微波辅助法提取胭脂萝卜果胶的响应面分析

阳 晖，胡本金

（长江师范学院生命科学与技术学院，重庆涪陵408100）

胭脂萝卜又名涪陵红心萝卜，系十字花科萝卜属萝卜种下的一个地方品种，是重庆市涪陵区的一种特产农产品[1]。胭脂萝卜加工主要是提取胭脂萝卜色素、腌渍泡菜和加工胭脂萝卜干为主。经调查，在提取出胭脂萝卜红色素之后，胭脂萝卜就只能做泡菜、甚至喂猪的原料，未能充分的开发利用，资源浪费严重[2]。

目前，我国果胶的资源丰富，百合、菠萝、南瓜、柑桔、芦荟、柚子皮、仙人掌、苹果皮渣和萝卜等都含有大量的果胶，已经成为具有工业化生产价值的主要原料[3-5]。有关果胶的提取方法已有许多文献报道过，常用的方法有铝盐盐析法[6]、离子交换法[7]、微生物法[8]等。提取时间一般要求在1h以上，由于高温和长时间加热，原料中的果胶不可避免地会产生变性和分解破坏，且提取的果胶数量和质量也不理想。微波是一种频率为300MHz～300GHz的电磁波，用于天然成分的提取，选择性强、操作时间短、溶剂耗量小、目标组分得率高，并且能极大限度的保留分离组分的天然活性[9]。

本实验以胭脂萝卜为原料，采用微波辅助法提取胭脂萝卜中的果胶，并对其可行工艺进行优化，确定其最佳工艺及工艺参数，旨在探索出一种最大限度提取优质的胭脂萝卜果胶的方法，为胭脂萝卜的规模化开发利用提供新的方法和思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

胭脂萝卜 购于重庆涪陵农贸市场；无水乙醇、盐酸和活性炭 分析纯。

JJ-2型组织捣碎机 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；DZ5-2型离心机 北京京立离心机有限公司；SG2型pH计 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；CS101-2ABN型电热鼓风干燥箱 重庆市永生实验仪器厂；RV10BS25型旋转蒸发仪 德国IKA公司；WP700型微波炉 佛山市顺德区格兰仕微波炉有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 胭脂萝卜→灭酶→漂洗→干燥→粉碎→盐酸萃取→微波加热→过滤→脱色→滤液浓缩→冷却→醇沉→离心→干燥→果胶。

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 灭酶 将新鲜胭脂萝卜洗净后，切成块状在95℃，灭酶10min[10]。

1.2.2.2 漂洗 用40～50℃温水漂洗8～10次，直到漂洗液颜色呈浅色。

1.2.2.3 干燥粉碎 用纱布挤压漂洗后的胭脂萝卜，除去部分水分后置于50℃，干燥18～20h。然后粉碎，过40目筛，备用。

1.2.2.4 过滤 将加热后的提取液用8层纱布趁热过滤，再抽滤，得到半透明状果胶粗提液。

1.2.2.5 脱色 在果胶提取液中加入5%活性炭，于60℃，脱色10min。然后4000r/min，10min离心除去活性炭，收集滤液[11]。

1.2.2.6 滤液浓缩 将果胶粗提液进行蒸发浓缩。温度控制在60～70℃，浓缩比为3∶1。

1.2.2.7 醇沉 待浓缩液冷却后，加入约原体积的1倍的95%乙醇，使酒精浓度达50%～60%，静置1h，在5500r/min离心10min后，沉淀用无水乙醇洗涤2次。

1.2.3 微波法提取胭脂萝卜果胶单因素实验

1.2.3.1 不同pH对胭脂萝卜果胶提取率的影响 在微波功率400W、液料比为25∶1、微波加热时间为7min的条件下，研究不同pH（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5）的盐酸萃取液的对胭脂萝卜中果胶提取率的影响。

1.2.3.2 不同料液比对果胶提取率的影响 在盐酸萃取液pH为2.0、微波功率为400W、微波加热时间为7min的条件下，研究不同液料比（15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1（v∶m））对胭脂萝卜中果胶提取率的影响。

1.2.3.3 不同微波功率对果胶提取率的影响 在萃取液pH为2.0、液料比为25∶1、微波加热时间为7min的条件下，研究不同微波功率（300、400、500、600、700、800W）对胭脂萝卜中果胶提取率的影响。

1.2.3.4 不同微波加热时间对果胶提取率的影响 在微波功率为400W、萃取液pH为2、液料比为25∶1的条件下，研究不同微波加热时间（5、6、7、8、9、10min）对胭脂萝卜中果胶提取率的影响。

1.2.4 响应面实验结果与分析 为了进一步探讨萃取液的pH、微波功率和微波加热时间以及液料比对胭脂萝卜中果胶的提取的影响，在单因素实验的基础上，采用响应面实验，以果胶提取率为指标对影响因素进行进一步优化。根据Box-Behnken中心组合的设计原理，实验设计的水平及因素见表1。

表1 实验设计的水平及因素Table 1 Factors and levels of test design

1.2.4 果胶提取率的计算 公式如下：

果胶提取率（%）=M/W×100

式中：M—提取的果胶重量，g；W—胭脂萝卜质量（干基），g。

1.3 数据处理

根据Box-Benhnken原理，用Design Expert 7.0统计分析软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 微波法提取胭脂萝卜中果胶单因素结果与分析

2.1.1 不同pH对胭脂萝卜果胶提取率的影响 不同pH对胭脂萝卜果胶提取率的影响，结果如图1所示。

图1 pH对果胶提取率的影响Fig.1 Effect of pH on extraction yield of pectin

由图1可知，当pH达到2.0时，果胶的提取率最高。提取液的pH过低，果胶的水解较强烈，果胶发生脱酯降解，果胶提取率较低；提取液的pH较高，果胶的水解不完全，从而果胶的提取率较低。因此较佳的pH为2.0。

2.1.2 不同料液比对果胶提取率的影响 不同料液比对果胶提取率的影响，结果如图2所示。

图2 液料比对果胶提取率的影响Fig.2 Effect of liquid-solid ratio on extraction yield of pectin

由图2可知，液料比为25∶1时，果胶的提取率最高。当液料比较小时，则难以保证胭脂萝卜中的果胶全部转移到液相中，物料的粘度比较大，过滤也比较困难，残留增多，提取不完全，从而导致产率低。当液料比较大时，果胶在溶液中浓度较低，过滤容易，但是浓缩所需要的时间较长，破坏了果胶成分，且乙醇的消耗增大，生产成本较高。因此，较佳的液料比为25∶1。

2.1.3 不同微波功率对果胶提取率的影响 不同微波功率对果胶提取率的影响，结果如图3所示。

由图3可知，当微波功率达到500W时，果胶提取率最高。当微波功率较低时，萃取温度较低，果胶水解不充分，果胶提取率降低；当微波功率过高，萃取温度较高，果胶虽水解较完全但容易发生脱酯降解，从而降低了果胶的提取率。因此，微波功率在500W左右为宜。

图3 微波功率对果胶提取率的影响Fig.3 Effect of microwave power on extraction yield of pectin

2.1.4 不同微波加热时间对果胶提取率的影响 不同微波加热时间对果胶提取率的影响，结果如图4所示。

图4 微波加热时间对果胶提取率的影响Fig.4 Effect of micro wave-heating time on extraction yield of pectin

由图4可知，随着微波加热时间的延长，果胶的提取率也不断增加，但当微波加热时间达到8min以后开始下降，可能是因为加热时间过长会使果胶分解，所以微波加热时间以8min左右为宜。

2.2 响应面模型拟合

2.2.1 响应面实验结果与分析 用Design Expert 7.0统计软件设计响应面分析实验，结果见表2；方差分析结果见表3。

由表2中实验结果可得，微波法胭脂萝卜果胶提取率预测模型：Y=12.63+0.24A+0.054B-0.19C-4.167×10-3D-0.18AB-0.49AC+0.11AD+0.23BC-0.36BD-0.055CD-0.66A2-0.84B2-0.39C2-0.56D2。

由表3方差分析结果可知，该回归方程（模型）的回归效果极显著（p＜0.01），失拟项不显著，说明模型拟合程度好，有实际应用意义。各因素对提取率影响的大小顺序分别为：pH（A）＞微波功率（C）＞液料比（B）＞微波加热时间（D）。对响应值提取率作用极显著的是A、AC、BD、A2、B2、C2和D2，显著的是C。可见，实验各因素对胭脂萝卜果胶提取率的影响不是简单的线性关系。在α=0.05显著水平下剔除不显著项后，对原模型进行优化可得，提取率Y=12.63+0.24A-0.19C-0.49AC-0.36BD-0.66A2-0.84B2-0.39C2-0.56D2。

表2 响应面分析方案及实验结果Table 2 Program and test results of response surface analysis

2.2.2 交互作用对胭脂萝卜提取率的影响 响应面图是响应值在各实验因子交互作用下得到的结果构成的一个三维空间曲面。通过Design expert7.0软件分析，根据回归方程做出相应的响应面分析图（图5和图6），考察拟合的响应面曲线，分析液料比、pH、加热时间和微波功率对胭脂萝卜果胶提取率的影响。

图5 pH与微波功率对提取率的影响Fig.5 Effect of pH and microwave power on extraction yield

表3 提取率回归模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation on viscosity

图6 加热时间和液料比对提取率的影响Fig.6 Effect of heating time and liquid-solid ratio on extraction yield

由图5可知，pH的变化坡度较微波功率的坡度变化大，且pH的等高线变化数量多于微波功率，说明pH对果胶提取率的影响大于微波功率的影响；同理可知，图6中液料比对提取率的影响大于加热时间的影响。

2.2.3 提取条件优化及验证 经软件Design Expert 7.0优化，得到微波法提取胭脂萝卜果胶最高提取率的最佳工艺参数为：液料比为24.57∶1、加热时间为8.10min、微波功率为445.73W、pH为2.2。为验证响应曲面法所得结果的可靠性，考虑到实际操作的便利，将工艺参数修正为：液料比为25∶1、加热时间为8.0min、微波功率为450W、pH为2.0。在此条件下进行3次验证实验，胭脂萝卜果胶的提取率为12.58%，与预测值12.73%较接近，说明采用此法优化得到的提取条件可靠。

3 结论

采用微波法提取胭脂萝卜果胶在最佳提取条件：pH2.0、液料比25∶1、微波功率450W、微波加热时间8.0min下，胭脂萝卜果胶提取率达胭脂萝卜干质的12.58%。经微波处理后果胶的提取率得以提高，且果胶质量好、分子质量大、胶凝强度大。微波法的选择性强、操作时间短、萃取剂的用量少，既节约了萃取剂的花销又减少了对环境的污染，是一种比较好的提取方法。

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