響應面法優化石榴皮果膠微波輔助提取工藝

鄧建梅，余傳波*，甘雨薇

1. 攀枝花學院生物與化學工程學院（攀枝花 617000）；2. 攀枝花市干熱河谷特色生物資源工程技術中心（攀枝花 617000）

石榴（Punica granatum L.）為石榴科的落葉小喬木或灌木[1]，其果實內石榴籽的外種皮肉質半透明多汁，不僅可以當水果食用，它還有極大的藥用價值，味甘酸、性溫和。《本草綱目》和《食療本草》早有記載：“榴者，天漿也，止瀉、化淤、清渴、祛火。”由于四川省攀枝花市域地處干熱河谷氣候地帶，日照充足，早晚溫差大，石榴品質好，近年來又大量種植，故石榴產量較大，已成為國家地理標志保護產品。然而石榴深加工后，產生了大量石榴皮渣。石榴皮中含有豐富的生物活性物質，主要有鞣質、酮、氨基酸、生物堿、多糖等[2]，在中藥上具有澀腸止瀉、止血、驅蟲等功效，利用價值較高；但目前只有少部分經加工后作為藥材，絕大部分被作為垃圾廢棄，既浪費資源又污染環境[3]。因此石榴皮的綜合利用，就逐漸被業界關注。相關研究主要集中在石榴皮的有效成分提取[4-6]、結構鑒定[7]，以及在工業[8-9]、食品[10-12]和醫藥[13-15]中的應用。

果膠是植物中的天然高分子多糖化合物[16-17]，具有良好的凝膠、增稠、穩定的特性，是一種重要的食品添加劑。一些研究表明果膠還具有降血壓，降膽固醇，抑制脂肪酶，誘導腸癌細胞凋亡等保健功能，可以預期石榴皮果膠的保健功能更有特色。果膠可采用酸提取、鹽析提取、離子交換提取、超聲波輔助提取、微波輔助提取、酶與微生物等多種方法[18-19]。但僅有少數學者嘗試了超聲波法提取石榴皮果膠[20]，因此，嘗試不同方法提取石榴皮果膠有著重要的產業意義[21-23]。試驗采用微波輔助提取石榴皮中果膠，響應面法優化提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料、設備與儀器

石榴，產自四川省攀枝花市域。無水乙醇、95%乙醇（均為分析純）。

202 A-2型電熱恒溫干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；MKX-J1-3型微波提取儀，青島邁可威有限責任公司；FA2204B型電子天平，上海一恒科學儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 石榴皮的預處理

將石榴皮洗凈，50 ℃恒溫烘至恒質量，粉碎后過60目篩，保存備用。

1.2.2 試驗流程

取5.00 g石榴皮粉末于三口燒瓶中，加一定量蒸餾水，設置提取溫度70 ℃、提取時間7 min、微波提取功率500 W，按液料比25∶1 g/mL加入80%乙醇進行提取，提取完畢后，于離心機中4 000 r/min離心10 min，取上清液，再倒入2倍體積的95%乙醇混合，置于4 ℃冰箱中，等待果膠析出，再次在4 000 r/min下離心10 min，傾去上層清液，后在40 ℃烘箱中烘至恒質量，得到果膠產品[24-25]。

1.2.3 單因素試驗

1.2.3.1 提取時間對果膠提取率的影響

在提取溫度70 ℃、微波提取功率500 W、液料比25∶1 g/mL、乙醇體積分數80%的條件下，設置提取時間3，5，7，9和11 min，考察微波提取時間對石榴皮果膠提取率的影響。

1.2.3.2 提取溫度對果膠提取率的影響

在提取時間7 min、微波提取功率500 W、液料比25∶1 g/mL、乙醇體積分數80%的條件下，設置微波溫度40，50，60，70和80 ℃，考察提取溫度對石榴皮果膠提取率的影響。

1.2.3.3 微波提取功率對果膠提取率的影響

在微波時間7 min、微波提取溫度70 ℃、液料比25∶1 g/mL、乙醇體積分數80%的條件下，設置微波功率為300，400，500，600和700 W，考察微波功率對石榴皮果膠提取率的影響。

1.2.3.4 液料比對果膠提取率的影響

在微波時間7 min、提取溫度70 ℃、微波提取功率500 W、乙醇體積分數80%的條件下，設置液料比15∶1，20∶1，25∶1，30∶1和35∶1 g/mL，研究液料比對石榴皮果膠產率的影響。

1.2.4 響應面設計

根據響應面Box-Behnken試驗設計，以以上幾個因素為變化值，以果膠提取率（Y）為響應值，進行4因素3水平的響應面試驗設計，探索微波輔助提取石榴皮果膠的最佳工藝條件，試驗設計方案見表1。

表1 響應面分析因素與水平

1.2.5 石榴皮果膠提取率的測定

按照式（1）進行果膠提取率計算。

式中：W為果膠提取率，%；E為提取得到的果膠質量，g；E為石榴皮粉末的質量，g。

1.3 數據處理

所有試驗均設3次重復，用Design-Expert軟件進行響應面試驗設計及數據處理。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 提取時間對石榴皮果膠產率的影響

從圖1可以看出，在提取時間從3～9 min時，果膠提取率呈上升趨勢；當提取時間9 min時，達到最大提取率24.37%，隨后又呈下降趨勢。這可能是因為提取時間較短，果膠還沒有完全溶出，隨著時間的延長，果膠逐漸溶出，但時間過長，果膠可能發生水解，因此產率下降。因此，試驗選定9 min，作為提取時間。

2.1.2 提取溫度對石榴皮果膠產率的影響

從圖2中可以看出，當提取溫度在50～80 ℃之間時，果膠提取率不斷增加，并在80 ℃達到峰值；當其高于80 ℃時，果膠提取率下降。原因可能是果膠在低溫下難于水解，但高溫時水解過度。因此，選取提取溫度80 ℃，果膠提取率為23.17%。

圖1 不同提取時間對石榴皮果膠產率的影響

圖2 不同提取溫度對石榴皮果膠產率的影響

2.1.3 微波提取功率對石榴皮果膠產率的影響

從圖3可以看出，隨著功率的提高，果膠提取率起初持續增長，并在500 W達到峰值，然后下降。微波功率小時果膠提取率較低，可能是由于功率小時，微波的能量不足以使果膠從石榴皮粉末中剝離出來。但是功率太大又可能會使果膠物質水解過度，難以形成膠體。因此選擇微波提取功率500 W，此時果膠提取率為24.48%。

圖3 不同微波提取功率對石榴皮果膠產率的影響

2.1.4 液料比對石榴皮果膠提取率的影響

從圖4中可以看出，當液料比為20∶1 g/mL時提取率最高，此時為25.89%。但液料比高于20∶1 g/mL時，產率逐漸下降。原因可能是：當液料比太小時，不利于果膠的形成，并且果膠難以轉移到水溶液中，因而在分離時損失較多；當液料比太大時，溶液中的果膠濃度變低，難以形成膠體，不易被濾出。

圖4 液料比對石榴皮果膠產率的影響

2.2 響應面試驗結果及分析

2.2.1 響應面設計結果

試驗結果如表2所示。通過響應面軟件Design-Expert進行方差分析，得到以下結果：

Y=25.59+0.076A+0.68B+1.80C+1.95D-0.025AB-0.21AC+0.068AD-1.25BC+0.51BD+1.33CD-3.11A2-1.53B2-2.04C2-2.57D2

表2 響應面試驗設計與結果

根據方差分析（表3）可以看出，模型p＜0.01，表明具有極顯著性，失擬項p=0.155 5＞0.05，表明回歸方程的擬合度較好，能很好地反映各種因素和果膠提取率（Y）之間的關系。回歸方程的R2=0.977 2，=0.954 4，二者值很接近，得出模型具有良好的擬合度。其中一次項B、C、D；交互項BC、CD和二次項A2、B2、C2、D2影響極顯著（p＜0.01），其余因素影響不顯著（p＞0.05），各因素影響程度為液料比（D）＞提取功率（C）＞提取時間（B）＞提取溫度（A）。

表3 果膠提取率回歸方程的方差分析

圖5 提取溫度、提取時間、提取功率和液料比對石榴皮果膠提取率的影響

從圖5的分析可以看出，在果膠提取率模型中，可以看出AB、AD、AC、BD的交互作用不顯著，BC、CD的交互作用顯著。以圖5（e）中的交互作用為例，把提取溫度和提取時間設為恒定值，當液料比為15∶1～20∶1 mL/g范圍內時，果膠提取率逐漸增加，當液料比為20∶1～25∶1 mL/g范圍內時，果膠提取率逐漸降低；當提取功率為400～500 W范圍內時，果膠提取率逐漸增加，當提取功率為500～600 W范圍內時，果膠提取率逐漸降低。說明二者交互作用對果膠提取率有最大值呈現，并且等高線為橢圓形，曲面坡陡，提取功率和液料比的交互作用對果膠提取率有顯著影響。同理固定提取功率和液料比，果膠提取率隨提取時間和提取溫度的增加呈現先升高后降低的趨勢，但等高線橢圓型不明顯，說明提取時間和提取溫度的交互作用不明顯。

2.2.2 驗證性試驗

由上述條件擬合后確定優化結果為微波輔助提取溫度（A）79.98 ℃，微波輔助提取時間（B）為8.07 min，微波輔助提取功率（C）為559.71 W，液料比為22.70∶1 mL/g，預測果膠提取率（Y）為26.67%。

為了驗證試驗的可行性，對得到的工藝條件進行修正，即：微波提取溫度80 ℃、微波提取時間8 min，微波提取功率560 W，液料比為23∶1 mL/g，重復3次。按此條件進行試驗，得到果膠提取率為26.25%，與預測值26.67%基本一致，表明試驗方法是可行的。

3 結論

通過響應面法優化了微波輔助提取石榴皮果膠的工藝，得到最佳工藝條件為提取溫度80 ℃、提取時間8 min，微波提取功率560 W，液料比為23∶1 mL/g，此時實際果膠提取率為26.25%，與預測值基本相符，說明模型可行。

研究優化了微波輔助提取石榴皮果膠的提取工藝，進一步為石榴皮的應用奠定良好的基礎。另一方面，此研究結果的應用，或可增長攀枝花果農的經濟效益，同時也具有很大的科研價值，為最終實現產業化奠定堅實的理論基礎。