勢(shì)呈正相關(guān)，時(shí)間超過(guò)這個(gè)最佳點(diǎn)后，反而果膠的提取率降低的趨勢(shì)比較明顯，因?yàn)榧訜釙r(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)導(dǎo)致樣品的酸堿性強(qiáng)弱及溫度差異變化，改變果膠類(lèi)物質(zhì)溶解特性，從而導(dǎo)致提取率降低，故最佳的加熱時(shí)間為70s。

圖1 微波加熱時(shí)間對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響

2.1.2 pH 值對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響

由圖2 可見(jiàn)，當(dāng)提取液的pH 值3.5 左右時(shí)，伽師瓜皮果膠提取率呈最高值，隨后逐步下降。這可能是由于pH 值達(dá)到一定的比例后果膠基本溶解到提取液中，pH 值過(guò)低或者過(guò)高會(huì)引起樣品中原果膠的水解反應(yīng)的強(qiáng)弱，使脫酯降解速度加快，引起果膠質(zhì)轉(zhuǎn)液至提取液相的過(guò)程緩慢，導(dǎo)致提取率降低，故提取液最佳的pH值為3.5。

圖2 pH 值對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響

2.1.3 料液比對(duì)伽師瓜皮果膠提取率的影響

由圖3 可知，當(dāng)料液比在1∶40 左右時(shí)，伽師瓜皮果膠的提取率增長(zhǎng)趨勢(shì)最顯著，隨后逐漸降低。這可能是由于反應(yīng)初始時(shí)，料液比過(guò)小會(huì)引起反應(yīng)不完全，萃取體系滲透壓過(guò)高，則果膠沒(méi)有全部能溶解到提取液中，引起過(guò)濾難度增加、殘留物含量增多，從而降低提取率;反之，由于料液比越大過(guò)濾速度越快，會(huì)增長(zhǎng)濃縮需要時(shí)間及增大沉淀消耗量，導(dǎo)致提取率下降及影響果膠的特，故最佳的料液比選1∶40 為宜。

圖3 料液比對(duì)伽師瓜果膠提取率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化酸法結(jié)合微波提取果膠工藝結(jié)果分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)Design Expert 8.0.6 響應(yīng)面統(tǒng)計(jì)軟件響應(yīng)面統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)果膠提取率為響應(yīng)值的回歸模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

由表2 可知，伽師瓜皮果膠提取率預(yù)測(cè)模型:Y=+4.85－0.030A－0.022B－7.500E－003C+1.000E－0.02AB+0.080AC－0.040BC－116A2－0.078B2－0.90C2。

表3 中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方差分析

由表2、表3 可看出，該模型回歸方程的效果極顯著(P＜0.05)，失擬項(xiàng)不顯著。響應(yīng)面試驗(yàn)中時(shí)間等3個(gè)因素對(duì)伽師瓜皮果膠提取率作用的大小主次順序?yàn)?加熱時(shí)間＞pH 值＞料液比。其中微波處理時(shí)間(A2)和料液比(C2)的二次項(xiàng)極顯著，則其他交互項(xiàng)不顯著。在α=0.05 顯著水平下剔除不顯著項(xiàng)后對(duì)原模型進(jìn)行優(yōu)化可確定提取率:Y=－27.133 25 +0.386 05A +2.389 00B+0.721 65C +1.000 00E－003AB +4.000 00E－004AC－8.000 00E－003BC－2.907 50E－003A2－0.312 00B2－9.0300E－003C2。說(shuō)明該模型擬合度適宜，因此微波輔助提取伽師瓜皮果膠分析和預(yù)測(cè)能達(dá)到理想的效果。

2.2.2 交互作用對(duì)伽師瓜皮提取率的影響

根據(jù)回歸分析結(jié)果，做出相應(yīng)的響應(yīng)面分析圖，見(jiàn)圖4—6。

圖4 pH 值與時(shí)間對(duì)伽師果皮果膠提取率的影響

圖5 料液比與時(shí)間對(duì)伽師果皮果膠提取率的影響

圖6 pH 值與料液比對(duì)伽師果皮果膠提取率的影響

由圖5 可見(jiàn)，時(shí)間的交互項(xiàng)較pH 值顯著。由圖6可知，時(shí)間的變化程度及等高線(xiàn)變化數(shù)量高于料液比，響應(yīng)值對(duì)其比較敏感;由圖7 可知，料液比的影響較pH 值顯著。

2.2.3 提取條件優(yōu)化及驗(yàn)證

經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化伽師瓜皮果膠酸法結(jié)合微波提取試驗(yàn)，得出最優(yōu)提取參數(shù)為:料液比為1∶39.99、加熱時(shí)間為69.73s，提取液pH 值為3.43。根據(jù)試驗(yàn)條件及考慮到實(shí)際操作中的便利，將工藝參數(shù)加以修正為:料液比為1∶40、加熱時(shí)間為70s、提取液pH 值為3.5。在此條件下，進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，果膠提取率為4.83%，超過(guò)軟件模型預(yù)測(cè)值4.85%，并誤差低于1%。說(shuō)明本模型在伽師瓜皮果膠提取試驗(yàn)中是可靠的。

3 結(jié)論

利用響應(yīng)面法確定微波輔助提取伽師瓜皮果膠的最佳提取條件是:pH 值3.5、料液比1∶40、微波加熱時(shí)間70s 下，伽師瓜皮果膠提取率達(dá)4.83%。經(jīng)過(guò)比較分析了3 個(gè)因素對(duì)伽師瓜皮果膠的提取效果的影響，作用大小依次順序:微波加熱時(shí)間＞pH 值＞料液比。經(jīng)微波處理后果膠的提取率得以提高，且果膠質(zhì)量好、節(jié)約能耗、提取時(shí)間短，對(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用伽師瓜皮及其綜合利用具有指導(dǎo)意義。

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