響應(yīng)面優(yōu)化石花菜瓊膠提取工藝

劉施琳,朱 豐,林圣楠,黃金城,李天驕,王紅麗,林向陽

(福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,福建福州 350108)

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響應(yīng)面優(yōu)化石花菜瓊膠提取工藝

劉施琳,朱 豐,林圣楠,黃金城,李天驕,王紅麗,林向陽*

(福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,福建福州 350108)

采用高溫高壓法提取石花菜瓊膠,以提取率和凝膠強(qiáng)度為指標(biāo)研究其提取工藝。在單因素實(shí)驗的基礎(chǔ)上,采用BBD中心組合實(shí)驗設(shè)計,利用Design-Expert軟件,建立數(shù)學(xué)模型,確定瓊膠最佳提取工藝參數(shù):檸檬酸為0.03%、提取時間為33 min,料液比為1∶36、提取溫度為110 ℃,此條件下瓊膠提取率高達(dá)37.85%,其感官性質(zhì)、理化性質(zhì)符合國家標(biāo)準(zhǔn),凝膠強(qiáng)度為873 g/cm2,屬于高強(qiáng)度產(chǎn)品,為石花菜深加工提供一定的理論依據(jù)。

石花菜,瓊膠,提取工藝,凝膠強(qiáng)度,響應(yīng)面分析

瓊膠(Agar)又稱瓊脂、凍粉,由石花菜及其他紅藻植物提取出來的一種經(jīng)濟(jì)藻膠[1]。因瓊膠具有良好的膠凝、穩(wěn)定、增稠和懸浮性,廣泛應(yīng)用于食品、生物工程、日用化工、醫(yī)藥等許多方面[2]。石花菜(Gelidiumamansii)是我國制造瓊膠的重要原料,其膠質(zhì)中的硫酸基含量少,不需要堿處理過程就可獲得高品質(zhì)的瓊膠[1]。

常用的瓊膠提取方法有很多種,如恒溫水浴法、超聲波輔助法、微波輔助法、空氣高壓、蒸汽高壓法、酶法等[3-7]。恒溫水浴法是提取瓊膠最常用的方法,雖然設(shè)備簡單,容易操作,適用范圍廣泛,但瓊膠得率低,提取時間長。石花菜細(xì)胞壁分為纖維素質(zhì)層和果膠質(zhì)層,常溫常壓下難以破壞其纖維素質(zhì)層,影響石花菜瓊膠的提取。酸性條件下可破壞纖維素質(zhì)層的骨架結(jié)構(gòu),加速細(xì)胞壁破裂,促使石花菜瓊膠的溶出[8]。

本研究以食品級檸檬酸作為酸性提取溶劑,利用高溫高壓法提取石花菜瓊膠。以提取率和凝膠強(qiáng)度為指標(biāo),通過單因素和響應(yīng)面實(shí)驗優(yōu)化石花菜瓊膠提取工藝條件,為石花菜瓊膠制備技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

石花菜 產(chǎn)自山東青島,去雜質(zhì)、洗凈后烘干備用;碘、硝酸、過氧化氫、硫酸、氨水、乙酸銨、鹽酸、乙醇、檸檬酸氫二胺、鹽酸羥胺、氰化鉀、三氯甲烷、硝酸鉛、三氧化二砷、氧化鎂、硝酸鎂、氫氧化鈉 均為分析純;檸檬酸 食品級。

LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠;BC/BD-217CH冷柜 河南新飛電器有限公司;BS110S電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗設(shè)備有限公司;TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀 北京微訊超技儀器技術(shù)有限公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;HY-8調(diào)速振蕩器 常州國華電器有限公司;ZJ-TFG-12通風(fēng)櫥 上海谷寧儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 石花菜瓊膠提取工藝

1.2.1.1 工藝流程 稱取m0石花菜(精確到0.001 g)→加入一定濃度的檸檬酸溶液→提膠→過濾→凝膠→冷凍→脫水→烘干→粉碎→稱至恒重m1。

1.2.1.2 操作要點(diǎn) 提膠:將稱量好的石花菜置于1L的錐形瓶中,按一定料液比(檸檬酸溶液)置壓力蒸汽滅菌鍋中提膠;過濾:趁熱將提取的膠液用4層紗布過濾,100 ℃水洗滌3次;凝膠:讓濾液冷卻至室溫后,自動形成凝膠;冷凍:于-18 ℃冰箱中冷凍成冰;脫水:將凍結(jié)的瓊膠置于室溫中解凍脫水;烘干:將脫水后的瓊膠,在53 ℃的恒溫鼓風(fēng)烘箱中烘干;粉碎:粉碎機(jī)粉碎、過80目篩;稱至恒重:瓊膠粉于干燥器中冷卻干燥至恒重(誤差小于0.01g)。

1.2.2 凝膠強(qiáng)度的測定

1.2.2.1 膠液制備 稱取1.50g瓊膠粉于錐形瓶中,加入100mL蒸餾水,記錄總質(zhì)量m,用保鮮膜封口后置于92 ℃恒溫水浴中溶解,再用熱蒸餾水補(bǔ)充總質(zhì)量至m,攪拌均勻后,量取20mL膠液于30mL果凍杯中,放置過夜,測定前置于25 ℃水浴鍋中1h,在質(zhì)構(gòu)儀上測定其凝膠強(qiáng)度[9]。

1.2.2.2 質(zhì)構(gòu)儀測定參數(shù)及凝膠強(qiáng)度計算 測定模式為TPA模式,探頭型號為SMSP/5,測試前速率2mm/s,測試速率為1mm/s,測試后速率為5mm/s,停留時間5s,觸發(fā)力5g,測定距離8.00mm[10]。

1.2.3 石花菜瓊膠提取工藝單因素實(shí)驗

1.2.3.1 檸檬酸濃度對石花菜瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響 稱取10.000 g石花菜,分別加入濃度為0.00%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%的檸檬酸溶液350 mL,即料液比為1∶35 g/mL,置于105 ℃壓力蒸汽滅菌鍋中提膠30 min,測定加入不同濃度檸檬酸溶液的瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度。

1.2.3.2 料液比對石花菜瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響 稱取10.000 g石花菜,分別按料液比為1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40、1∶45 g/mL,加入濃度為0.03%檸檬酸溶液,置于105 ℃壓力蒸汽滅菌鍋中提膠30 min,測定不同料液比的瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度。

1.2.3.3 提取溫度對石花菜瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響 稱取10.000 g石花菜,按料液比1∶35,加入濃度為0.03%檸檬酸溶液,分別置于溫度為100、105、110、115、121、125、130 ℃的壓力蒸汽滅菌鍋中提膠30 min,測定不同提取溫度的瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度。

1.2.3.4 提取時間對石花菜瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響 稱取10.000 g石花菜,按料液比1∶35,加入濃度為0.03%檸檬酸溶液,置于110 ℃壓力蒸汽滅菌鍋中,提膠時間分別為10、20、30、40、50、60、70 min,測定不同提取時間的瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度。

1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗 根據(jù)單因素實(shí)驗結(jié)果,固定提取溶劑即檸檬酸溶液濃度為0.03%,選取料液比、提取時間、提取溫度3個因素作實(shí)驗因素,以瓊膠提取率為響應(yīng)值,進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗。響應(yīng)曲面實(shí)驗設(shè)計因素與水平表見表1。

表1 響應(yīng)曲面實(shí)驗設(shè)計因素與水平表

1.2.5 瓊膠的品質(zhì)檢測 瓊膠的各項指標(biāo)檢測參照國標(biāo)GB 1975-2010《食品添加劑 瓊膠》規(guī)定的方法執(zhí)行。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 利用Design-expert 8.0.6軟件進(jìn)行分析,建立回歸方程并作等高線和三維曲面圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗

2.1.1 檸檬酸濃度對石花菜瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響 由圖1可知,隨著檸檬酸濃度的增加,石花菜瓊膠提取率先增加后減小;瓊膠的凝膠強(qiáng)度則隨檸檬酸濃度增大而減小。在檸檬酸濃度為0.03%時,瓊膠提取率達(dá)最大值,而檸檬酸濃度由0.03%增大至0.04%時,瓊膠的凝膠強(qiáng)度顯著(p<0.01)下降,由808.6 g/cm2(高強(qiáng)度:800～1200 g/cm2)降到449.8 g/cm2(中強(qiáng)度:401～800 g/cm2)。這可能是因為檸檬酸濃度在小于0.03%時,檸檬酸主要作用于破壞石花菜表皮,有助于瓊膠溶出,對瓊膠的性質(zhì)影響較小;而在檸檬酸濃度大于0.03%時,檸檬酸破壞瓊膠化學(xué)鍵,使部分瓊膠降解為不具有凝膠作用的多糖或寡糖。因此,最佳檸檬酸濃度為0.03%。

圖1 檸檬酸濃度對瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of the concentration of citric acid on the extraction rate and the strength of agar gel注:不同字母代表差異顯著(p<0.05);圖2～圖4同。

2.1.2 料液比對石花菜瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響 由圖2可知,料液比對凝膠強(qiáng)度影響較小,料液比為1∶15～1∶40時,瓊膠的凝膠強(qiáng)度均為高強(qiáng)度(840～900 g/cm2)。提取率隨著料液比比值的減小呈先增大后減小的趨勢,在料液比為1∶35時,提取率取得最大值;而料液比比值小于1∶35時,瓊膠提取率反而降低。這是因為當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡時,提取劑增量不會促進(jìn)石花菜瓊膠的提取[11],且提取劑增量會使酸總量增加,可能會使瓊膠酸水解,從而降低其凝膠強(qiáng)度以及提取率。因此,選擇料液比為1∶35。

圖2 料液比對瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate and the strength of agar gel

2.1.3 提取溫度對石花菜瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響 如圖3所示,瓊膠提取率隨著提取溫度的提高而顯著增大。當(dāng)提取溫度為110 ℃時,瓊膠提取率達(dá)最大值,并且與其他各組均有顯著差異(p<0.05);提取溫度大于110 ℃時,提取率開始逐漸下降。凝膠強(qiáng)度隨提取溫度的升高而下降,在溫度由115 ℃增至121 ℃時,凝膠強(qiáng)度顯著(p<0.05)下降,且由高強(qiáng)度降為中強(qiáng)度。這說明適當(dāng)提高溫度有利于促進(jìn)瓊膠提取,但高溫會破壞瓊膠的凝膠性,因此,綜合考慮瓊膠的提取率和凝膠強(qiáng)度,選擇提取溫度為110 ℃。

圖3 提取溫度對瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響Fig.3 effect of temperature on the extraction rateand the strength of agar gel

2.1.4 提取時間對石花菜瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響 由圖4可知,當(dāng)提取時間較短時,隨著時間的延長瓊膠提取率顯著(p<0.05)增大;當(dāng)提取時間超過30 min時,提取率開始緩慢下降。凝膠強(qiáng)度隨著提取時間延長呈下降趨勢,當(dāng)提取時間由30 min增至40 min時,凝膠強(qiáng)度顯著(p<0.05)下降,由高強(qiáng)度降為中強(qiáng)度。這說明適當(dāng)延長提取時間有利于促進(jìn)瓊膠提取,但超過一定時間后會降低瓊膠的提取率且瓊膠的凝膠強(qiáng)度會顯著下降,因此,綜合考慮瓊膠的提取率和凝膠強(qiáng)度,選擇提取時間為30 min。

圖4 提取時間對瓊膠提取率及凝膠強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of time on the extraction rate and the strength of agar gel

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗

2.2.1 石花菜瓊膠提取響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計與結(jié)果 按1.2.4中的因素水平進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗,總共取17個實(shí)驗點(diǎn),包括12個析因點(diǎn)和5個中心點(diǎn),實(shí)驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表2 石花菜瓊膠提取響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計及結(jié)果

2.2.2 二階模型的建立與分析 根據(jù)表2的實(shí)驗結(jié)果,利用Design-Expert 8.0.6軟件對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸方程擬合,得到回歸模型:

Y=37.55+0.75A+0.59B+0.20C-0.21AB-0.28AC-0.11BC-1.35A2-1.68B2-1.30C

對模型進(jìn)行方差分析,其方差分析結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面分析法對瓊膠提取率的ANOVA分析

注:“*”表示顯著(p<0.05);“**”表示極顯著(p<0.01)。 由方差分析表3可知,模型的p值<0.01,表明該實(shí)驗二次方程模型極顯著。失擬項p值為0.7994>0.05,說明方程對實(shí)驗的擬合度良好,即可用該二次方程模型推測實(shí)驗結(jié)果。其方程的相關(guān)系數(shù)為R2=0.9957,表明99.57%的數(shù)據(jù)可用此方程解釋。由表3還可知,因素A、B、C對瓊膠提取率的影響極顯著;因素A2、B2和C2對瓊膠提取率的曲面效應(yīng)都是極顯著;因素AC對瓊膠提取率交互效應(yīng)極顯著,因素AB的交互效應(yīng)顯著,而BC的交互效應(yīng)不顯著。

2.2.3 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化 利用Design-Expert 8.0.6軟件中的等高線圖和響應(yīng)曲面圖對3因素間的交互作用進(jìn)行分析,具體見圖5～圖7。

從圖5～圖7可知,在考察因素范圍內(nèi),瓊膠提取率隨著提取時間、料液比及提取溫度的變化呈先升高后下降的趨勢。提取時間、料液比及提取溫度取值在中心點(diǎn)附近時,提取率最大。通過Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行優(yōu)化,得出最優(yōu)提取工藝參數(shù):提取時間32.62 min,料液比1∶35.78,提取溫度為110.21 ℃,在此條件下石花菜瓊膠提取率為37.70%?？紤]到可操作性,將優(yōu)化條件修正為:提取時間33 min,料液比1∶36,提取溫度為110 ℃。

圖5 DH=f(A、B)的響應(yīng)面Fig.5 Responsive surface of DH=f(A、B)

圖6 DH=f(A、C)的響應(yīng)面Fig.6 Responsive surface of DH=f(A、C)

圖7 DH=f(B、C)的響應(yīng)面Fig.7 Responsive surface of DH=f(B、C)

2.2.4 驗證實(shí)驗 采用上述最佳提取工藝進(jìn)行驗證實(shí)驗,取3個平行實(shí)驗,測定其提取率,得到提取率的平均值為37.85%,與預(yù)測值37.70%基本相符,表明該二次方程模型對優(yōu)化石花菜瓊膠提取工藝可行。

2.3 瓊膠的品質(zhì)檢測

2.3.1 瓊膠的感官指標(biāo) 瓊膠的感官指標(biāo)及國標(biāo)要求見表4,由表4可知,瓊膠感官指標(biāo)符合要求。

表4 瓊膠的感官性質(zhì)

2.3.2 瓊膠的理化指標(biāo) 瓊膠的理化性質(zhì)及國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)見表5,由表5可知瓊膠理化性質(zhì)符合要求。

3 結(jié)論

以食品級檸檬酸為酸性提取溶劑,利用高溫高

表5 瓊膠的理化指標(biāo)

壓法提取石花菜瓊膠,研究了檸檬酸濃度、提取時間、料液比、提取溫度對瓊膠提取率和凝膠強(qiáng)度的影響。單因素實(shí)驗結(jié)果表明檸檬酸最適濃度為0.03%,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗優(yōu)化其它工藝條件,得出最佳提取工藝參數(shù)為:提取時間33 min,料液比1∶36,提取溫度為110 ℃,此條件下瓊膠提取率為37.85%,與預(yù)測值基本相符,且瓊膠感官性質(zhì)、理化性質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn),凝膠強(qiáng)度為873 g/cm2,屬于高強(qiáng)度產(chǎn)品。

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Optimization of extraction process ofGelidiumamansiiagar by response surface methodology

LIU Shi-lin,ZHU Feng,LIN Sheng-nan,HUANG Jin-cheng,LI Tian-jiao,WANG Hong-li,LIN Xiang-yang*

(College of Biological Science and Technology,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

In this paper,high temperature and high pressure were used to extractGelidiumamansiiagar. Extraction rate and gel strength were used as index of extraction process. Based on single factor experiments,BBD central composite design and Design-Expert software were used to build a mathematical model. The optimum extraction parameters of agar were determined as follows:citric acid 0.03%,extraction time 33 min,solid-liquid ratio 1∶36,extraction temperature 110 ℃. Under these conditions,the extraction rate of agar was 37.85%. Agar’s organoleptic properties,physical and chemical properties met the standard. The strength of gel was 873 g/cm2,which belonged to a high strength products for the industry. The extraction rate of high-quality agar was improved,and research base was provided.

Gelidiumamansii;agar;extraction procedure;gel strength;response surface analysis

2016-05-27

劉施琳(1992-),女,碩士研究生,研究方向:水產(chǎn)品加工及貯藏,E-mail:954857051@qq.com。

*通訊作者:林向陽(1969-),男,教授,研究方向:生物質(zhì)資源化,E-mail:925400384@qq.com。

TS202.3

B

1002-0306(2016)22-0296-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.049