响应面优化微波辅助加热酸法提取果胶工艺.pdf

科研开发化工科技,():S C I E N C E&T E CHNO L OG YI NCHEM I C A LI N D U S T R Y基金项目:陕西省科技厅项目(Q F Y );中国科学院榆林学院联合基金项目(,);榆林市高新区科技局项目(C X Y ).通讯联系人:高立国(),男,陕西佳县人,榆林学院教授,主要从事物理化学方向的研究.作者简介:郑一南(),男,山东泰安人,榆林学院在读硕士,研究方向为量子化学.收稿日期:响应面优化微波辅助加热酸法提取果胶工艺郑一南,宋小利,付玉秀,庞亚明,高立国(榆林学院 化学与化工学院,陕西 榆林 )摘要:以苹果渣为原料,利用微波辅助加热柠檬酸水解法提取果胶,在单因素实验的基础上,采用B o x B e n h n k e n实验设计方案对提取条件进行优化.结果表明,果胶提取的最佳工艺参数为V(柠檬酸)m(果渣)m L/g,p H,水解温度 ,水解时间 h,微波辐射功率 W,辐射时间 m i n,果胶提取率的理论响应值为 .关键词:B o x B e h n k e n响应面法;微波辅助提取;苹果果胶;柠檬酸提取法中图分类号:T S 文献标识码:A文章编号:()果胶类物质存在于植物的细胞壁之间,主要形态有 原 果 胶、果 胶 和 果 胶 酸,能 够 起 到 降 血糖、增强免疫力、抗菌、保护肠道及连接和保护细胞的作用.有研究表明,果胶含量最高的物质为植物的果实,大多数的果胶都是从柑橘皮类和苹果渣等物质中提取,苹果果胶是第二大商品果胶来源.中国是苹果生产大国,与苹果相关的产业盛行.很多果渣被浪费,造成环境污染,而果渣中含有果胶较多且易提取.果胶是纯天然无毒的酸性杂多糖,由于提取方法、来源不同,使其具有结构多样性,提取果胶的方法主要有水 提 法 、酸 提 法 、碱 提 法 、酶 提法.其中酸提法 最为普遍,常辅以微波 和超声 提高提取效率,但是目前提取效率依旧不高,且超声辅助成本较高,而且工业上采取如盐酸和硫酸提取容易造成水体污染和设备的腐蚀,硫酸根离子的去除也非常困难,采用柠檬酸不仅可以规避以上问题,同时也可以防止果胶凝聚,其作为一种不受任何限制的安全材料,很适合作为提取溶剂.微波 是一种通 过频率为 MH z的电磁波,能够穿透萃取媒质,到达待萃取物的内部,使被萃取的成分加速向萃取溶剂扩散,加快萃取速率 .其萃取效率高、纯度高、能耗小、环保的特点可用于果胶行业.对提取工艺进行以单因素实验为基础、响应面法为辅助的进一步优化,改善果胶的提取效率.利用响应面法优化微波辅助加热柠檬酸提法鲜有报道,作者以苹果渣为原料,以安全溶剂柠檬酸作为提取溶剂,辅以微波辐射加热方法,以果胶的提取率作为参考指标,在以单因素实验为基础,响应面法优化的方法为进阶的条件下,确定最佳的提取条件.实验部分原料、试剂与仪器苹果:榆林区农贸市场.柠檬酸、盐酸、无水乙醇:体积分数,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司.微孔滤膜、mm孔径筛网:上海市新亚净化器件厂;p H精密试纸:沈阳富阳特种纸业有限公司;微波发生器:上海精密科学仪器有限公司;电子天平:沈阳龙腾电子有限公司;恒温干燥箱:DHG A,天津市通利信达仪器厂;离心机:X,多功能搅拌机:J Y L B ,浙江绍兴苏泊尔生活电器有限公司;循环水真空泵:S H Z D,河南省予华仪器有限公司;数显恒温水浴锅:HH ,金坛市 丹 阳 门 石 英 玻 璃 厂;智 能 磁 力 搅 拌 器:Z N C L T S,郑州杜甫仪器厂.实验方法苹果预处理方法用盐水对苹果进行擦洗,切成块状去除果蒂果核,放入榨汁机中榨汁,用纱布挤压得到果渣去除汁液,再将果渣置于 的水中煮 m i n,用 的温水清洗,于 的恒温干燥箱中干燥至质量恒定,用 mm孔径筛网过滤,将得到的果渣用密封袋密封后放在冰箱中保存.果胶提取方法称取 g果渣放入锥形瓶中,加入柠檬酸溶液搅拌均匀.调节溶液p H值后,置于恒温水浴中,W微波辐射辅助水解 m i n.抽滤水解液,混合 m L无水乙醇搅拌均匀,室温下静置,直至果胶沉淀.n r/m i n离心 m i n,收集沉淀物,用无水乙醇充分洗涤后摊铺在表面皿上,于 的恒温干燥箱中干燥至质量恒定,取出称量,根据公式()计算果胶提取率.果胶提取率mm ()式中:m为干燥后果胶质量,g;m为苹果渣质量,g.果胶提取单因素实验实验运用单因素法逐步研究果胶提取实验中V(柠檬酸)m(果渣)(以下简称液料比)、p H值、水解温度和水解时间分别对果胶提取率的影响,实验方法与相同,每组实验重复次.响应面法优化实验实验采用B o x B e n h n k e nD e s i g n方法进行设计,建立模型,利用响应面分析单因素实验数据.以液料比(A)、p H值(B)、水解温度(C)和水解时间(D)为影响因子,均选择个水平,建立四因素三水平的响应面实验,因素水平见表,在最佳单因素实验条件的基础上,共进行了 组实验,以果胶提取率的大小为响应值,采用响应面法进行分析.表因素水平表因素符号水平A/(m Lg)X BXC/X D/hX结果与讨论单因素实验各单因素对果胶提取率的影响见图.液料比/(m Lg)a液料比p Hbp H值水解温度/c水解温度第期郑一南,等响应面优化微波辅助加热酸法提取果胶工艺水解时间/hd水解时间图各单因素对果胶提取率的影响由图 a可知,果胶提取率随液料比的增加而增加,最 大 提 取 率 为 ,此 时 液 料 比 为 m L/g.液料比大于 m L/g,果胶提取率变化不大.由图 b可知,p H,果胶提取率随p H值的增加而增加;p H,最大提取率为;p H,果胶提取率随p H值的增加而减少.这是因为p H值的增加使酸的含量降低,不足以破坏苹果渣中原果胶与纤维素等结构的连接,果胶不能充分溶解,提取率减少.因此,p H为最佳.由图 c可知,水解温度低于,果胶提取率随温度的增加而增加,最大提取率为.水解温度高于,果胶提取率却随温度的增加而减少.温度过高会破坏果胶本身结构,温度过低则易水解不完全,所以最佳水解温度选择.由图 d可知,在其他条件固定不变的情况下,果胶提取率随水解时间的增加而增加,水解时间为h,果胶的最大提取率为;水解时间超过h,果胶提取率增加不多,这是因为果胶长时间被热酸溶液水解,导致其部分被分解,所以水解时间最好选择h.响应面法实验响应面法实验结果运用B o x B e h n k e nD e s i g n方法在单因素实验的基础上优化果胶的提取条件,实验设计及结果见表,方差回归分析及显著性检验见表.由表可知,模型回归检验F ,P ,差异极显著.失拟项F ,P ,差异不显著,具有真实统计学意义.由显著性检验可知,P值越小的编码因素对实验结果的影响越显著.所以由表可知,一次项X、X、X,交 互 项XX、XX、XX、XX、XX及二次项X、X、X、X均为差异极显著,这说明对果胶提取率的影响极显著.一次项X为差异显著,说明水解时间对果胶提取率的影响显著.交互项XX为差异不显著,说明对果胶提取率的影响不显著.优化后的数学回归模型方程为Y X X X X XX XX XX XX XX XX X X X X.表B o x B e h n k e n实验设计及结果编号A/(m Lg)BC/D/h提取率/数学回归模型决定系数R ,证明该模型与实际实验拟合较好,能作为实际实验的理论预测.F值表示对各因素之间的影响程度,F值越大影响程度越大,由表可知,个因素对响应值果胶提取率的影响顺序依次为p H值水解化工科技第 卷温度液料比水解时间.表方差回归分析及显著性检验)来源平方和自由度均方FP模型 X X X X XX XX XX XX XX XX X X X X 残差 失拟项 净误差 总误差 R Ra d j )(P)为影响显著;(P )为影响极显著.响应面法实验分析及优化将液料比、p H值、水解温度、水解时间个影响因素两两交互,用D e s i g n E x p e r t 软件中的O p t i m i z a t i o n功能对其分别绘制 D响应面图和平面等高线图,结果见图图.a响应面A/(m Lg)b等高线图液料比和p H值对果胶提取率的影响a响应面A/(m Lg)b等高线图液料比和水解温度对果胶提取率的影响第期郑一南,等响应面优化微波辅助加热酸法提取果胶工艺a响应面A/(m Lg)b等高线图液料比和水解时间对果胶提取率的影响a响应面C/b等高线图水解温度和水解时间对果胶提取率的影响a响应面Bb等高线图水解时间和p H值对果胶提取率的影响化工科技第 卷a响应面Bb等高线图水解温度和p H值对果胶提取率的影响由等高线图可知,各因素之间的交互作用均为极显著,与数学回归模型的显著性检验结果相同.由三维图可知,果胶提取率随影响因素的升高均 发 生 变 化,均 为 先 增 大 后 减 小,并 通 过D e s i g n E x p e r t 软件预测了最佳实验条件.基于实验数据,预测出的最佳实验条件为液料比 m L/g,p H,水解温度 ,水解时间 h,微 波 辐 射 功 率 W,辐 射 时 间m i n,果胶提取率的理论响应值为 ,高于传统微波法()、传统酸法()、酶法().表明微波辅助加热酸提法提取苹果渣中果胶能够获得较高的果胶提取率,实际应用价值较高,能够为苹果渣的深加工提供新的解决方案.为了数据的可靠性,设置重复实验,条件为水解温度 ,水解时间 h,微波辐射功率 W,辐射时间 m i n,进行次重复实验,果胶提取率分别为、,说明该结果具有实际可操作性.结论通过单因素实验得到各因素对果胶提取率的影响范围,再用响应面法得到最佳的果胶提取实验条件为液料比 m L/g,p H,水解温度 ,水解时间 h,微波功率 W,微波辐射时间 m i n,果胶的提取率为 .采用响应面法优化微波辅助加热酸提法提取苹果渣中的果胶,果胶提取率相比传统方法提升较高,提取工艺参数可靠,具有实际可操作性.实验中采用了柠檬酸作为提取溶剂,兼顾环保安全等特点,可为苹果产区果渣浪费等问题提供可靠的解决方法.实验中不同的果渣来源,也可能会对果胶提取率产生影响,后续还可对果胶进行分离纯化,研究其结构组成及在食品中的应用.参考文献:S I L VADC,F R E I T A S A,P E S S OA C,e ta l P e c t i nf r o mP a s s i f l o r ae d u l i ss h o w sa n t i i n f l a mm a t o r ya c t i o na sw e l la sh y p o g l y c e m i ca n d h y p o t r i g l y c e r i d e m i c p r o p e r t i e si nd i a b e t i c r a t sJJ o u r n a l o fM e d i c i n a lF o o d,():I NN G J E R D I N G E NKT,L AN G E RUDBK,R A S MU S S E NH,e t a l P e c t i c p o l y s a c c h a r i d e s i s o l a t e d f r o m m a l i a nm e d i c i n a lp l a n t sp r o t e c ta g a i n s ts t r e p t o c o c c u sp n e u m o n i a ei nam o u s ep n e u m o c o c c a l i n f e c t i o nm o d e lJ S c a n d i n a v i a nJ o u r n a l o f I mm u n o l o g y,():S E P EHR IH,R O GHAN I M,HOUD E B I N E M L O r a la d m i n i s t r a t i o no fp e c t i n r i c hp l a n te x t r a c te n h a n c e sCa n dCc o m p l e m e n tc o n c e n t r a t i o ni n w o m a n c o l o s t r u mJR e p r o d u c t i o nN u t r i t i o nD e v e l o p m e n t,():L A R S E NN,C AH T B,S AA D S,e ta l T h ee f f e c to fp e c t i n s o n s u r v i v a l o f p r o b i o t i cL a c t o b a c i l l u ss p p i ng a s t r o i n t e s t i n a lj u i c e si sr e l a t e d t o t h e i rs t r u c t u r e a n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sJ F o o d M i c r o b i o l o g y,():潘旭琳,张春芝,胡亚光可食性复合膜在鲜切苹果块保鲜中的应用研究J保鲜与加工,():郑建婷,任克良,冯国亮,等苹果渣对肉兔生长性能、养分表观消 化 率 及 肉 品 质 的 影 响 J动 物 营 养 学 报,():刘成梅,刘琪,陈军,等果胶功能性质新进展J食品工业科技,():KAU S E RS,S A E E D A,I Q B A LA M C o m p a r a t i v es t u d i e so nc o n v e n t i o n a l(w a t e r h o ta c i d)a n d n o n c o n v e n t i o n a l(u l t r a s o n i c a t i o n)p r o c e d u r e sf o re x t r a c t i o na n dc h e m i c a l第期郑一南,等响应面优化微波辅助加热酸法提取果胶工艺c h a r a c t e r i z a t i o no fp e c t i n f r o mp e e lw a s t eo fm a n g oc u l t i v a rc h a u n s aJ P a k i s t a nJ o u r n a lo fB o t a n y,():L IWJ,F ANZG,WU Y Y,e ta l E c o f r i e n d l ye x t r a c t i o na n dp h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e so fp e c t i nf r o mj a c k f r u i tp e e lw a s t ew i t hs u b c r i t i c a lw a t e rJJ o u r n a lo ft h eS c i e n c eo fF o o da n dA g r i c u l t u r e,():L UOJ,XUY,F ANYM U p g r a d i n gp e c t i np r o d u c t i o n f r o ma p p l ep o m a c eb ya c e t i ca c i de x t r a c t i o nJ A p p lB i o c h e mB i o t e c h,():C O L O D E LC,L U C I ADOPC A c i de x t r a c t i o na n dp h y s i c o c h e m i c a lc h a r a c t e r i z a t i o no f p e c t i n f r o mc u b i u(S o l a n u ms e s s i l i f l o r u mD)f r u i tp e e lJF o o dH y d r o c o l l o i d s,():Z A I D E LD A,HAM I D ON N H,Z AH I R N M E x t r a c t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fp e c t i 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a t i n gw i t hc i t r i ca c i dh y d r o l y s i s O nt h eb a s i so fs i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t,t h ee x t r a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e db yu s i n gB o x B e h n k e ne x p e r i m e n t a l T h er e s u l t ss h o wt h a t t h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rp e c t i ne x t r a c t i o na r e:l i q u i d s o l i dr a t i oo f m L/g,p Hv a l u eo f,h y d r o l y s i s t e m p e r a t u r eo f ,h y d r o l y s i s t i m eo f h,m i c r o w a v er a d i a t i o np o w e ro f Wf o r m i n,t h et h e o r e t i c a lr e s p o n s ey i e l do fp e c t i n i s K e yw o r d s:B o x B e h n k e nr e s p o n s es u r f a c em e t h o d;A p p l ep e c t i n;C i t r i ca c i de x t r a c t i o n;M i c r o w a v ea s s i s t e de x t r a c t i o n化工科技第 卷