響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助離子液體提取籽瓜果膠工藝的研究

安仕豪,趙芳芳,魏 佳,孫儷娜,吳 斌,*

(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.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所,烏魯木齊 830091; 3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,烏魯木齊 830091)

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響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助離子液體提取籽瓜果膠工藝的研究

安仕豪1,趙芳芳1,魏 佳2,孫儷娜3,吳 斌2,*

(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.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所,烏魯木齊 830091; 3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,烏魯木齊 830091)

為了探究響應(yīng)面法對提取的籽瓜果膠半乳糖醛酸含量的影響,以離子液體為提取劑,采用超聲技術(shù)輔助提取籽瓜中的果膠,對超聲功率、超聲時間、提取溫度、料液比等因素進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),以果膠提取液中半乳糖醛酸的含量的高低,作為評價果膠的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提取工藝條件為1 mol/L 的1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([Bmim]Cl)水溶液為提取劑、超聲功率300 W、超聲時間40 min、提取溫度70 ℃、料液比為1∶20 (g/mL)。提取果膠中半乳糖醛酸含量理論值為82.42%,實(shí)測值為82.88%,實(shí)際測定值與理論計(jì)算值基本吻合。該工藝為籽瓜資源的綜合利用提供理論基礎(chǔ)。

籽瓜,半乳糖醛酸,離子液體,超聲提取,響應(yīng)面

籽瓜屬于葫蘆科西瓜屬(Cucurbitaceae.Citrullus)[1]。我國的籽瓜栽種面積和產(chǎn)量都位居世界首位,在甘肅和新疆都有大面積種植,僅新疆地區(qū)2015年籽瓜種植面積就有600萬畝[2]。

目前籽瓜主要是取籽加工,瓜皮、瓜瓤都當(dāng)作廢棄物,造成大量的資源浪費(fèi),籽瓜屬低糖瓜類,籽瓜瓜瓤不僅含有較多的鉀、鈣、鐵、鋅等微量元素,還富含維生素B,維生素E和18種氨基酸[3],籽瓜中果膠含量高達(dá)10%～16%[4],果膠在乳品工業(yè)[5]、果蔬保鮮[6]等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用,市場需求巨大[7-10]。果膠分高脂果膠和低脂果膠,低脂果膠由高脂果膠脫脂而得到,所以低酯果膠的售價更高,籽瓜果膠是天然的低酯果膠[11],所以籽瓜有望成為生產(chǎn)低酯果膠的原料之一。

果膠提取方法一般有酸法萃取、離子交換法、微生物法和草酸銨提取法,其中最常用的方法是酸法提取[12]。酸法提取存在多糖[13]、色素[14]等共提取的現(xiàn)象,造成果膠純度較低的問題,為了提高果膠的純度可采用新型綠色萃取劑離子液體進(jìn)行提取[15]。

離子液體具有良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、蒸汽壓低和可以設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn),被稱為“綠色”溶劑[16]。超聲波輔助提取技術(shù)在果膠提取中應(yīng)用廣泛,田玉霞[17]、羅靜[18]等的研究表明該技術(shù)有助于提高果膠的提取效率。將離子液體作為提取劑采用超聲輔助提取[19],可較好地發(fā)揮離子液體與超聲技術(shù)的優(yōu)勢,為籽瓜中果膠的提取提供了新方法。

本實(shí)驗(yàn)采用超聲輔助離子液體法對籽瓜中果膠的提取效果進(jìn)行研究,通過Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析,獲得提取效果較好的工藝條件,為籽瓜副產(chǎn)品深加工的開發(fā)與利用提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

籽瓜 采自新疆塔城產(chǎn)區(qū);D-半乳糖醛酸(標(biāo)準(zhǔn)品) 上海信裕生物科技有限公司;咔唑(化學(xué)純) 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;無水乙醇(分析純) 利安隆博華(天津)醫(yī)藥化學(xué)有限公司;濃硫酸(優(yōu)級純) 四川西隴化工有限公司;離子液體(1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([Bmim]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑溴鹽([Bmim]Br)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([Bmim][BF4])、1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽([Emim]Cl)、1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽([Emim]Br)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([Emim][BF4])) 甘肅化學(xué)物理研究所。

KH-500DE超聲波清洗器 昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司;TG L-16G型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;BP211D型電子天平 德國賽多利斯;UV-2401紫外-可見光分光光譜儀 日本島津公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 果膠提取方法 將籽瓜皮和瓤放入溫度為105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中滅酶5 min后于 60 ℃烘箱中烘干,用粉碎機(jī)粉碎至 40目,稱取5 g籽瓜粉,根據(jù)馮洪建[20]等的研究選擇離子液體濃度為1 mol/L,分別以1 mol/L的1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([Bmim]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑溴鹽([Bmim]Br)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([Bmim][BF4])、1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽([Emim]Cl)、1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽([Emim]Br)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([Emim][BF4])6種離子液體水溶液為提取劑進(jìn)行不同條件下的超聲輔助離子液體提取。

1.2.2 半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 稱取10 mg半乳糖醛酸,溶于蒸餾水并定容至100 mL,配制成100 μg/mL的半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于6支具塞試管,定容到1 mL,加入0.2 mL的咔唑-乙醇溶液(1.5 g/mL)產(chǎn)生白色沉淀,再加入6 mL濃硫酸,混勻后將試管置于85 ℃水浴加熱10 min,取出冷卻15 min并在波長530 nm處測定反應(yīng)液的吸光度值。以半乳糖醛酸含量(μg)為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo),繪出標(biāo)準(zhǔn)曲線,得回歸方程Y=0.00836X-0.02229,相關(guān)系數(shù)R2=0.99892。

1.2.3 樣品的測定 提取液經(jīng)2000 r/min離心分離15 min后,移取1 mL上清液置于具塞試管,按標(biāo)準(zhǔn)曲線的操作步驟進(jìn)行測定,重復(fù)三次取平均值。

1.2.4 半乳糖醛酸含量的計(jì)算 根據(jù)溶液吸光度值,在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出對應(yīng)的半乳糖醛酸質(zhì)量,計(jì)算提取液中果膠含量[22],以生成半乳糖醛酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)表示。計(jì)算公式:

式中:m1:從標(biāo)準(zhǔn)曲線中查得半乳糖醛酸的質(zhì)量,μg;m2:樣品質(zhì)量,g;V1:樣品提取液總體積,mL;V2:測定時所取樣品提取液體積,mL。

1.3 提取條件的優(yōu)化

提取條件單因素水平:提取劑為1 mol/L的六種離子液體[Bmim]Br、[Bmim]Cl、[Emim]Br、[Bmim][BF4]、[Emim][BF4]、[Emim]Cl;料液比為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(g/mL);超聲時間為10、20、30、40、50 min;超聲功率為100、200、300、400、500 W;超聲溫度為50、60、70、80、90 ℃，其中固定因素為超聲時間30 min，功率300 W，溫度70 ℃，料液比1∶20 g/mL。在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了四因素三水平實(shí)驗(yàn)對提取條件進(jìn)行全面考察。

1.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上選擇對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大的因素水平,根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理采用四因素三水平的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),對超聲輔助離子液體提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,并建立響應(yīng)回歸模型,因素與水平設(shè)計(jì)見表1。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,半乳糖醛酸含量取平均值。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Variables and experimental design levels for response surface

1.5 數(shù)據(jù)處理

以上實(shí)驗(yàn)每組均重復(fù)三次,單因素中均取3次平行實(shí)驗(yàn)的平均值進(jìn)行分析作圖,采用Sigma Plot 12.5軟件作圖;響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Design-Expert V8.0.6軟件分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 離子液體對半乳糖醛酸含量的影響 如圖1,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,[Bmim]Cl提取出的果膠提取液中半乳糖醛酸的含量最高,因此選擇[Bmim]Cl的水溶液為提取劑。6種離子液體中的陰離子結(jié)構(gòu)相同時,陽離子對果膠中半乳糖醛酸含量影響的大小是[Bmim]+>[Emim]+。陽離子結(jié)構(gòu)相同,陰離子對果膠提取率影響的大小關(guān)系是Cl->[BF4]->Br-。由于果皮中Ca2+,Mg2+通過離子鍵與果膠結(jié)合,對果膠有封閉作用。不同離子結(jié)構(gòu)與Ca2+,Mg2+的結(jié)合力存在差異[21],造成果膠的水解和純度不同,選擇與Ca2+,Mg2+結(jié)合力強(qiáng)的[Bmim]Cl,增大果膠的溶解度,從而提高果膠半乳糖醛酸含量。

圖1 離子液體對半乳糖醛酸含量的影響Fig.1 Effect of ionic liquid on the content of galacturonic acid

2.1.2 料液比對半乳糖醛酸含量的影響 由圖2可得,當(dāng)料液比增加時,果膠的半乳糖醛酸含量明顯升高;當(dāng)料液比1∶20 (g/mL)時,半乳糖醛酸含量最高,而后下降;料液比越小,溶劑不足,無法完全提取出果膠,料液比越大,溶劑用量越大,后續(xù)濃縮工藝難度加大,成本增加。因此選擇料液比為1∶20 (g/mL)。

圖2 料液比對半乳糖醛酸含量的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the content of galacturonic acid

2.1.3 超聲時間對半乳糖醛酸含量的影響 由圖3,提取時間前40 min內(nèi),隨著提取時間增加,果膠中半乳糖醛酸含量逐漸增加,40 min之后,半乳糖醛酸含量略微下降。提取時間過長,會使部分游離的果膠水解,造成果膠半乳糖醛酸含量降低,因此選擇超聲提取時間為40 min。

圖3 提取時間對半乳糖醛酸含量的影響Fig.3 Effect of extraction time on galacturonic acid content

2.1.4 超聲功率對半乳糖醛酸含量的影響 由圖4可知,當(dāng)超聲功率增加時,果膠的半乳糖醛酸含量明顯升高;當(dāng)超聲功率達(dá)到300 W時,半乳糖醛酸含量最大,而后趨于平穩(wěn);微波功率小,升溫速度慢,果膠提取不完全;功率過大,加熱不均,促使局部過熱,發(fā)生劇烈沸騰,造成溶劑大量損失及能源浪費(fèi),且半乳糖醛酸含量趨于平穩(wěn)。所以選擇超聲功率為300 W。

圖4 超聲功率對半乳糖醛酸含量的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on the content of galacturonic acid

圖5 超聲溫度對半乳糖醛酸含量的影響Fig.5 Effect of ultrasonic temperature on the content of galacturonic acid

2.1.5 超聲溫度對半乳糖醛酸含量的影響 由圖5可知,隨著溫度的升高,分子熱運(yùn)動加劇,溶劑和溶質(zhì)擴(kuò)散能力加強(qiáng),從而加速提取過程,果膠半乳糖醛酸含量明顯增加。溫度在50～70 ℃范圍內(nèi),果膠提取率逐漸增大,70 ℃后趨于平緩。溫度過高,果膠顏色變?yōu)楹稚?對品質(zhì)有所影響。因此選擇提取溫度為70 ℃。

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 二次回歸方程數(shù)學(xué)模型建立 固定1 mol/L[Bmim]Cl水溶液為提取劑,以超聲功率(A)、超聲時間(B)、超聲溫度(C)、料液比(D)為自變量,半乳糖醛酸含量為響應(yīng)值設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)分析,其結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Box-Behnken response surface design and results of the experiment

表3 回歸模型顯著性與方差分析Table 3 Regression model significance and variance analysis

注:**表示極顯著(p<0.01),*表示顯著(0.01

采用Design Expert 8.0.5數(shù)據(jù)分析軟件對表中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,得到半乳糖醛酸含量(Y)與超聲時間(A)、超聲功率(B)、超聲溫度(C)和料液比(D)4個因素的數(shù)學(xué)回歸模型如下:

Y(%)=81.02-5.29A+3.22B+4.67C+3.52D+3.43 AB+1.65AC+5.5AD+4.57BC-3.7BD-1.9CD-1.09A2-3.08B2-11.81C2-6.23D2

對此回歸模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表3所示。

由表3可知,該模型的F=50.26,p<0.0001,表明回歸模型極顯著;失擬項(xiàng)的F值為0.26,p為0.9621說明失擬項(xiàng)不顯著;決定系數(shù)R2為0.9805,說明該模型的擬合性較好,可以用此模型來分析和預(yù)測超聲輔助離子液體提取籽瓜果膠的提取效果。

2.2.2 響應(yīng)面圖分析 應(yīng)用 Design-Expert軟件對表3作回歸分析,得到響應(yīng)面圖。

圖6～圖11是根據(jù)回歸方程繪制出的各因素交互作用的響應(yīng)面圖,反映了各因素在提取過程中對響應(yīng)值的影響,其投影為等高線圖。響應(yīng)面坡度的陡峭程度直觀地反映了各因素對響應(yīng)值的影響程度,料液比和超聲時間之間交互作用對應(yīng)的響應(yīng)面曲線變化陡峭(圖8),交互作用最強(qiáng),結(jié)合表3方差分析可知料液比和超聲時間之間交互作用對半乳糖醛酸含量的影響極為顯著(p<0.01),AB、BC和BD的影響顯著(p<0.05),而AC和CD的影響不顯著(p>0.05),圖7和圖11對應(yīng)的曲線較為平緩;結(jié)合回歸方程分析與響應(yīng)面圖可得最佳工藝為離子液體([Bmim]Cl)濃度1 mol/L、超聲功率306 W、超聲時間40.86 min、提取溫度71.23 ℃、料液比為1∶20(g/mL)在此條件下,果膠提取液中半乳糖醛酸含量為82.89%。

圖6 超聲功率和超聲時間之間的交互作用Fig.6 Interaction between ultrasonic power and ultrasonic time

圖7 超聲溫度和超聲時間之間的交互作用Fig.7 Interaction between ultrasonic temperature and ultrasonic time

圖8 料液比和超聲時間之間的交互作用Fig.8 Interaction between feed liquid ratio and ultrasonic time

圖9 超聲溫度和超聲功率之間的交互作用Fig.9 Interaction between ultrasonic temperature and ultrasonic power

圖10 料液比與超聲功率之間的交互作用Fig.10 Interaction between feed liquid ratio and ultrasonic power

圖11 料液比與超聲溫度之間的交互作用Fig.11 Interaction between liquid ratio and ultrasonic temperature

2.2.3 提取工藝參數(shù)與驗(yàn)證 根據(jù)響應(yīng)面法所得的提取工藝,考慮到實(shí)際生產(chǎn),將工藝參數(shù)調(diào)整為離子液體([Bmim]Cl)濃度1 mol/L、超聲功率300 W、超聲時間40 min、提取溫度70 ℃、料液比為1∶20 (g/mL),為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,采用上述參數(shù)進(jìn)行模型驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。所得籽瓜皮果膠中半乳糖醛酸含量平均值為82.88%,與理論預(yù)測值擬合較好,可見該模型能較好地模擬與預(yù)測提取工藝條件對果膠中半乳糖醛酸含量的影響。

表4 提取液中半乳糖醛酸含量的測定(%,n=5)Table 4 Determination of galacturonic acid content in extract(%,n=5)

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)選用超聲輔助離子液體的方法探索提取籽瓜果膠的適宜條件,考察了離子液體種類、料液比、超聲時間、超聲功率和超聲溫度對提取的果膠中半乳糖醛酸含量的影響。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn),六種咪唑類離子液體提取籽瓜中的果膠最合適的提取條件是:離子液體([Bmim]Cl)濃度1 mol/L、超聲功率300 W、超聲時間40 min、提取溫度70 ℃、料液比為1∶20 (g/mL)。在此條件下,得到果膠半乳糖醛酸含量為82.88%,這與李明英[23]研究離子液體相比于甲醇等常規(guī)溶劑在天然產(chǎn)物提取應(yīng)用時,離子液體對植物細(xì)胞壁具有更強(qiáng)的破壞能力,故其對天然活性物質(zhì)的提取效率也就更高的結(jié)論相符合。所提取果膠符合半乳糖醛酸含量>65%的標(biāo)準(zhǔn)[23],超聲輔助離子液體表現(xiàn)出了良好的提取效果,為超聲輔助離子液體提取籽瓜中的果膠提供了依據(jù)。

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Optimization of sonication - assisted extraction of pectin from seed melon by response surface methodology

AN Shi-hao1,ZHAO Fang-fang1,WEI Jia2,SUN Li-na3,WU Bin2，*

(1.Institute of Food Science and Pharmaceutical Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2.Institute of Agricultural Products Storage and Processing,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumqi 830091,China; 3.Agricultural Mechanization Institute,Xinjiang Academy of Agricultural Science,Urumqi 830091,China)

In order to explore the effect of response surface methodology on the extraction purity of seed pectin,the extraction of pectin from seed water melon by ionic liquid was studied with ultrasonic extraction. The effects of ultrasonic power,ultrasonic time,extraction temperature on the content of galacturonic acid in pectin extract were investigated by response surface design. The optimum conditions were as follows:1 mol/L 1-butyl-3-methylimidazolium chloride([Bmim]Cl)as extraction agent,ultrasonic power of 300 W,ultrasonic time of 40 min,extraction temperature of 70 ℃。And the ratio of material to liquid was 1∶20 (g/mL). The theoretical value of galacturonic acid content in extracted pectin was 82.42% and the measured value was 82.89%. The actual measured value was in accordance with the theoretical calculation. And this research provide the theoretical basis for comprehensive utilization of seed watermelon resources.

seed melon;ionic liquid;ultrasonic extraction;response surface;galactose

2016-12-23

安仕豪(1991-)，男， 碩士研究生， 研究方向：農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工， E-mail:929256618@qq.com。

*通訊作者:吳斌(1973-)，男，博士， 研究員， 研究方向：農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工， E-mail:xjuwubin0320@sina.com。

新疆自治區(qū)級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng);籽瓜中瓜氨酸的分析表征和提取工藝研究(KY2013045)。

TS255.1

B

1002-0306(2017)11-0270-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.043