响应面法优化超声辅助离子液体提取籽瓜果胶工艺的研究

安仕豪,赵芳芳,魏 佳,孙俪娜,吴 斌,*

(1.新疆农业大学食品科学与药学学院,乌鲁木齐 830052; 2.新疆农业科学院农产品贮藏加工研究所,乌鲁木齐 830091; 3.新疆农业科学院农业机械化研究所,乌鲁木齐 830091)



响应面法优化超声辅助离子液体提取籽瓜果胶工艺的研究

安仕豪1,赵芳芳1,魏 佳2,孙俪娜3,吴 斌2,*

(1.新疆农业大学食品科学与药学学院,乌鲁木齐 830052; 2.新疆农业科学院农产品贮藏加工研究所,乌鲁木齐 830091; 3.新疆农业科学院农业机械化研究所,乌鲁木齐 830091)

为了探究响应面法对提取的籽瓜果胶半乳糖醛酸含量的影响,以离子液体为提取剂,采用超声技术辅助提取籽瓜中的果胶,对超声功率、超声时间、提取温度、料液比等因素进行响应面实验设计,以果胶提取液中半乳糖醛酸的含量的高低,作为评价果胶的标准。实验结果表明,提取工艺条件为1 mol/L 的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmim]Cl)水溶液为提取剂、超声功率300 W、超声时间40 min、提取温度70 ℃、料液比为1∶20 (g/mL)。提取果胶中半乳糖醛酸含量理论值为82.42%,实测值为82.88%,实际测定值与理论计算值基本吻合。该工艺为籽瓜资源的综合利用提供理论基础。

籽瓜,半乳糖醛酸,离子液体,超声提取,响应面

籽瓜属于葫芦科西瓜属(Cucurbitaceae.Citrullus)[1]。我国的籽瓜栽种面积和产量都位居世界首位,在甘肃和新疆都有大面积种植,仅新疆地区2015年籽瓜种植面积就有600万亩[2]。

目前籽瓜主要是取籽加工,瓜皮、瓜瓤都当作废弃物,造成大量的资源浪费,籽瓜属低糖瓜类,籽瓜瓜瓤不仅含有较多的钾、钙、铁、锌等微量元素,还富含维生素B,维生素E和18种氨基酸[3],籽瓜中果胶含量高达10%～16%[4],果胶在乳品工业[5]、果蔬保鲜[6]等领域中有着广泛的应用,市场需求巨大[7-10]。果胶分高脂果胶和低脂果胶,低脂果胶由高脂果胶脱脂而得到,所以低酯果胶的售价更高,籽瓜果胶是天然的低酯果胶[11],所以籽瓜有望成为生产低酯果胶的原料之一。

果胶提取方法一般有酸法萃取、离子交换法、微生物法和草酸铵提取法,其中最常用的方法是酸法提取[12]。酸法提取存在多糖[13]、色素[14]等共提取的现象,造成果胶纯度较低的问题,为了提高果胶的纯度可采用新型绿色萃取剂离子液体进行提取[15]。

离子液体具有良好的化学和热稳定性、蒸汽压低和可以设计等优点,被称为“绿色”溶剂[16]。超声波辅助提取技术在果胶提取中应用广泛,田玉霞[17]、罗静[18]等的研究表明该技术有助于提高果胶的提取效率。将离子液体作为提取剂采用超声辅助提取[19],可较好地发挥离子液体与超声技术的优势,为籽瓜中果胶的提取提供了新方法。

本实验采用超声辅助离子液体法对籽瓜中果胶的提取效果进行研究,通过Box-Behnken实验设计和响应面分析,获得提取效果较好的工艺条件,为籽瓜副产品深加工的开发与利用提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

籽瓜 采自新疆塔城产区;D-半乳糖醛酸(标准品) 上海信裕生物科技有限公司;咔唑(化学纯) 天津市光复精细化工研究所;无水乙醇(分析纯) 利安隆博华(天津)医药化学有限公司;浓硫酸(优级纯) 四川西陇化工有限公司;离子液体(1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmim]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐([Bmim]Br)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim][BF4])、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐([Emim]Cl)、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐([Emim]Br)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Emim][BF4])) 甘肃化学物理研究所。

KH-500DE超声波清洗器 昆山禾创超声仪器有限公司;TG L-16G型离心机 上海安亭科学仪器厂;BP211D型电子天平 德国赛多利斯;UV-2401紫外-可见光分光光谱仪 日本岛津公司。

1.2 实验方法

1.2.1 果胶提取方法 将籽瓜皮和瓤放入温度为105 ℃鼓风干燥箱中灭酶5 min后于 60 ℃烘箱中烘干,用粉碎机粉碎至 40目,称取5 g籽瓜粉,根据冯洪建[20]等的研究选择离子液体浓度为1 mol/L,分别以1 mol/L的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmim]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐([Bmim]Br)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim][BF4])、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐([Emim]Cl)、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐([Emim]Br)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Emim][BF4])6种离子液体水溶液为提取剂进行不同条件下的超声辅助离子液体提取。

1.2.2 半乳糖醛酸标准曲线的绘制 称取10 mg半乳糖醛酸,溶于蒸馏水并定容至100 mL,配制成100 μg/mL的半乳糖醛酸标准溶液,分别移取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于6支具塞试管,定容到1 mL,加入0.2 mL的咔唑-乙醇溶液(1.5 g/mL)产生白色沉淀,再加入6 mL浓硫酸,混匀后将试管置于85 ℃水浴加热10 min,取出冷却15 min并在波长530 nm处测定反应液的吸光度值。以半乳糖醛酸含量(μg)为横坐标,吸光度为纵坐标,绘出标准曲线,得回归方程Y=0.00836X-0.02229,相关系数R2=0.99892。

1.2.3 样品的测定 提取液经2000 r/min离心分离15 min后,移取1 mL上清液置于具塞试管,按标准曲线的操作步骤进行测定,重复三次取平均值。

1.2.4 半乳糖醛酸含量的计算 根据溶液吸光度值,在标准曲线上查出对应的半乳糖醛酸质量,计算提取液中果胶含量[22],以生成半乳糖醛酸的质量分数(%)表示。计算公式:

式中:m1:从标准曲线中查得半乳糖醛酸的质量,μg;m2:样品质量,g;V1:样品提取液总体积,mL;V2:测定时所取样品提取液体积,mL。

1.3 提取条件的优化

提取条件单因素水平:提取剂为1 mol/L的六种离子液体[Bmim]Br、[Bmim]Cl、[Emim]Br、[Bmim][BF4]、[Emim][BF4]、[Emim]Cl;料液比为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(g/mL);超声时间为10、20、30、40、50 min;超声功率为100、200、300、400、500 W;超声温度为50、60、70、80、90 ℃，其中固定因素为超声时间30 min，功率300 W，温度70 ℃，料液比1∶20 g/mL。在单因素实验基础上设计了四因素三水平实验对提取条件进行全面考察。

1.4 响应面实验设计

在单因素实验基础上选择对实验结果影响较大的因素水平,根据Box-Behnken实验设计原理采用四因素三水平的设计方案进行实验设计,对超声辅助离子液体提取工艺进行优化,并建立响应回归模型,因素与水平设计见表1。每组实验重复3次,半乳糖醛酸含量取平均值。

表1 实验因素水平及编码Table 1 Variables and experimental design levels for response surface

1.5 数据处理

以上实验每组均重复三次,单因素中均取3次平行实验的平均值进行分析作图,采用Sigma Plot 12.5软件作图;响应面优化实验数据用Design-Expert V8.0.6软件分析处理。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 离子液体对半乳糖醛酸含量的影响 如图1,实验数据表明,[Bmim]Cl提取出的果胶提取液中半乳糖醛酸的含量最高,因此选择[Bmim]Cl的水溶液为提取剂。6种离子液体中的阴离子结构相同时,阳离子对果胶中半乳糖醛酸含量影响的大小是[Bmim]+>[Emim]+。阳离子结构相同,阴离子对果胶提取率影响的大小关系是Cl->[BF4]->Br-。由于果皮中Ca2+,Mg2+通过离子键与果胶结合,对果胶有封闭作用。不同离子结构与Ca2+,Mg2+的结合力存在差异[21],造成果胶的水解和纯度不同,选择与Ca2+,Mg2+结合力强的[Bmim]Cl,增大果胶的溶解度,从而提高果胶半乳糖醛酸含量。

图1 离子液体对半乳糖醛酸含量的影响Fig.1 Effect of ionic liquid on the content of galacturonic acid

2.1.2 料液比对半乳糖醛酸含量的影响 由图2可得,当料液比增加时,果胶的半乳糖醛酸含量明显升高;当料液比1∶20 (g/mL)时,半乳糖醛酸含量最高,而后下降;料液比越小,溶剂不足,无法完全提取出果胶,料液比越大,溶剂用量越大,后续浓缩工艺难度加大,成本增加。因此选择料液比为1∶20 (g/mL)。

图2 料液比对半乳糖醛酸含量的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the content of galacturonic acid

2.1.3 超声时间对半乳糖醛酸含量的影响 由图3,提取时间前40 min内,随着提取时间增加,果胶中半乳糖醛酸含量逐渐增加,40 min之后,半乳糖醛酸含量略微下降。提取时间过长,会使部分游离的果胶水解,造成果胶半乳糖醛酸含量降低,因此选择超声提取时间为40 min。

图3 提取时间对半乳糖醛酸含量的影响Fig.3 Effect of extraction time on galacturonic acid content

2.1.4 超声功率对半乳糖醛酸含量的影响 由图4可知,当超声功率增加时,果胶的半乳糖醛酸含量明显升高;当超声功率达到300 W时,半乳糖醛酸含量最大,而后趋于平稳;微波功率小,升温速度慢,果胶提取不完全;功率过大,加热不均,促使局部过热,发生剧烈沸腾,造成溶剂大量损失及能源浪费,且半乳糖醛酸含量趋于平稳。所以选择超声功率为300 W。

图4 超声功率对半乳糖醛酸含量的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power on the content of galacturonic acid

图5 超声温度对半乳糖醛酸含量的影响Fig.5 Effect of ultrasonic temperature on the content of galacturonic acid

2.1.5 超声温度对半乳糖醛酸含量的影响 由图5可知,随着温度的升高,分子热运动加剧,溶剂和溶质扩散能力加强,从而加速提取过程,果胶半乳糖醛酸含量明显增加。温度在50～70 ℃范围内,果胶提取率逐渐增大,70 ℃后趋于平缓。温度过高,果胶颜色变为褐色,对品质有所影响。因此选择提取温度为70 ℃。

2.2 响应面实验结果与分析

2.2.1 二次回归方程数学模型建立 固定1 mol/L[Bmim]Cl水溶液为提取剂,以超声功率(A)、超声时间(B)、超声温度(C)、料液比(D)为自变量,半乳糖醛酸含量为响应值设计响应面实验。按照实验设计方案进行响应面实验分析,其结果见表2。

表2 Box-Behnken响应面实验设计及结果Table 2 Box-Behnken response surface design and results of the experiment

表3 回归模型显著性与方差分析Table 3 Regression model significance and variance analysis

注:**表示极显著(p<0.01),*表示显著(0.01

采用Design Expert 8.0.5数据分析软件对表中的实验结果进行回归分析,得到半乳糖醛酸含量(Y)与超声时间(A)、超声功率(B)、超声温度(C)和料液比(D)4个因素的数学回归模型如下:

Y(%)=81.02-5.29A+3.22B+4.67C+3.52D+3.43 AB+1.65AC+5.5AD+4.57BC-3.7BD-1.9CD-1.09A2-3.08B2-11.81C2-6.23D2

对此回归模型进行方差分析,结果如表3所示。

由表3可知,该模型的F=50.26,p<0.0001,表明回归模型极显著;失拟项的F值为0.26,p为0.9621说明失拟项不显著;决定系数R2为0.9805,说明该模型的拟合性较好,可以用此模型来分析和预测超声辅助离子液体提取籽瓜果胶的提取效果。

2.2.2 响应面图分析 应用 Design-Expert软件对表3作回归分析,得到响应面图。

图6～图11是根据回归方程绘制出的各因素交互作用的响应面图,反映了各因素在提取过程中对响应值的影响,其投影为等高线图。响应面坡度的陡峭程度直观地反映了各因素对响应值的影响程度,料液比和超声时间之间交互作用对应的响应面曲线变化陡峭(图8),交互作用最强,结合表3方差分析可知料液比和超声时间之间交互作用对半乳糖醛酸含量的影响极为显著(p<0.01),AB、BC和BD的影响显著(p<0.05),而AC和CD的影响不显著(p>0.05),图7和图11对应的曲线较为平缓;结合回归方程分析与响应面图可得最佳工艺为离子液体([Bmim]Cl)浓度1 mol/L、超声功率306 W、超声时间40.86 min、提取温度71.23 ℃、料液比为1∶20(g/mL)在此条件下,果胶提取液中半乳糖醛酸含量为82.89%。

图6 超声功率和超声时间之间的交互作用Fig.6 Interaction between ultrasonic power and ultrasonic time

图7 超声温度和超声时间之间的交互作用Fig.7 Interaction between ultrasonic temperature and ultrasonic time

图8 料液比和超声时间之间的交互作用Fig.8 Interaction between feed liquid ratio and ultrasonic time

图9 超声温度和超声功率之间的交互作用Fig.9 Interaction between ultrasonic temperature and ultrasonic power

图10 料液比与超声功率之间的交互作用Fig.10 Interaction between feed liquid ratio and ultrasonic power

图11 料液比与超声温度之间的交互作用Fig.11 Interaction between liquid ratio and ultrasonic temperature

2.2.3 提取工艺参数与验证 根据响应面法所得的提取工艺,考虑到实际生产,将工艺参数调整为离子液体([Bmim]Cl)浓度1 mol/L、超声功率300 W、超声时间40 min、提取温度70 ℃、料液比为1∶20 (g/mL),为验证实验结果的可靠性,采用上述参数进行模型验证,实验重复5次,实验结果见表4。所得籽瓜皮果胶中半乳糖醛酸含量平均值为82.88%,与理论预测值拟合较好,可见该模型能较好地模拟与预测提取工艺条件对果胶中半乳糖醛酸含量的影响。

表4 提取液中半乳糖醛酸含量的测定(%,n=5)Table 4 Determination of galacturonic acid content in extract(%,n=5)

3 结论

本实验选用超声辅助离子液体的方法探索提取籽瓜果胶的适宜条件,考察了离子液体种类、料液比、超声时间、超声功率和超声温度对提取的果胶中半乳糖醛酸含量的影响。对实验数据研究发现,六种咪唑类离子液体提取籽瓜中的果胶最合适的提取条件是:离子液体([Bmim]Cl)浓度1 mol/L、超声功率300 W、超声时间40 min、提取温度70 ℃、料液比为1∶20 (g/mL)。在此条件下,得到果胶半乳糖醛酸含量为82.88%,这与李明英[23]研究离子液体相比于甲醇等常规溶剂在天然产物提取应用时,离子液体对植物细胞壁具有更强的破坏能力,故其对天然活性物质的提取效率也就更高的结论相符合。所提取果胶符合半乳糖醛酸含量>65%的标准[23],超声辅助离子液体表现出了良好的提取效果,为超声辅助离子液体提取籽瓜中的果胶提供了依据。

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Optimization of sonication - assisted extraction of pectin from seed melon by response surface methodology

AN Shi-hao1,ZHAO Fang-fang1,WEI Jia2,SUN Li-na3,WU Bin2，*

(1.Institute of Food Science and Pharmaceutical Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2.Institute of Agricultural Products Storage and Processing,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumqi 830091,China; 3.Agricultural Mechanization Institute,Xinjiang Academy of Agricultural Science,Urumqi 830091,China)

In order to explore the effect of response surface methodology on the extraction purity of seed pectin,the extraction of pectin from seed water melon by ionic liquid was studied with ultrasonic extraction. The effects of ultrasonic power,ultrasonic time,extraction temperature on the content of galacturonic acid in pectin extract were investigated by response surface design. The optimum conditions were as follows:1 mol/L 1-butyl-3-methylimidazolium chloride([Bmim]Cl)as extraction agent,ultrasonic power of 300 W,ultrasonic time of 40 min,extraction temperature of 70 ℃。And the ratio of material to liquid was 1∶20 (g/mL). The theoretical value of galacturonic acid content in extracted pectin was 82.42% and the measured value was 82.89%. The actual measured value was in accordance with the theoretical calculation. And this research provide the theoretical basis for comprehensive utilization of seed watermelon resources.

seed melon;ionic liquid;ultrasonic extraction;response surface;galactose

2016-12-23

安仕豪(1991-)，男， 硕士研究生， 研究方向：农产品贮藏与加工， E-mail:929256618@qq.com。

*通讯作者:吴斌(1973-)，男，博士， 研究员， 研究方向：农产品贮藏与加工， E-mail:xjuwubin0320@sina.com。

新疆自治区级公益性科研院所基本科研业务费专项;籽瓜中瓜氨酸的分析表征和提取工艺研究(KY2013045)。

TS255.1

B

1002-0306(2017)11-0270-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.043