劉勝一，史雪潔，徐蘭蘭，衣悅濤,*

（1.中國科學院煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003；2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100049）

響應面法優(yōu)化菊芋渣中果膠的提取工藝及產品性質分析

劉勝一1,2，史雪潔1,2，徐蘭蘭1，衣悅濤1,*

（1.中國科學院煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003；2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100049）

應用響應面分析法對菊芋渣中果膠的提取工藝進行優(yōu)化。首先研究了不同的提取劑種類（鹽酸、硫酸、亞硫酸、磷酸）對果膠得率的影響，結果表明磷酸提取效果最佳。在單因素試驗的基礎上，以磷酸為提取劑，采用Box-Behnken試驗設計方案，以提取溫度、pH值、提取時間、液料比為影響因素，以果膠得率為響應值，通過響應面分析法得到菊芋渣果膠的最佳提取條件為提取溫度100℃、pH 1.52、提取時間63.62min、液料比44.4∶1（mL/g），此條件下果膠的最高得率為18.76%。在最優(yōu)條件下進行驗證實驗，實際提取結果為（18.52±0.9）%，這與模型預測值吻合，說明建立的模型可行。測定最優(yōu)條件下獲得果膠樣品的紅外光譜結構并進行了解析，分析果膠產品的性質發(fā)現，各項指標均符合GB 25533—2010《食品添加劑：果膠》的要求。

菊芋渣；果膠；響應面法；性質

果膠是一類天然高分子質量的化合物，是細胞壁的重要組成部分，存在于所有的陸生植物中[1]。它是一種雜多糖，其主要成分是D-半乳糖醛酸，還含有大量的甲酯基。果膠作為一種天然的食品添加劑，廣泛用于食品行業(yè)，常用作增稠劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、凝膠劑等[2-3]。世界上每年消耗的果膠超過3萬 t，并且每年以4%～5%的速率增長[4]。果膠的提取是一個多階段的物理化學過程，包括植物組織中果膠的水解及溶出，影響這一過程的因素有很多，主要包括溫度、pH值、時間、液料比等[5]。目前提取果膠的方法主要分為4 類：酸提取、堿提取、鹽提取及非傳統(tǒng)方法，工業(yè)上常通過酸處理各種原材料，將原果膠水解，然后提取果膠，一些新的方法也是在此基礎上建立的[6]。食品工業(yè)中使用的果膠常提取自蘋果渣（果膠質量分數12%）和柑橘皮（果膠質量分數25%）[7]。此外，學者們還研究了從向日葵盤[8]、甜菜糖渣[9]、大豆皮[10]、西番蓮果皮[11]中提取果膠的方法。

菊芋（Jerusalem artichoke）是菊科多年生草本植物，廣泛種植于我國許多省區(qū)，鮮菊芋塊莖中含水79.8%、碳水化合物16.6%、蛋白質1.0%、脂肪1.0%、粗纖維16.6%、灰分2.8%[12]，實驗測定鮮菊芋中含果膠（以半乳糖醛酸計）0.71%。目前菊芋主要用于提取菊粉[13]，1 t菊芋塊莖加工后的菊芋渣濕質量約為650 kg[14]，經測定菊芋干渣中含有水分4.23%、脂肪1.52%、蛋白14.55%、果膠（以半乳糖醛酸計）15.86%，如能再次利用這些菊芋渣生產果膠，將會大大增加菊芋加工產業(yè)的附加值。目前，菊芋渣主要用于飼喂牲畜，關于菊芋渣再次利用的研究相對較少，張維[15]利用菊芋渣提取蛋白、膳食纖維，大慶九環(huán)菊芋生物產業(yè)有限公司的專利[16]中利用菊芋渣連續(xù)提取果膠和膳食纖維，目前國內對菊芋渣中果膠提取條件的研究較少。本研究系統(tǒng)探討了提取溫度、提取時間、pH值、液料比對果膠得率的影響，通過Box-Behnken試驗設計，利用響應面的方法建立二次多項式模型，用于預測不同提取條件下的果膠得率。同時，通過對響應面的分析，研究不同變量的交互關系，優(yōu)化果膠提取工藝參數。對果膠樣品進行紅外光譜結構測定并解析，并按照GB 25533—2010《食品添加劑：果膠》[17]對果膠的各項指標進行測定，以期為菊芋渣中果膠的進一步開發(fā)和利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菊芋渣為鮮菊芋提取菊粉后的殘渣；鹽酸、硫酸（分析純） 煙臺三和化學試劑有限公司；磷酸、氨水（分析純） 天津市永大化學試劑有限公司；亞硫酸（分析純） 天津市大茂化學試劑廠；D-半乳糖醛酸北京索萊寶科技有限公司；咔唑 國藥集團化學試劑有限公司；α-萘酚 天津市光復精細化工研究所；實驗中用水均為去離子水。

1.2 儀器與設備

TU-1810紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋 金壇市科析儀器有限公司； CP214電子天平 奧豪斯儀器（上海）有限公司；電子萬用爐 天津市泰斯特儀器有限公司；DHG-9240A型電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；BF51766kc-1馬弗爐 美國Thermo Scientific公司；RE-52AA旋轉蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；DZF-6050型真空干燥箱 上海博訊實業(yè)有限公司；高速萬能粉碎機 上海比朗儀器有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司；FT/IR-4100傅里葉紅外光譜儀 日本Jasco公司；ELAN DRC Ⅱ型電感耦合等離子體-質譜儀 珀金埃爾默（香港）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程[9]

原料預處理→烘干→粉碎→酸提取→調節(jié)pH值→過濾→減壓濃縮→乙醇沉淀→洗滌→真空干燥→果膠

1.3.1.1 原料的預處理

將新鮮的菊芋在80 ℃條件下用水提取2 次，液料比為5∶1（L/kg），每次1 h，過濾得到的濾渣再用蒸餾水沖洗兩遍，得菊芋渣。將菊芋渣在60 ℃烘箱中鼓風干燥24 h，干燥后粉碎，過40 目篩，密封保存。

1.3.1.2 果膠的提取

稱取菊芋渣粉末，按設定的料液比加入酸溶液，調至合適的pH值，提取后離心分離濾渣和濾液。濾液在50 ℃減壓濃縮至原液體積的1/4左右，加入濃縮液2 倍體積分數95%的乙醇溶液，靜置4 h，用200 目的尼龍布過濾，用體積分數70%的乙醇溶液洗滌3 次，過濾收集沉淀。將果膠沉淀置于40 ℃的真空干燥箱中，干燥24 h。

1.3.2 提取劑的選擇

設定pH 2、提取溫度90 ℃、提取時間60 min、液料比30∶1（mL/g），分別考察不同的提取劑種類（鹽酸、硫酸、亞硫酸、磷酸）對果膠得率的影響。

1.3.3 單因素試驗

選擇提取溫度、pH值、提取時間、液料比作為影響果膠得率的主要因素，通過單因素試驗選取響應面的因素和水平，每組試驗均重復3 次。

1.3.3.1 提取溫度對果膠得率的影響

選用磷酸作為提取劑，分別以60、70、80、90、100 ℃作為提取溫度，其他提取條件設定為pH 2、提取時間70 min、液料比40∶1（mL/g），考察不同提取溫度對果膠得率的影響。

1.3.3.2 pH值對果膠得率的影響

選用磷酸作為提取劑，pH值分別調至1、1.5、2、2.5、3，其他提取條件設定為提取溫度90 ℃、提取時間70 min、液料比40∶1（mL/g），考察不同pH值對果膠得率的影響。

1.3.3.3 提取時間對果膠得率的影響

選用磷酸作為提取劑，分別以30、50、70、90、110 min作為提取時間，其他提取條件設定為提取溫度90 ℃、pH 2、液料比40∶1（mL/g），考察不同提取時間對果膠得率的影響。

1.3.3.4 液料比對果膠得率的影響

選用磷酸作為提取劑，液料比（mL/g）分別為20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1，其他提取條件設定為提取溫度90 ℃、pH 2、提取時間70 min，考察不同的液料比對果膠得率的影響。

1.3.4 響應面試驗因素及水平

在單因素試驗的基礎上，選取磷酸作為提取劑，采用Box-Behnken試驗設計方案，以提取溫度（A）、pH值（B）、提取時間（C）、液料比（D）為影響因素，果膠得率（Y）為響應值，因素編碼及水平見表1，每組試驗均重復3 次。

圖1 提取劑種類對果膠得率的影響Fig.1 Effect of extraction solvent type on the yield of pectin

1.3.5 果膠得率的計算

果膠得率/%=m1/m2×100

式中：m1為果膠質量/g；m2為原料質量/g。

1.3.6 傅里葉變換紅外光譜分析

參照Park等[18]的方法：取1～2 mg樣品于研缽中，加入100 mg干燥的溴化鉀粉末，研磨均勻，壓片，在4 000～400 cm－1波數范圍內進行紅外光譜掃描。

1.4 數據處理

每次實驗均重復3 次，取平均值。采用Microsoft Excel 2007統(tǒng)計軟件進行數據分析，采用Origin 8對數據進行作圖，采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面的作圖及分析。

2 結果與分析

2.1 提取劑種類對菊芋果膠得率的影響

圖1 提取劑種類對果膠得率的影響Fig.1 Effect of extraction solvent type on the yield of pectin

從圖1可以看出，不同種類酸對果膠得率的影響不同，以磷酸作為提取劑時，果膠得率為（5.81±0.21）%，較硫酸、亞硫酸、鹽酸高。因此，在后續(xù)實驗中選取磷酸作為提取劑。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 提取溫度對果膠得率的影響

圖2 提取溫度對果膠得率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of pectin

從圖2可以看出，提取溫度對果膠得率有顯著影響，果膠得率隨著溫度的升高而逐漸增加，當溫度升至100 ℃，果膠得率最大。這可以解釋為當其他因素不變時，溫度升高后，細胞壁和表皮組織變得更加松弛，使得提取劑與原料間的物質交換加快，而在此溫度范圍內果膠不會降解[19]，因此提取效率增加。

2.2.2 pH值對果膠得率的影響

圖3 pH值對果膠得率的影響Fig.3 Effect of pH on the yield of pectin

圖3 表明，提取溫度不變，pH值由3降至1.5時，果膠得率隨著pH值的降低逐漸增加，因為酸度增強有利于原果膠的水解，使更多的原果膠轉化為水溶性的果膠，因此增加了果膠的提取率，在pH 1.5時果膠得率達到最大。然而當提取液pH值繼續(xù)降低時，果膠得率又慢慢減少，這可能是因為溶液中的水溶性果膠會進一步脫酯裂解，從而使果膠得率下降[20]。

2.2.3 提取時間對果膠得率的影響

圖4 提取時間對果膠得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on the yield of pectin

圖4表明，當提取時間開始逐漸延長時，果膠得率逐漸增加。這是由于提取體系中積累的熱量逐漸增加，為原果膠的水解提供了更多的能量，原果膠與細胞內的其他化學鍵逐漸斷裂，溶解于水中。隨著時間的延長，原果膠的水解更加完全，因此果膠得率也慢慢增加。當提取時間進一步延長時，可能由于發(fā)生了果膠的降解，導致了果膠得率又開始慢慢下降[21]，從皮革中提取芳香胺時發(fā)生了類似的現象，隨著時間的延長，胺類化合物開始減少[22]。

2.2.4 液料比對果膠得率的影響

圖5 液料比對果膠得率的影響Fig.5 Effect of solid-to-liquid ratio on the yield of pectin

圖5 表明，溶劑量也顯著影響果膠得率，果膠得率先隨著液料比的增加而增加，這可能是因為溶劑量越多，原料的膨脹越嚴重[23]，細胞壁破裂，使得果膠更容易滲透到周圍介質中。當料液比增加到一定程度后，溶液中的溶質達到了飽和，這影響了傳質速率，妨礙了果膠向溶液中滲透[24]，因此果膠得率下降。

2.3 響應面試驗結果

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken試驗設計原理，確定了四因素三水平的響應面分析方法，果膠提取響應面試驗設計與結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken design and results

續(xù)表2

2.3.1 回歸模型的建立

以提取溫度（A）、pH值（B）、提取時間（C）、液料比（D）為自變量，果膠得率（Y）為因變量，利用Design-Expert 8.0.6軟件，對各組合處理得到的果膠得率進行二次回歸分析，建立多元二次響應面回歸模型：

Y=15.18+3.16A+0.33B－0.46C+0.12D－0.35AC+ 0.33CD－0.28A2－0.64B2－1.03C2－1.25D2

2.3.2 回歸模型的方差分析

表3 果膠得率響應值二次模型的方差分析Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for response surface quadratic model for pectin yield

通過試驗數據的方差分析，對模型的統(tǒng)計學意義進行了檢驗，結果見表3。模型的F值（155.36）較高，P值（＜0.000 1）較低，這說明模型是顯著的，大部分的變異能夠被模型解釋。失擬項P=0.091 3，失擬檢驗不顯著，說明未知因素對結果影響較小。R2值為0.990 2，這說明只有0.98%的變異不能被模型解釋，建立的模型能很好地預測結果。變異系數（4.42%）較低說明實驗數據的重復性較好?；貧w方程的系數檢驗表明，A、D、B2、C2、D2對果膠得率影響極顯著，B、C對果膠得率影響顯著，AB、AC、CD、A2對果膠得率影響不顯著。

2.3.3 響應面分析

圖6 提取溫度與pH值的交互作用對果膠得率影響的響應面及等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots illustrating the effect of extraction temperature and pH on the yield of pectin

圖7 提取溫度與提取時間的交互作用對果膠得率影響的響應面及等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots illustrating the effect of extraction temperature and time on the yield of pectin

圖8 提取時間與液料比的交互作用對果膠得率影響的響應面及等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots illustrating the effect of extraction time and liquid-to-solid ratio on the yield of pectin

3D響應面圖能夠直觀地反映出各變量與響應值間的關系，固定其中的2 個變量為零水平，響應值隨著另外兩個變量的改變而變化，方差分析結果表明兩因素間的交互作用均不顯著。從圖6～8可以看出，果膠得率隨著提取溫度的升高而線性增加，提取溫度在100 ℃時果膠得率達到最大。果膠得率與pH值、提取時間、液料比間的關系是二次的，其所表征的拋物面開口向下，具有極大值點。

2.3.4 參數的優(yōu)化及最優(yōu)條件的驗證

在選取的因素范圍內，根據回歸模型通過Design-Expert 8.0.6軟件分析得出，菊芋果膠的最佳提取條件為：提取溫度100 ℃、pH 1.52、提取時間63.62 min、液料比44.4∶1（mL/g）。根據最佳條件，考慮實 際操作性，調整提取條件為：提取溫度100 ℃、pH 1.52、提取時間63 min，液料比44∶1（mL/g），經過3 次重復實驗測得的果膠得率為（18.52±0.9）%，這與預測值18.76%相差不大，即該模型與實際情況擬合較好。

2.4 菊芋果膠的紅外光譜解析

圖9 菊芋果膠的紅外光譜圖Fig.9 FT-IR spectrum of pectin from Jerusalem artichoke pulp

圖9所示為果膠樣品在4 000～400 cm－1范圍內的紅外光譜圖。在1 000～2 000 cm－1范圍內波形表示了果膠中主要的化學官能團，并用于不同果膠的鑒別[25]，1 087.66 cm－1處的吸收峰是糖苷鍵（C—O—C）的彎曲振動峰，1 423.21 cm－1為亞甲基上的C—H彎曲振動峰，1 743.33 cm－1和1 635.34 cm－1處的吸收峰表示化合物中存在游離和酯化的羰基。3 432.67 cm－1是O—H的伸縮振動吸收峰，2 927.41 cm－1處的吸收峰為C—H的伸縮振動吸收峰。3 300～3 500 cm－1（—NH2）處無雙峰出現說明無蛋白存在。

2.5 菊芋果膠理化指標分析

按照GB 25533—2010《食品添加劑：果膠》中的要求及方法，對在最優(yōu)條件下獲得的果膠產品進行分析，其各項指標均符合國家標準（表4）。

表4 菊芋渣果膠的理化指標Table 4 Physico-chemical properties of pectin from Jerusalem artichoke pulp

3 結 論

本實驗對菊芋果膠提取的最佳條件通過響應面法進行了優(yōu)化，并對菊芋果膠的基本性質進行了分析。首先研究了不同的酸對果膠得率的影響，比較了鹽酸、硫酸、亞硫酸、磷酸，其中磷酸提取效果最佳，因此選取磷酸作為提取劑。然后通過Box-Behnken試驗設計，利用響應面法對試驗條件進行了優(yōu)化，擬合得到了二次多項式方程，得到果膠的最佳提取條件為：提取溫度100 ℃、pH 1.52、提取時間63.62 min、液料比44.4∶1（mL/g），果膠的最高得率為18.76%?？紤]實際操作性，調整提取條件為：提取溫度100 ℃、pH 1.52、提取 時間63min，液料比44∶1（mL/g），經過3 次重復實驗測得的果膠得率為（18.52±0.9）%，文獻[26]報道蘋果渣、甜菜渣、向日葵盤中的果膠質量分數分別為15%、15%～20%、25%，相比菊芋渣中的果膠含量也較高，因此可以作為新的果膠原料。對最佳條件下獲得的果膠樣品進行了紅外結構測定及結構解析，同時對該樣品的基本理化指標進行了分析，并與國家標準GB 25533—2010《食品添加劑：果膠》比較，樣品果膠的各項理化指標均符合國家標準。

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Optimization of Pectin Extraction from Jerusalem artichoke Pulp and Analysis of Product Properties

LIU Sheng-yi1,2, SHI Xue-jie1,2, XU Lan-lan1, YI Yue-tao1,*
(1. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Response surface design was employed to optimize the extraction of pectin from Jerusalem artichoke pulp. Different solvents (hydrochloric acid, sulfuric acid, sulphurous acid and phosphoric acid) were compared on the yield of pectin. Results showed that phosphoric acid revealed better extraction efficiency. Based on single factor experiments, Box-Behnken Design was used to explore the effects of processing variables (extraction t emperature, pH, extraction duration and liquid-to-solid ratio) on the yield of pectin. Under the optimal extraction conditions: pH 1.52, 63.62 min, 100 ℃ and a liquid-to- solid ratio of 44.4:1 (mL/g), the maximum predicted pectin yield was 18.76%. Experiments conducted under these conditions led to an extraction yield of (18.52 ± 0.9)%, which was consistent with the predicted value. Therefore, the established model was feasible. Moreover, FTIR spectroscopy was used to analyze pectin structure. The obtained product was analyzed for its physicochemical parameters and all analytical results met the requirements of the national standard (GB 25533—2010).

Jerusalem artichoke pulp; pectin; response surface methodology; properties

TS209

A

1002-6630（2014）24-0029-06

10.7506/spkx1002-6630-201424006

2014-05-16

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2012AA021205）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2011BAC02B04）；泰山學者建設工程專項

劉勝一（1990—），男，碩士，研究方向為資源生物與化學。E-mail：liushengyi.999@163.com

*通信作者：衣悅濤（1974—），男，副研究員，博士，研究方向為海岸帶資源化學。E-mail：ytyi@yic.ac.cn