響應面法優化甘薯果膠草酸鹽提取工藝

梁新紅，孫俊良*，張永帥

(河南科技學院食品學院，河南 新鄉 453003)

響應面法優化甘薯果膠草酸鹽提取工藝

梁新紅，孫俊良*，張永帥

(河南科技學院食品學院，河南 新鄉 453003)

以分離淀粉后的甘薯渣為原料，研究草酸鹽法提取甘薯果膠的工藝條件。以草酸鹽為提取劑，利用單因素和響應面法對甘薯果膠提取工藝進行優化。響應面試驗分析結果表明：甘薯果膠最適提取條件為溫度95.07℃、時間1.93h、pH5.8、草酸銨質量濃度為5.0mg/mL，此條件下，甘薯果膠理論上可以達到最高提取率11.36%，純度79.68%。驗證實驗中提取率為11.19%，純度為79.95%，與理論值較為接近，表明數學模型對優化甘薯渣果膠提取工藝是可行的。

甘薯果膠；草酸鹽提取；響應面分析

果膠是一類富含半乳糖醛酸的多糖的總稱，果膠作為可溶性膳食纖維，具有抗癌、治療糖尿病、抗腹瀉等功效；在食品工業中，果膠是主要的穩定劑和膠凝劑[1-4]。研究[5]表明，干的甘薯渣中含10%～30%的果膠物質，甘薯渣是甘薯淀粉生產中的副產物，通常被作為飼料簡單利用或當作廢物丟棄，造成資源的浪費和環境污染[6]。甘薯渣是提取果膠的良好材料。

目前國內外食品工業用果膠主要從蘋果渣和柑橘渣中提取，常用的幾種提取果膠方法有酸解法[7-10]、離子交換樹脂法[11]、鹽析法[12]、微波法[13]等。有研究者[8,14-15]利用酸法從甘薯中提取果膠，并對果膠的物化特性、乳化特性等進行了研究；孫俊良等[16-17]對酸提法果膠進行了純化，并對酸提法果膠與蘋果果膠進行了物化特性比較，發現酸提果膠的黏度、酯化度和凝膠度等物化特性略低于蘋果果膠。草酸鹽中草酸根離子可以和果膠酸鈣中鈣離子螯合生成可溶性鹽，增加果膠溶解性。王媛莉等[18]應用草酸鹽法提取豆腐柴中果膠，取得了較高的提取率，而草酸鹽在甘薯果膠的提取中尚未有文獻報道。

本研究以提取淀粉后的甘薯渣為原料，利用單因素和響應面試驗法對甘薯果膠草酸鹽法提取工藝進行優化，對甘薯渣資源利用具有理論及實踐指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯為‘徐薯18號’，采自河南科技學院生命科技學院試驗田。

標準半乳糖醛酸(分析純) 美國Sigma-Alorich公司；咔唑(化學純) 國藥集團化學試劑有限責任公司；高溫α-淀粉酶(20000U/mL)、糖化酶(10萬U/mL)、普魯蘭酶(2000U/mL) 鄭州市福源生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

Alphal-4LSC冷凍干燥機 德國Christ公司；RC5C型冷凍離心機 美國Sorvall Znstruments公司；WFJ 7200型分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 甘薯渣的制備[19]

取新鮮甘薯500g，洗凈，用粉碎機打碎，40目篩過濾，對濾液進行淀粉分離，濾渣經清水清洗4次，清洗后的薯渣40℃烘干。將甘薯渣稱質量，按照渣:水為1:15加水，調整pH6.0，經高溫α-淀粉酶在90℃酶解30min；調整pH4.5，然后依次加入糖化酶、普魯蘭酶，在60℃保溫酶解180min，去掉上清液，水洗3次，烘干，備用。

1.3.2 甘薯渣提取果膠工藝

甘薯渣提取果膠工藝流程：甘薯渣→加水→加入提取劑提取→加熱提取→紗布過濾→過濾液→離心→過濾清液→乙醇沉淀→離心→沉淀物→冷凍干燥→成品。

操作步驟：稱取一定量的甘薯渣(以干渣計)，按照料液比1:50(g/mL)加入蒸餾水，然后加入提取劑草酸銨，水浴加熱一定時間后，用濾布趁熱過濾，收集濾液。濾液在6000r/min離心10min，取上清液加入乙醇(濾液中乙醇含量不低于55%(V/V))，充分混勻，靜置2h，在6000r/min離心10min，棄去上清液，沉淀進行冷凍干燥，即為果膠成品。其中提取液pH值、提取溫度和提取時間和草酸銨質量濃度參數按照實驗要求設定。

1.3.3 試驗設計

采用單因素試驗分別考察提取液pH值、提取溫度、提取時間和草酸鹽質量濃度對甘薯果膠提取率的影響；在單因素試驗基礎上，采用響應面設計在不同參數條件對甘薯果膠進行提取，應用Design Expert 7.0軟件對結果進行分析。

1.3.4 指標測定

1.3.4.1 甘薯果膠提取率的測定

將制取的果膠混勻之后取一部分放入稱量皿中，記總質量為m1，在干燥箱中干燥至恒質量之后總質量為m2，稱量皿的質量為m，則水分含量(X)按式(1)計算，果膠提取率按式(2)計算。

1.3.4.2 甘薯果膠純度的測定

果膠純度的測定采用咔唑比色法。參考方法NY 82.11—1988《果汁測定方法：果膠的測定》[20]。果膠的主要水解產物半乳糖醛酸在強酸中與咔唑發生縮合反應，生成紫色物質，然后對其紫紅色溶液進行比色定量，其吸光度(y)與半乳糖醛酸質量濃度(x，μg/mL)呈線性關系，測得半乳糖醛酸標準曲線方程為：y=0.0102x-0.0059(R=0.9987)，然后進行果膠溶液中半乳糖醛酸含量的測定。測定結果根據半乳糖醛酸含量與吸光度標準曲線，計算出稀釋后果膠溶液中半乳糖醛酸的含量，再乘以稀釋倍數得到果膠溶液中半乳糖醛酸含量。

2 結果與分析

2.1 提取液pH值對甘薯果膠提取效果的影響

圖1 pH值對果膠提取率的影響Fig.1 Effect of pH on the yield of sweet potato pectin

在料液比1:50、溫度90℃、草酸銨質量濃度5.0mg/mL、提取時間1.5h條件下，考察提取液pH值為3、5、7、9時對甘薯果膠提取效果的影響。由圖1可知，隨著pH值的不斷增加，果膠提取率也隨之逐漸升高，當pH值為7和9時，草酸胺提取果膠提取率分別為(7.87±0.18)%和(8.42±0.28)%；果膠純度在pH7時達到最高(67.21±2.71)%，隨著pH值的升高，果膠純度降低，當pH值為9時，果膠純度降至51.19%，果膠純度降低可能是因為在堿性條件下提取果膠，果膠中半乳糖醛酸含量較低，鼠李糖、半乳糖和阿拉伯糖等中性糖含量較高，特別是阿拉伯糖含量高。Dourado等[21]在杏仁中提取果膠，也得到了相同的結果。因此，草酸銨提取果膠最佳pH值為7。

2.2 提取溫度對甘薯果膠提取效果的影響

圖2 提取溫度對果膠提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of sweet potato pectin

在提取時間1.5h、草酸銨質量濃度5.0mg/mL、pH7條件下，考察提取液溫度對果膠提取的影響。由圖2可知，隨著提取溫度的升高，果膠提取率和純度亦隨之增大，當提取溫度為90℃時，果膠提取率和純度分別達到分別為(10.67±0.43)%和(79.21±3.16)%；隨著溫度升高到100℃，果膠提取率降至(70.01±3.77)%，而果膠純度沒有明顯變化，經方差顯著性分析，溫度在90℃和100℃時，果膠純度在P＜0.05水平沒有顯著性差異，這可能是因為隨著溫度的升高，果膠側鏈上的中性糖部分水解而使提取率降低；另外也有可能是在高溫條件下，糖類、蛋白質等大分子物質結構發生變化，乙醇沉淀果膠時，與果膠一起發生沉淀的雜質量減少而使提取率降低。其具體提取率降低原因有待于進一步研究。因此，提取液最佳溫度選擇90℃。

2.3 提取時間對甘薯果膠提取效果的影響

圖3 提取時間對果膠提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on the yield of sweet potato pectin

在料液比1:50、提取溫度90℃、草酸銨質量濃度5.0mg/mL、pH7.0條件下，考察果膠提取時間分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0h時對提取效果的影響。由圖3可知，隨著提取時間的延長，果膠提取率逐漸升高，當提取時間為2.0h時，果膠提取率達到(11.99±0.38)%，提取時間達到3h時，果膠提取率為(12.37±0.53)%，經方差顯著性分析，提取時間為2.0、2.5h和3.0h時，果膠提取率在P＜0.05水平上無顯著差異；果膠純度在提取時間為2.0h時達到最大值(79.55±2.93)%，隨著提取時間的延長，果膠純度逐漸下降，提取時間達到3.0h時，果膠純度降至(58.96±3.57)%，這可能是因為果膠的耐熱性能較差，在高溫條件下提取時間過長，果膠發生水解，導致半乳糖醛酸含量下降。故可選2.0h為最佳提取時間。

2.4 草酸鹽質量濃度對甘薯果膠提取效果的影響

在料液比1:50、提取溫度90℃、提取時間2.0h、pH7條件下，考察草酸鹽質量濃度為0、2.5、5.0、7.5mg/mL對果膠提取效果的影響。由圖4可知，提取液的質量濃度對果膠的提取率及純度均有影響。隨著草酸銨質量濃度的增加，甘薯果膠的得率也隨之逐漸增大，當草酸鹽質量濃度為5.0mg/mL時，果膠提取率為(11.99±0.38)%，當鹽質量濃度增加至7.5mg/mL時，果膠提取率達到最大值(12.26±0.49)%；而果膠純度在草酸鹽質量濃度為5.0mg/mL時達到最大值(79.55±2.93)%，隨著草酸鹽質量濃度的增加，果膠純度下降，這可能是因為草酸銨質量濃度過高，不利于銨離子與細胞壁中鈣離子或其他金屬離子形成交聯結構，因而果膠不易被游離出來。綜合果膠提取率和純度二者因素，草酸銨的最佳質量濃度為5.0mg/mL。

圖4 提取劑質量濃度對果膠提取率的影響Fig.4 Effect of ammonium oxalate concentration on the yield of sweet potato pectin

2.5 響應面試驗優化果膠提取工藝參數

根據前期單因素試驗結果，綜合比較鹽提和酸提，采用鹽提取果膠的最佳條件：pH7.0、提取溫度90℃、提取時間2h、草酸銨質量濃度5.0mg/mL。以果膠提取率為指標，采用Design Expert 7.0軟件設計進行了21次試驗，結果見表1。

表1 果膠提取響應面試驗設計及結果Table1 Design and results for the optimization of pectin extraction

根據試驗數據，用Desgin Expert 7.1.3程序進行二次多項式回歸，回歸模型方程為：

R1=－180.9835191＋3.740122611A－1.376671975B＋3.894984076C＋0.201457006D＋0.03125AB－0.0015AC－0.000825AD－0.0675BC＋0.021BD＋0.02275CD－0.01982707A2－0.437707006B2－0.397707006C2－0.00307707D2

R2=－1857.530094＋31.33908201A－26.49759554B＋60.89021338C＋16.14910111D＋0.722375AB＋0.391375AC－0.2508375AD－2.38625BC－0.142375BD＋0.165125CD－0.129287261A2－9.038726115B2－8.373726115C2＋0.061662739D2

表2為響應面試驗結果的方差分析，其中提取溫度、時間對果膠提取率有顯著影響，而在試驗設定的范圍內pH值和草酸銨質量濃度的影響并不明顯。

對回歸模型進行方差分析(表2)，回歸檢驗F=156.78，差異極顯著(P＜0.01)，失擬檢驗F=0.13，不顯著，模型具有統計學意義。表明模型與實際情況擬和很好。同時，方差分析表明，各因素間存在一定的交互效應。

表2 回歸模型的方差分析表Table2 Analysis of variance (ANOVA) for the regression model

根據響應面分析，當提取條件為溫度95.07℃、時間1.93h、pH5.8、草酸銨質量濃度5.0mg/mL時，理論上可以達到最高提取率11.36%，純度79.68%。用此最優條件做驗證實驗，從甘薯渣中提取果膠得到提取率為11.19%，純度為79.95%，與理論值較為接近，表明數學模型對優化甘薯渣果膠提取工藝是可行的。

3 結 論

本實驗探討了提取條件對甘薯果膠提取率及純度的影響，先后進行了單因素試驗和響應面試驗。單因素試驗結果表明，以草酸銨為提取劑時，提取液最佳pH7、最佳提取溫度90℃、最佳提取時間2.0h、草酸銨最佳質量濃度5.0mg/mL。根據響應面試驗結果，確定甘薯果膠最適提取條件為提取溫度95.07℃、提取時間1.93h、pH5.8、草酸銨質量濃度5.0mg/mL，甘薯果膠理論上可以達到最高提取率11.36%，純度79.68%。實際提取率為11.19%，純度為79.95%，與理論值較為接近，表明數學模型對優化甘薯渣果膠提取工藝是可行的。

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Optimization of Ammonium Oxalate Extraction of Pectin from Sweet Potato by Response Surface Methodology

LIANG Xin-hong，SUN Jun-liang*，ZHANG Yong-shuai
(College of Food, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China)

Response surface methodology was applied to establish the optimal conditions for pectin extraction from sweet potato residues left after starch extraction using ammonium oxalate as the extraction solvent. Extraction at 95.07 ℃ for 1.93 h with 5.0 mg/mL ammonium oxalate at pH 5.8 proved optimal. The maximum predicted yield and purity of pectin under the optimized conditions were respectively 11.36% and 76.68% versus 11.19% and 79.95% obtained in validation experiments. This close agreement between the experimental and model predicted results indicates the mathematical model is valid for predicting the extraction of pectin from sweet potato residues.

sweet potato pectin；ammonium oxalate extraction；response surface methodology

TS202.3

A

1002-6630(2013)18-0061-04

10.7506/spkx1002-6630-201318013

2013-04-08

河南省科技計劃項目(122102110037)；國家自然科學基金面上項目(311641/C200101)；河南科技學院博士基金項目(08001)

梁新紅(1971—)，女，副教授，博士，研究方向為食品生物技術。E-mail：liangxinhong2005@163.com

*通信作者：孫俊良(1964—)，男，教授，博士，研究方向為食品生物技術。E-mail：sjl338@163.com