曲面响应法优化超声辅助提取残次冬枣果胶工艺条件

刘书江 刘俐伶 李 倩 于 燕 曲桂武 吕长俊 刘德胜

滨州医学院 山东 烟台 264003

果胶作为一种酸性高分子多糖，具有多种生理活性，例如抗氧化、降血脂、免疫调节、抑菌或肿瘤等，在食品、药品或者化妆品等行业中的使用越来越广泛[1-4]。国内以苹果渣、柑橘皮等为主原料，生产效率相对较低，超过80 %靠进口[5]。

冬枣(Zizyphusjujubecv. Dongzao)为鼠李科枣属植物，为我国特有的一种晚熟鲜食枣，其果肉脆嫩多汁，富含人体所需的氨基酸、维生素和微量元素，备受人们喜爱[6-8]，主要食用方式为鲜品食用。然而，但随着冬枣产量的迅速增加，残次果的数量十分巨大，而目前对冬枣残次果深加工、提升其产值的方式很少[9-10]。本项目主要以滨州沾化残次冬枣为研究对象，使用超声辅助酸提取果胶进行工艺优化，实现冬枣价值最大化，提升滨州冬枣品牌价值，助力农民增收有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂 冬枣残次果采自滨州市沾化区下洼镇，是无脓包、无腐烂、未变质的冬枣；无水乙醇、浓盐酸等试剂均为分析纯，实验用水为自制蒸馏水。

1.2 仪器 循环水式多用真空泵(SHB-Ⅲ，郑州长城科工贸有限公司)；旋转蒸发仪(N-1200B，上海爱朗仪器有限公司)；小型摇摆式粉碎机(广州市旭朗机械设备有限公司)；数显恒温水浴锅(HH-2，上海梅香仪器有限公司)；超声波清洗机(KQ-500DE，昆山市超声仪器有限公司)；冷冻离心机(centrifuge 5430r)；酸度计(PHS-3E，上海仪电科学仪器股份有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9070A，上海精宏实验设备有限公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 材料的处理 冬枣残次果去核，切小块，沸水中浸泡5～10 min以灭活果胶酶，漂洗后风干后于60 ℃烘干至恒重，粉碎，过60目筛，封存备用。

1.3.2 果胶提取工艺 根据参考文献[11]方法稍作修改。向一定量的冬枣粉末中加入稀盐酸溶液，超声波处理后过滤，收集滤液得到粗提取液；将粗提取液浓缩至原体积的2.5%左右，加入2倍无水乙醇在4°C冰箱中0.5～1 h，即可析出果胶沉淀物；高速离心(4 000 r/min，10 min)，取下层沉淀，放入60 ℃烘干箱中烘干得果胶。

1.3.4 单因素实验设计

1.3.4.1 超声功率对果胶提取率的影响 精称冬枣粉约5 g，加水使之料液比为1∶30，加盐酸调节pH值为1，提取时间15 min，超声功率分别设置为300、350、400、450和500 W，提取温度设为70 ℃，分别按照2.2项下进行处理，计算果胶提取率，确定适宜提取超声功率。

1.3.4.2 提取时间对果胶提取率的影响 精称冬枣粉约5 g，加水使之料液比为1∶30，加盐酸调节pH值为1，提取时间分别设置为10、15、20、25、30 min超声功率设置400 W，提取温度设为70 ℃，按照2.2项下进行处理，计算果胶提取率，确定适宜提取时间。

1.3.4.3 提取温度对果胶提取率的影响 精称冬枣粉约5 g，加水使之料液比为1∶30，加盐酸调节pH值为1，提取时间设置为20 min，超声功率设置400 W，提取温度分别设为55 ℃，60 ℃，65 ℃，70 ℃，75 ℃，按照2.2项下进行处理，计算果胶提取率，确定适宜提取温度。

1.3.4.4 料液比对果胶提取率的影响 精称冬枣粉约5 g，加水使之料液比分别成为，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35加盐酸调节pH值为1，提取时间设置为20 min，超声功率设置400 W，提取温度设为70 ℃，按照2.2项下进行处理，计算果胶提取率，确定适宜料液比。

1.3.4.5 pH值对果胶提取率的影响 精称冬枣粉约5 g，加水使之料液比成为1∶30，加盐酸调节pH值分别调节为0.3、0.5、1、1.5、2，提取时间设置为20 min，超声功率设置400 W，提取温度设为70 ℃，按照2.2项下进行处理，计算果胶提取率，确定适宜提取pH值。

1.3.5 响应面实验 在单因素实验的基础上，以果胶的提取率为响应值，选择提取pH、提取温度、料液比这三个对冬枣果胶提取率影响较大的因素，使用Design-Expert 10.0，利用Box-Benhnken设计，进行三因素三水平的响应面分析，对冬枣果胶提取工艺进行优化(表1)。

表1 Box-Benhnken试验设计因素和水平

2 结果

2.1 单因素试验结果

2.1.1 超声功率对果胶提取率的影响 随着超声功率增加，冬枣果胶提取率呈先升后降的趋势。高超声功率促使果胶降解为多糖分子，破坏了果胶的结构，导致提取率下降。当超声功率为400 W时，果胶提取率达到最高值(图1)。

2.1.2 超声时间对果胶提取率的影响 随着超声时间的延长，冬枣果胶提取率呈先升后降的趋势，当超声时间达到20 min时，果胶提取率达到最大，为18.32%(图2)。超声提取时间过长，在热效应作用下，部分果胶发生降解，导致提取率下降。

2.1.3 提取温度对果胶提取率的影响 提取温度从60 ℃增加至75 ℃，冬枣果胶提取率升高，但温度继续升高，果胶提取率开始下降。较高的温度可能会破坏果胶结构和性质的稳定性，导致果胶降解。在70 ℃时果胶提取率最高，为15.33%(图3)。

图1 超声功率对果胶提取率的影响 图2 提取时间对果胶提取率的影响 图3 提取温度对果胶提取率的影响

2.1.4 料液比对果胶提取率的影响 当料液比为1∶30时，果胶提取率达到最大值(图4)。

2.1.5 pH值对果胶提取率的影响 天然的原果胶不溶于水，但遇酸可变为可溶性果胶。因此，酸性环境对冬枣加工废弃物中果胶提取率至关重要。pH值过低会加速可溶性果胶分解，并且纤维素等多糖杂质的存在会影响果胶提取，而pH值过高会延长果胶的溶出时间，从而降低了果胶提取率(图5)。

图4 提取料液比对果胶提取率的影响 图5 pH值对果胶提取率的影响

2.2 响应面优化冬枣果胶的提取工艺

2.2.1 响应面试验 响应面试验结果见表2。利用Design Expert 10.0软件对表2中的数据进行多元回归拟合分析，得到响应回归方程：

Y=23.23+2.51A+1.55B+1.06C+0.54AB-0.29AC-0.10BC-2.20A2-4.53B2-0.60C2

表2 响应面试验设计及结果

表3 回归模型的方差分析

2.2.2 响应面分析 响应曲面三维图可以直观地反映各因素对响应值的影响程度及因素间的交互作用强弱。本研究发现，所选三个因素的主效应显著，但因素之间的交互作用不大，与方差分析的结果相吻合。提取pH值相较于超声功率、料液比的曲线较陡峭，这说明，温度对于冬枣果胶含量提取的影响最为显著。当提取pH值固定时，超声功率的曲线比料液比的陡峭，这再一次说明，在冬枣果胶含量的提取过程中，超声功率的影响比料液比的大(图6)。

图6 提取功率、pH值和料液比交互作用对果胶提取率的响应面及等高线

2.2.3 最佳工艺的预测与验证 利用Design-Expert 10.0软件求解回归方程，得到冬枣果胶的最佳提取工艺条件为：pH值为0.855，超声功率为420.600 W，液料比为29.986∶1，冬枣果胶提取率预测值为24.298%。考虑实际操作过程的方便性，选择提取工艺参数为：pH值为0.85，超声功率420 W，液料比30∶1，超声时间20 min，超声温度75 ℃。在该工艺下进行三次平行实验所得的冬枣中果胶平均提取率为24.18%，与软件给出的预测值接近。这表明，用响应面法对冬枣果胶超声提取的各因素进行优化研究是合理可行的，可以为工业化生产提供合理的方案。

3 讨论

本研究采用超声波辅助酸法提取冬枣果胶，在单因素试验基础上利用Box-Behnken原理，运用Design-Expert 10.0软件进行分析，建立了提取冬枣果胶的回归模型，由该模型优化得出提取最佳工艺条件。从残次冬枣中提取果胶提取率最高可达24.18%，这比常见以红薯渣、南瓜、柑橘皮、石榴皮等为原料提取果胶的提取率要高[11-12]。该方法提取工艺简单，是一种有效提取冬枣果胶的方法，所得果胶可用于食品，药品，保健品等产品中，具有广阔的市场发展前景和社会效益。