响应面优化超声辅助提取西红柿中果胶工艺*

马松艳，靳晓东，李成晗，马晓阳，解俊玲

（绥化学院 食品与制药工程学院，黑龙江 绥化 152061）

西红柿是我国种植广泛的一种蔬菜，营养成分丰富，价格便宜，富含维生素 A、B、C和钙、铁、镁、钾等多种金属元素，以及蛋白质、脂肪、碳水化合物等，成熟西红柿还含有大量果胶等成分，因此，食用西红柿能够消暑解渴、补充养分，而且还具有软化血管作用[1,2]。果胶是来自于水果和蔬菜中的水溶性膳食纤维，是一种良好的食品添加剂，具有抗氧化活性、平衡肠内微生物菌群，降低血液胆固醇水平，改善糖尿病症状，抗癌和抗炎等功效[3,4]。目前，从西红柿提取果胶的方法主要有超声辅助法[5]、微波辅助法[6]、盐酸酸化法[7]等多种方法。响应面分析法是通过合理的数学模型，采用多元二次回归方程分析各因素和结果间关系，寻找最佳工艺条件的一种统计方法，具有用时少、成本低、效率高的特点，在食品工艺优化研究中得到广泛应用[8,9]。本试验以乙醇为提取剂，采用超声辅助提取法对西红柿中果胶进行分离提取，通过单因素试验和响应面分析法优化了提取工艺，为西红柿中果胶开发应用提供实验依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

西红柿（地产）；D-半乳糖醛酸、无水乙醇、HCl、浓 H2SO4、咔唑、NH3·H2O 均为分析纯。

UV-1901双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；KQ-300B超声波清洗机（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）；SHB-D（III）循环水式多用真空泵（河南泰斯仪器有限公司）；ZDF-6050真空干燥箱（嘉兴市中新医疗仪有限公司）；HH-6数显恒温水浴锅（天津市泰斯特仪器有限公司）；ESJ205-4电子天平（沈阳龙腾电子有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 超声辅助西红柿中果胶提取工艺流程 西红柿→清洗→灭酶→超声波辅助提取→趁热抽滤→脱色→趁热抽滤→果胶提取液→吸光度→果胶提取率

称取一定质量的新鲜西红柿洗净，放入烧杯，并加入适量蒸馏水，置于恒温水浴锅加热灭酶，将温度调节至90℃左右，加热10min，使酶失去活性，避免果胶发生酶解，导致得率下降。然后将西红柿取出清洗后，并捣碎成酱状。向预处理好的原料加入一定量的蒸馏水，并用盐酸调节到所需pH值，提取条件按单因素试验调节，置于超声波清洗机内，超声提取，取出后趁热进行抽滤，再向滤液中加入0.5%～1%的活性炭，并在80℃水浴锅内保持20 min脱色处理，再趁热抽滤，获得清澈的果胶提取液。

1.2.2 半乳糖醛酸标准曲线的绘制 用分析天平准确称取半乳糖醛酸100mg，将其溶于蒸馏水，定容于100mL容量瓶中，摇匀后形成浓度1.0mg·mL-1的半乳糖醛酸原液；再准确称取0.15g的咔唑，将其溶于乙醇溶液，并定容于100mL的容量瓶中，形成咔唑溶液；分别移取半乳糖醛酸原液 0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0mL将其注入100mL的容量瓶中，并稀释至刻度，形成不同浓度的半乳糖醛酸标准溶液，并编号 I-VIII，备用。

向8支相同规格的比色管（编号为1～8）中分别加入12mL浓H2SO4，冷却后缓慢向比色管中依次对应加入编号I-VIII的半乳糖醛酸标准溶液各2mL，摇匀并冷却后，置于沸水浴中保持10min，取出并迅速冷却至室温，各加入咔唑溶液1mL，混匀，静止30min。1号用做试剂空白，在530nm下分别测其吸光度，并绘制标准曲线。

1.2.3 果胶提取率的测定 移取2mL的果胶提取液，加入100mL容量瓶中定容。依照标准曲线的方法测其吸光度A，并根据标准曲线方程计算提取液中半乳糖醛酸含量（Cμg·mL-1），即为果胶的含量，按下式进行果胶提取率计算：

式中C：根据标准曲线得出的提取稀释液的果胶含量，μg·mL-1；V：果胶提取原液总体积，mL；K：提取液稀释倍数；m：样品质量，g；106：质量单位换算系数。

1.2.4 单因素试验 以乙醇为提取剂，以超声时间、提取温度、浸提液pH值、料液比为实验因子，超声波功率300W，超声温度为70℃，pH值为2，料液比1∶5，探究超声时间分别为 20、30、40、50、60min 中的最佳提取时间；料液比为1∶5，pH值为2，超声时间为40min，探究提取温度 20、40、60、70、80℃中的最佳温度；料液比为1∶5，超声时间为40min，超声温度为60℃，探究浸提液 pH 值为 1、2、3、4、5 中的最佳 pH值；pH值为2，超声时间为40min，超声温度为60℃，探究料液比 1∶2、1∶3、1∶5、1∶8、1∶10g·mL-1中的最佳料液比；果胶提取率为考察指标，重复3次。

1.2.5 响应面试验 基于单因素试验的结果，选择超声温度、超声时间、浸提液pH值为自变量，并以A、B、C编码表示，以提取率为响应值，根据BBD（Box-Behnken Design）的实验设计原则[10]，设计响应面试验，见表1。

表1 响应面试验因素水平编码值表Tab.1 Horizontal coding values of response surface test factors

根据试验结果进行优化分析，再进行验证试验以得到最佳提取工艺。

1.2.6 数据处理 试验共重复3次，试验结果取3次平均值，数据处理采用WPS2019及Design expert.V8.0.6.1软件设计响应面实验。

2 结果与分析

2.1 半乳糖醛酸标准曲线的绘制

用紫外分光光度计在530nm处测定显色后半乳糖醛酸标准溶液的吸光度得标准曲线，见图1。

图1 半乳糖醛酸标准曲线Fig.1 Standard curve of galacturonic acid

试验所得线性方程为y=0.0097x+0.1997，R2为0.9994。可见线性关系良好，适合本次实验中果胶浓度的测量。

2.2 西红柿中果胶提取工艺的单因素试验

2.2.1 超声时间对果胶提取率的影响

图2是超声时间对果胶提取率的影响。

图2 超声时间对果胶提取率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on pectin extraction rate

由图2可以看出，在一定时间内，随着超声时间增加提取率逐渐提高，并在40min时达到最高值，随后逐渐降低，可能由于超声时间过长，促使果胶发生解酯、裂解等不良现象，从而降低果胶提取率。因此，超声时间选择40min效果最佳。

2.2.2 超声温度对果胶提取率的影响

图3是超声温度对果胶提取率的影响。

图3 超声温度对果胶提取率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on pectin extraction rate

由图3可见，果胶提取率与温度的变化有一定关系，超声温度为60℃时提取率达到最高值，温度过高提取率反而下降。原因可能是在20～60℃之间时，其分子热运动加快适度，有助于果胶有效水解，但当温度到达特定程度后，则会破坏其结构，造成果胶提取率下降。因此，选择超声温度为60℃时效果最佳。

2.2.3 浸提液pH值对果胶提取率的影响

图4是浸提液pH值对果胶提取率的影响。

图4 浸提液pH值对果胶提取率的影响Fig.4 Effect of extraction solution pH on pectin extraction rate

由图4可见，果胶提取率随pH值不同而变化，pH值较低时，可使果胶水解程度增大，pH值为2时，果胶提取率最高。pH值大于2后提取率开始下降，可能是pH值过高时，果胶水解过于强烈，使果胶脱酯裂解，致使果胶产率下降。因此，选择浸提液pH值为2时效果最佳。

2.2.4 料液比对果胶提取率的影响

图5是料液比浸对果胶提取率的影响。

图5 料液比对果胶提取率的影响Fig.5 Effect of ratio of material to liquid on pectin extraction rate

由图5可见，料液比对果胶提取率的影响不明显，在料液比1∶5为时果胶的提取率略高些，原因可能是当溶剂过低时，粘度太大，不易扩散，果胶难以转移到提取液中，溶剂过多，使提取液中果胶浓度变小，提取率也随之变低。因此，选择1∶5的料液比效果最佳。

通过上述单因素实验可知，西红柿中果胶的最佳提取工艺条件为：超声时间40min、超声温度60℃、浸提液 pH 值为 2、料液比 1∶5。

2.3 果胶提取率的优化

2.3.1 响应面模型的建立 基于单因素试验的结果，选择超声温度、超声时间、浸提液pH值为自变量，并以A、B、C编码表示，以提取率为响应值，根据BBD（Box-Behnken Design）的实验设计原则设计响应面试验，结果见表2。

表2 响应面试验方案及结果Tab.2 Response surface test scheme and results

采用响应面软件对表2数据进行分析，得到果胶提取率（Y）与超声温度（A）、超声时间（B）和浸提液pH值（C）的回归方程模型如下：

Y=0.86+0.033A-5.25×10-3B+0.034C-0.015AB+0.031AC+7.25×10-3BC-0.15A2--0.1B2-0.23C2

2.3.2 响应面模型的显著性检验 对回归方程模型进行方差分析和可信度分析，结果见表3。

表3 响应面方差分析结果Tab.3 Results of variance analysis of response surface

对此模型进行方差分析，由表3数据可知，通过实验所得到的模型整体属于极显著（P＜0.0001），本次实验失拟项P值为0.4184没有显著差异（P＞0.05）。相关系数R2=0.9894，校正系数R2adj=0.9758，说明方程对实验拟合程度较好，只有总变异的2.42%不能通过此模型解释。此外，通过P值发现A、C、A2、B2、C2表现为极显著（P 值越小表示其显著性越强烈），并看出在不同因素水平下对果胶提取率的影响的强弱关系：浸提液pH值＞超声温度＞提取温度和浸提液pH值的交互项。

2.3.3 两因子交互作用的响应面分析

图6超声温度和超声时间交互影响曲面。

图6 超声温度和超声时间交互影响曲面Fig.6 Interaction hook face between ultrasonic temperature and ultrasonic time

由图6可以看出，从超声温度与超声时间之间的交互关系，明显看出超声温度对果胶提取率的影响曲面相对陡峭，说明对提取率有较大影响；而超声时间对响应面曲面的变化相对较平缓，说明其对提取率影响较小。因此，超声温度对提取率的影响大于超声时间。

图7是超声温度和pH值交互影响曲面。

图7 超声温度和pH值交互影响曲面Fig.7 Interaction hook face between ultrasonic temperature and pH

由图7可见，在一定范围内随着超声温度和浸提液pH值的增加，果胶提取率呈增加趋势，当pH值大于2.0、温度高于60℃后，果胶提取率有所下降。可见，在一定的pH值和温度范围内果胶提取率与其因素呈正比，但到达另一个范围时则相反。

图8是超声时间和pH值交互影响曲面。

图8 超声时间和pH值交互影响曲面Fig.8 Interaction hook face between ultrasonic time and pH

由图8可以看出，随着超声时间的变化响应曲面变化较平缓，而随浸提液pH值的变化响应面曲面较陡峭，说明浸提液pH值对提取率的影响明显大于超声时间的影响。

2.3.4 验证试验 采用Design expert.V8.0.6.1软件求解方程[11]，得到理想的提取条件为超声温度61.19℃，超声时间39.69min，浸提液pH值为2.08，此时提取率为0.861%。考虑到实验室条件以及实际操作的可行性，将提取条件修正为超声温度61℃，超声时间40min，浸提液pH值为2。进行五次重复实验，平均提取率为0.854%，与预测值基本吻合，表明该提取条件参数可靠，具有较好的可行性。

3 结论

以绥化地产西红柿为原料，通过单因素试验和响应面试验，采用超声波辅助乙醇提取西红柿中果胶，料液比 1∶5、提取温度 61℃、超声时间 40min、浸提液pH值为2条件下果胶提取率最高，可达0.854%，通过验证试验，证实了该提取工艺可靠性较高，实际可行性较好，具有较强的实际应用价值。