沈銳,謝青松,趙壯志,稅春玲,李磊
(1.重慶市永川食品藥品檢驗所,重慶402160;2.重慶醫(yī)科大學附屬永川醫(yī)院,重慶402160)
天然果膠類物質主要以原果膠、果膠、果膠酸3種狀態(tài)廣泛存在于植物的果實、根、莖、葉中,它們伴隨纖維素而存在,構成細胞中間層粘結物,使植物組織細胞緊緊黏結在一起[1]。原果膠不溶于水,但可在酸、堿、鹽、酶的作用下,可加水分解轉變成水溶性果膠[2]。不同的果蔬含果膠物質的量不同,果膠在穩(wěn)定性、增稠、乳化和膠凝方面性質良好[3]。中國西南重慶地區(qū)盛產(chǎn)臍橙,每年大量的臍橙皮廢棄,少部分轉化為低效用的農(nóng)業(yè)肥料,總體來說造成大量的浪費。從臍橙皮中提取的果膠是高酯化度的果膠,在食品工業(yè)中作為添加劑常用來制作果醬、果凍等食品。
而在國內果膠作為用途廣泛的添加劑需求量正在以每年5%~10%的速度快速增長。全世界果膠的年需求量約4萬噸,其中美國6 500 t,俄羅斯2 700 t,日本2 300 t。據(jù)不完全統(tǒng)計我國每年約消耗5 000 t,其中從外國進口約占80%,同世界平均水平相比仍呈高速增長趨勢[4-5]。果膠主要生產(chǎn)國有丹麥、英國、美國、以色列、法國等,亞洲國家產(chǎn)量極少,特別是消費量約占世界產(chǎn)量10%的日本因無生產(chǎn)廠家,完全依靠進口[6]。在我國巨大的果膠缺口,使國產(chǎn)果膠成了國內眾多企業(yè)的期盼,因此大力開發(fā)果膠生產(chǎn)新工藝,利用我國豐富的果膠資源,生產(chǎn)出優(yōu)質果膠,滿足國內外市場需求已顯得極為迫切。目前果膠質量差、產(chǎn)量低卻是我國果膠產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀,要改變果膠依賴進口就需要更加先進的生產(chǎn)工藝。本文是就在臍橙皮中提取果膠工藝的探討。雖然目前有關臍橙果膠提取工藝優(yōu)化的文章已有不少,但關于細化到響應面研究還比較少,當然目前關于兩種優(yōu)化方法的選擇存在分歧,對比研究正交設計和響應面法試驗對臍橙皮中果膠提取,發(fā)現(xiàn)兩種試驗設計方法各有優(yōu)點,正交設計的試驗次數(shù)相對較少,且方法簡便,響應面法對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析優(yōu)于正交試驗。由此可見兩種方法各有優(yōu)勢,在實際應用時不能一概而論,為了避免在試驗中選擇優(yōu)化方法的隨意性和盲目性,尋找出最優(yōu)的提取條件,本文將正交設計和響應面法分別用于臍橙皮中果膠提取工藝的優(yōu)化,探討兩種方法對臍橙皮中果膠提取工藝優(yōu)化的差別,以便為試驗優(yōu)化設計提供合理的指導,本文給出了正交和響應面的分析比較,為其他工藝研究給出了參考依據(jù)。
臍橙:重慶奉節(jié)臍橙;無水乙醇、鹽酸、硫酸、氫氧化鈉等均為分析純:成都科龍試劑。
GRX-9076A電熱恒溫鼓風干燥箱、SHZ-B恒溫水浴鍋:上海龍躍儀器設備公司;TE216-L精密天平:賽多利斯;PHS-3C酸度計:上海佑科;MDJ-A01Y1食品粉碎機:上海小熊;TG16-WS離心機:湖南湘儀;LT-15-11-330馬弗爐:德國納博熱;T50自動電位滴定儀:瑞士梅特勒-托利多;FE20酸度計:梅特勒(上海)公司;ICE3000原子吸收分光光度計:美國賽默飛世爾;K-350水蒸氣蒸餾儀:瑞士步琦。
取臍橙外皮,煮沸滅酶,再用去離子水漂洗3次至漂洗液無色,然后置于55℃烘箱中烘干,將烘干后的產(chǎn)品置食品粉碎機中粉碎過60目篩,得到果皮備用。調節(jié)pH值,用鹽酸調節(jié)pH值在0.4~2.0范圍。恒溫浸提,浸提時間控制在40 min~120 min,溫度控制在65℃~85℃。用離心機進行固液分離,速度在3 000 r/min,時間15 min,收集上清液。待轉移出上清液后,在不斷攪拌下加入1.5倍體積的無水乙醇。將果膠醇沉溶液置于25℃室溫中靜置1 h,離心分離,收集離心沉淀。無水乙醇2~3洗滌,于55℃條件下干燥至恒重。
臍橙皮果膠提取率的測定采用重量法,果膠提取計算公式
式中:p為果膠提取率,%;m為提取得到的果膠得質量,g;W為樣品臍橙皮的質量,g。
1.2.3.1 液料比對果膠得率的影響
準備備用的果皮粉5.0 g,分別以液料比10∶1、15 ∶1、20 ∶1、25 ∶1、30 ∶1(mL/g)的量,加鹽酸使提取液pH值為0.8,離心醇沉提取,浸提溫度75℃,提取時間80 min,乙醇濃度60%,沉淀時間60 min。然后經(jīng)過離心、洗滌、干燥計算果膠得率,確定適宜液料比。
1.2.3.2 pH值對果膠得率的影響
準備備用的果皮粉5.0 g,加去離子水使液料比為20∶1(mL/g),加鹽酸調節(jié)提取液pH值分別為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0,離心醇沉提取,浸提溫度 75 ℃,提取時間80 min,乙醇終濃度60%,沉淀時間60 min。然后經(jīng)過離心、洗滌、烘干至質量恒定,計算果膠得率,確定適宜pH值。
1.2.3.3 浸提溫度對果膠得率的影響
準備備用的果皮粉5.0 g,加去離子水使液料比為20 ∶1(mL/g),加鹽酸調節(jié)提取液 pH 值為 0.8,離心醇沉提取,浸提溫度分別為 65、70、75、80、85 ℃,提取時間80 min,乙醇終濃度60%,沉淀時間60 min。然后經(jīng)過離心、洗滌、烘干至質量恒定,計算果膠得率,確定適宜浸提溫度。
1.2.3.4 提取時間對果膠提取率的影響
準備備用的果皮粉5.0 g,加去離子水使液料比為20 ∶1(mL/g),加鹽酸調節(jié)提取液 pH 值為 0.8,離心醇沉提取,浸提溫度為75℃,提取時間分別為40、60、80、100、120 min,乙醇終濃度 60%,沉淀時間 60 min。然后經(jīng)過離心、洗滌、烘干至質量恒定,計算果膠得率,確定適宜提取時間。
在單因素試驗分析基礎上,以果膠得率作為評價指標,進行四因素三水平的正交試驗,優(yōu)化果膠提取工藝,正交試驗設計見表1。
表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test
在單因素試驗分析基礎上,以果膠得率作為評價指標,采用Box-Behnken設計四因素三水平的響應面試驗,優(yōu)化果膠提取工藝,響應面試驗設計見表2。
表2 響應面分析因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface methodology
液料比對果膠提取率的影響見圖1。
圖1 液料比對果膠提取率的影響Fig.1 Effects of the solid-liquid ratio on extraction yield of pectin
由圖1可知,隨著液料比的增大,果膠提取率在增加,當液料比20∶1(mL/g)以后,果膠率達到頂點,之后緩緩下降。這可能是當液料比太小的時候,不能完全溶解物料和提取物,而當體積太大,在后續(xù)的濃縮工藝帶損耗,因此,液料比選擇20∶1(mL/g)為宜。
pH值對果膠提取率的影響見圖2。
圖2 pH值對果膠提取率的影響Fig.2 Effects of pH on extraction yield of pectin
由圖2可知,隨著pH值過低時,溶液極性較強,對果膠分子甙鍵和酯鍵斷裂,果膠發(fā)生解聚。隨pH值上升,酸性條件下,果膠轉化為水溶性果膠,果膠提取率在上升,但是pH值進一步上升,果膠轉化為果膠酸,穩(wěn)定性下降,得率降低。綜合以上,選擇pH值為0.8。
浸提溫度對果膠提取率的影響見圖3。
圖3 浸提溫度對果膠提取率的影響Fig.3 Effects of extraction temperature on extraction yield of pectin
由圖3可知,隨著浸提熱處理中,果膠會發(fā)生脫甲基和β消除兩種非酶反應,原果膠水解成可溶果膠,但是隨著溫度的升高,β消除反應速率不斷升高,果膠降解,果膠得率下降。綜合以上,選擇浸提溫度為80℃[7-8]。
提取時間對果膠提取率的影響見圖4。
圖4 提取時間對果膠提取率的影響Fig.4 Effects of extraction time on extraction yield of pectin
由圖4可知,隨著提取時間的增大,果膠質得到充分的水解,溶解為水溶性果膠,但是隨著時間過長,在酸性條件下,果膠發(fā)生降解,提取率也隨之降低。綜合以上,選擇提取時間為100 min[9]。
為確定果膠提取最佳工藝參數(shù),在單因素的試驗結果基礎上,選取四因素三水平L9(34)設計正交試驗表,正交試驗方案和結果見表2,以果膠的得率作為評價指標,對試驗結果進行分析,確定臍橙果膠最佳工藝條件。分別用正交試驗最佳工藝條件進行6組試驗,果膠的提取率平均提取率為22.31%[10-11]。
由極差R分析可知,各因素影響主次順序為A>B>D>C最佳工藝組合為A1B2C2D2,即臍橙皮果膠提取工藝的最佳條件為為:液料比 20 ∶1(mL/g)、pH0.8、提取時間100 min、溫度80℃。從正交結果可知,液料比對結果影響較大。
表3 正交試驗結果Table 3 Experimental design and result of orthogonal method
響應面試驗結果見表4,用Design-Expert 8.0.6對表中數(shù)據(jù)進行分析,得到回歸模型方程(2),方差分析見表5[12]。
表4 響應面法的試驗設計與結果Table 4 Experiment design and results of response surface method analysis
續(xù)表4 響應面法的試驗設計與結果Continue table 4 Experiment design and results of response surface method analysis
表5 回歸模型方差分析表Table 5 Variance analysis of regression model
回歸模型方程:果膠提取率/%=22.25-3.90A+1.73B+0.15C+1.04D+3.83AB-0.083AC-0.85AD-4.74BC-1.44BD-1.96CD-3.26A2-4.66B2-3.38C2-5.10D2(2)
由表中可知,失擬項 F=5.54,P=0.056 7>0.05,差異不顯著,模型擬合較好;模型 F=106.36,P<0.000 1,達到極顯著,回歸方差模型高度顯著的,說明試驗誤差小,可以用此模型對果膠工藝進行分析和預測。影響方程的因素中C和AC差異不顯著,AD差異顯著,其余各因素及各因素交互作用的P值均小于0.01,差異均為極顯著[13]。根據(jù)各因素F值的大小可知,各因素主效應關系為:A(液料比)>B(pH 值)>D(提取溫度)>C(提取時間),與上面的單因素分析和正交分析結論吻合。
各因素交互作用對果膠提取率影響的響應曲面圖見圖5。
圖5 各因素交互作用對果膠提取率影響的響應曲面圖Fig.5 Three-dimension response surface plot of the combined effects of each factor on the extraction rate of pectin
響應面等高線圖直接展示了每個因素對預測值的影響,以及各因變量之間的相互作用。橢圓說明兩個因變量之間有顯著的相互影響,而圓形則正好相反。圖5直觀的反應了4個因素之間的交互關系,從響應面的最高點可以看出,在所選范圍存在極值。從響應面曲面坡度的大小和等高線可以看出因素間交互作用的強弱和因素對響應值的影響程度。將其中任意兩個因素固定在零水平,另外兩個因素對響應值的影響。以圖5(a)可例,固定提取時間和提取溫度,當液料比處于低水平的時候,果膠提取率隨溶液pH值的增大先增大后下降,當液料比處于高水平的時候,果膠提取率隨溶液pH值的增大先緩緩增大后緩緩下降,當處于溶液pH值低水平的時候,果膠提取率隨液料比的增大而下降,當溶液pH處于高水平的時候,果膠提取率隨液料比的增大先增大后下降。由此類推可知圖 5 中(a)(c)(d)(e)(f)兩因素影響作用,等高線為橢圓知 AB、AD、BC、BD、CD 兩兩交互作用顯著,而(b)圖等高線接近于圓形,說明AD交互作用不顯著,與方差分析具有一致性[12]。
根據(jù)所得到的模型,運用Design-Expert 8.0.6軟件對模型進行分析,預測出酸提取法最佳工藝條件為:液料比21.27∶1(mL/g),溶液pH0.714,提取時間102.68 min,提取溫度80.84℃,考慮到實際操作的便利,將最佳工藝條件調整為:液料比 21∶1(mL/g),溶液pH0.7,提取時間102 min,提取溫度81℃。在最佳工藝條件下進行6次平行試驗,果膠提取率平均值為23.52%,與理論預測值基本吻合。說明了回歸方程的預測值與實驗值之間具有較好的擬合度,相比較之下,響應面分析比正交分析和單因素分析有明顯優(yōu)勢,不容易忽略最優(yōu)參數(shù)。
通過兩種方法用于優(yōu)化臍橙皮中果膠提取的結果可以看出,正交試驗法是從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行實驗并進行極差分析,以獲得最優(yōu)的因素組合,它是一種快速經(jīng)濟的試驗設計方法,具有簡單易行的特點,但是不可能像全面試驗一樣對各因素效應、交互作用進行一一分析,當有交互作用存在時,可能出現(xiàn)交互作用混雜,因此它不能在整個區(qū)域上找到因素和響應值之間的一個明確的函數(shù)表達式(即回歸方程),也就無法找到整個區(qū)域上因素的最佳組合和響應值的最優(yōu)值。而響應面法則是給出兩個極值,通過爬坡試驗等獲得其范圍內最優(yōu)的條件組合,并且能夠反映各因素之間的交互作用,與正交試驗法相比更加精確和直觀。響應面法雖然試驗次數(shù)較多,但能夠在整個區(qū)域上進行連續(xù)的分析,找出最合適的條件,試驗精度較高[14]。
根據(jù)國家強制標準GB 25533-2010《食品添加劑果膠》中涉及的方法對提取的樣品進行檢驗,結果見表6,可以看到該品各項指標高于果膠標準,特別是總半乳糖醛酸含量為69.8%,證明果膠純度較好[10,15-16]。
表6 果膠制品質量特征Table 6 Quality characteristics of pectin products
其他樣品果膠提取率見圖6。
圖6 其他樣品果膠提取率Fig.6 Extraction rate of pectin in other samples
如圖6所示,現(xiàn)階段我國生產(chǎn)果膠原料中產(chǎn)量較高的是橙皮、火龍果皮、檸檬皮及其果渣,但是橙皮的優(yōu)勢是產(chǎn)量比火龍果和檸檬大很多,價格低廉,原料來源簡單容易,是發(fā)展果膠提取工業(yè)很有優(yōu)勢的原料。
以臍橙皮為果膠提取原料,采用以酸提取為基礎結合加熱提取,最后乙醇沉淀的方法提取果膠,通過單因素、正交、響應面綜合分析,得到臍橙果膠得最佳工藝條件為,液料比 21 ∶1(mL/g),溶液 pH0.7,提取時間102 min,提取溫度81℃,乙醇最終濃度60%,沉淀時間60 min,其提取率為23.52%。與相對于其他提取方法來說,該提取方法簡單,能耗小,設備簡單,適合鄉(xiāng)鎮(zhèn)在發(fā)展臍橙皮廢料制果膠產(chǎn)業(yè)中使用,為臍橙皮的廢物利用提供了很好的參考[16-17]。
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