响应面法优化甘薯果胶草酸盐提取工艺

梁新红，孙俊良∗，张永帅

(河南科技学院食品学院，河南 新乡 453003)

摘 要：以分离淀粉后的甘薯渣为原料，研究草酸盐法提取甘薯果胶的工艺条件。以草酸盐为提取剂，利用单因素和响应面法对甘薯果胶提取工艺进行优化。响应面试验分析结果表明：甘薯果胶最适提取条件为温度95.07℃、时间1.93h、pH5.8、草酸铵质量浓度为5.0mg/mL，此条件下，甘薯果胶理论上可以达到最高提取率11.36%，纯度79.68%。验证实验中提取率为11.19%，纯度为79.95%，与理论值较为接近，表明数学模型对优化甘薯渣果胶提取工艺是可行的。

关键词：甘薯果胶；草酸盐提取；响应面分析

Optimization of Ammonium Oxalate Extraction of Pectin from Sweet Potato by Response Surface Methodology

LIANG Xin-hong，SUN Jun-liang*，ZHANG Yong-shuai

(College of Food, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China)

Abstract：Response surface methodology was applied to establish the optimal conditions for pectin extraction from sweet potato residues left after starch extraction using ammonium oxalate as the extraction solvent. Extraction at 95.07 ℃ for 1.93 h with 5.0 mg/mL ammonium oxalate at pH 5.8 proved optimal. The maximum predicted yield and purity of pectin under the optimized conditions were respectively 11.36% and 76.68% versus 11.19% and 79.95% obtained in validation experiments. This close agreement between the experimental and model predicted results indicates the mathematical model is valid for predicting the extraction of pectin from sweet potato residues.

Key words：sweet potato pectin；ammonium oxalate extraction；response surface methodology

中图分类号：TS202.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)18-0061-04

doi:10.7506/spkx1002-6630-201318013

果胶是一类富含半乳糖醛酸的多糖的总称，果胶作为可溶性膳食纤维，具有抗癌、治疗糖尿病、抗腹泻等功效；在食品工业中，果胶是主要的稳定剂和胶凝剂[1-4]。研究[5]表明，干的甘薯渣中含10%～30%的果胶物质，甘薯渣是甘薯淀粉生产中的副产物，通常被作为饲料简单利用或当作废物丢弃，造成资源的浪费和环境污染[6]。甘薯渣是提取果胶的良好材料。

目前国内外食品工业用果胶主要从苹果渣和柑橘渣中提取，常用的几种提取果胶方法有酸解法[7-10]、离子交换树脂法[11]、盐析法[12]、微波法[13]等。有研究者[8,14-15]利用酸法从甘薯中提取果胶，并对果胶的物化特性、乳化特性等进行了研究；孙俊良等[16-17]对酸提法果胶进行了纯化，并对酸提法果胶与苹果果胶进行了物化特性比较，发现酸提果胶的黏度、酯化度和凝胶度等物化特性略低于苹果果胶。草酸盐中草酸根离子可以和果胶酸钙中钙离子螯合生成可溶性盐，增加果胶溶解性。王媛莉等[18]应用草酸盐法提取豆腐柴中果胶，取得了较高的提取率，而草酸盐在甘薯果胶的提取中尚未有文献报道。

本研究以提取淀粉后的甘薯渣为原料，利用单因素和响应面试验法对甘薯果胶草酸盐法提取工艺进行优化，对甘薯渣资源利用具有理论及实践指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘薯为‘徐薯18号’，采自河南科技学院生命科技学院试验田。

标准半乳糖醛酸(分析纯) 美国Sigma-Alorich公司；咔唑(化学纯) 国药集团化学试剂有限责任公司；高温α-淀粉酶(20000U/mL)、糖化酶(10万U/mL)、普鲁兰酶(2000U/mL) 郑州市福源生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

Alphal-4LSC冷冻干燥机 德国Christ公司；RC5C型冷冻离心机 美国Sorvall Znstruments公司；WFJ 7200型分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 甘薯渣的制备[19]

取新鲜甘薯500g，洗净，用粉碎机打碎，40目筛过滤，对滤液进行淀粉分离，滤渣经清水清洗4次，清洗后的薯渣40℃烘干。将甘薯渣称质量，按照渣:水为1:15加水，调整pH6.0，经高温α-淀粉酶在90℃酶解30min；调整pH4.5，然后依次加入糖化酶、普鲁兰酶，在60℃保温酶解180min，去掉上清液，水洗3次，烘干，备用。

1.3.2 甘薯渣提取果胶工艺

甘薯渣提取果胶工艺流程：甘薯渣→加水→加入提取剂提取→加热提取→纱布过滤→过滤液→离心→过滤清液→乙醇沉淀→离心→沉淀物→冷冻干燥→成品。

操作步骤：称取一定量的甘薯渣(以干渣计)，按照料液比1:50(g/mL)加入蒸馏水，然后加入提取剂草酸铵，水浴加热一定时间后，用滤布趁热过滤，收集滤液。滤液在6000r/min离心10min，取上清液加入乙醇(滤液中乙醇含量不低于55%(V/V))，充分混匀，静置2h，在6000r/min离心10min，弃去上清液，沉淀进行冷冻干燥，即为果胶成品。其中提取液pH值、提取温度和提取时间和草酸铵质量浓度参数按照实验要求设定。

1.3.3 试验设计

采用单因素试验分别考察提取液pH值、提取温度、提取时间和草酸盐质量浓度对甘薯果胶提取率的影响；在单因素试验基础上，采用响应面设计在不同参数条件对甘薯果胶进行提取，应用Design Expert 7.0软件对结果进行分析。

1.3.4 指标测定

1.3.4.1 甘薯果胶提取率的测定

将制取的果胶混匀之后取一部分放入称量皿中，记总质量为m1，在干燥箱中干燥至恒质量之后总质量为m2，称量皿的质量为m，则水分含量(X)按式(1)计算，果胶提取率按式(2)计算。

(1)

(2)

1.3.4.2 甘薯果胶纯度的测定

果胶纯度的测定采用咔唑比色法。参考方法NY 82.11—1988《果汁测定方法：果胶的测定》[20]。果胶的主要水解产物半乳糖醛酸在强酸中与咔唑发生缩合反应，生成紫色物质，然后对其紫红色溶液进行比色定量，其吸光度(y)与半乳糖醛酸质量浓度(x，μg/mL)呈线性关系，测得半乳糖醛酸标准曲线方程为：y=0.0102x－0.0059(R=0.9987)，然后进行果胶溶液中半乳糖醛酸含量的测定。测定结果根据半乳糖醛酸含量与吸光度标准曲线，计算出稀释后果胶溶液中半乳糖醛酸的含量，再乘以稀释倍数得到果胶溶液中半乳糖醛酸含量。

2 结果与分析

2.1 提取液pH值对甘薯果胶提取效果的影响

图 1 pH值对果胶提取率的影响

Fig.1 Effect of pH on the yield of sweet potato pectin

在料液比1:50、温度90℃、草酸铵质量浓度5.0mg/mL、提取时间1.5h条件下，考察提取液pH值为3、5、7、9时对甘薯果胶提取效果的影响。由图1可知，随着pH值的不断增加，果胶提取率也随之逐渐升高，当pH值为7和9时，草酸胺提取果胶提取率分别为(7.87±0.18)%和(8.42±0.28)%；果胶纯度在pH7时达到最高(67.21±2.71)%，随着pH值的升高，果胶纯度降低，当pH值为9时，果胶纯度降至51.19%，果胶纯度降低可能是因为在碱性条件下提取果胶，果胶中半乳糖醛酸含量较低，鼠李糖、半乳糖和阿拉伯糖等中性糖含量较高，特别是阿拉伯糖含量高。Dourado等[21]在杏仁中提取果胶，也得到了相同的结果。因此，草酸铵提取果胶最佳pH值为7。

2.2 提取温度对甘薯果胶提取效果的影响

图 2 提取温度对果胶提取率的影响

Fig.2 Effect of extraction temperature on the yield of

sweet potato pectin

在提取时间1.5h、草酸铵质量浓度5.0mg/mL、pH7条件下，考察提取液温度对果胶提取的影响。由图2可知，随着提取温度的升高，果胶提取率和纯度亦随之增大，当提取温度为90℃时，果胶提取率和纯度分别达到分别为(10.67±0.43)%和(79.21±3.16)%；随着温度升高到100℃，果胶提取率降至(70.01±3.77)%，而果胶纯度没有明显变化，经方差显著性分析，温度在90℃和100℃时，果胶纯度在P＜0.05水平没有显著性差异，这可能是因为随着温度的升高，果胶侧链上的中性糖部分水解而使提取率降低；另外也有可能是在高温条件下，糖类、蛋白质等大分子物质结构发生变化，乙醇沉淀果胶时，与果胶一起发生沉淀的杂质量减少而使提取率降低。其具体提取率降低原因有待于进一步研究。因此，提取液最佳温度选择90℃。

2.3 提取时间对甘薯果胶提取效果的影响

图 3 提取时间对果胶提取率的影响

Fig.3 Effect of extraction time on the yield of sweet potato pectin

在料液比1:50、提取温度90℃、草酸铵质量浓度5.0mg/mL、pH7.0条件下，考察果胶提取时间分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0h时对提取效果的影响。由图3可知，随着提取时间的延长，果胶提取率逐渐升高，当提取时间为2.0h时，果胶提取率达到(11.99±0.38)%，提取时间达到3h时，果胶提取率为(12.37±0.53)%，经方差显著性分析，提取时间为2.0、2.5h和3.0h时，果胶提取率在P＜0.05水平上无显著差异；果胶纯度在提取时间为2.0h时达到最大值(79.55±2.93)%，随着提取时间的延长，果胶纯度逐渐下降，提取时间达到3.0h时，果胶纯度降至(58.96±3.57)%，这可能是因为果胶的耐热性能较差，在高温条件下提取时间过长，果胶发生水解，导致半乳糖醛酸含量下降。故可选2.0h为最佳提取时间。

2.4 草酸盐质量浓度对甘薯果胶提取效果的影响

在料液比1:50、提取温度90℃、提取时间2.0h、pH7条件下，考察草酸盐质量浓度为0、2.5、5.0、7.5mg/mL对果胶提取效果的影响。由图4可知，提取液的质量浓度对果胶的提取率及纯度均有影响。随着草酸铵质量浓度的增加，甘薯果胶的得率也随之逐渐增大，当草酸盐质量浓度为5.0mg/mL时，果胶提取率为(11.99±0.38)%，当盐质量浓度增加至7.5mg/mL时，果胶提取率达到最大值(12.26±0.49)%；而果胶纯度在草酸盐质量浓度为5.0mg/mL时达到最大值(79.55±2.93)%，随着草酸盐质量浓度的增加，果胶纯度下降，这可能是因为草酸铵质量浓度过高，不利于铵离子与细胞壁中钙离子或其他金属离子形成交联结构，因而果胶不易被游离出来。综合果胶提取率和纯度二者因素，草酸铵的最佳质量浓度为5.0mg/mL。

图 4 提取剂质量浓度对果胶提取率的影响

Fig.4 Effect of ammonium oxalate concentration on the yield of

sweet potato pectin

2.5 响应面试验优化果胶提取工艺参数

根据前期单因素试验结果，综合比较盐提和酸提，采用盐提取果胶的最佳条件：pH7.0、提取温度90℃、提取时间2h、草酸铵质量浓度5.0mg/mL。以果胶提取率为指标，采用Design Expert 7.0软件设计进行了21次试验，结果见表1。

表 1 果胶提取响应面试验设计及结果

Table 1 Design and results for the optimization of pectin extraction

根据试验数据，用Desgin Expert 7.1.3程序进行二次多项式回归，回归模型方程为：

R1=－180.9835191＋3.740122611A－1.376671975B＋3.894984076C＋0.201457006D＋0.03125AB－0.0015AC－0.000825AD－0.0675BC＋0.021BD＋0.02275CD－0.01982707A2－0.437707006B2－0.397707006C2－0.00307707D2

R2=－1857.530094＋31.33908201A－26.49759554B＋60.89021338C＋16.14910111D＋0.722375AB＋0.391375AC－0.2508375AD－2.38625BC－0.142375BD＋0.165125CD－0.129287261A2－9.038726115B2－8.373726115C2＋0.061662739D2

表2为响应面试验结果的方差分析，其中提取温度、时间对果胶提取率有显著影响，而在试验设定的范围内pH值和草酸铵质量浓度的影响并不明显。

对回归模型进行方差分析(表2)，回归检验F=156.78，差异极显著(P＜0.01)，失拟检验F=0.13，不显著，模型具有统计学意义。表明模型与实际情况拟和很好。同时，方差分析表明，各因素间存在一定的交互效应。

表 2 回归模型的方差分析表

Table 2 Analysis of variance (ANOVA) for the regression model

根据响应面分析，当提取条件为温度95.07℃、时间1.93h、pH5.8、草酸铵质量浓度5.0mg/mL时，理论上可以达到最高提取率11.36%，纯度79.68%。用此最优条件做验证实验，从甘薯渣中提取果胶得到提取率为11.19%，纯度为79.95%，与理论值较为接近，表明数学模型对优化甘薯渣果胶提取工艺是可行的。

3 结 论

本实验探讨了提取条件对甘薯果胶提取率及纯度的影响，先后进行了单因素试验和响应面试验。单因素试验结果表明，以草酸铵为提取剂时，提取液最佳pH7、最佳提取温度90℃、最佳提取时间2.0h、草酸铵最佳质量浓度5.0mg/mL。根据响应面试验结果，确定甘薯果胶最适提取条件为提取温度95.07℃、提取时间1.93h、pH5.8、草酸铵质量浓度5.0mg/mL，甘薯果胶理论上可以达到最高提取率11.36%，纯度79.68%。实际提取率为11.19%，纯度为79.95%，与理论值较为接近，表明数学模型对优化甘薯渣果胶提取工艺是可行的。

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