响应面法对山竹壳中果胶提取条件的优化

刘晓雨，李立国，朱亮亮，马朝红

吉林农业科技学院（吉林 132101）

果胶属于一种亲水性植物胶，主要成分是半乳糖醛酸，广泛存在于高等植物的根、茎、叶、果实的细胞壁中。果胶在医药、食品和化妆品工业等领域应用广泛。果胶在预防动脉粥样硬化方面有一定效果，同时可以净化体内的细菌和铅、汞等重金属及放射性元素，对调节餐后血糖上升也具有辅助作用等[1]。商品果胶主要以柑橘皮、苹果渣等为原料生产，我国果胶需求量的80%需要进口，而进口果胶的价格远高于国产果胶，因此，大力开发中国果胶生产显得愈加重要[2]。

山竹（Garcinia mangostanaL.）属藤黄科藤黄属。山竹果实中果肉呈白色瓣状，可食用。果壳呈深紫色或红紫色，厚6～10 mm，约占整果质量的70%。近年，以山竹整果、果肉为原料的功能产品增长迅速，山竹类产品仅在美国就有超过每年2亿美元的市场[3]。但是对于山竹果壳的利用程度很低，只是粗略处理后制成活性炭、微纤维乳化稳定剂等新型工业产品，没有发挥其最大功效，造成极大浪费。所以，对于山竹壳的深入开发利用必定具有商业价值。

试验探究用酸提取法从山竹壳中提取果胶的主要因素，并通过响应面分析法优化最佳提取工艺条件，为进一步开发利用其价值提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山竹（市售）；D-半乳糖醛酸标品（纯度＞93%，Sigma）；咔唑（分析纯，中国国药集团上海化学试剂公司）。

1.2 方法

1.2.1 果壳的预处理

山竹果壳切小块，加入沸水中浸泡5～10 min，以灭活果胶酶。蒸馏水漂洗后自然风干，放入电热恒温鼓风中在60 ℃下烘干，研磨，并过孔径0.850 mm筛[4]，得到山竹果壳粉，备用。

1.2.2 果胶的提取与沉淀

称取山竹壳粉3.0 g于烧杯中，加入适当盐酸溶液。调节适当温度，提取一定时间。趁热抽滤，洗涤滤渣。取抽滤瓶中的滤液倒入烧杯中。加入适量活性炭脱色即得到果胶提取液。

95%乙醇加入果胶提取液，并保证持续搅拌。稳定后静置0.5～1 h，待出现胶态黏稠状物质。抽滤，即得粗果胶。将所得的粗果胶放入50 ℃干燥箱内干燥，直至水分达到5%以下。得到山竹壳果胶成品。

1.2.3 半乳糖醛酸标准曲线的绘制[5-6]

精确称取D-半乳糖醛酸标准品0.100 0 g，溶解于水中，定容至100 mL。取0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0和9.0 mL分别注入10 mL容量瓶，定容得一组半乳糖醛酸标准溶液（质量浓度0，10，20，30，40，50，60，70，80和90 μg/mL）。取10支50 mL比色管加入1 mL不同质量浓度的半乳糖醛酸标准溶液，分别沿比色管壁加入6 mL浓H2SO4混匀，置于沸水浴中反应20 min，冰浴降至室温。最后加入质量浓度为0.15%咔唑-乙醇溶液0.5 mL，摇匀静放在暗处显色1 h，在λ=528 nm处测定其吸光度，每组试验平行3次。以x（半乳糖醛酸质量浓度）为横坐标，y（吸光度）为纵坐标，绘制出标准曲线。

由图1可知，半乳糖醛酸溶液的线性方程为y=0.041 5x-0.018，R2=0.999 1，表明半乳糖醛酸的含量在10～90 μg/mL范围内有良好线性关系。

图1 果胶含量标准曲线

1.2.4 山竹壳果胶提取率测定

称取获得的果胶样品蒸馏水复溶后，精密移取一定体积稀释，稀释液按图1标准曲线制备方法平行测定3次吸光度，按式（1）计算山竹壳果胶提取率[7]。

果胶提取率=C×V×N/（106×W）×100% （1）

式中：C为样品的半乳糖醛酸质量浓度，μg/mL；V为果胶总体积，mL；N为稀释倍数；W为山竹壳粉质量，g。

1.2.5 果胶提取单因素试验

设置不同梯度的提取温度（40，50，60，70和80 ℃）、pH（1.0，1.5，2.0，2.5和3.0）、提取时间（0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 h）和液料比（V（酸解液）∶m（山竹壳粉）=10∶1，15∶1，20∶1，25∶1和30∶1 mL/g），以果胶提取率为评价指标，考察提取温度、pH、提取时间及液料比对果胶提取的影响。

1.2.6 果胶提取条件优化试验

在单因素试验基础上，运用Design-Expert 8.0.6软件程序根据Box-Behnken试验设计原理，以提取温度（A）、pH（B）、提取时间（C）及液料比（D）为影响因素，果胶提取率（Y）为响应值，对提取条件进行优化（表1）。

表1 Box-Behnken试验因素与水平

2 结果与分析

2.1 山竹果胶提取单因素试验

2.1.1 酸度对果胶提取率的影响

由图2可以看出，pH 1.5左右时果胶的提取率最大。pH过低，酸性较强，原果胶水解过于强烈，果胶脱酯裂解[8]，使得果胶的提取率偏低。pH过高，酸性减弱时，果胶的稳定性下降，导致果胶分解成果胶酸，使提取率降低[9]。

图2 提取液pH对果胶提取率的影响

2.1.2 提取温度对果胶提取率的影响

由图3可以看出，70 ℃左右时果胶提取率最大。温度偏低，水解速度较慢，使提取效果不彻底，提取率偏低。温度过高，由于果胶的耐热性[10]较差，导致果胶的结构本身被破坏[11]，使果胶的提取率降低。

图3 提取温度对果胶提取率的影响

2.1.3 提取时间对果胶提取率的影响

由图4可以看出，加热1.5 h左右时果胶提取率最大。加热时间过短，果胶水解不彻底，提取率低。加热时间过长长，果胶会发生解酯、裂解[12]导致提取率降低。

图4 提取时间对果胶提取率的影响

2.1.4 液料比对果胶提取率的影响

由图5可以看出，液料比＞20∶1（mL/g），提取率趋于平衡。这是因为液料比较小时，溶液的黏度较大，分子扩散速度低，提取率小，同时叶片中果胶含量与酸解程度相当，反应趋于平衡，提取率不再变化。

图5 液料比对果胶提取率的影响

2.2 响应面分析试验

2.2.1 试验设计及结果

根据单因素试验结果，试验设计及结果见表2。通过Design-Expert 8.0.6软件，建立二次响应面回归模型，以果胶提取率Y为响应值进行二次多元回归拟合，得回归模型：Y=14.86+0.26A+0.40B+0.12C+0.29D-0.20AB-0.038AC-0.18AD-0.50BC-0.29BD+0.21CD-1.12A2-1.22B2-1.29C2-0.75D2。

2.2.2 山竹壳果胶提取条件响应面法优化结果

以提取温度（A）、pH（B）、提取时间（C）及液料比（D）为影响因素，以果胶提取率（Y）为响应值，对提取条件进行优化。Box-Behnken响应面试验结果见表2，方差分析结果见表3。

表2 Box-Behnken响应面试验设计结果

由表3可知，模型的p＜0.000 1，表示回归模型的方差关系是显著的。失拟项的p=0.051 5＞0.05，表示方程与实际拟合中非正常误差所占比例小，回归方程的关系是好的。R2=0.983 9，表示响应值的变化有98.39%来源于所选因素，表明模型拟合度较好。回归模型一次项A、B、D对果胶提取率影响极显著，C对果胶提取率影响显著；交互项BC、BD影响极显著，交互项AB、CD影响显著，其余不显著；二次项均达到极显著水平，说明各因素对响应值的影响较为复杂，并非简单的线性关系。响应曲面图可以描述各因素间的相互作用，见图2～图5。响应曲面坡度越陡峭，表明响应值对于操作条件的改变越敏感[13]，且其中心位于所考察区域内，说明在考察区域范围内存在最大响应值。通过软件响应面分析优化得到果胶提取最佳工艺条件为提取温度70.50 ℃、pH 1.56、提取时间1.53 h、液料比20.67∶1（mL/g）。此时果胶提取率为14.92%。考虑到实际操作，修正条件为提取温度70℃、pH 1.5、提取时间1.5 h、液料比20∶1（mL/g）。进行3次平行试验，得到果胶提取率均值为14.56%。

表3 回归方程方差分析

图6 液料比、pH、提取温度及提取时间交互作用对果胶提取率的响应面及等高线

3 结论

试验采用酸提取法提取山竹壳中果胶，在单因素试验基础上采用响应曲面法优化提取工艺。结果表明，采用响应面法所得到的试验模型可靠，具有一定实用和参考价值，其优化的提取工艺条件为提取温度70 ℃、pH 1.5、提取时间1.5 h、液料比20∶1（mL/g）。果胶提取率为14.56%，与理论值14.92%较接近，方法可行。