響應(yīng)面法提取臭黃荊葉果膠的研究

潘 妍，賈紅亮，林少華，黃廣學(xué)，湯久楊

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442）

果膠是一種雜多糖，是α-D-吡喃半乳糖醛酸通過(guò)α-（1-4）-糖苷鍵連接而成的聚合物，常帶有鼠李糖、木糖、阿拉伯糖等組成側(cè)鏈，還含有大量的甲酯基[1,2]。果膠作為天然食品添加劑，具有增稠、乳化、穩(wěn)定等效果；果膠還是極具價(jià)值的水溶性膳食纖維，具有降血壓、降膽固醇和抗癌等作用[3,4]。臭黃荊（Premna hainanensia）為馬鞭草科臭黃荊屬植物[5]，主要分布于四川、重慶、貴州、湖北及江西等地區(qū)[6]。臭黃荊葉中含有大量的果膠，當(dāng)?shù)厝讼矚g利用葉中果膠制作“翡翠涼粉”，其色澤翠綠，口感細(xì)滑，入嘴淡苦，具有一定營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健功能[7]。因此，研究臭黃荊葉中果膠提取工藝可以為其開(kāi)發(fā)和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

臭黃荊：湖北丹江口移栽至北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院。試劑均為常規(guī)試劑。

儀器：離心機(jī)Sigma公司；DSHZ-300 多用途水浴恒溫振蕩江蘇太倉(cāng)市試驗(yàn)設(shè)備廠；新世紀(jì)T6 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 臭黃荊果膠提取工藝流程

臭黃荊鮮葉→烘干→粉碎→提取→離心→減壓濃縮→乙醇沉淀→洗滌→冷凍干燥→果膠。

1.2.2 臭黃荊果膠的提取

選擇溶液pH 值、液料比、提取溫度和提取時(shí)間4 個(gè)對(duì)提取率影響較大的因素考察對(duì)臭黃荊果膠得率的影響。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法建立二次多項(xiàng)式模型對(duì)提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，以提取溫度（x1）、提取時(shí)間（x2）、pH 值（x3）為影響因素，果膠得率（Y）為響應(yīng)值，因素編碼及水平見(jiàn)表1，每組試驗(yàn)均重復(fù)3 次。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平Tab.1 The response surface analysis factors and levels

1.2.3 臭黃荊果膠測(cè)定方法

臭黃荊果膠測(cè)定采用咔唑比色法。

1.2.4 臭黃荊果膠的純化

將臭黃荊提取液在80℃下真空濃縮，濃縮液按體積比為1∶3加入無(wú)水乙醇，均勻攪拌，然后用布氏漏斗抽濾得到沉淀物。沉淀物在60℃時(shí)烘箱中烘干，再用75%的乙醇二次脫色，并用無(wú)水乙醇洗滌6 次，所得果膠于60℃真空中干燥至恒重。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS20軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)對(duì)臭黃荊果膠提取工藝的影響

單因素對(duì)臭黃荊果膠提取工藝的影響，見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 提取時(shí)間對(duì)臭黃荊果膠提取工藝的影響Fig.1 The effect of extraction time on pectin extraction process of Premna hainanensia

圖2 pH對(duì)臭黃荊果膠提取工藝的影響Fig.2 The effect of pH on extraction process of pectin from Premna hainanensia

圖3 提取溫度對(duì)臭黃荊果膠提取工藝的影響Fig.3 The effect of extraction temperature on extraction process of Premna hainanensia pectin

圖4 液料比對(duì)臭黃荊果膠提取工藝的影響Fig.4 The effect of liquid material ratio on extraction process of Premna hainanensia pectin

如圖1，提取條件為液料比50∶1 mL/g、提取溫度60℃、pH值2，選擇提取時(shí)間0.5～2.5 h。結(jié)果顯示：0.5～1 h臭黃荊果膠含量變化不顯著，1.5 h顯著升高，1.5～2.5 h 得率顯著下降，果膠含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)提取時(shí)間為1.5 h 時(shí)，果膠含量達(dá)到最高為147.71±5.32 mg/g。

如圖2，提取條件為液料比50∶1 mL/g、提取溫度60℃、提取時(shí)間1.5 h，選擇pH 值1.0～5.0。結(jié)果顯示：當(dāng)pH 值小時(shí)，提取率高，當(dāng)pH 值為2 時(shí)，臭黃荊果膠含量達(dá)到最大值120.73±6.61 mg/g。果膠的得率隨著pH的升高逐漸降低，由于酸度的增強(qiáng)有利于果膠的溶解，可以使更多的果膠溶解在提取液中，因此在酸性條件下，果膠的含量增高。

如圖3，臭黃荊果膠隨溫度的升高逐漸增加，70℃后得率提高趨于平緩，70℃與80℃差異不明顯，在提取溫度為70℃時(shí)，果膠含量為148.36±2.91 mg/g。

如圖4，提取條件為pH 值為2、提取溫度80℃、提取時(shí)間1.5 h，選擇液料比50∶1～90∶1 mL/g。結(jié)果顯示：臭黃荊果膠得率隨液料比的增加先上升再下降，可能是由于溶劑的增加，可以使果膠更易溶解在溶劑中，但是當(dāng)液料比增加到一定程度時(shí)，溶液中的溶質(zhì)達(dá)到飽和，影響了傳質(zhì)效率，因此果膠含量下降，液料比到70∶1時(shí)達(dá)到最大值135.33±3.67 mg/g。

如上所述，最佳單因素條件為：提取時(shí)間1.5 h、pH 值2、提取溫度70℃、液料比70∶1 mL/g，用單因素最佳條件進(jìn)行提取，得到果膠的提取量為147.22±4.23 mg/g。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，確定了三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，果膠提取響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 果膠提取響應(yīng)面試驗(yàn)的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.2 The Box-Behnken test design and results of pectin extraction response surface experiment

2.2.1 回歸模型的建立

以提取溫度（x1）、提取時(shí)間（x2）、pH 值（x3）為影響因素，果膠得率（Y）為因變量，利用Design-Expert 8.0.6 軟件，對(duì)各組合處理得到的果膠得率進(jìn)行二次回歸分析，建立多元二次響應(yīng)面回歸模型：

2.2.2 回歸模型的方差分析

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析，對(duì)模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

該方程的自變量與應(yīng)變量之間相互影響的F檢驗(yàn)和P值檢驗(yàn)如表3 所示，pH（x3）的影響、溫度的二次項(xiàng)、時(shí)間的二次項(xiàng)和pH 的二次項(xiàng)是極顯著的（P≤0.01），其次是溫度和時(shí)間的交互項(xiàng)（x1x2）。本試驗(yàn)所用的回歸模型F=252.93，P＜0.000 1 是極顯著的（P≤0.01），失擬項(xiàng)P=0.267 2 是不顯著的（P＞0.05），其決定系數(shù)R2=0.997 8，修正系數(shù)R2=0.993 9，說(shuō)明該模型可以很好地解釋響應(yīng)值，擬合度較好，試驗(yàn)誤差小，適合對(duì)臭黃荊果膠提取進(jìn)行分析。

表3 回歸模型方差分析Tab.3 The variance analysis of regression model

2.2.3 雙因素交互作用

從圖5～圖7 因素對(duì)果膠含量的響應(yīng)面圖能夠直觀地反映出各變量與響應(yīng)值間的關(guān)系。果膠得率與pH 值、提取時(shí)間、液料比間的關(guān)系是二次的，其所表征的拋物面開(kāi)口向下，具有極大值點(diǎn)。

圖5 提取時(shí)間和溫度的交互作用Fig.5 The interaction between extraction time and temperature

圖6 提取溫度和pH的交互作用Fig.6 The interaction between extraction temperature and pH

圖7 提取時(shí)間和pH的交互作用Fig.7 The interaction between extraction time and pH

2.2.4 最佳參數(shù)的確認(rèn)及驗(yàn)證

結(jié)合回歸模型的數(shù)學(xué)分析可知，臭黃荊果膠提取最優(yōu)工藝參數(shù)為提取溫度69.92℃，提取時(shí)間為1.53 h，pH 值為1.89，在此最優(yōu)條件下的預(yù)測(cè)值為148.977 mg/g。為進(jìn)一步檢驗(yàn)響應(yīng)面分析法的可靠性，采用上述最優(yōu)條件進(jìn)行果膠提取（提取溫度70℃，提取時(shí)間1.5 h），與理論值相比相對(duì)誤差較小，實(shí)際提取的果膠含量為149.68±2.49 mg/g。將最優(yōu)條件提取的臭黃荊果膠提取液經(jīng)過(guò)脫色、純化后得到白色果膠粉末，測(cè)定其半乳糖醛酸含量為85.13%。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)研究了臭黃荊果膠的最佳工藝條件，最佳單因素條件為pH 值為2、液料比70∶1（mL/g）、提取溫度70℃、提取時(shí)間1.5 h，其中料液比因素不顯著，得到果膠的提取率為143.76 mg/g左右。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用響應(yīng)面優(yōu)化，研究提取溫度、提取時(shí)間和pH 值對(duì)臭黃荊果膠提取的最佳方案，得到最優(yōu)工藝參數(shù)為提取溫度69.92℃，提取時(shí)間為1.53 h，pH 值為1.89，果膠含量為149.68±2.49 mg/g。通過(guò)方差分析，整個(gè)模型極其顯著，探討得出對(duì)臭黃荊果膠得率影響，從大到小依次是pH 值、提取時(shí)間和提取溫度，其中pH 值因素影響極其顯著。將臭黃荊果膠純化后，其半乳糖醛酸占85.13%。

臭黃荊野生資源非常豐富，產(chǎn)量較大，食用和藥用價(jià)值較高。文章通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法，得到臭黃荊果膠提取的最優(yōu)工藝參數(shù)，因時(shí)間有限，目前對(duì)這一種提取方法做了研究，后續(xù)可以對(duì)其他提取方法，比如酶法、超聲波法等繼續(xù)研究，為開(kāi)發(fā)產(chǎn)品提供更多的理論基礎(chǔ)。