响应面分析法优化黄秋葵花中果胶的提取工艺研究

刘晓霞，苏 平，吴秋敏

（浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江杭州310058）

响应面分析法优化黄秋葵花中果胶的提取工艺研究

刘晓霞，苏 平*，吴秋敏

（浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江杭州310058）

通过响应面分析法对黄秋葵花果胶的提取工艺进行优化。以黄秋葵花为原料，采用酸解乙醇沉淀的方法提取黄秋葵花果胶，探讨酸种类、料液比、提取液pH、提取温度、提取时间对果胶提取率的影响。在单因素实验基础上，采用响应面对黄秋葵花果胶的提取工艺条件进行优化。研究表明，黄秋葵花果胶提取的最佳工艺条件为：料液比1∶30，提取温度90℃，盐酸溶液pH=1.60和提取时间2.76h，此时果胶理论得率达32.26%，验证值为32.46%，相对误差为0.62%。因此，该研究对产业化制备果胶有一定理论指导价值。

黄秋葵花，果胶，提取，响应面分析法

果胶是由α-1，4糖苷键联接的半乳糖醛酸与鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖等中性糖形成的聚合物，广泛存在于高等植物的果实、根、茎、叶中[1-2]。果胶具有良好的乳化、增稠、稳定和胶凝作用，被广泛应用于食品、医药、日化、纺织、印染、烟草、冶金等领域[3-4]。果胶不仅是膳食纤维的主要成分，而且具有良好的抗菌、止血、抗腹泻、抗癌、降血脂、治疗糖尿病和减肥等等多种保健功效。目前商品果胶的原料主要是苹果渣、柑橘皮、向日葵盘、甜菜渣等，来源非常有限，提高果胶产量、开发优质果胶资源已显得极为迫切。

黄秋葵为锦葵科锦葵属一年生草本植物[5]，原产非洲热带地区，世界各国均有分布。黄秋葵主要以荚嫩果供食用，其叶、芽和花也可食用，是一种具有较高营养价值的菜、药、花兼用型植物[6]。黄秋葵嫩果和花被中富含果胶类物质，是较好的果胶资源，具有极高的经济价值和广阔的市场前景。目前利用黄秋葵花为原料提取果胶尚未见报道。本文采用酸解醇沉法提取黄秋葵花中的果胶，并利用响应面法优化其最佳提取工艺条件，以期为黄秋葵资源的综合利用提供科学依据，也为果胶的生产提供新的资源。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

黄纤指黄秋葵花 70℃烘干，粉碎后过80目筛，冰箱（-20℃）备用；盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、95%乙醇、柠檬酸、酒石酸 均为分析纯；去离子水。

GB204万分之一电子天平 瑞士梅特勒·托利多公司；RE-52AA旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂；新型电热恒温鼓风干燥箱 杭州蓝天化验仪器厂；HH-10数显恒温搅拌水箱 金杭市科杰仪器厂；

高速冷冻离心机 日立。

1.2 实验方法

1.2.1 黄秋葵花中果胶的提取 分别精确称取5.0g黄秋葵花粉末，加入一定体积和pH的酸溶液，在一定温度下浸提一定时间后，4000r/m in离心30m in收集滤液，滤渣进行二次提取；合并两次滤液，40℃下用旋转蒸发仪进行浓缩（浓缩比10∶1），冷却后按1∶3加入5%的酒石酸乙醇[7]（100m L 95%的乙醇和5g的酒石酸配制而成），4℃醇沉12h，4000r/min下离心30min；沉淀依次用70%乙醇、95%乙醇、无水乙醇洗涤，置于50℃烘箱中烘干至恒重。

1.2.2 果胶得率计算方法 果胶得率为提取果胶的质量占共提取黄秋葵花粉末质量的百分率。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 提取溶剂的选择 分别以盐酸、硫酸、硝酸、磷酸及柠檬酸溶液（pH为2.0）作为提取溶剂，在料液比1∶30（w/v，g/m L）、提取温度85℃、提取时间1.5h条件下进行提取，平行测定4次取平均值，比较不同萃取剂对果胶得率的影响。

1.2.3.2 料液比对果胶得率的影响 用盐酸溶液作为萃取剂，在提取温度85℃，提取时间1.5h，pH 2.0条件下按料液比1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60（w/v）平行测定4次取平均值，考察料液比对果胶提取得率的影响。

1.2.3.3 提取温度对果胶得率的影响 以盐酸溶液为萃取剂，固定料液比1∶30（w/v）、提取时间1.5h、提取液pH为2，分别在温度为70、75、80、85、90、95、100℃下进行果胶的提取，平行测定4次取平均值，考察不同提取温度对果胶得率的影响。

1.2.3.4 pH对果胶得率的影响 用盐酸溶液作为萃取剂，在料液比1∶30（w/v），提取温度85℃，提取时间1.5h条件下，选择pH1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5进行实验，平行测定4次取平均值，考察不同pH对果胶提取率的影响。

1.2.3.5 提取时间对果胶得率的影响 用盐酸溶液作为萃取剂，在料液比1∶30（w/v），提取温度85℃，pH 2.0条件下，选择提取时间1、1.5、2、2.5、3、3.5、4h进行实验，平行测定4次取平均值，考察提取时间对果胶提取得率的影响。

1.2.4 响应面分析[8-10]实验设计 在单因素实验的基础上，根据Box-Benhnken设计原则，选取提取温度、提取时间和提取液pH 3个对果胶提取率影响较大的因素，以果胶的提取率为响应值，采用三因素三水平响应面分析法进行实验设计，优化黄秋葵花果胶提取工艺。响应面设计因素与水平见表1。

表1 Box-Benhnken实验设计因素和水平Table 1 Factors and levels of Box-Benhnken experiment design

1.2.5 数据处理 运用Excel和Design-Expert 8.0软件对实验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 不同酸类型对果胶得率的影响 图1为酸解pH=2.0、提取温度85℃、提取时间1.5h、料液比1∶30（w/v）时，不同酸溶液对黄秋葵花果胶产量的影响。由图可以看出，在同一pH下，不同种类的酸对果胶的提取效果不同。盐酸作为萃取剂果胶的产量最高，其次为柠檬酸，硫酸提取率最低。这是因为盐酸是强酸，水解能力较强。因此，在以下的实验中选用价格比较低廉的的HCl作为果胶萃取剂。

图1 不同酸溶液对果胶得率的影响Fig.1 Effectof differentacids on extraction rate of Pectin

2.1.2 不同料液比对果胶提取得率的影响 在盐酸溶液pH=2.0、提取温度85℃、提取时间1.5h的条件下，探讨料液比对果胶提取效果的影响。

图2 不同料液比对果胶得率的影响Fig.2 Effectof the ratio ofmaterial to water on rate of pectin

由图2可知，随着液料比的增加，果胶得率先增后降。料液比从1∶20变化到1∶30，果胶提取率显著升高，但当料液比大于1∶30时，果胶得率无显著变化，果胶提取率的增加趋于平缓；料液比从1∶50变化至1∶60时，果胶得率降低。这是由于料液比过小时，难以保证原料中的果胶质全部转移到提取液中，溶液黏度大、过滤困难，果胶残留增多且杂质浓度高，造成提取不完全、得率较低；而料液比过大时，后续的浓缩和沉淀工艺难度加大，能耗高、设备投资大，且果胶在过量的酸液中易水解使损失增大。因此，从节约能源、降低成本和安全运行等角度考虑，在以后的

实验中选择料液比为1∶30较为适宜。

2.1.3 提取温度对果胶提取得率的影响 在料液比1∶30、pH为2、提取时间1.5h时，不同提取温度对提取率的影响见图3。

图3 不同提取温度对果胶得率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of pectin

由图3可知，温度对果胶的提取率有显著影响，果胶提取率随提取温度的升高先增大后下降，当提取温度为95℃时，果胶提取率最大。一定温度范围内，温度的升高可促使原果胶更快地水解成可溶性果胶，从而提高果胶的产量和品质。温度偏低时，原果胶水解不完全，且在较低料液比时易结冻，过滤困难，导致果胶的提取率降低。但温度过高，提取液颜色加深，色素等杂质增多，果胶易发生降解且胶凝能力降低，导致果胶产量呈下降趋势。由于受实验条件限制，只能达到100℃的温度，考虑到更高的温度可能不利于果胶的提取，故提取温度控制在85～95℃。

2.1.4 浸提液pH对果胶提取得率的影响 在料液比

1∶30、提取温度85℃、提取时间1.5h时，不同pH对果胶提取率的影响见图4。

图4 不同pH对果胶提取得率的影响Fig.4 Effect of extraction pH on extraction rate of pectin

由图4可知，pH为1.5时，果胶的提取率最高，pH高于或低于1.5果胶提取率均下降。这可能是因为溶液酸性的增强有利于提高果胶得率，但若pH过低，则酸度太强，果胶会进一步脱酯裂解，致使产量降低；同时果胶色泽加深，胶凝度下降，从而影响果胶品质。而pH＞1.5时，溶液的碱性增大，原果胶水解不完全，且果胶不稳定易水解为果胶酸，果胶的提取率亦下降。所以黄秋葵花果胶提取液的适宜pH应控制在1.5左右。

2.1.5 不同提取时间对果胶提取得率的影响 在料液比1∶30、提取温度85℃、pH为2时，不同提取时间对提取率的影响见图5。

图5 不同提取时间对果胶提取得率的影响Fig.5 Effectof extraction time on extraction rate of pectin

由图5可知，在1～1.5h浸提时间范围内，果胶提取率随浸提时间的延长并无明显变化；1.5～2.5h之间，果胶得率随浸提时间的延长明显提高；2.5h以后，随着时间的延长，果胶提取率逐渐下降。原因可能是提取时间过短，果胶水解不完全，提取率低。延长萃取时间有利于原果胶充分水解成可溶性果胶，使果胶提取率增加；但提取时间过长会引起果胶的过度水解、脱酯，造成果胶产率下降。故选取提取时间2～3h为宜。

2.2 响应面优化黄秋葵花果胶的提取工艺

2.2.1 响应面实验结果及方差分析 响应面分析实验结果见表2和表3。

表2 响应曲面实验以及响应值Table 2 Experiment design and resultof response surface method analysis

根据表2、表3实验结果，运用Design Expert 8.0软

件进行二次多元回归拟合，得到二次多元回归方程：

表3 响应面方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由方差分析表3可知：此模型的p＜0.0001，响应面回归模型达到极显著水平；失拟项不显著（p= 0.3605＞0.05），说明非实验因素对实验结果的影响不大；相关系数R2=0.9823，表明模型回归拟合良好，预测值与实测值之间具有高度的相关性，可以较好地反映各因素与果胶提取率响应值变化的关系。校正系数R2adj=0.9594，说明该模型能解释95.94%的响应值的变化，仅有总变异的4.06%无法通过该模型解释。因而在实验范围内可用此模型来分析和预测酸法提取黄秋葵花果胶的实际情况。

回归方程系数的显著性分析结果（表3）表明，方程一次项均为高度显著因素，即提取温度、pH、提取时间对果胶的得率有极显著影响；二次项A2、B2对结果的影响也为极显著（p＜0.0001），C2显著（p＜0.05），即提取温度、提取时间和果胶得率之间存在明显的二次关系；A与C交互作用极显著，A与B、B与C交互作用显著，表明各影响因素与响应值的关系并不是简单的线性关系，二次项和交互项与响应值都有很大的关系。2.2.2 实验因素交互作用对响应值影响的3D分析

提取温度和pH对黄秋葵花果胶提取率的交互影响显著（0.01＜p＜0.05）。如图6所示，当pH一定时，黄秋葵花果胶的提取率随提取温度的升高先增大后减小，但总体上变化幅度较小，响应面比较平坦，果胶提取率在90℃左右达到最大值。而当提取温度一定时，提取得率随着pH的增大先升高后又降低。果胶的提取得率随pH的增大先快速增加，在pH为1.57左右达到峰值，然后缓慢减小。

从图7可以看出，提取时间和提取温度之间有极显著的交互作用（p＜0.01）。如图7所示，当提取温度不变时，延长提取时间，果胶提取率呈现逐渐增加趋势，但增速趋缓；提取时间不变时，果胶提取率随提取温度的升高先增大后减小，在90℃左右提取率达到峰值，过高的提取温度可能会破坏果胶的结构．从而导致果胶得率下降。

图6 提取温度和pH交互作用对果胶得率的影响Fig.6 The effectof extraction temperature and pH on extraction rate of pectin

图7 提取温度和提取时间交互作用对果胶得率的影响Fig.7 The effect of extraction temperature and time on extraction rate of pectin

图8 pH和提取时间交互作用对果胶得率的影响Fig.8 The effect of extraction time and pH on extraction rate of pectin

从图8可以看出，提取时间和pH对黄秋葵花果胶提取率的交互影响显著。当pH一定时，果胶提取率随着提取时间的增加先增大后趋于平稳。当提取时间一定时，提取得率随着pH的增加呈现先增加后减小的趋势。

2.3 最优提取工艺验证

利用Design-Expert 8.0软件软件求解回归方程，得到黄秋葵花中果胶的最佳提取工艺条件为：料液比1∶30，提取温度90.50℃，pH=1.56和提取时间2.76h，果胶理论得率达32.26%。为检验该法的可靠性。考虑实际操作的便利性，将最佳工艺参数修正为：料液比1∶30，提取温度90℃，pH=1.60，提取时间2.76h，在此条件下进行果胶提取的验证实验。3次平行实验果胶的实际得率分别为32.16%、32.58%及32.63%，平均值为32.46%，与理论预测值的相对误差为0.62%，说明用响应面对黄秋葵花果胶的提取进行工艺优化具有具有实际可操作性。

3 结论

本研究采用响应面分析法优化黄秋葵花果胶的提取工艺，得到最佳工艺条件为：料液比1∶30（w/v）、提取温度90℃、pH=1.60、提取时间2.76h，在此条件下果胶平均得率为32.46%，与理论值的误差为0.62%。由此可知，采用响应面分析法优化得到的黄秋葵花果胶提取工艺条件参数准确，具有实际可操作性。

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Optimization of pectin extraction from Okra flowers byresponse surface method

LIU Xiao-xia，SU Ping*，WU Qiu-m in
（College of Biosystems Engineering and Food Science，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

Response Surface Method （RSM） was applied to optimize the pectin extraction condition of Okraflowers．Acid hydrolysis followed by ethanol precipitation was used to extract pectin from Okra flowers in thepresent work. The effects of acid kinds，material-to-liquid ratio，extraction temperature，extraction time and pHof HCl soiution on the extraction yield of pectin were discussed. Based on the single -factor method，theoptimum extraction conditions were obtained by response surface method. As a result，the optimal conditionsfor pectin extraction were determined as follows：material-to-liquid ratio 1∶30，temperature 90℃，extraction time2.76h，and pH1.60. Under these conditions，the actual pectin yield was 32.46％ ，which was close to thepredicted value of 32.26％. Thus，the optimized process could provide a useful guidance for industrial pectinpreparation.

Okra flowers；pectin；extraction；response surface method

TS201.1

：B

：1002-0306（2014）16-0270-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.16.051

2013－11－19 *通讯联系人

刘晓霞（1989-），女，在读硕士研究生，研究方向：食品科学与工程。