響應(yīng)面法對(duì)山竹殼中果膠提取條件的優(yōu)化

劉曉雨，李立國(guó)，朱亮亮，馬朝紅

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院（吉林 132101）

果膠屬于一種親水性植物膠，主要成分是半乳糖醛酸，廣泛存在于高等植物的根、莖、葉、果實(shí)的細(xì)胞壁中。果膠在醫(yī)藥、食品和化妝品工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。果膠在預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化方面有一定效果，同時(shí)可以凈化體內(nèi)的細(xì)菌和鉛、汞等重金屬及放射性元素，對(duì)調(diào)節(jié)餐后血糖上升也具有輔助作用等[1]。商品果膠主要以柑橘皮、蘋果渣等為原料生產(chǎn)，我國(guó)果膠需求量的80%需要進(jìn)口，而進(jìn)口果膠的價(jià)格遠(yuǎn)高于國(guó)產(chǎn)果膠，因此，大力開發(fā)中國(guó)果膠生產(chǎn)顯得愈加重要[2]。

山竹（Garcinia mangostanaL.）屬藤黃科藤黃屬。山竹果實(shí)中果肉呈白色瓣?duì)?，可食用。果殼呈深紫色或紅紫色，厚6～10 mm，約占整果質(zhì)量的70%。近年，以山竹整果、果肉為原料的功能產(chǎn)品增長(zhǎng)迅速，山竹類產(chǎn)品僅在美國(guó)就有超過(guò)每年2億美元的市場(chǎng)[3]。但是對(duì)于山竹果殼的利用程度很低，只是粗略處理后制成活性炭、微纖維乳化穩(wěn)定劑等新型工業(yè)產(chǎn)品，沒有發(fā)揮其最大功效，造成極大浪費(fèi)。所以，對(duì)于山竹殼的深入開發(fā)利用必定具有商業(yè)價(jià)值。

試驗(yàn)探究用酸提取法從山竹殼中提取果膠的主要因素，并通過(guò)響應(yīng)面分析法優(yōu)化最佳提取工藝條件，為進(jìn)一步開發(fā)利用其價(jià)值提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山竹（市售）；D-半乳糖醛酸標(biāo)品（純度＞93%，Sigma）；咔唑（分析純，中國(guó)國(guó)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司）。

1.2 方法

1.2.1 果殼的預(yù)處理

山竹果殼切小塊，加入沸水中浸泡5～10 min，以滅活果膠酶。蒸餾水漂洗后自然風(fēng)干，放入電熱恒溫鼓風(fēng)中在60 ℃下烘干，研磨，并過(guò)孔徑0.850 mm篩[4]，得到山竹果殼粉，備用。

1.2.2 果膠的提取與沉淀

稱取山竹殼粉3.0 g于燒杯中，加入適當(dāng)鹽酸溶液。調(diào)節(jié)適當(dāng)溫度，提取一定時(shí)間。趁熱抽濾，洗滌濾渣。取抽濾瓶中的濾液倒入燒杯中。加入適量活性炭脫色即得到果膠提取液。

95%乙醇加入果膠提取液，并保證持續(xù)攪拌。穩(wěn)定后靜置0.5～1 h，待出現(xiàn)膠態(tài)黏稠狀物質(zhì)。抽濾，即得粗果膠。將所得的粗果膠放入50 ℃干燥箱內(nèi)干燥，直至水分達(dá)到5%以下。得到山竹殼果膠成品。

1.2.3 半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制[5-6]

精確稱取D-半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)品0.100 0 g，溶解于水中，定容至100 mL。取0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0和9.0 mL分別注入10 mL容量瓶，定容得一組半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液（質(zhì)量濃度0，10，20，30，40，50，60，70，80和90 μg/mL）。取10支50 mL比色管加入1 mL不同質(zhì)量濃度的半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別沿比色管壁加入6 mL濃H2SO4混勻，置于沸水浴中反應(yīng)20 min，冰浴降至室溫。最后加入質(zhì)量濃度為0.15%咔唑-乙醇溶液0.5 mL，搖勻靜放在暗處顯色1 h，在λ=528 nm處測(cè)定其吸光度，每組試驗(yàn)平行3次。以x（半乳糖醛酸質(zhì)量濃度）為橫坐標(biāo)，y（吸光度）為縱坐標(biāo)，繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線。

由圖1可知，半乳糖醛酸溶液的線性方程為y=0.041 5x-0.018，R2=0.999 1，表明半乳糖醛酸的含量在10～90 μg/mL范圍內(nèi)有良好線性關(guān)系。

圖1 果膠含量標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.2.4 山竹殼果膠提取率測(cè)定

稱取獲得的果膠樣品蒸餾水復(fù)溶后，精密移取一定體積稀釋，稀釋液按圖1標(biāo)準(zhǔn)曲線制備方法平行測(cè)定3次吸光度，按式（1）計(jì)算山竹殼果膠提取率[7]。

果膠提取率=C×V×N/（106×W）×100% （1）

式中：C為樣品的半乳糖醛酸質(zhì)量濃度，μg/mL；V為果膠總體積，mL；N為稀釋倍數(shù)；W為山竹殼粉質(zhì)量，g。

1.2.5 果膠提取單因素試驗(yàn)

設(shè)置不同梯度的提取溫度（40，50，60，70和80 ℃）、pH（1.0，1.5，2.0，2.5和3.0）、提取時(shí)間（0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 h）和液料比（V（酸解液）∶m（山竹殼粉）=10∶1，15∶1，20∶1，25∶1和30∶1 mL/g），以果膠提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察提取溫度、pH、提取時(shí)間及液料比對(duì)果膠提取的影響。

1.2.6 果膠提取條件優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件程序根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以提取溫度（A）、pH（B）、提取時(shí)間（C）及液料比（D）為影響因素，果膠提取率（Y）為響應(yīng)值，對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化（表1）。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 山竹果膠提取單因素試驗(yàn)

2.1.1 酸度對(duì)果膠提取率的影響

由圖2可以看出，pH 1.5左右時(shí)果膠的提取率最大。pH過(guò)低，酸性較強(qiáng)，原果膠水解過(guò)于強(qiáng)烈，果膠脫酯裂解[8]，使得果膠的提取率偏低。pH過(guò)高，酸性減弱時(shí)，果膠的穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致果膠分解成果膠酸，使提取率降低[9]。

圖2 提取液pH對(duì)果膠提取率的影響

2.1.2 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響

由圖3可以看出，70 ℃左右時(shí)果膠提取率最大。溫度偏低，水解速度較慢，使提取效果不徹底，提取率偏低。溫度過(guò)高，由于果膠的耐熱性[10]較差，導(dǎo)致果膠的結(jié)構(gòu)本身被破壞[11]，使果膠的提取率降低。

圖3 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

由圖4可以看出，加熱1.5 h左右時(shí)果膠提取率最大。加熱時(shí)間過(guò)短，果膠水解不徹底，提取率低。加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)，果膠會(huì)發(fā)生解酯、裂解[12]導(dǎo)致提取率降低。

圖4 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

2.1.4 液料比對(duì)果膠提取率的影響

由圖5可以看出，液料比＞20∶1（mL/g），提取率趨于平衡。這是因?yàn)橐毫媳容^小時(shí)，溶液的黏度較大，分子擴(kuò)散速度低，提取率小，同時(shí)葉片中果膠含量與酸解程度相當(dāng)，反應(yīng)趨于平衡，提取率不再變化。

圖5 液料比對(duì)果膠提取率的影響

2.2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件，建立二次響應(yīng)面回歸模型，以果膠提取率Y為響應(yīng)值進(jìn)行二次多元回歸擬合，得回歸模型：Y=14.86+0.26A+0.40B+0.12C+0.29D-0.20AB-0.038AC-0.18AD-0.50BC-0.29BD+0.21CD-1.12A2-1.22B2-1.29C2-0.75D2。

2.2.2 山竹殼果膠提取條件響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果

以提取溫度（A）、pH（B）、提取時(shí)間（C）及液料比（D）為影響因素，以果膠提取率（Y）為響應(yīng)值，對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化。Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3。

表2 Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

由表3可知，模型的p＜0.000 1，表示回歸模型的方差關(guān)系是顯著的。失擬項(xiàng)的p=0.051 5＞0.05，表示方程與實(shí)際擬合中非正常誤差所占比例小，回歸方程的關(guān)系是好的。R2=0.983 9，表示響應(yīng)值的變化有98.39%來(lái)源于所選因素，表明模型擬合度較好?；貧w模型一次項(xiàng)A、B、D對(duì)果膠提取率影響極顯著，C對(duì)果膠提取率影響顯著；交互項(xiàng)BC、BD影響極顯著，交互項(xiàng)AB、CD影響顯著，其余不顯著；二次項(xiàng)均達(dá)到極顯著水平，說(shuō)明各因素對(duì)響應(yīng)值的影響較為復(fù)雜，并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。響應(yīng)曲面圖可以描述各因素間的相互作用，見圖2～圖5。響應(yīng)曲面坡度越陡峭，表明響應(yīng)值對(duì)于操作條件的改變?cè)矫舾衃13]，且其中心位于所考察區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明在考察區(qū)域范圍內(nèi)存在最大響應(yīng)值。通過(guò)軟件響應(yīng)面分析優(yōu)化得到果膠提取最佳工藝條件為提取溫度70.50 ℃、pH 1.56、提取時(shí)間1.53 h、液料比20.67∶1（mL/g）。此時(shí)果膠提取率為14.92%?？紤]到實(shí)際操作，修正條件為提取溫度70℃、pH 1.5、提取時(shí)間1.5 h、液料比20∶1（mL/g）。進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，得到果膠提取率均值為14.56%。

表3 回歸方程方差分析

圖6 液料比、pH、提取溫度及提取時(shí)間交互作用對(duì)果膠提取率的響應(yīng)面及等高線

3 結(jié)論

試驗(yàn)采用酸提取法提取山竹殼中果膠，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化提取工藝。結(jié)果表明，采用響應(yīng)面法所得到的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂煽?，具有一定?shí)用和參考價(jià)值，其優(yōu)化的提取工藝條件為提取溫度70 ℃、pH 1.5、提取時(shí)間1.5 h、液料比20∶1（mL/g）。果膠提取率為14.56%，與理論值14.92%較接近，方法可行。