响应面法优化菊芋渣中果胶的提取工艺及产品性质分析

刘胜一，史雪洁，徐兰兰，衣悦涛,*

（1.中国科学院烟台海岸带研究所，山东 烟台 264003；2.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049）

响应面法优化菊芋渣中果胶的提取工艺及产品性质分析

刘胜一1,2，史雪洁1,2，徐兰兰1，衣悦涛1,*

（1.中国科学院烟台海岸带研究所，山东 烟台 264003；2.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049）

应用响应面分析法对菊芋渣中果胶的提取工艺进行优化。首先研究了不同的提取剂种类（盐酸、硫酸、亚硫酸、磷酸）对果胶得率的影响，结果表明磷酸提取效果最佳。在单因素试验的基础上，以磷酸为提取剂，采用Box-Behnken试验设计方案，以提取温度、pH值、提取时间、液料比为影响因素，以果胶得率为响应值，通过响应面分析法得到菊芋渣果胶的最佳提取条件为提取温度100℃、pH 1.52、提取时间63.62min、液料比44.4∶1（mL/g），此条件下果胶的最高得率为18.76%。在最优条件下进行验证实验，实际提取结果为（18.52±0.9）%，这与模型预测值吻合，说明建立的模型可行。测定最优条件下获得果胶样品的红外光谱结构并进行了解析，分析果胶产品的性质发现，各项指标均符合GB 25533—2010《食品添加剂：果胶》的要求。

菊芋渣；果胶；响应面法；性质

果胶是一类天然高分子质量的化合物，是细胞壁的重要组成部分，存在于所有的陆生植物中[1]。它是一种杂多糖，其主要成分是D-半乳糖醛酸，还含有大量的甲酯基。果胶作为一种天然的食品添加剂，广泛用于食品行业，常用作增稠剂、乳化剂、稳定剂、凝胶剂等[2-3]。世界上每年消耗的果胶超过3万 t，并且每年以4%～5%的速率增长[4]。果胶的提取是一个多阶段的物理化学过程，包括植物组织中果胶的水解及溶出，影响这一过程的因素有很多，主要包括温度、pH值、时间、液料比等[5]。目前提取果胶的方法主要分为4 类：酸提取、碱提取、盐提取及非传统方法，工业上常通过酸处理各种原材料，将原果胶水解，然后提取果胶，一些新的方法也是在此基础上建立的[6]。食品工业中使用的果胶常提取自苹果渣（果胶质量分数12%）和柑橘皮（果胶质量分数25%）[7]。此外，学者们还研究了从向日葵盘[8]、甜菜糖渣[9]、大豆皮[10]、西番莲果皮[11]中提取果胶的方法。

菊芋（Jerusalem artichoke）是菊科多年生草本植物，广泛种植于我国许多省区，鲜菊芋块茎中含水79.8%、碳水化合物16.6%、蛋白质1.0%、脂肪1.0%、粗纤维16.6%、灰分2.8%[12]，实验测定鲜菊芋中含果胶（以半乳糖醛酸计）0.71%。目前菊芋主要用于提取菊粉[13]，1 t菊芋块茎加工后的菊芋渣湿质量约为650 kg[14]，经测定菊芋干渣中含有水分4.23%、脂肪1.52%、蛋白14.55%、果胶（以半乳糖醛酸计）15.86%，如能再次利用这些菊芋渣生产果胶，将会大大增加菊芋加工产业的附加值。目前，菊芋渣主要用于饲喂牲畜，关于菊芋渣再次利用的研究相对较少，张维[15]利用菊芋渣提取蛋白、膳食纤维，大庆九环菊芋生物产业有限公司的专利[16]中利用菊芋渣连续提取果胶和膳食纤维，目前国内对菊芋渣中果胶提取条件的研究较少。本研究系统探讨了提取温度、提取时间、pH值、液料比对果胶得率的影响，通过Box-Behnken试验设计，利用响应面的方法建立二次多项式模型，用于预测不同提取条件下的果胶得率。同时，通过对响应面的分析，研究不同变量的交互关系，优化果胶提取工艺参数。对果胶样品进行红外光谱结构测定并解析，并按照GB 25533—2010《食品添加剂：果胶》[17]对果胶的各项指标进行测定，以期为菊芋渣中果胶的进一步开发和利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菊芋渣为鲜菊芋提取菊粉后的残渣；盐酸、硫酸（分析纯） 烟台三和化学试剂有限公司；磷酸、氨水（分析纯） 天津市永大化学试剂有限公司；亚硫酸（分析纯） 天津市大茂化学试剂厂；D-半乳糖醛酸北京索莱宝科技有限公司；咔唑 国药集团化学试剂有限公司；α-萘酚 天津市光复精细化工研究所；实验中用水均为去离子水。

1.2 仪器与设备

TU-1810紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司；HH-4数显恒温水浴锅 金坛市科析仪器有限公司； CP214电子天平 奥豪斯仪器（上海）有限公司；电子万用炉 天津市泰斯特仪器有限公司；DHG-9240A型电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；BF51766kc-1马弗炉 美国Thermo Scientific公司；RE-52AA旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂；DZF-6050型真空干燥箱 上海博讯实业有限公司；高速万能粉碎机 上海比朗仪器有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；FT/IR-4100傅里叶红外光谱仪 日本Jasco公司；ELAN DRC Ⅱ型电感耦合等离子体-质谱仪 珀金埃尔默（香港）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程[9]

原料预处理→烘干→粉碎→酸提取→调节pH值→过滤→减压浓缩→乙醇沉淀→洗涤→真空干燥→果胶

1.3.1.1 原料的预处理

将新鲜的菊芋在80 ℃条件下用水提取2 次，液料比为5∶1（L/kg），每次1 h，过滤得到的滤渣再用蒸馏水冲洗两遍，得菊芋渣。将菊芋渣在60 ℃烘箱中鼓风干燥24 h，干燥后粉碎，过40 目筛，密封保存。

1.3.1.2 果胶的提取

称取菊芋渣粉末，按设定的料液比加入酸溶液，调至合适的pH值，提取后离心分离滤渣和滤液。滤液在50 ℃减压浓缩至原液体积的1/4左右，加入浓缩液2 倍体积分数95%的乙醇溶液，静置4 h，用200 目的尼龙布过滤，用体积分数70%的乙醇溶液洗涤3 次，过滤收集沉淀。将果胶沉淀置于40 ℃的真空干燥箱中，干燥24 h。

1.3.2 提取剂的选择

设定pH 2、提取温度90 ℃、提取时间60 min、液料比30∶1（mL/g），分别考察不同的提取剂种类（盐酸、硫酸、亚硫酸、磷酸）对果胶得率的影响。

1.3.3 单因素试验

选择提取温度、pH值、提取时间、液料比作为影响果胶得率的主要因素，通过单因素试验选取响应面的因素和水平，每组试验均重复3 次。

1.3.3.1 提取温度对果胶得率的影响

选用磷酸作为提取剂，分别以60、70、80、90、100 ℃作为提取温度，其他提取条件设定为pH 2、提取时间70 min、液料比40∶1（mL/g），考察不同提取温度对果胶得率的影响。

1.3.3.2 pH值对果胶得率的影响

选用磷酸作为提取剂，pH值分别调至1、1.5、2、2.5、3，其他提取条件设定为提取温度90 ℃、提取时间70 min、液料比40∶1（mL/g），考察不同pH值对果胶得率的影响。

1.3.3.3 提取时间对果胶得率的影响

选用磷酸作为提取剂，分别以30、50、70、90、110 min作为提取时间，其他提取条件设定为提取温度90 ℃、pH 2、液料比40∶1（mL/g），考察不同提取时间对果胶得率的影响。

1.3.3.4 液料比对果胶得率的影响

选用磷酸作为提取剂，液料比（mL/g）分别为20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1，其他提取条件设定为提取温度90 ℃、pH 2、提取时间70 min，考察不同的液料比对果胶得率的影响。

1.3.4 响应面试验因素及水平

在单因素试验的基础上，选取磷酸作为提取剂，采用Box-Behnken试验设计方案，以提取温度（A）、pH值（B）、提取时间（C）、液料比（D）为影响因素，果胶得率（Y）为响应值，因素编码及水平见表1，每组试验均重复3 次。

图1 提取剂种类对果胶得率的影响Fig.1 Effect of extraction solvent type on the yield of pectin

1.3.5 果胶得率的计算

果胶得率/%=m1/m2×100

式中：m1为果胶质量/g；m2为原料质量/g。

1.3.6 傅里叶变换红外光谱分析

参照Park等[18]的方法：取1～2 mg样品于研钵中，加入100 mg干燥的溴化钾粉末，研磨均匀，压片，在4 000～400 cm－1波数范围内进行红外光谱扫描。

1.4 数据处理

每次实验均重复3 次，取平均值。采用Microsoft Excel 2007统计软件进行数据分析，采用Origin 8对数据进行作图，采用Design-Expert 8.0.6软件进行响应面的作图及分析。

2 结果与分析

2.1 提取剂种类对菊芋果胶得率的影响

图1 提取剂种类对果胶得率的影响Fig.1 Effect of extraction solvent type on the yield of pectin

从图1可以看出，不同种类酸对果胶得率的影响不同，以磷酸作为提取剂时，果胶得率为（5.81±0.21）%，较硫酸、亚硫酸、盐酸高。因此，在后续实验中选取磷酸作为提取剂。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 提取温度对果胶得率的影响

图2 提取温度对果胶得率的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of pectin

从图2可以看出，提取温度对果胶得率有显著影响，果胶得率随着温度的升高而逐渐增加，当温度升至100 ℃，果胶得率最大。这可以解释为当其他因素不变时，温度升高后，细胞壁和表皮组织变得更加松弛，使得提取剂与原料间的物质交换加快，而在此温度范围内果胶不会降解[19]，因此提取效率增加。

2.2.2 pH值对果胶得率的影响

图3 pH值对果胶得率的影响Fig.3 Effect of pH on the yield of pectin

图3 表明，提取温度不变，pH值由3降至1.5时，果胶得率随着pH值的降低逐渐增加，因为酸度增强有利于原果胶的水解，使更多的原果胶转化为水溶性的果胶，因此增加了果胶的提取率，在pH 1.5时果胶得率达到最大。然而当提取液pH值继续降低时，果胶得率又慢慢减少，这可能是因为溶液中的水溶性果胶会进一步脱酯裂解，从而使果胶得率下降[20]。

2.2.3 提取时间对果胶得率的影响

图4 提取时间对果胶得率的影响Fig.4 Effect of extraction time on the yield of pectin

图4表明，当提取时间开始逐渐延长时，果胶得率逐渐增加。这是由于提取体系中积累的热量逐渐增加，为原果胶的水解提供了更多的能量，原果胶与细胞内的其他化学键逐渐断裂，溶解于水中。随着时间的延长，原果胶的水解更加完全，因此果胶得率也慢慢增加。当提取时间进一步延长时，可能由于发生了果胶的降解，导致了果胶得率又开始慢慢下降[21]，从皮革中提取芳香胺时发生了类似的现象，随着时间的延长，胺类化合物开始减少[22]。

2.2.4 液料比对果胶得率的影响

图5 液料比对果胶得率的影响Fig.5 Effect of solid-to-liquid ratio on the yield of pectin

图5 表明，溶剂量也显著影响果胶得率，果胶得率先随着液料比的增加而增加，这可能是因为溶剂量越多，原料的膨胀越严重[23]，细胞壁破裂，使得果胶更容易渗透到周围介质中。当料液比增加到一定程度后，溶液中的溶质达到了饱和，这影响了传质速率，妨碍了果胶向溶液中渗透[24]，因此果胶得率下降。

2.3 响应面试验结果

在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken试验设计原理，确定了四因素三水平的响应面分析方法，果胶提取响应面试验设计与结果见表2。

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Box-Behnken design and results

续表2

2.3.1 回归模型的建立

以提取温度（A）、pH值（B）、提取时间（C）、液料比（D）为自变量，果胶得率（Y）为因变量，利用Design-Expert 8.0.6软件，对各组合处理得到的果胶得率进行二次回归分析，建立多元二次响应面回归模型：

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 回归模型的方差分析

表3 果胶得率响应值二次模型的方差分析Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for response surface quadratic model for pectin yield

通过试验数据的方差分析，对模型的统计学意义进行了检验，结果见表3。模型的F值（155.36）较高，P值（＜0.000 1）较低，这说明模型是显著的，大部分的变异能够被模型解释。失拟项P=0.091 3，失拟检验不显著，说明未知因素对结果影响较小。R2值为0.990 2，这说明只有0.98%的变异不能被模型解释，建立的模型能很好地预测结果。变异系数（4.42%）较低说明实验数据的重复性较好。回归方程的系数检验表明，A、D、B2、C2、D2对果胶得率影响极显著，B、C对果胶得率影响显著，AB、AC、CD、A2对果胶得率影响不显著。

2.3.3 响应面分析

图6 提取温度与pH值的交互作用对果胶得率影响的响应面及等高线图Fig.6 Response surface and contour plots illustrating the effect of extraction temperature and pH on the yield of pectin

图7 提取温度与提取时间的交互作用对果胶得率影响的响应面及等高线图Fig.7 Response surface and contour plots illustrating the effect of extraction temperature and time on the yield of pectin

图8 提取时间与液料比的交互作用对果胶得率影响的响应面及等高线图Fig.8 Response surface and contour plots illustrating the effect of extraction time and liquid-to-solid ratio on the yield of pectin

3D响应面图能够直观地反映出各变量与响应值间的关系，固定其中的2 个变量为零水平，响应值随着另外两个变量的改变而变化，方差分析结果表明两因素间的交互作用均不显著。从图6～8可以看出，果胶得率随着提取温度的升高而线性增加，提取温度在100 ℃时果胶得率达到最大。果胶得率与pH值、提取时间、液料比间的关系是二次的，其所表征的抛物面开口向下，具有极大值点。

2.3.4 参数的优化及最优条件的验证

在选取的因素范围内，根据回归模型通过Design-Expert 8.0.6软件分析得出，菊芋果胶的最佳提取条件为：提取温度100 ℃、pH 1.52、提取时间63.62 min、液料比44.4∶1（mL/g）。根据最佳条件，考虑实 际操作性，调整提取条件为：提取温度100 ℃、pH 1.52、提取时间63 min，液料比44∶1（mL/g），经过3 次重复实验测得的果胶得率为（18.52±0.9）%，这与预测值18.76%相差不大，即该模型与实际情况拟合较好。

2.4 菊芋果胶的红外光谱解析

图9 菊芋果胶的红外光谱图Fig.9 FT-IR spectrum of pectin from Jerusalem artichoke pulp

图9所示为果胶样品在4 000～400 cm－1范围内的红外光谱图。在1 000～2 000 cm－1范围内波形表示了果胶中主要的化学官能团，并用于不同果胶的鉴别[25]，1 087.66 cm－1处的吸收峰是糖苷键（C—O—C）的弯曲振动峰，1 423.21 cm－1为亚甲基上的C—H弯曲振动峰，1 743.33 cm－1和1 635.34 cm－1处的吸收峰表示化合物中存在游离和酯化的羰基。3 432.67 cm－1是O—H的伸缩振动吸收峰，2 927.41 cm－1处的吸收峰为C—H的伸缩振动吸收峰。3 300～3 500 cm－1（—NH2）处无双峰出现说明无蛋白存在。

2.5 菊芋果胶理化指标分析

按照GB 25533—2010《食品添加剂：果胶》中的要求及方法，对在最优条件下获得的果胶产品进行分析，其各项指标均符合国家标准（表4）。

表4 菊芋渣果胶的理化指标Table 4 Physico-chemical properties of pectin from Jerusalem artichoke pulp

3 结 论

本实验对菊芋果胶提取的最佳条件通过响应面法进行了优化，并对菊芋果胶的基本性质进行了分析。首先研究了不同的酸对果胶得率的影响，比较了盐酸、硫酸、亚硫酸、磷酸，其中磷酸提取效果最佳，因此选取磷酸作为提取剂。然后通过Box-Behnken试验设计，利用响应面法对试验条件进行了优化，拟合得到了二次多项式方程，得到果胶的最佳提取条件为：提取温度100 ℃、pH 1.52、提取时间63.62 min、液料比44.4∶1（mL/g），果胶的最高得率为18.76%。考虑实际操作性，调整提取条件为：提取温度100 ℃、pH 1.52、提取 时间63min，液料比44∶1（mL/g），经过3 次重复实验测得的果胶得率为（18.52±0.9）%，文献[26]报道苹果渣、甜菜渣、向日葵盘中的果胶质量分数分别为15%、15%～20%、25%，相比菊芋渣中的果胶含量也较高，因此可以作为新的果胶原料。对最佳条件下获得的果胶样品进行了红外结构测定及结构解析，同时对该样品的基本理化指标进行了分析，并与国家标准GB 25533—2010《食品添加剂：果胶》比较，样品果胶的各项理化指标均符合国家标准。

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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

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2012AA021205）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2011BAC02B04）；泰山学者建设工程专项

刘胜一（1990—），男，硕士，研究方向为资源生物与化学。E-mail：liushengyi.999@163.com

*通信作者：衣悦涛（1974—），男，副研究员，博士，研究方向为海岸带资源化学。E-mail：ytyi@yic.ac.cn