响应面优化微波辅助加热酸法提取果胶工艺*

郑一南,宋小利,付玉秀,庞亚明,高立国

(榆林学院 化学与化工学院,陕西 榆林 719000)

果胶类物质存在于植物的细胞壁之间,主要形态有原果胶、果胶和果胶酸,能够起到降血糖[1]、增强免疫力[2]、抗菌[3]、保护肠道[4]及连接和保护细胞的作用[5]。有研究表明,果胶含量最高的物质为植物的果实,大多数的果胶都是从柑橘皮类和苹果渣等物质中提取,苹果果胶是第二大商品果胶来源。中国是苹果生产大国[6],与苹果相关的产业盛行。很多果渣被浪费,造成环境污染,而果渣中含有果胶较多且易提取。果胶是纯天然无毒的酸性杂多糖,由于提取方法、来源不同,使其具有结构多样性[7],提取果胶的方法主要有水提法[8-9]、酸提法[10-11]、碱提法[12-13]、酶提法[14]。其中酸提法[15]最为普遍,常辅以微波[16]和超声[17]提高提取效率,但是目前提取效率依旧不高,且超声辅助成本较高,而且工业上采取如盐酸和硫酸提取容易造成水体污染和设备的腐蚀,硫酸根离子的去除也非常困难[18],采用柠檬酸不仅可以规避以上问题,同时也可以防止果胶凝聚[19],其作为一种不受任何限制的安全材料[20],很适合作为提取溶剂。

微波是一种通过频率为3×103～3×105MHz的电磁波,能够穿透萃取媒质,到达待萃取物的内部,使被萃取的成分加速向萃取溶剂扩散,加快萃取速率[21-22]。其萃取效率高、纯度高、能耗小、环保的特点可用于果胶行业。对提取工艺进行以单因素实验为基础、响应面法为辅助的进一步优化,改善果胶的提取效率。

利用响应面法优化微波辅助加热柠檬酸提法鲜有报道,作者以苹果渣为原料,以安全溶剂柠檬酸作为提取溶剂,辅以微波辐射加热方法,以果胶的提取率作为参考指标,在以单因素实验为基础,响应面法优化的方法为进阶的条件下,确定最佳的提取条件。

1 实验部分

1.1 原料、试剂与仪器

苹果:榆林区农贸市场。

柠檬酸、盐酸、无水乙醇:体积分数95%,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司。

微孔滤膜、25.4 mm孔径筛网:上海市新亚净化器件厂;pH精密试纸:沈阳富阳特种纸业有限公司;微波发生器:上海精密科学仪器有限公司;电子天平:沈阳龙腾电子有限公司;恒温干燥箱:DHG-9023A,天津市通利信达仪器厂;离心机:800X,多功能搅拌机:JYL-B052,浙江绍兴苏泊尔生活电器有限公司;循环水真空泵:SHZ-D,河南省予华仪器有限公司;数显恒温水浴锅:HH-2,金坛市丹阳门石英玻璃厂;智能磁力搅拌器:ZNCL-TS,郑州杜甫仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 苹果预处理方法

用盐水对苹果进行擦洗,切成块状去除果蒂果核,放入榨汁机中榨汁,用纱布挤压得到果渣去除汁液,再将果渣置于85 ℃的水中煮15 min,用35 ℃的温水清洗,于75 ℃的恒温干燥箱中干燥至质量恒定,用25.4 mm孔径筛网过滤,将得到的果渣用密封袋密封后放在冰箱中4 ℃保存。

1.2.2 果胶提取方法

称取10 g果渣放入锥形瓶中,加入柠檬酸溶液搅拌均匀。调节溶液pH值后,置于恒温水浴中,907 W微波辐射辅助水解7.14 min[23]。抽滤水解液,混合13 mL无水乙醇搅拌均匀,室温下静置,直至果胶沉淀。n=4 500 r/min离心10 min,收集沉淀物,用无水乙醇充分洗涤后摊铺在表面皿上,于75 ℃的恒温干燥箱中干燥至质量恒定,取出称量,根据公式(1)计算果胶提取率。

(1)

式中:m1为干燥后果胶质量,g;m为苹果渣质量,g。

1.2.3 果胶提取单因素实验

实验运用单因素法逐步研究果胶提取实验中V(柠檬酸)∶m(果渣)(以下简称液料比)、pH值、水解温度和水解时间分别对果胶提取率的影响,实验方法与1.2.2相同,每组实验重复3次。

1.2.4 响应面法优化实验

实验采用Box-Benhnken Design方法进行设计,建立模型,利用响应面分析单因素实验数据。以液料比(A)、pH值(B)、水解温度(C)和水解时间(D)为影响因子,均选择3个水平,建立四因素三水平的响应面实验,因素水平见表1,在最佳单因素实验条件的基础上,共进行了29组实验,以果胶提取率的大小为响应值,采用响应面法进行分析。

表1 因素水平表

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

各单因素对果胶提取率的影响见图1。

液料比/(mL·g-1)a 液料比

由图1a可知,果胶提取率随液料比的增加而增加,最大提取率为17.5%,此时液料比为30 mL/g。液料比大于25 mL/g,果胶提取率变化不大。由图1b可知,pH=1.0～2.0,果胶提取率随pH值的增加而增加;pH=2.0,最大提取率为17.4%;pH>2.0,果胶提取率随pH值的增加而减少。这是因为pH值的增加使酸的含量降低,不足以破坏苹果渣中原果胶与纤维素等结构的连接,果胶不能充分溶解,提取率减少。因此,pH=2.0为最佳。由图1c可知,水解温度低于90 ℃,果胶提取率随温度的增加而增加,最大提取率为17.5%。水解温度高于90 ℃,果胶提取率却随温度的增加而减少。温度过高会破坏果胶本身结构,温度过低则易水解不完全,所以最佳水解温度选择90 ℃。由图1d可知,在其他条件固定不变的情况下,果胶提取率随水解时间的增加而增加,水解时间为3.0 h,果胶的最大提取率为18.1%;水解时间超过1.5 h,果胶提取率增加不多,这是因为果胶长时间被热酸溶液水解,导致其部分被分解,所以水解时间最好选择1.5 h。

2.2 响应面法实验

2.2.1 响应面法实验结果

运用Box-Behnken Design方法在单因素实验的基础上优化果胶的提取条件,实验设计及结果见表2,方差回归分析及显著性检验见表3。

表2 Box-Behnken实验设计及结果

表3 方差回归分析及显著性检验1)

数学回归模型决定系数R2=0.998 5,证明该模型与实际实验拟合较好,能作为实际实验的理论预测。F值表示对各因素之间的影响程度,F值越大影响程度越大,由表3可知,4个因素对响应值果胶提取率的影响顺序依次为pH值>水解温度>液料比>水解时间。

2.2.2 响应面法实验分析及优化

将液料比、pH值、水解温度、水解时间4个影响因素两两交互,用Design-Expert 13软件中的Optimization功能对其分别绘制3D响应面图和平面等高线图,结果见图2～图7。

a 响应面

a 响应面

a 响应面

a 响应面

a 响应面

a 响应面

由等高线图可知,各因素之间的交互作用均为极显著,与数学回归模型的显著性检验结果相同。由三维图可知,果胶提取率随影响因素的升高均发生变化,均为先增大后减小,并通过Design-Expert 13软件预测了最佳实验条件。基于实验数据,预测出的最佳实验条件为液料比25.42 mL/g,pH=1.95,水解温度90.41 ℃,水解时间1.43 h,微波辐射功率600 W,辐射时间4 min,果胶提取率的理论响应值为18.05%,高于传统微波法[24](12.9%)、传统酸法[25](12.45%)、酶法[26](11.34%)。表明微波辅助加热酸提法提取苹果渣中果胶能够获得较高的果胶提取率,实际应用价值较高,能够为苹果渣的深加工提供新的解决方案。

为了数据的可靠性,设置重复实验,条件为水解温度90.41 ℃,水解时间1.43 h,微波辐射功率907 W,辐射时间7.14 min,进行3次重复实验,果胶提取率分别为18%、18.05%、17.9%,说明该结果具有实际可操作性。

3 结 论

通过单因素实验得到各因素对果胶提取率的影响范围,再用响应面法得到最佳的果胶提取实验条件为液料比25.42 mL/g,pH=1.95,水解温度90.41 ℃,水解时间1.43 h,微波功率907 W,微波辐射时间7.14 min,果胶的提取率为18.05%。采用响应面法优化微波辅助加热酸提法提取苹果渣中的果胶,果胶提取率相比传统方法提升较高,提取工艺参数可靠,具有实际可操作性。实验中采用了柠檬酸作为提取溶剂,兼顾环保安全等特点,可为苹果产区果渣浪费等问题提供可靠的解决方法。实验中不同的果渣来源,也可能会对果胶提取率产生影响,后续还可对果胶进行分离纯化,研究其结构组成及在食品中的应用。