响应面优化石花菜琼胶提取工艺

刘施琳,朱 丰,林圣楠,黄金城,李天骄,王红丽,林向阳

(福州大学生物科学与工程学院,福建福州 350108)



响应面优化石花菜琼胶提取工艺

刘施琳,朱 丰,林圣楠,黄金城,李天骄,王红丽,林向阳*

(福州大学生物科学与工程学院,福建福州 350108)

采用高温高压法提取石花菜琼胶,以提取率和凝胶强度为指标研究其提取工艺。在单因素实验的基础上,采用BBD中心组合实验设计,利用Design-Expert软件,建立数学模型,确定琼胶最佳提取工艺参数:柠檬酸为0.03%、提取时间为33 min,料液比为1∶36、提取温度为110 ℃,此条件下琼胶提取率高达37.85%,其感官性质、理化性质符合国家标准,凝胶强度为873 g/cm2,属于高强度产品,为石花菜深加工提供一定的理论依据。

石花菜,琼胶,提取工艺,凝胶强度,响应面分析

琼胶(Agar)又称琼脂、冻粉,由石花菜及其他红藻植物提取出来的一种经济藻胶[1]。因琼胶具有良好的胶凝、稳定、增稠和悬浮性,广泛应用于食品、生物工程、日用化工、医药等许多方面[2]。石花菜(Gelidiumamansii)是我国制造琼胶的重要原料,其胶质中的硫酸基含量少,不需要碱处理过程就可获得高品质的琼胶[1]。

常用的琼胶提取方法有很多种,如恒温水浴法、超声波辅助法、微波辅助法、空气高压、蒸汽高压法、酶法等[3-7]。恒温水浴法是提取琼胶最常用的方法,虽然设备简单,容易操作,适用范围广泛,但琼胶得率低,提取时间长。石花菜细胞壁分为纤维素质层和果胶质层,常温常压下难以破坏其纤维素质层,影响石花菜琼胶的提取。酸性条件下可破坏纤维素质层的骨架结构,加速细胞壁破裂,促使石花菜琼胶的溶出[8]。

本研究以食品级柠檬酸作为酸性提取溶剂,利用高温高压法提取石花菜琼胶。以提取率和凝胶强度为指标,通过单因素和响应面实验优化石花菜琼胶提取工艺条件,为石花菜琼胶制备技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

石花菜 产自山东青岛,去杂质、洗净后烘干备用;碘、硝酸、过氧化氢、硫酸、氨水、乙酸铵、盐酸、乙醇、柠檬酸氢二胺、盐酸羟胺、氰化钾、三氯甲烷、硝酸铅、三氧化二砷、氧化镁、硝酸镁、氢氧化钠 均为分析纯;柠檬酸 食品级。

LDZX-50KBS立式压力蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂;BC/BD-217CH冷柜 河南新飞电器有限公司;BS110S电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;TA-XT plus质构仪 北京微讯超技仪器技术有限公司;HH-4数显恒温水浴锅 国华电器有限公司;HY-8调速振荡器 常州国华电器有限公司;ZJ-TFG-12通风橱 上海谷宁仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 石花菜琼胶提取工艺

1.2.1.1 工艺流程 称取m0石花菜(精确到0.001 g)→加入一定浓度的柠檬酸溶液→提胶→过滤→凝胶→冷冻→脱水→烘干→粉碎→称至恒重m1。

1.2.1.2 操作要点 提胶:将称量好的石花菜置于1L的锥形瓶中,按一定料液比(柠檬酸溶液)置压力蒸汽灭菌锅中提胶;过滤:趁热将提取的胶液用4层纱布过滤,100 ℃水洗涤3次;凝胶:让滤液冷却至室温后,自动形成凝胶;冷冻:于-18 ℃冰箱中冷冻成冰;脱水:将冻结的琼胶置于室温中解冻脱水;烘干:将脱水后的琼胶,在53 ℃的恒温鼓风烘箱中烘干;粉碎:粉碎机粉碎、过80目筛;称至恒重:琼胶粉于干燥器中冷却干燥至恒重(误差小于0.01g)。

1.2.2 凝胶强度的测定

1.2.2.1 胶液制备 称取1.50g琼胶粉于锥形瓶中,加入100mL蒸馏水,记录总质量m,用保鲜膜封口后置于92 ℃恒温水浴中溶解,再用热蒸馏水补充总质量至m,搅拌均匀后,量取20mL胶液于30mL果冻杯中,放置过夜,测定前置于25 ℃水浴锅中1h,在质构仪上测定其凝胶强度[9]。

1.2.2.2 质构仪测定参数及凝胶强度计算 测定模式为TPA模式,探头型号为SMSP/5,测试前速率2mm/s,测试速率为1mm/s,测试后速率为5mm/s,停留时间5s,触发力5g,测定距离8.00mm[10]。

1.2.3 石花菜琼胶提取工艺单因素实验

1.2.3.1 柠檬酸浓度对石花菜琼胶提取率及凝胶强度的影响 称取10.000 g石花菜,分别加入浓度为0.00%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%的柠檬酸溶液350 mL,即料液比为1∶35 g/mL,置于105 ℃压力蒸汽灭菌锅中提胶30 min,测定加入不同浓度柠檬酸溶液的琼胶提取率及凝胶强度。

1.2.3.2 料液比对石花菜琼胶提取率及凝胶强度的影响 称取10.000 g石花菜,分别按料液比为1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40、1∶45 g/mL,加入浓度为0.03%柠檬酸溶液,置于105 ℃压力蒸汽灭菌锅中提胶30 min,测定不同料液比的琼胶提取率及凝胶强度。

1.2.3.3 提取温度对石花菜琼胶提取率及凝胶强度的影响 称取10.000 g石花菜,按料液比1∶35,加入浓度为0.03%柠檬酸溶液,分别置于温度为100、105、110、115、121、125、130 ℃的压力蒸汽灭菌锅中提胶30 min,测定不同提取温度的琼胶提取率及凝胶强度。

1.2.3.4 提取时间对石花菜琼胶提取率及凝胶强度的影响 称取10.000 g石花菜,按料液比1∶35,加入浓度为0.03%柠檬酸溶液,置于110 ℃压力蒸汽灭菌锅中,提胶时间分别为10、20、30、40、50、60、70 min,测定不同提取时间的琼胶提取率及凝胶强度。

1.2.4 响应面实验 根据单因素实验结果,固定提取溶剂即柠檬酸溶液浓度为0.03%,选取料液比、提取时间、提取温度3个因素作实验因素,以琼胶提取率为响应值,进行优化实验。响应曲面实验设计因素与水平表见表1。

表1 响应曲面实验设计因素与水平表

1.2.5 琼胶的品质检测 琼胶的各项指标检测参照国标GB 1975-2010《食品添加剂 琼胶》规定的方法执行。

1.2.6 数据处理 利用Design-expert 8.0.6软件进行分析,建立回归方程并作等高线和三维曲面图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 柠檬酸浓度对石花菜琼胶提取率及凝胶强度的影响 由图1可知,随着柠檬酸浓度的增加,石花菜琼胶提取率先增加后减小;琼胶的凝胶强度则随柠檬酸浓度增大而减小。在柠檬酸浓度为0.03%时,琼胶提取率达最大值,而柠檬酸浓度由0.03%增大至0.04%时,琼胶的凝胶强度显著(p<0.01)下降,由808.6 g/cm2(高强度:800～1200 g/cm2)降到449.8 g/cm2(中强度:401～800 g/cm2)。这可能是因为柠檬酸浓度在小于0.03%时,柠檬酸主要作用于破坏石花菜表皮,有助于琼胶溶出,对琼胶的性质影响较小;而在柠檬酸浓度大于0.03%时,柠檬酸破坏琼胶化学键,使部分琼胶降解为不具有凝胶作用的多糖或寡糖。因此,最佳柠檬酸浓度为0.03%。

图1 柠檬酸浓度对琼胶提取率及凝胶强度的影响Fig.1 Effect of the concentration of citric acid on the extraction rate and the strength of agar gel注:不同字母代表差异显著(p<0.05);图2～图4同。

2.1.2 料液比对石花菜琼胶提取率及凝胶强度的影响 由图2可知,料液比对凝胶强度影响较小,料液比为1∶15～1∶40时,琼胶的凝胶强度均为高强度(840～900 g/cm2)。提取率随着料液比比值的减小呈先增大后减小的趋势,在料液比为1∶35时,提取率取得最大值;而料液比比值小于1∶35时,琼胶提取率反而降低。这是因为当扩散达到平衡时,提取剂增量不会促进石花菜琼胶的提取[11],且提取剂增量会使酸总量增加,可能会使琼胶酸水解,从而降低其凝胶强度以及提取率。因此,选择料液比为1∶35。

图2 料液比对琼胶提取率及凝胶强度的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate and the strength of agar gel

2.1.3 提取温度对石花菜琼胶提取率及凝胶强度的影响 如图3所示,琼胶提取率随着提取温度的提高而显著增大。当提取温度为110 ℃时,琼胶提取率达最大值,并且与其他各组均有显著差异(p<0.05);提取温度大于110 ℃时,提取率开始逐渐下降。凝胶强度随提取温度的升高而下降,在温度由115 ℃增至121 ℃时,凝胶强度显著(p<0.05)下降,且由高强度降为中强度。这说明适当提高温度有利于促进琼胶提取,但高温会破坏琼胶的凝胶性,因此,综合考虑琼胶的提取率和凝胶强度,选择提取温度为110 ℃。

图3 提取温度对琼胶提取率及凝胶强度的影响Fig.3 effect of temperature on the extraction rateand the strength of agar gel

2.1.4 提取时间对石花菜琼胶提取率及凝胶强度的影响 由图4可知,当提取时间较短时,随着时间的延长琼胶提取率显著(p<0.05)增大;当提取时间超过30 min时,提取率开始缓慢下降。凝胶强度随着提取时间延长呈下降趋势,当提取时间由30 min增至40 min时,凝胶强度显著(p<0.05)下降,由高强度降为中强度。这说明适当延长提取时间有利于促进琼胶提取,但超过一定时间后会降低琼胶的提取率且琼胶的凝胶强度会显著下降,因此,综合考虑琼胶的提取率和凝胶强度,选择提取时间为30 min。

图4 提取时间对琼胶提取率及凝胶强度的影响Fig.4 Effect of time on the extraction rate and the strength of agar gel

2.2 响应面实验

2.2.1 石花菜琼胶提取响应面实验设计与结果 按1.2.4中的因素水平进行响应面实验,总共取17个实验点,包括12个析因点和5个中心点,实验设计及结果见表2。

表2 石花菜琼胶提取响应面实验设计及结果

2.2.2 二阶模型的建立与分析 根据表2的实验结果,利用Design-Expert 8.0.6软件对实验数据进行多元回归方程拟合,得到回归模型:

Y=37.55+0.75A+0.59B+0.20C-0.21AB-0.28AC-0.11BC-1.35A2-1.68B2-1.30C

对模型进行方差分析,其方差分析结果见表3。

表3 响应面分析法对琼胶提取率的ANOVA分析

注:“*”表示显著(p<0.05);“**”表示极显著(p<0.01)。 由方差分析表3可知,模型的p值<0.01,表明该实验二次方程模型极显著。失拟项p值为0.7994>0.05,说明方程对实验的拟合度良好,即可用该二次方程模型推测实验结果。其方程的相关系数为R2=0.9957,表明99.57%的数据可用此方程解释。由表3还可知,因素A、B、C对琼胶提取率的影响极显著;因素A2、B2和C2对琼胶提取率的曲面效应都是极显著;因素AC对琼胶提取率交互效应极显著,因素AB的交互效应显著,而BC的交互效应不显著。

2.2.3 响应曲面分析与优化 利用Design-Expert 8.0.6软件中的等高线图和响应曲面图对3因素间的交互作用进行分析,具体见图5～图7。

从图5～图7可知,在考察因素范围内,琼胶提取率随着提取时间、料液比及提取温度的变化呈先升高后下降的趋势。提取时间、料液比及提取温度取值在中心点附近时,提取率最大。通过Design-Expert 8.0.6软件进行优化,得出最优提取工艺参数:提取时间32.62 min,料液比1∶35.78,提取温度为110.21 ℃,在此条件下石花菜琼胶提取率为37.70%。考虑到可操作性,将优化条件修正为:提取时间33 min,料液比1∶36,提取温度为110 ℃。

图5 DH=f(A、B)的响应面Fig.5 Responsive surface of DH=f(A、B)

图6 DH=f(A、C)的响应面Fig.6 Responsive surface of DH=f(A、C)

图7 DH=f(B、C)的响应面Fig.7 Responsive surface of DH=f(B、C)

2.2.4 验证实验 采用上述最佳提取工艺进行验证实验,取3个平行实验,测定其提取率,得到提取率的平均值为37.85%,与预测值37.70%基本相符,表明该二次方程模型对优化石花菜琼胶提取工艺可行。

2.3 琼胶的品质检测

2.3.1 琼胶的感官指标 琼胶的感官指标及国标要求见表4,由表4可知,琼胶感官指标符合要求。

表4 琼胶的感官性质

2.3.2 琼胶的理化指标 琼胶的理化性质及国标标准见表5,由表5可知琼胶理化性质符合要求。

3 结论

以食品级柠檬酸为酸性提取溶剂,利用高温高

表5 琼胶的理化指标

压法提取石花菜琼胶,研究了柠檬酸浓度、提取时间、料液比、提取温度对琼胶提取率和凝胶强度的影响。单因素实验结果表明柠檬酸最适浓度为0.03%,在此基础上进行响应面实验优化其它工艺条件,得出最佳提取工艺参数为:提取时间33 min,料液比1∶36,提取温度为110 ℃,此条件下琼胶提取率为37.85%,与预测值基本相符,且琼胶感官性质、理化性质符合标准,凝胶强度为873 g/cm2,属于高强度产品。

[1]张淑平. 海藻利用与食品胶体[M]. 北京:水利水电出版社,2009.

[2]李琴梅,戚勃. 琼脂的物化特性及其在食品工业中的应用[J]. 中国食品添加剂,2009(6):170-174.

[3]Rodríguez M C,Matulewicz M C,M D Noseda,et al. Agar from Gracilaria gracilis,(Gracilariales,Rhodophyta)of the patagonic coast of Argentina - Content,structure and physical properties[J]. Bioresource Technology,2009,100(3):1435-1441.

[4]薛志欣,杨桂朋,王广策.龙须菜琼胶的提取方法研究[J]. 海洋科学,2006,30(8):71-77.

[5]Sousa A,Alves V D,Morais S,et al. Agar extraction from integrated multitrophic aquacultured Gracilaria vermiculophylla:Evaluation of a microwave-assisted process using response surface methodology[J]. Bioresource Technology,2010,101(9):3258-3267.

[6]赵谋明,邱慧霞,彭志英,等. 江篱琼胶提胶新工艺的研究[J].食品与发酵工业,1997,23(2):3-7.

[7]闫绍鹏. 鲜江蓠提取琼胶及琼脂糖工艺研究[D].青岛:青岛科技大学,2014.

[8]赵亚红,王文侠,张显斌,等. 高温高压提取甜菜废粕多糖的工艺及其抗氧化性研究[J]. 食品与发酵工业,2015(4):230-235.

[9]戚勃,杨贤庆,李来好,等. 冷碱处理条件与龙须菜琼胶强度的关系[J]. 食品科学,2009,30(22):23-26.

[10]宋哲,汪兰,何会,等. 不同生长期莲藕淀粉的凝胶特性、热重与核磁共振测定[J]. 食品科学,2009,30(23):105-109.

[11]林建原,季丽红. 响应面优化银杏叶中黄酮的提取工艺[J]. 中国食品学报,2013,13(2):83-90.

Optimization of extraction process ofGelidiumamansiiagar by response surface methodology

LIU Shi-lin,ZHU Feng,LIN Sheng-nan,HUANG Jin-cheng,LI Tian-jiao,WANG Hong-li,LIN Xiang-yang*

(College of Biological Science and Technology,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

In this paper,high temperature and high pressure were used to extractGelidiumamansiiagar. Extraction rate and gel strength were used as index of extraction process. Based on single factor experiments,BBD central composite design and Design-Expert software were used to build a mathematical model. The optimum extraction parameters of agar were determined as follows:citric acid 0.03%,extraction time 33 min,solid-liquid ratio 1∶36,extraction temperature 110 ℃. Under these conditions,the extraction rate of agar was 37.85%. Agar’s organoleptic properties,physical and chemical properties met the standard. The strength of gel was 873 g/cm2,which belonged to a high strength products for the industry. The extraction rate of high-quality agar was improved,and research base was provided.

Gelidiumamansii;agar;extraction procedure;gel strength;response surface analysis

2016-05-27

刘施琳(1992-),女,硕士研究生,研究方向:水产品加工及贮藏,E-mail:954857051@qq.com。

*通讯作者:林向阳(1969-),男,教授,研究方向:生物质资源化,E-mail:925400384@qq.com。

TS202.3

B

1002-0306(2016)22-0296-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.049