劉書江 劉俐伶 李 倩 于 燕 曲桂武 呂長俊 劉德勝

濱州醫(yī)學(xué)院 山東 煙臺(tái) 264003

果膠作為一種酸性高分子多糖，具有多種生理活性，例如抗氧化、降血脂、免疫調(diào)節(jié)、抑菌或腫瘤等，在食品、藥品或者化妝品等行業(yè)中的使用越來越廣泛[1-4]。國內(nèi)以蘋果渣、柑橘皮等為主原料，生產(chǎn)效率相對(duì)較低，超過80 %靠進(jìn)口[5]。

冬棗(Zizyphusjujubecv. Dongzao)為鼠李科棗屬植物，為我國特有的一種晚熟鮮食棗，其果肉脆嫩多汁，富含人體所需的氨基酸、維生素和微量元素，備受人們喜愛[6-8]，主要食用方式為鮮品食用。然而，但隨著冬棗產(chǎn)量的迅速增加，殘次果的數(shù)量十分巨大，而目前對(duì)冬棗殘次果深加工、提升其產(chǎn)值的方式很少[9-10]。本項(xiàng)目主要以濱州沾化殘次冬棗為研究對(duì)象，使用超聲輔助酸提取果膠進(jìn)行工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)冬棗價(jià)值最大化，提升濱州冬棗品牌價(jià)值，助力農(nóng)民增收有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑 冬棗殘次果采自濱州市沾化區(qū)下洼鎮(zhèn)，是無膿包、無腐爛、未變質(zhì)的冬棗；無水乙醇、濃鹽酸等試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為自制蒸餾水。

1.2 儀器 循環(huán)水式多用真空泵(SHB-Ⅲ，鄭州長城科工貿(mào)有限公司)；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(N-1200B，上海愛朗儀器有限公司)；小型搖擺式粉碎機(jī)(廣州市旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司)；數(shù)顯恒溫水浴鍋(HH-2，上海梅香儀器有限公司)；超聲波清洗機(jī)(KQ-500DE，昆山市超聲儀器有限公司)；冷凍離心機(jī)(centrifuge 5430r)；酸度計(jì)(PHS-3E，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9070A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 材料的處理 冬棗殘次果去核，切小塊，沸水中浸泡5～10 min以滅活果膠酶，漂洗后風(fēng)干后于60 ℃烘干至恒重，粉碎，過60目篩，封存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 果膠提取工藝 根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]方法稍作修改。向一定量的冬棗粉末中加入稀鹽酸溶液，超聲波處理后過濾，收集濾液得到粗提取液；將粗提取液濃縮至原體積的2.5%左右，加入2倍無水乙醇在4°C冰箱中0.5～1 h，即可析出果膠沉淀物；高速離心(4 000 r/min，10 min)，取下層沉淀，放入60 ℃烘干箱中烘干得果膠。

1.3.4 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.4.1 超聲功率對(duì)果膠提取率的影響 精稱冬棗粉約5 g，加水使之料液比為1∶30，加鹽酸調(diào)節(jié)pH值為1，提取時(shí)間15 min，超聲功率分別設(shè)置為300、350、400、450和500 W，提取溫度設(shè)為70 ℃，分別按照2.2項(xiàng)下進(jìn)行處理，計(jì)算果膠提取率，確定適宜提取超聲功率。

1.3.4.2 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響 精稱冬棗粉約5 g，加水使之料液比為1∶30，加鹽酸調(diào)節(jié)pH值為1，提取時(shí)間分別設(shè)置為10、15、20、25、30 min超聲功率設(shè)置400 W，提取溫度設(shè)為70 ℃，按照2.2項(xiàng)下進(jìn)行處理，計(jì)算果膠提取率，確定適宜提取時(shí)間。

1.3.4.3 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響 精稱冬棗粉約5 g，加水使之料液比為1∶30，加鹽酸調(diào)節(jié)pH值為1，提取時(shí)間設(shè)置為20 min，超聲功率設(shè)置400 W，提取溫度分別設(shè)為55 ℃，60 ℃，65 ℃，70 ℃，75 ℃，按照2.2項(xiàng)下進(jìn)行處理，計(jì)算果膠提取率，確定適宜提取溫度。

1.3.4.4 料液比對(duì)果膠提取率的影響 精稱冬棗粉約5 g，加水使之料液比分別成為，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，1∶35加鹽酸調(diào)節(jié)pH值為1，提取時(shí)間設(shè)置為20 min，超聲功率設(shè)置400 W，提取溫度設(shè)為70 ℃，按照2.2項(xiàng)下進(jìn)行處理，計(jì)算果膠提取率，確定適宜料液比。

1.3.4.5 pH值對(duì)果膠提取率的影響 精稱冬棗粉約5 g，加水使之料液比成為1∶30，加鹽酸調(diào)節(jié)pH值分別調(diào)節(jié)為0.3、0.5、1、1.5、2，提取時(shí)間設(shè)置為20 min，超聲功率設(shè)置400 W，提取溫度設(shè)為70 ℃，按照2.2項(xiàng)下進(jìn)行處理，計(jì)算果膠提取率，確定適宜提取pH值。

1.3.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以果膠的提取率為響應(yīng)值，選擇提取pH、提取溫度、料液比這三個(gè)對(duì)冬棗果膠提取率影響較大的因素，使用Design-Expert 10.0，利用Box-Benhnken設(shè)計(jì)，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面分析，對(duì)冬棗果膠提取工藝進(jìn)行優(yōu)化(表1)。

表1 Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素和水平

2 結(jié)果

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 超聲功率對(duì)果膠提取率的影響 隨著超聲功率增加，冬棗果膠提取率呈先升后降的趨勢。高超聲功率促使果膠降解為多糖分子，破壞了果膠的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致提取率下降。當(dāng)超聲功率為400 W時(shí)，果膠提取率達(dá)到最高值(圖1)。

2.1.2 超聲時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響 隨著超聲時(shí)間的延長，冬棗果膠提取率呈先升后降的趨勢，當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到20 min時(shí)，果膠提取率達(dá)到最大，為18.32%(圖2)。超聲提取時(shí)間過長，在熱效應(yīng)作用下，部分果膠發(fā)生降解，導(dǎo)致提取率下降。

2.1.3 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響 提取溫度從60 ℃增加至75 ℃，冬棗果膠提取率升高，但溫度繼續(xù)升高，果膠提取率開始下降。較高的溫度可能會(huì)破壞果膠結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致果膠降解。在70 ℃時(shí)果膠提取率最高，為15.33%(圖3)。

圖1 超聲功率對(duì)果膠提取率的影響 圖2 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響 圖3 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響

2.1.4 料液比對(duì)果膠提取率的影響 當(dāng)料液比為1∶30時(shí)，果膠提取率達(dá)到最大值(圖4)。

2.1.5 pH值對(duì)果膠提取率的影響 天然的原果膠不溶于水，但遇酸可變?yōu)榭扇苄怨z。因此，酸性環(huán)境對(duì)冬棗加工廢棄物中果膠提取率至關(guān)重要。pH值過低會(huì)加速可溶性果膠分解，并且纖維素等多糖雜質(zhì)的存在會(huì)影響果膠提取，而pH值過高會(huì)延長果膠的溶出時(shí)間，從而降低了果膠提取率(圖5)。

圖4 提取料液比對(duì)果膠提取率的影響 圖5 pH值對(duì)果膠提取率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化冬棗果膠的提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn) 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見表2。利用Design Expert 10.0軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到響應(yīng)回歸方程：

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

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 回歸模型的方差分析

2.2.2 響應(yīng)面分析 響應(yīng)曲面三維圖可以直觀地反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度及因素間的交互作用強(qiáng)弱。本研究發(fā)現(xiàn)，所選三個(gè)因素的主效應(yīng)顯著，但因素之間的交互作用不大，與方差分析的結(jié)果相吻合。提取pH值相較于超聲功率、料液比的曲線較陡峭，這說明，溫度對(duì)于冬棗果膠含量提取的影響最為顯著。當(dāng)提取pH值固定時(shí)，超聲功率的曲線比料液比的陡峭，這再一次說明，在冬棗果膠含量的提取過程中，超聲功率的影響比料液比的大(圖6)。

圖6 提取功率、pH值和料液比交互作用對(duì)果膠提取率的響應(yīng)面及等高線

2.2.3 最佳工藝的預(yù)測與驗(yàn)證 利用Design-Expert 10.0軟件求解回歸方程，得到冬棗果膠的最佳提取工藝條件為：pH值為0.855，超聲功率為420.600 W，液料比為29.986∶1，冬棗果膠提取率預(yù)測值為24.298%?？紤]實(shí)際操作過程的方便性，選擇提取工藝參數(shù)為：pH值為0.85，超聲功率420 W，液料比30∶1，超聲時(shí)間20 min，超聲溫度75 ℃。在該工藝下進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)所得的冬棗中果膠平均提取率為24.18%，與軟件給出的預(yù)測值接近。這表明，用響應(yīng)面法對(duì)冬棗果膠超聲提取的各因素進(jìn)行優(yōu)化研究是合理可行的，可以為工業(yè)化生產(chǎn)提供合理的方案。

3 討論

本研究采用超聲波輔助酸法提取冬棗果膠，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上利用Box-Behnken原理，運(yùn)用Design-Expert 10.0軟件進(jìn)行分析，建立了提取冬棗果膠的回歸模型，由該模型優(yōu)化得出提取最佳工藝條件。從殘次冬棗中提取果膠提取率最高可達(dá)24.18%，這比常見以紅薯渣、南瓜、柑橘皮、石榴皮等為原料提取果膠的提取率要高[11-12]。該方法提取工藝簡單，是一種有效提取冬棗果膠的方法，所得果膠可用于食品，藥品，保健品等產(chǎn)品中，具有廣闊的市場發(fā)展前景和社會(huì)效益。