響應(yīng)曲面法優(yōu)化南瓜皮果膠的酶提工藝

摘要：研究南瓜（Cucurbita moschata）皮果膠的最佳提取工藝條件，在預(yù)試驗的基礎(chǔ)上采用Box-Behnken Design設(shè)計方法，研究了纖維素酶濃度、pH、液固比、提取溫度及其交互作用對南瓜皮果膠提取率的影響。結(jié)果表明，最佳工藝條件為酶濃度0.5%、pH 4.34、溫度40 ℃、液固比24.63∶1（mL∶g），在此條件下進(jìn)行驗證試驗得到果膠提取率為16.3%。

關(guān)鍵詞：南瓜（Cucurbita moschata）；果膠；纖維素酶；響應(yīng)曲面法

中圖分類號：S642.1；TS209；R284.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3704-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.041

Abstract： optimal extract conditions for the extraction of pectin from the pumpkin peel were researched，on the basis of single factor tests，response surface analysis experiment was designed by Design Expert8.0.6 the effects of the concentration cellulose solution. material/liquid ratio. extraction temperature. extraction pH were investigated through experiment. The optimum extraction technology were Obtained as follows：the concentration of cellulose solution 0.5%，material/liquid ration 1∶24.63，extraction temperature 40 ℃，extraction pH 4.34. In this condition，the extraction rate of pectin was up to 16.25%. Under these conditions，the yield of pectin could be achieved to 16.3%.

Key words：Cucurbita moschata；pectin；cellulase；response surface methodology

果膠是植物細(xì)胞壁的重要組成部分，混合物，呈酸性，白色至淡黃色粉末，水溶性物質(zhì)。果膠具有良好的膠凝性和穩(wěn)定性[1]，可抗腹瀉、抗癌、治療糖尿病和減肥等[2]，在食品工業(yè)、醫(yī)藥加工上被廣泛應(yīng)用[3]。

目前國內(nèi)商品果膠主要以柑橘皮、蘋果渣等為原料生產(chǎn)，中國每年消耗約1 500 t以上果膠，據(jù)有關(guān)專家預(yù)計，果膠的需求量在相當(dāng)長的時間內(nèi)仍將以每年15%的速度增長，需求量與世界平均水平相比呈高速增長趨勢。因此，大力開展果膠的提取分離工作，不僅能為中國食品加工領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用優(yōu)質(zhì)果膠提供理論依據(jù)，而且將推動國產(chǎn)果膠生產(chǎn)的發(fā)展[4-6]。南瓜（Cucurbita moschata）皮在中國利用率極低，一直不為人們重視。研究從南瓜皮中提取果膠不僅可減少資源浪費，保護(hù)環(huán)境，在一定程度上還為果膠生產(chǎn)提供了原料。目前提取果膠的方法主要是酸提醇沉法、鹽析法、超聲波提取法等[6-8]。用酶解法提取南瓜皮果膠還較為少見。

響應(yīng)曲面試驗次數(shù)少、周期短，可以在因素和響應(yīng)值之間的擬合出明確的回歸方程，該回歸方程精度高、能研究幾種因素間交互作用[9]。本試驗在預(yù)試驗基礎(chǔ)上再選取部分因素水平作為響應(yīng)曲面優(yōu)化對象，研究了提取溫度、提取時間、pH、酶濃度對果膠提取率的影響，找出了最佳提取工藝條件，為實際生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原材料來自孝感農(nóng)產(chǎn)品市場的新鮮、金黃、無腐爛的南瓜皮，經(jīng)清洗后切碎，經(jīng)120 ℃酶滅活20 min，然后在60 ℃條件下干燥20 h，干燥完畢用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，粉碎后過60目篩，取篩下部分作為試驗原料。鹽酸、氫氧化鈉均為分析純（調(diào)pH），直徑7 cm定性濾紙，酒石酸、乙醇均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

干燥箱（上海福瑪試驗設(shè)備有限公司），中藥粉碎機(jī)（天津泰新特儀器有限公司），BSA223S型電子天平[賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司]，PHS-25C型pH計（上海鴻蓋儀器有限公司），TL-18M型臺式高速冷凍離心機(jī)（上海市離心器械研究所），HH-4型水浴鍋（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司），SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵（上海亞榮生化儀器廠）。

1.3 方法

1.3.1 果膠提取工藝流程 新鮮南瓜皮清洗干燥（先在120 ℃下烘20 min以殺青，后在60 ℃條件下烘20 h）→粉碎→過60目篩→取1 g的原料進(jìn)行水浴加熱酶提→離心10 min（3 000 r/min）（重復(fù)酶提與離心兩次）→取上清液進(jìn)行醇沉（1∶2）12 h→抽濾→烘干至恒重（40 ℃下烘12 h）稱量。

檢測指標(biāo)以提取率為標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 響應(yīng)曲面設(shè)計試驗 在預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，選取影響效果明顯的因素及其最佳效果附近的3個水平進(jìn)行響應(yīng)曲面設(shè)計，四因素三水平分別是酶濃度（0.5%、0.7%、0.9%），溫度（40、50、60 ℃），提取pH（4.0、4.4、4.8），液固比（15∶1、20∶1、25∶1）（mL∶g，下同）。在設(shè)計中，一共有29個試驗點，其中24個為析因點，5個為零點，用以估算試驗誤差。試驗以果膠提取率為響應(yīng)值，試驗設(shè)計因素及水平編碼見表1。用Design Expert 8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)曲面分析試驗設(shè)計方案及結(jié)果

以果膠提取率為響應(yīng)值，根據(jù)響應(yīng)曲面設(shè)計了29組試驗，試驗方案及結(jié)果見表2。利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸及方差分析，方差分析結(jié)果見表3。各因子與響應(yīng)值之間線性關(guān)系的顯著性由F值檢驗來判斷，P值越小則說明變量的顯著性越高。由表3可知，模型的F值為29.59，P<0.000 1，表明模型是極顯著的；校正系數(shù)RAdj=0.934 6，表明在果膠提取率總的變異中有93.46%是由變量引起的；失擬項用來檢測回歸模型與實際試驗值擬合程度的好壞[10]，失擬項F為1.34，對應(yīng)的P為0.419 3>0.05，失擬項不顯著，模型擬合程度較好，試驗誤差小，可以用此模型對南瓜皮中果膠提取進(jìn)行分析和預(yù)測。

F值越大，影響作用越大，在所選各因素水平范圍內(nèi)， 依據(jù)表3參數(shù)估計值可知影響因子的主效應(yīng)主次順序為：溫度>濃度>液固比>pH。對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合得到的回歸模型為：y=-2.243 37-0.895A-0.011 12B+1.682 92C+0.036 249D+0.036AB-0.022 562BC-0.000 855BD+0.001 02532B2-0.242 38C2-0.000 301 216D2-0.000 343 75AB2-0.000 190 625B2C+0.000 008B2D+0.004 687 5BC2。

2.2 響應(yīng)曲面交互作用分析

依據(jù)上述回歸方程作出相應(yīng)的響應(yīng)曲面及等高線（圖1、圖2、圖3），分析確定提取溫度、液固比、酶濃度、pH 4個因素對南瓜皮中果膠提取的交互作用，曲線越陡，說明因素間的交互作用越強[11，12]。結(jié)果表明，提取溫度、液固比、酶濃度3個因素的交互作用不明顯，各影響因素對南瓜皮中果膠提取量的影響不是呈線性關(guān)系。圖1表明，當(dāng)提取pH固定為4.4，液固比固定為20∶1，在提取溫度不變的條件下，酶濃度在0.5%～0.9%，隨著濃度的升高，南瓜皮果膠的提取量逐漸增加；圖2表明，當(dāng)酶濃度固定為0.7%，液固比固定為20∶1，在提取溫度不變的條件下，果膠提取率隨著pH的增加先上升后下降；圖3表明，當(dāng)提取酶濃度固定為0.7%，提取液pH固定為4.4，在提取溫度不變的條件下，液固比在（15∶1）～（25∶1），南瓜皮中果膠的提取率隨液固比的升高而增加。

結(jié)合回歸模型的數(shù)學(xué)分析結(jié)果，酶法提取南瓜皮果膠的最佳工藝參數(shù)為：酶濃度0.5%，提取溫度40 ℃，pH 4.34，液固比24.63∶1。在此條件下模型預(yù)測南瓜皮果膠提取率為16.25%，實測提取率為16.30%，兩者接近，說明該模型可靠，利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化的南瓜皮果膠提取工藝是可行的。

3 結(jié)論

研究采用響應(yīng)曲面分析法，通過改變提取條件優(yōu)化了從南瓜皮粉中提取果膠的方法，提高了果膠提取率。探究了酶濃度、提取溫度、pH和液固比對南瓜皮中果膠提取率的影響，利用響應(yīng)曲面分析法優(yōu)化出了最佳提取工藝參數(shù)為：酶濃度0.5%，提取溫度40 ℃，pH 4.34，液固比24.63∶1。在此條件下模型預(yù)測南瓜皮果膠提取率16.25%，實測為16.30%，兩者接近，說明該模型可靠，利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化的南瓜皮果膠提取工藝是可行的，在食品醫(yī)藥行業(yè)具有應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] CUI S W，CHANG Y H. Emulsifying and structural properties of pectin enzymatically extracted from pumpkin[J]. LWT-Food Science and Technology，2014，58（2）：396-403.

[2] ZHANG W，XU P，ZHANG H. Pectin in cancer therapy：A review[J].Trends in Food Science Technology，2015，44（2）：258-271.

[3] 王鴻飛，李和生，謝果凰，等.桔皮中果膠提取技術(shù)的試驗分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005，36（3）：82-85.

[4] 魏海香，木泰華，孫艷麗，等.果膠制備的研究進(jìn)展[J].食品研究與開發(fā)，2006，27（4）：157-160.

[5] 鄧 紅，張寶善.從蘋果渣中提取食用纖維和果膠的研究[J].食品科技，2002（5）：62-63.

[6] 陳 熠，熊遠(yuǎn)福，文祝友，等.果膠提取技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國食品添加劑，2009（3）：80-84.

[7] 楊韓暉.南瓜果膠鹽析法提取工藝的研究[J].農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2007（9）：44-47.

[8] 羅 靜，石會軍，李長春，等.超聲波輔助半纖維素酶提取南瓜皮果膠的工藝研究[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（1）：90-93.

[9] 覃 艷，樂 龍，王志祥.響應(yīng)曲面法優(yōu)化微波提取辣椒紅色素的工藝[J].中國釀造，2011，30（2）：100-103.

[10] 鄧 曦，王厚民，田 娟，等.響應(yīng)曲面法優(yōu)化鮮桑椹中原花青素的提取工藝[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51（9）：1847-1850.

[11] 楊 紅，操德群，朱 江，等.響應(yīng)曲面法優(yōu)化紅菜苔多酚提取工藝的研究[J].食品研究與開發(fā)，2013，34（8）：5-9.

[12] 杜玉蘭，黎慶濤，王遠(yuǎn)輝.響應(yīng)曲面法優(yōu)化鼠尾藻中脂質(zhì)的提取工藝[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2008，20（6）：1091-1094.