大马哈鱼鼻软骨中硫酸软骨素提取工艺的响应面优化

赵 丹，曹 荣，高红岩，刘 淇

（1.大连海洋大学食品科学与工程学院，辽宁 大连116000；2.中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东 青岛266071）

大马哈鱼鼻软骨中硫酸软骨素提取工艺的响应面优化

赵 丹1,2，曹 荣2，高红岩1，刘 淇2

（1.大连海洋大学食品科学与工程学院，辽宁 大连116000；2.中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东 青岛266071）

为有效提高大马哈鱼的综合利用程度，以硫酸软骨素（CS）得率为指标，考察了p H值、温度、时间、料液比等因素对大马哈鱼鼻软骨中CS提取效果的影响，并在此基础上采用响应面法对提取工艺进行了优化。结果表明，温度、时间、料液比是影响大马哈鱼鼻软骨中CS得率的主要因素；最佳提取工艺条件为温度53.1℃、时间3.6 h、料液比1∶43.4，在此条件下CS得率理论值可达21.40%。3次验证试验CS的平均得率为21.28%，与模型预测值的相对误差仅为0.56%，表明建立的回归模型与实际情况拟合良好。

大马哈鱼鼻软骨；硫酸软骨素（CS）；提取工艺；响应面分析

硫酸软骨素（Chondroitin sulfate，CS）是存在于动物组织器官中的一种酸性粘多糖，以蛋白聚糖的形式存在于软骨、腱、韧带和主动脉等组织中[1-3]。其中软骨是获取CS的最佳来源[4]。国内多以猪、牛、鸡的软骨作为提取原料，已有研究表明陆生动物CS在结构上以A型为主，而水生动物CS以C型居多[5]，其二糖单元上硫酸基团的取代位置发生变化，形成多种同分异构体[6]。

目前，已知可从鲨鱼、鳐、鲟鱼、鱿鱼等鱼类的软骨组织中获取CS，而从大马哈鱼鼻软骨中提取CS的研究报道相对较少。国外研究表明大马哈鱼鼻软骨中的蛋白聚糖结构较为独特且具有良好功能[7-8]。因此，大马哈鱼鼻软骨中CS提取工艺的研究具有重要的现实意义。

CS常见的提取方法有碱法[9]、酶法[10-11]和超声辅助法[12-13]等。不同的原料，其适用的提取方法有很大差异。本研究以大马哈鱼鼻软骨为原料，采用碱性水溶液浸提硫酸软骨素。先通过单因素试验考察相关因素对CS得率的影响，然后采用响应面法对浸提工艺进行优化，以获取最佳的工艺参数，以期为大马哈鱼鼻软骨这种加工下脚料的高值化综合利用提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与主要试剂

大马哈鱼鱼头骨混合物由山东烟台嘉惠海洋生物科技有限公司提供，从大马哈鱼鱼头骨混合物中挑拣出鼻软骨，用清水冲洗干净后沥干，再冻干粉碎，储存备用。

主要试剂有D-葡萄糖醛酸内酯、咔唑（北京索莱宝科技有限公司），硼砂、无水乙醇、浓硫酸（国产分析纯）。

1.2 试验方法

1.2.1 CS的提取与测定 （1）提取。取一定量的软骨粉加水浸提，然后离心取上清液，再通过0.45m的滤膜进一步除去残留的杂质，得到提取液，测定CS的含量。（2）测定。采用Muir等提出的硫酸-咔唑法[14]，通过测定硫酸软骨素中的糖醛酸组分（N-乙酰半乳糖胺），间接衡量CS的含量[15-16]。

CS含量=C×V×n×10-6÷45.12%

CS得率（%）=CS含量÷M×100

式中，C为糖醛酸的质量浓度（μg/m L），V为提取液体积（m L），n为稀释倍数；M为软骨质量（干重，g）。以D-葡萄糖醛酸内酯的质量浓度为横坐标，以530 nm下的吸光度为纵坐标绘制标准曲线，如图1所示。

图1 D-葡萄糖醛酸内酯标准曲线

1.2.2 单因素试验 （1）pH值：固定料液比为1︰60、温度为50℃、时间为4 h，调整pH值分别为2、4、6、8、10、12，考察浸提液pH值对CS得率的影响。（2）温度：固定pH值为10、料液比为1︰60、时间为4 h，分别在30、40、50、60、70℃下进行提取，考察温度对CS得率的影响。（3）料液比：固定pH值为10、时间为4 h、温度为50℃，分别设置1︰30、1︰40、1︰50、1︰60、1︰70的料液比进行提取，考察料液比对CS得率的影响。（4）时间：固定pH值为10、温度为50℃、料液比为1︰50，分别提取0.5、1、2、3、4、8、12 h，考察时间对CS得率的影响。

1.2.3 响应面优化 在单因素试验的基础上，确定温度、时间、料液比为影响得率的主要因素。利用Design-expert 7.1.6软件进行三因素三水平的Box-Behnken试验设计，并对所得数据进行多元回归拟合及方差分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

由图2A可知，在酸性条件下，CS得率较低，而在碱性条件下，CS得率明显提高；当pH值为10时，CS得率最高；当pH值为12时，CS得率下降，这可能与强碱条件下CS发生降解有关。

从图2B中可以看出，温度过低或过高都不利于CS的提取，当温度为50℃左右时，CS得率最高。

在实际生产过程中，料液比对成本有较大影响，在不显著影响CS得率的前提下，应尽可能减少提取过程中水溶液的用量。由图2C可知，料液比为1︰30时，CS得率较低，当料液比为1︰40时，CS得率显著增加，之后随着溶液比例增大，CS得率增加的趋势变缓，料液比为1︰50时基本达到最大。

从图2D中可以看出，在提取的前3 h内，CS得率显著增加，3 h后增速趋缓。

图2 各因素对CS得率的影响（A：p H值；B：温度；C：料液比；D：时间）

2.2 响应面法优化CS提取工艺

2.2.1 响应面试验结果 由表1可知，以处理4，即温度为45℃，时间3 h，料液比为1︰45的条件下，CS得率最高，为20.83%；以处理9，即温度为30℃，时间1 h，料液比为 1︰45的条件下，CS得率最低，仅14.15%。此外，处理1～5和处理13的CS得率在20%以上，其他处理的CS得率均低于20%。

表1 响应面试验设计及结果

2.2.2 回归模型的建立与方差分析 由表2可知，回归模型的P值＜0.000 1，表明模型极其显著，而失拟项不显著（P＞0.05），说明模型选择合适，与实际情况拟合良好，且，各因素之间的交互作用显著。各因素对CS得率的影响依次为：温度（A）＞时间（B）＞料液比（C）。模型的拟合方程为：Y=20.73+1.92A+1.07B+ 0.17C-1.00AB-0.80AC-0.34BC-1.60A2-0.96B2-1.15C2。

2.2.3 因素交互作用分析 （1）温度与时间。由图3可知，温度较低时，延长时间有利于CS的溶出；温度较高时，短时间浸提就可获得较高的CS得率。从等高线图可以看出，温度为52.5～54℃，时间在3～3.5 h的范围内，CS得率可达到曲面的最大值。（2）温度与料液比。由图4可知，当料液比在1︰55～1︰30范围内，温度小于45～52.5℃时，CS得率随温度的增加而提高；温度较低时CS得率偏低，而温度较高时有利于CS的提取。从等高线图可以看出，当温度为51～54℃，料液比为1︰45～1︰43时，CS得率可达到曲面的最大值。（3）时间与料液比。由图5可知，当时间固定在2.5～5 h范围时，料液比适中时有利于CS的提取，过高或过低的料液比CS得率均下降。而当料液比一定时，时间小于2.75～3.5 h时，CS得率随时间的增加而提高，但低于曲面的最高点。从等高线图可以看出，当时间为2.75～5 h，料液比为1︰52.5～1︰37.5时，CS得率可达到曲面的最大值。

表2 响应面回归模型方差分析

图3 Y=f（温度A，时间B）响应曲面与等高线图（料液比1︰45）

图4 Y=f（温度A，料液比C）响应曲面与等高线图（时间3h）

图5 Y=f（时间B，料液比C）响应曲面与等高线图（温度45℃）

2.2.4 试验验证 利用Design-Expert软件对回归方程求解，得到CS提取的最佳工艺为：温度53.1℃，时间3.6 h，料液比1︰43.4，预测的理论值为21.40%。在此条件下进行验证试验，3次试验的CS平均得率为21.28%，与预测值的相对误差仅为0.56%，证明该模型适宜对CS提取效果进行预测和分析。

3 结论

试验结果表明，温度、时间和料液比是影响大马哈鱼鼻软骨中CS提取效率的主要因素，通过响应面设计和分析，建立了CS提取的二次回归模型，确立的最佳工艺参数为温度53.1℃，时间3.6 h，料液比1︰43.4，此条件下CS得率可达21%以上。该工艺操作简便、成本低廉，为大马哈鱼鼻软骨这种加工下脚料的高值化综合利用提供了理论依据。

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（责任编辑：成 平）

Optim ization of Chondroitin Sulfate Extraction from Salmon Nasal Cartilage by Response Surface M ethod

ZHAODan1,2，CAORong2，GAOHong-yan1，LIUQi2
（1.Departmentof Food Science and Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116000,PRC;2.Yellow Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Qingdao 266071,PRC）

Salmon nasal cartilage is rich in chondroitin sulfate.In order to effectively increase the degree of comprehensive utilization of salmon,single factor experimentsw ere carried out to study the effectsof pH,tem perature,time and ratio ofmaterial to solventon CS yield. Based on this,response surfacemethod was used to optim ize the process parameters to seek an optimal solution.The results show ed that the temperature,time and ratio ofmaterial to solventweremajor influence factors,in the optimal condition of 53.1℃,3.6h time and 1︰43.4 ratio ofmaterial to solvent,the CS yield was 21.28%.The relative errorwas 0.56%w ith respect to the predicted maximum 21.40%, indicating that theestablished regressionmodel fittedwellw ith theactualsituation.

salmon nasal cartilage(CS);chondroitin sulfate;extraction process;response surfaceanalysis

TS254.9

A

1006-060X（2015）01-0095-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.01.031

2014-11-24

2013～2015年工信部高技术船舶科研计划项目

赵 丹（1989-），女，内蒙古巴彦淖尔市人，硕士研究生，研究方向为水产品加工。

刘 淇