响应面法优化泡沫分离芦笋加工废水中皂苷工艺

于素素，马迪，曹宁，王文昌，吴茂玉，郑晓冬

中华全国供销合作总社济南果品研究所/山东省果蔬贮藏加工技术创新中心（济南 250220）

芦笋学名石刁柏，又名龙须菜、文山竹，是百合科天门冬属的多年生宿根性草本植物，主要分布在山东、河南、江西、贵阳、云南等地[1-6]。芦笋根茎中的甾体皂苷水解后可产生菝葜皂苷元，因其具有抗癌、抗炎的功效，所以芦笋具有极高的药用价值和保健功能，被誉为“蔬菜之王”[7]。此外，新鲜芦笋加工而成的芦笋罐头富含营养物质，产量居世界首位，但在芦笋罐头预煮环节中会产生大量的废水，如何将芦笋罐头加工过程中产生的废水再利用，进而提高芦笋加工产业的附加值，是当前芦笋罐头加工行业的研究热点之一。

以往研究多集中在芦笋总皂苷的提取工艺上，如：揭晶等[8]利用响应面法对超声提取芦笋总皂苷的工艺进行优化；刘杰[9]利用正交试验对溶剂浸提法提取芦笋茎中总皂苷的工艺进行优化；张若洁等[10]通过超声波辅助提取优化芦笋总皂苷的工艺；才卫川等[11]通过模拟工业生产条件，采用单因素试验和响应面法得到最佳工艺条件，使得芦笋中的总皂苷提取率达8.71%±0.3%。但这些方法都是在加工过程中从芦笋或加工下脚料茎皮中提取皂苷，还未见有关于从芦笋加工废水中提取皂苷的研究报道。同时，泡沫分离法具有设备简单、操作方便、运行成本低和适于大规模工业化生产等优点[12-15]，被成功用于表面活性剂、蛋白质及中药有效成分的分离富集。因皂苷具有良好的起泡性和泡沫稳定性，所以芦笋加工废水具备泡沫分离的必要条件。采用泡沫分离法提取芦笋加工废水中的皂苷，可实现芦笋加工废水中皂苷高效、简便和环境友好的分离提取。泡沫分离法提取芦笋加工废水中皂苷的研究鲜见报道。

试验选用芦笋罐头加工废水中的皂苷为分离对象，考察鼓泡方式及时间、气流速、废水中皂苷浓度、起泡剂浓度、pH对泡沫分离皂苷过程的影响，并通过响应面优化工艺条件，以期为泡沫分离法提取芦笋罐头加工废水中皂苷的工业规模化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芦笋（绿参食品专营店提供的新鲜芦笋茎）；人参皂苷标准品（纯度≥99%，北京索莱宝科技有限公司）；高氯酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；其他试剂均为分析纯；超纯水。

1.2 仪器与设备

TU-1810型全自动紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；RE52A型旋转蒸发仪（上海昕仪仪器仪表有限公司）；HHS-21-8型恒温水浴锅（上海博讯实业有限公司）；GZX-9240MBE型鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司）；LGJ-18A型冷冻干燥机（德国Christ有限责任公司）；PHS-25型pH计（上海精密仪器制造有限公司）；ME203E型电子天平（梅特勒-托利多仪器有限公司）；LDZ4-2型自动平衡离心机（江苏省金坛市医疗仪器厂）；泡沫分离装置自制（图1）。

图1 泡沫分离装置图

1.3 试验方法

1.3.1 总皂苷标准曲线绘制

准确称取20 mg人参皂苷标准品，用70%乙醇溶解定容至50 mL，得400 mg/L人参皂苷标准液。准确吸取0，0.2，0.4，0.8和1.2 mL的人参皂苷标准溶液，于60℃水浴加热，待挥发完全后，分别加入0.4 mL 5%香草醛冰醋酸溶液使残渣溶解，加入1.6 mL高氯酸，混匀转移至10 mL比色管，于70 ℃水浴20 min，取出后冰浴冷却2 min，加入5.0 mL冰醋酸，摇匀后，于545 nm波长处测定其吸光度[16]。以皂苷质量为横坐标，吸光度为纵坐标，得标准曲线方程Y=1.336 6X-0.001 8，R2=0.996 8。

1.3.2 皂苷提取含量测定

精确吸取5.0 mL液体试样于50 mL容量瓶中，用70%乙醇溶液定容，摇匀后，于60 ℃水浴挥干，加入0.4 mL 5%香草醛冰醋酸溶液使残渣溶解，加入1.6 mL高氯酸，混匀后移入10 mL比色管中，于70 ℃水浴20 min，取出后置于冰水中冷却2 min，精确加入5.0 mL冰醋酸，摇匀后，在30 min内于545 nm波长处测定其吸光度[17]。

试样中总皂苷含量用质量分数X表示，单位为百分率（%），按式（1）计算。

式中：m1为由标准曲线计算得出的待测液中总皂苷质量，mg；V1为制备试样体积，mL；m2为样品质量，g；V2为纯化后试样体积，mL。

1.3.3 单因素试验

试验考察鼓泡方式及时间、气流速、废水中皂苷浓度、起泡剂（SDS）浓度和pH 5个因素对皂苷回收率的影响。采用分光光度法测定皂苷含量，以回收率为指标[18]评价泡沫分离效果。通过单因素试验筛选出对芦笋总皂苷得率具有显著影响的因素，并确定其试验水平值。回收率按式（2）计算。

式中：C0为初始液中皂苷质量浓度，mg/mL；Cf为泡沫层中皂苷质量浓度，mg/mL；CS为残留液中皂苷质量浓度，mg/mL；V0为原液的体积，mL；VS为残留液的体积，mL；Vf为泡沫层的体积，mL。

1.3.4 响应面试验设计

根据Box-Behnken试验设计原理[13]，设置气流速（A）、SDS浓度（B）、芦笋废水pH（C）为响应面因子，并依据单因素试验的试验结果确定自变量的范围，以皂苷回收率为响应值，设计三因素三水平响应面分析试验，对芦笋加工废水中皂苷回收条件参数进行优化。响应面因子和水平见表1[19-21]。

表1 Box-Behnken试验设计因素与水平

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析与显著性差异分析，运用Origin 2019软件作图，响应面结果用Design Expert 10.0.1进行Box-Behnken分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 鼓泡方式及时间对皂苷回收率的影响

鼓泡方式及时间对皂苷回收率的影响如图2所示。在同一鼓泡方式下，鼓泡时间对皂苷回收率的影响不显著。以气体分布的方式鼓气，得到的皂苷回收率明显高于其他2种鼓气方式。这是由于泡沫分离装置中的气体分布器使得气体与残液的接触面增大，皂苷回收率增加。在以气体分布的方式下，鼓泡时间的长短对皂苷回收率的影响不显著。故选择鼓泡时间3 min为宜。该结果与路帅等[22]的研究结果不同，可能是因为皂苷与杏仁蛋白的结构不一致所导致。

2.1.2 气流速对皂苷回收率的影响

气体流速对泡沫分离芦笋废水中皂苷的影响如图3所示。随着气体流速的增加，废水中皂苷回收率呈先升高后降低趋势，气体流速2.8 L/min时，皂苷回收率最高，可达78.1%，随着气体流速继续增大，皂苷回收率逐渐降低，这可能是由于气流速过大对皂苷类物质的结构造成破坏所致[23]。鼓泡气速较大时，气泡的流动速率大，泡沫上升过程鼓泡时间较短，导致泡沫层间隙排液量减少，故泡沫分离装置流出的泡沫持液量大，液体夹带的杂质含量增多。鼓泡气速较低时，泡沫上升过程鼓泡时间较长，泡沫间隙排液量增多，随着鼓泡时间推移，泡沫分离柱内料液皂苷含量逐渐减少，料液起泡性及泡沫稳定性减弱，鼓泡气速过小不易将泡沫层从泡沫分离柱上方鼓出，皂苷回收率减小[24-25]。故气流速选择2.8 L/min。

图3 气流速对皂苷回收率的影响（n=3）

2.1.3 废水中皂苷浓度对皂苷回收率的影响

废水中皂苷浓度对皂苷回收率的影响如图4所示。废水中皂苷浓度对皂苷回收率有显著影响，随着废水中皂苷浓度的提高，皂苷回收率逐渐提高。这主要是由于废液中皂苷浓度的增加会使其表面活性物质的质量浓度也增加，导致泡沫的稳定性提高，泡沫所夹带的液体量增多，因此皂苷的回收率升高[26-27]。考虑到实际工业生产产生的废水皂苷浓度不可能太高，故废液中皂苷浓度选择3 000 mg/L。

图4 废水皂苷浓度对皂苷回收率的影响（n=3）

2.1.4 起泡剂（SDS）浓度对皂苷回收率的影响

SDS浓度对泡沫分离废水中皂苷的影响如图5所示。随着SDS浓度的增加，皂苷回收率逐步增加，后期趋于稳定，SDS浓度0.1%时，皂苷回收率最高。可能是因为SDS增加了表面活性物质的量[28-30]，故SDS浓度0.1%的起泡效果最好。

图5 起泡剂浓度对皂苷回收率的影响（n=3）

2.1.5 pH对皂苷回收率的影响

pH对泡沫分离废水中皂苷的影响如图6所示。pH 7时进行泡沫分离得到的皂苷回收率最大，这是因为此时形成的泡沫较稳定，表面张力降低可以提高泡沫的稳定性，稳定的泡沫可以使分离过程持续至残留液相浓度很低的状态，故选择废水pH 7为宜。

图6 pH对皂苷回收率的影响（n=3）

2.2 响应面优化

2.2.1 响应面试验设计及结果

根据单因素试验结果发现，气流速、SDS浓度、pH对皂苷回收率有显著影响，故设定为自变量A、B、C，皂苷回收率为响应值（Y），采用Design-Expert 10.0.1软件设计17组试验，5组为重复零点试验，试验方案及结果见表2。

表2 响应面试验设计及结果

2.2.2 拟合回归方程的建立

通过数据分析得到回归拟合方程：皂苷回收率（Y）=80.92-0.475A-1.212 5B+0.062 5C+1.175AB-0.625AC-1.3BC-2.16A2-4.185B2-3.835C2。

由表3可知，此试验模型P＜0.01，说明该模型差异性极显著。表5中R2=0.982 0，Radj2=0.958 8，失拟项不显著（P＞0.05），表明该模型在试验区间内拟合度优[31]，线性关系良好，并且能够解释95.88%的响应值变化，具有较高的重复度和准确性，因此回归方程可以很好地描述各因素与响应值之间的关系。根据3个变量的方差显著性结果可以看出，3个变量对皂苷回收率的影响效果依次为SDS浓度＞气流速＞芦笋废水pH，且SDS浓度对皂苷回收率影响极显著（P＜0.01）。交互项中AC的作用不显著，AB对响应值的作用显著（P＜0.05），BC对响应值的作用极显著（P＜0.01）。二次项中A2、B2、C2对响应值的作用极显著（P＜0.01）。

表3 响应面试验方差分析

2.2.3 响应曲面分析

根据模型得到的响应面分析图，见图7～图9，可以直观观察到，在各因素变量的交互作用下皂苷回收率的变化呈正抛物线的形状，等高线呈椭圆形，表明各因素在波动水平内均存在峰值[31-33]，曲面图像的坡度大小则代表该因素对响应值影响的强弱，与方差数据分析相符合。

图7 SDS浓度和气流速相互作用的响应面图

从图7可以看出，气流速和SDS浓度的交互作用曲面纵向跨度较大且等高线呈现椭圆形，表明二者交互作用对皂苷回收率影响显著。当气流速一定时，随着SDS浓度的增加，皂苷回收率先上升后下降。同理，SDS浓度不变时，随着气流速的提高，皂苷回收率也呈现先增加后减小。

如图8所示，皂苷回收率随着气流速和芦笋废水pH的增加均呈现先增后减变化。取适中水平，即气流速2.7～2.9 L/min、芦笋废水pH 6.5～7.5水平区间时，曲面出现最高点，预计皂苷回收率最高。

图8 pH和气流速相互作用的响应面图

由图9可以看出，SDS浓度和芦笋废水pH交互作用曲面纵向跨度最大，且等高线呈现显著椭圆形，对皂苷回收率影响极显著。皂苷回收率随着SDS浓度和芦笋废水pH的增加呈先增后减变化，取SDS浓度0.09%～0.11%、芦笋废水pH 6.5～7.5水平区间时，皂苷回收率较高，应控制该条件从而得到优化工艺参数。

图9 pH和SDS浓度相互作用的响应面图

2.2.4 最优提取条件与验证

通过Design-Expert 10.0.1软件对回归拟合方程进行分析，获得最优工艺参数：气流速2.767 L/min、SDS浓度0.096%、芦笋废水pH 7.052，在此条件下模型预测的皂苷回收率为81.068%，根据软件预测结果，结合实际工艺设置的可行性，取气流速2.8 L/min、SDS浓度0.1%、芦笋废水pH 7进行3次平行试验，皂苷回收率平均值为81.8%，试验值与预测值接近，优选的工艺条件重复性良好，表明基于该响应面模型分析优化皂苷回收率工艺的方法有效可行。

3 结论与讨论

以芦笋加工废水中的皂苷为研究对象，通过单因素试验及响应面统计分析，结合实际操作，得出分离芦笋废水中皂苷的最佳工艺条件：气流速2.8 L/min、SDS浓度0.1%、芦笋废水pH 7。在此条件下提取，皂苷回收率为81.8%。试验方法简单易行、提取率高、绿色环保，为皂苷资源的充分开发利用提供科学依据，同时也为芦笋罐头加工废水在功能成分提取中的应用提供理论依据。但试验采用自制简易泡沫分离设备进行分离，存在分离较慢、耗时较长等问题，需放大分离装置，进一步优化工艺，提高其分离效率。