超聲波輔助提取榿葉唐棣果膠的工藝優(yōu)化

摘要：以榿葉唐棣（Amelanchier alnifolia）為原料，利用超聲輔助提取法對榿葉唐棣中果膠的提取工藝進行研究。在考察了液料比、pH、超聲功率、超聲時間單因素的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對提取工藝進行優(yōu)化，建立了提取工藝的回歸方程，并根據(jù)回歸方程得到最佳的提取工藝為pH 2，液料比31∶1（mL∶g），超聲功率262 W，超聲時間32 min，在此條件下果膠提取率為37.121%。

關(guān)鍵詞：榿葉唐棣（Amelanchier alnifolia）；果膠；超聲波輔助提??；響應(yīng)面法

中圖分類號：S663.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）13-3439-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.13.042

榿葉唐棣（Amelanchier alnifolia）是薔薇科唐棣屬落葉小喬木或灌木，其果實為梨果狀漿果[1]，營養(yǎng)成分豐富，其中果膠含量較高。果膠是一種復(fù)雜的天然高分子多糖，有原果膠、果膠及果膠酸三種形式[2]，主要存在于高等植物的果實、葉、莖、種子和根的組織細(xì)胞內(nèi)[3-5]。研究表明，果膠具有改善腸胃、治療腹瀉、抑制肥胖、預(yù)防和治療心腦血管疾病，降血糖，殺菌和抗癌等功效[6]，可作為膠凝劑、穩(wěn)定劑、增稠劑、乳化劑、組織改良劑等廣泛應(yīng)用于食品、藥品和化妝品等領(lǐng)域[7]，而且被FAO/WHO食品添加劑聯(lián)合委員會推薦為不受添加量限制的安全食品添加劑[8]。果膠的提取方法主要有酸提取法[9]、草酸銨提取法、離子交換提取法[9]、微波輔助提取法[10]、超聲波輔助提取法[11]等，其中超聲波輔助提取法是利用超聲波產(chǎn)生的機械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)來破碎植物細(xì)胞，提高植物活性成分的提取率，操作簡單，在果膠提取中應(yīng)用非常廣泛。目前，國內(nèi)鮮見關(guān)于榿葉唐棣果膠提取的相關(guān)報道，本試驗采用超聲波輔助提取榿葉唐棣果膠，并用響應(yīng)面法優(yōu)化提取的工藝條件[12]，確定最佳提取工藝參數(shù)，以期為榿葉唐棣的深加工奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

榿葉唐棣果實，2014年7月采自北華大學(xué)林學(xué)院教學(xué)基地，密封冷凍貯藏；咔唑、D-半乳糖醛酸、濃硫酸、無水乙醇、NaOH、HCL均為分析純。

1.2 試驗儀器

JY92-2D型超聲波細(xì)胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司；LG10-2.4A型高速離心機，北京醫(yī)用離心機廠；RE52CS-1型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵，上海亞榮生化儀器廠；JH722S型可見分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市科析儀器有限公司；FA2004A型電子天平，上海精天電子儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)工作液的制備 準(zhǔn)確稱取半乳糖醛酸100 mg，溶解定容至100 mL，得到1 mg/mL標(biāo)準(zhǔn)儲備液。分別吸取標(biāo)準(zhǔn)儲備液0、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5 mL于9個100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，得到一組濃度分別為0、30、50、70、90、110、130、150、170 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 分別吸取不同濃度標(biāo)準(zhǔn)液1 mL于10 mL具塞試管中，于冰水浴中加6 mL濃硫酸，充分混合后，冰水浴冷卻，然后沸水浴10 min，用流動水迅速冷卻至室溫，加0.15%咔唑試劑0.5 mL，充分混合后，室溫下放置30 min，在530 nm波長下測定吸光度[13]。以吸光度為橫坐標(biāo)，半乳糖醛酸質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并用最小二乘法進行線性擬合，得到二者的回歸方程為C=0.004 9x+0.001 0，R2=0.993 0。

1.3.3 榿葉唐棣果膠的提取 稱取一定量破碎的榿葉唐棣果實，按一定液料比加酸性水溶液浸泡 20 min，用超聲波細(xì)胞粉碎機在一定功率下提取一段時間，提取液濃縮、醇沉，用63%乙醇洗3次后，再用水溶解，加入1 mol/L NaOH溶液1 mL，靜置15 min，過濾，最后溶解定容。

1.3.4 果膠的測定 取1 mL定容后提取液，按“1.3.2”的方法進行檢測，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程得出果膠的質(zhì)量濃度，再計算樣品中果膠的提取率，計算公式為：

式中，Y為果膠提取率，以半乳糖醛酸計（%）；C為從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得的半乳糖醛酸濃度（μg/mL）；V為果膠提取液總體積（mL）；K為提取液稀釋倍數(shù)；M為榿葉唐棣果實質(zhì)量（g）。

1.3.5 單因素試驗 以果膠提取率為評定指標(biāo)，分別考察了pH 1、2、3、4、5，液料比10∶1、20∶1、30∶1、40∶1（mL∶g，下同），超聲功率100、150、200、250、300 W，超聲時間10、20、30、40、50 min 5個因素對榿葉唐棣果膠提取的影響。

1.3.6 響應(yīng)面試驗設(shè)計 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以pH、料液比、超聲時間、超聲功率為影響因素，榿葉唐棣果膠提取率為響應(yīng)值，設(shè)計4因素3水平的響應(yīng)面試驗，以確定果膠的最佳提取工藝條件，試驗因素和水平見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 榿葉唐棣果膠提取的單因素試驗結(jié)果

考察了pH、液料比、超聲功率、超聲時間對榿葉唐棣果膠提取率的影響情況，試驗結(jié)果如圖1所示。pH對果膠提取率的影響如圖1a所示，pH為1～5時，提取率呈先增大后減小的趨勢，在pH為2時最大，說明pH為2是果膠較佳的提取狀態(tài)。因此，選擇提取溶劑pH為2。

液料比對榿葉唐棣果膠提取率的影響如圖1b所示，隨著液料比逐漸增加，果膠提取率先增加后減少，在液料比為30∶1時提取率達(dá)到最大值38.23%。因為較低液料比會使果膠不能被充分溶解，黏度大，增加分離難度；而較高液料比又會導(dǎo)致超聲效果不理想，且浪費材料。因此，選擇液料比為30∶1。

超聲功率對榿葉唐棣果膠提取率的影響如圖1c所示，在250 W時果膠提取率達(dá)到最高值24.70%，因為隨著超聲功率的增加，對榿葉唐棣果實細(xì)胞壁的破碎作用加強，使得果膠能充分溶出，但如果超聲功率過大又會使果膠分解，導(dǎo)致提取率下降，因此選擇250 W為最佳超聲功率。

超聲時間對榿葉唐棣果膠提取率的影響如圖1d所示，在30 min時果膠提取效果最好，提取率為26.21%。因為超聲時間過短，果膠不能完全溶解提出，但超聲時間過長又會導(dǎo)致酸性溶劑中的果膠發(fā)生分解，提取率下降。因此，選取30 min為最佳提取時間。

2.2 榿葉唐棣果膠提取的響應(yīng)面試驗設(shè)計

2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果及分析 響應(yīng)面試驗結(jié)果如表2所示，利用Design-Expert 8.0.6軟件對結(jié)果進行回歸擬合，得到榿葉唐棣果膠提取率（Y）對應(yīng)的提取液pH（A）、液料比（B）、超聲功率（C）以及超聲時間（D）的二次多項回歸方程為Y=37.40-0.14A+1.37B+1.78C+1.61D-0.083AB-0.45AC+0.13AD-2.00BC-1.46BD+1.54CD-3.99A2-5.94B2-4.28C2-4.90D2。對表2中試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，回歸模型P<0.000 1，說明試驗所得二次模型極顯著，具有統(tǒng)計學(xué)意義，失擬項P=0.156 3>0.05，差異不顯著，說明不存在失擬因素，殘差均由隨機誤差引起，所建立的回歸模型可代替試驗真實點對結(jié)果進行分析；決定系數(shù)R2=0.971 8，說明可以解釋97.18%的果膠提取率變化，方程擬合度較高；信噪比為20.528，遠(yuǎn)大于4，表明模型擬合度和可信度均較高[14]。綜上所述，該回歸方程可用于果膠提取條件的分析和預(yù)測，利用此數(shù)學(xué)模型可確定榿葉唐棣果膠的最佳提取工藝條件。

根據(jù)回歸方程一次項系數(shù)絕對值的大小，可知影響榿葉唐棣果膠提取率的主次因素為超聲功率（C）>超聲時間（D）>液料比（B）>pH（A），交互作用項中，液料比與超聲功率、超聲時間與超聲功率、液料比與超聲時間有明顯的交互作用，其三維響應(yīng)曲面如圖2所示。

由圖2可以看出，3種交互作用在試驗點范圍內(nèi)均產(chǎn)生了最佳響應(yīng)值，說明所選水平合理，能較好地反映出對果膠提取率的影響趨勢。其中超聲功率與液料比交互作用（P=0.001 8<0.01）對果膠提取率影響最顯著，表現(xiàn)為曲面陡峭，等高線呈橢圓形[15]，而超聲時間與液料比（P=0.014 2<0.05）、超聲時間與超聲功率（P=0.010 3<0.05）的交互作用曲面稍顯平滑，等高線變圓，說明后2種交互作用對榿葉唐棣果膠提取率的影響略低于前者，但隨著因素取值的改變，響應(yīng)值依舊變化較大，表明這2種交互作用對果膠提取率仍有較大的影響。

2.2.2 驗證試驗 通過響應(yīng)面法得出最佳提取工藝條件為pH 2，液料比31∶1，超聲功率262 W，超聲時間32 min。按此最佳提取工藝條件進行3次平行驗證試驗，得到榿葉唐棣果膠提取率分別為36.932%、37.067%、37.365%，取平均值為37.121%，與回歸方程預(yù)測值37.796%相差不多，實際值與預(yù)測值基本吻合。

3 小結(jié)

本試驗采用超聲波輔助法從榿葉唐棣果實中提取果膠，通過單因素試驗分析，得到果膠提取的適宜pH為2，液料比30∶1，超聲功率250 W，超聲時間30 min；通過響應(yīng)面試驗設(shè)計，建立了果膠提取的二次多項回歸方程Y=37.40-0.14A+1.37B+1.78C+1.61D-0.083AB-0.45AC+0.13AD-2.00BC-1.46BD+1.54CD-3.99A2-5.94B2-4.28C2-4.90D2，經(jīng)方差分析確定該回歸方程可用于果膠提取條件的分析和預(yù)測；利用響應(yīng)面對提取條件進行優(yōu)化，得到榿葉唐棣果膠的最優(yōu)提取工藝條件為pH 2，液料比31∶1，超聲功率262 W，超聲時間32 min，預(yù)測提取率為37.796%，由驗證試驗得到的果膠提取率為37.121%，實際值與預(yù)測值基本吻合。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王戰(zhàn)龍，黃立華，龍忠偉.榿葉唐棣組培技術(shù)[J].林業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013，27（3）：123-125.

[2] 杜繼煌，白 嵐.果膠的化學(xué)組成與基本特性[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2002，22（5）：72-73.

[3] 胡笑安，譚興和，張 喻，等.柑橘果皮果膠含量與性質(zhì)的測定方法[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2011（9）：94-95.

[4] 陶進轉(zhuǎn)，陳偉南.劍麻渣果膠提取與測定[J].中國麻業(yè)科學(xué)，2014， 36（2）：98-101.

[5] 儲 君.琯溪蜜柚皮中果膠的提取工藝研究[D].江蘇無錫：江南大學(xué)，2008.

[6] 汪 英.柑橘果膠的膠凝特性研究和荸薺皮果膠超聲提取工藝初探[D].南昌：南昌大學(xué)，2013.

[7] 胡嘉琦.菊芋中菊糖和果膠的提取及分離純化[D].長沙：中南大學(xué)，2007.

[8] THAKUR B R，SINGH R K，HANDA A K，et al. Chemistry and uses of pectin-a review[J].Critical Food Science and Nutrition，1997，37（1）：47-73.

[9] 劉 超.超聲波輔助提取蘋果渣中果膠、半纖維素和纖維素的研究[D].山東青島：中國海洋大學(xué)，2011.

[10] MARAN J P，SIVAKUMAR V，THIRUGNANASAMB K，et al. Microwave assisted extraction of pection from waste Citrullus lanatus fruit rinds[J]. Carbohydrate Polymers，2014，101：786-791.

[11] 劉 超，李 釤，韓玉謙.超聲波提取蘋果果膠工藝優(yōu)化及凝膠特性測定[J].食品研究與開發(fā)，2012，33（12）：46-49.

[12] 李建鳳，任 磊，王 真，等.響應(yīng)曲面法用于超聲波提取檸檬皮渣果膠研究[J].食品工業(yè)科技，2013，34（4）：267-269.

[13] 丁 建，張雪紅，姚先超，等.咔唑比色法測定劍麻果膠含量[J].食品研究與開發(fā)，2010，31（11）：139-140.

[14] HE J，ZHEN Q W，QIU N，et al. Medium optimization for the production of a novel bioflocculant from Halomonas sp. V3a' using response surface methodology[J].Bioresource Technology，2009，100：5922-5927.

[15] 紀(jì)學(xué)芳，徐懷德，張淑娟，等.響應(yīng)面試驗優(yōu)化超聲波提取光皮木瓜黃酮和多糖復(fù)合物[J].食品科學(xué)，2013，34（6）：47-51.