響應面優(yōu)化微波輔助加熱酸法提取果膠工藝*

鄭一南,宋小利,付玉秀,龐亞明,高立國

(榆林學院 化學與化工學院,陜西 榆林 719000)

果膠類物質存在于植物的細胞壁之間,主要形態(tài)有原果膠、果膠和果膠酸,能夠起到降血糖[1]、增強免疫力[2]、抗菌[3]、保護腸道[4]及連接和保護細胞的作用[5]。有研究表明,果膠含量最高的物質為植物的果實,大多數(shù)的果膠都是從柑橘皮類和蘋果渣等物質中提取,蘋果果膠是第二大商品果膠來源。中國是蘋果生產(chǎn)大國[6],與蘋果相關的產(chǎn)業(yè)盛行。很多果渣被浪費,造成環(huán)境污染,而果渣中含有果膠較多且易提取。果膠是純天然無毒的酸性雜多糖,由于提取方法、來源不同,使其具有結構多樣性[7],提取果膠的方法主要有水提法[8-9]、酸提法[10-11]、堿提法[12-13]、酶提法[14]。其中酸提法[15]最為普遍,常輔以微波[16]和超聲[17]提高提取效率,但是目前提取效率依舊不高,且超聲輔助成本較高,而且工業(yè)上采取如鹽酸和硫酸提取容易造成水體污染和設備的腐蝕,硫酸根離子的去除也非常困難[18],采用檸檬酸不僅可以規(guī)避以上問題,同時也可以防止果膠凝聚[19],其作為一種不受任何限制的安全材料[20],很適合作為提取溶劑。

微波是一種通過頻率為3×103～3×105MHz的電磁波,能夠穿透萃取媒質,到達待萃取物的內部,使被萃取的成分加速向萃取溶劑擴散,加快萃取速率[21-22]。其萃取效率高、純度高、能耗小、環(huán)保的特點可用于果膠行業(yè)。對提取工藝進行以單因素實驗為基礎、響應面法為輔助的進一步優(yōu)化,改善果膠的提取效率。

利用響應面法優(yōu)化微波輔助加熱檸檬酸提法鮮有報道,作者以蘋果渣為原料,以安全溶劑檸檬酸作為提取溶劑,輔以微波輻射加熱方法,以果膠的提取率作為參考指標,在以單因素實驗為基礎,響應面法優(yōu)化的方法為進階的條件下,確定最佳的提取條件。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑與儀器

蘋果:榆林區(qū)農(nóng)貿(mào)市場。

檸檬酸、鹽酸、無水乙醇:體積分數(shù)95%,分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司。

微孔濾膜、25.4 mm孔徑篩網(wǎng):上海市新亞凈化器件廠;pH精密試紙:沈陽富陽特種紙業(yè)有限公司;微波發(fā)生器:上海精密科學儀器有限公司;電子天平:沈陽龍騰電子有限公司;恒溫干燥箱:DHG-9023A,天津市通利信達儀器廠;離心機:800X,多功能攪拌機:JYL-B052,浙江紹興蘇泊爾生活電器有限公司;循環(huán)水真空泵:SHZ-D,河南省予華儀器有限公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋:HH-2,金壇市丹陽門石英玻璃廠;智能磁力攪拌器:ZNCL-TS,鄭州杜甫儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 蘋果預處理方法

用鹽水對蘋果進行擦洗,切成塊狀去除果蒂果核,放入榨汁機中榨汁,用紗布擠壓得到果渣去除汁液,再將果渣置于85 ℃的水中煮15 min,用35 ℃的溫水清洗,于75 ℃的恒溫干燥箱中干燥至質量恒定,用25.4 mm孔徑篩網(wǎng)過濾,將得到的果渣用密封袋密封后放在冰箱中4 ℃保存。

1.2.2 果膠提取方法

稱取10 g果渣放入錐形瓶中,加入檸檬酸溶液攪拌均勻。調節(jié)溶液pH值后,置于恒溫水浴中,907 W微波輻射輔助水解7.14 min[23]。抽濾水解液,混合13 mL無水乙醇攪拌均勻,室溫下靜置,直至果膠沉淀。n=4 500 r/min離心10 min,收集沉淀物,用無水乙醇充分洗滌后攤鋪在表面皿上,于75 ℃的恒溫干燥箱中干燥至質量恒定,取出稱量,根據(jù)公式(1)計算果膠提取率。

(1)

式中:m1為干燥后果膠質量,g;m為蘋果渣質量,g。

1.2.3 果膠提取單因素實驗

實驗運用單因素法逐步研究果膠提取實驗中V(檸檬酸)∶m(果渣)(以下簡稱液料比)、pH值、水解溫度和水解時間分別對果膠提取率的影響,實驗方法與1.2.2相同,每組實驗重復3次。

1.2.4 響應面法優(yōu)化實驗

實驗采用Box-Benhnken Design方法進行設計,建立模型,利用響應面分析單因素實驗數(shù)據(jù)。以液料比(A)、pH值(B)、水解溫度(C)和水解時間(D)為影響因子,均選擇3個水平,建立四因素三水平的響應面實驗,因素水平見表1,在最佳單因素實驗條件的基礎上,共進行了29組實驗,以果膠提取率的大小為響應值,采用響應面法進行分析。

表1 因素水平表

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

各單因素對果膠提取率的影響見圖1。

液料比/(mL·g-1)a 液料比

由圖1a可知,果膠提取率隨液料比的增加而增加,最大提取率為17.5%,此時液料比為30 mL/g。液料比大于25 mL/g,果膠提取率變化不大。由圖1b可知,pH=1.0～2.0,果膠提取率隨pH值的增加而增加;pH=2.0,最大提取率為17.4%;pH>2.0,果膠提取率隨pH值的增加而減少。這是因為pH值的增加使酸的含量降低,不足以破壞蘋果渣中原果膠與纖維素等結構的連接,果膠不能充分溶解,提取率減少。因此,pH=2.0為最佳。由圖1c可知,水解溫度低于90 ℃,果膠提取率隨溫度的增加而增加,最大提取率為17.5%。水解溫度高于90 ℃,果膠提取率卻隨溫度的增加而減少。溫度過高會破壞果膠本身結構,溫度過低則易水解不完全,所以最佳水解溫度選擇90 ℃。由圖1d可知,在其他條件固定不變的情況下,果膠提取率隨水解時間的增加而增加,水解時間為3.0 h,果膠的最大提取率為18.1%;水解時間超過1.5 h,果膠提取率增加不多,這是因為果膠長時間被熱酸溶液水解,導致其部分被分解,所以水解時間最好選擇1.5 h。

2.2 響應面法實驗

2.2.1 響應面法實驗結果

運用Box-Behnken Design方法在單因素實驗的基礎上優(yōu)化果膠的提取條件,實驗設計及結果見表2,方差回歸分析及顯著性檢驗見表3。

表2 Box-Behnken實驗設計及結果

表3 方差回歸分析及顯著性檢驗1)

數(shù)學回歸模型決定系數(shù)R2=0.998 5,證明該模型與實際實驗擬合較好,能作為實際實驗的理論預測。F值表示對各因素之間的影響程度,F值越大影響程度越大,由表3可知,4個因素對響應值果膠提取率的影響順序依次為pH值>水解溫度>液料比>水解時間。

2.2.2 響應面法實驗分析及優(yōu)化

將液料比、pH值、水解溫度、水解時間4個影響因素兩兩交互,用Design-Expert 13軟件中的Optimization功能對其分別繪制3D響應面圖和平面等高線圖,結果見圖2～圖7。

a 響應面

a 響應面

a 響應面

a 響應面

a 響應面

a 響應面

由等高線圖可知,各因素之間的交互作用均為極顯著,與數(shù)學回歸模型的顯著性檢驗結果相同。由三維圖可知,果膠提取率隨影響因素的升高均發(fā)生變化,均為先增大后減小,并通過Design-Expert 13軟件預測了最佳實驗條件?；趯嶒灁?shù)據(jù),預測出的最佳實驗條件為液料比25.42 mL/g,pH=1.95,水解溫度90.41 ℃,水解時間1.43 h,微波輻射功率600 W,輻射時間4 min,果膠提取率的理論響應值為18.05%,高于傳統(tǒng)微波法[24](12.9%)、傳統(tǒng)酸法[25](12.45%)、酶法[26](11.34%)。表明微波輔助加熱酸提法提取蘋果渣中果膠能夠獲得較高的果膠提取率,實際應用價值較高,能夠為蘋果渣的深加工提供新的解決方案。

為了數(shù)據(jù)的可靠性,設置重復實驗,條件為水解溫度90.41 ℃,水解時間1.43 h,微波輻射功率907 W,輻射時間7.14 min,進行3次重復實驗,果膠提取率分別為18%、18.05%、17.9%,說明該結果具有實際可操作性。

3 結 論

通過單因素實驗得到各因素對果膠提取率的影響范圍,再用響應面法得到最佳的果膠提取實驗條件為液料比25.42 mL/g,pH=1.95,水解溫度90.41 ℃,水解時間1.43 h,微波功率907 W,微波輻射時間7.14 min,果膠的提取率為18.05%。采用響應面法優(yōu)化微波輔助加熱酸提法提取蘋果渣中的果膠,果膠提取率相比傳統(tǒng)方法提升較高,提取工藝參數(shù)可靠,具有實際可操作性。實驗中采用了檸檬酸作為提取溶劑,兼顧環(huán)保安全等特點,可為蘋果產(chǎn)區(qū)果渣浪費等問題提供可靠的解決方法。實驗中不同的果渣來源,也可能會對果膠提取率產(chǎn)生影響,后續(xù)還可對果膠進行分離純化,研究其結構組成及在食品中的應用。