超声波辅助提取葡萄皮渣果胶工艺研究

张慧芳，贾梦梦，王 君，张伟民

（1.山西省检验检测中心，山西 太原 030012；2.山西农业大学 食品科学与工程学院，山西 太谷 030801）

果胶具有无毒、抗氧化、降低胆固醇的功能，有较高用利价值，但我国目前利用率低、产量少。超声波辅助提取果胶法能够高效、简便提取果胶。本试验通过研究超声波辅助提取葡萄皮渣中的果胶，探究不同条件下对果胶提取率的影响，寻出最优条件，使得果胶提取率提高。

1 材料与方法

1.1 材料

来源于实验室的葡萄皮渣

1.2 试验设计

（1）超声波辅助提取工艺。将待用皮渣与蒸馏水按不同的料水比混合，放置于超声波清洗机中，设置超声波清洗机的温度，功率和时间，使溶液在不同条件下充分振荡混合，取上清液2 mL于离心管中，在8000 r/s的条件下离心15 min，在上清液中取样。

（2）单因素对果胶提取率的影响。首先在超声波清洗机的提取温度为45 ℃，功率为60 W和振荡提取60 min条件下，考察料水比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30）对果胶提取率的影响。进一步考察提取温度（35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃、75 ℃）、提取功率（40 W、50 W、60 W、70 W、80 W）和提取时间（30 min、45 min、60 min、75 min、90 min）四个单因素对果胶提取率的影响。反应完成后，离心取上清液1 mL用DNS测定法分别测定样品的吸光度值，重复三次，取其平均值，代入标准曲线方程，求半乳糖醛酸溶液浓度，进行比较分析。

（3）响应面优化试验。在单因素实验的基础上，应用DesignExpert8.0.6软件，采用BBD中心组合实验设计原理，选取料水比(A)，提取温度(B)，提取时间(C)，提取功率(D)这四个因素为自变量设计四因素五水平的试验，因素水平设计见表1。

表1 响应面优化实验因素水平设计表

1.3 测定方法

DNS测定法：取上清液1 mL为待测样品于25 mL的带塞试管中，再加入1 mL蒸馏水，混合后加入2 mL配制好的DNS试剂，轻轻用手振荡，混匀。放入沸水浴5 min后取出，冷却至室温。用蒸馏水稀释至刻度线25 mL，摇匀后用分光光度计在520 nm下测定吸光度值，记录数据，按标准曲线（y=0.392x+0.0254）进行换算。重复三次，取其平均值。

2 结果与分析

2.1 单因素对果胶提取率的影响

料水比对果胶提取率的影响如图1a所示，随着料水比的增大，溶液含半乳糖醛酸的浓度体呈现显著减小的趋势，即料水比越小，半乳糖醛酸的含量会越高。当料水比增大至1∶25时，半乳糖醛酸浓度下降趋于稳定。提取温度对果胶提取有显著影响，结果如图1b所示，当温度为65 ℃时，半乳糖醛酸浓度为1.7 mg/mL，为最高值，提取效果最好；进一步提高提取温度，半乳糖醛酸的含量反而下降。说明温度越高，果胶越容易溶解在蒸馏水中。而当提取温度过高时，果胶结构容易被高温破坏，从而裂解，使提取率降低。因此提取温度过高或过低都会影响果胶的提取。进一步考察提取功率对果胶提取率的影响发现图1c，随着提取功率的升高，半乳糖醛酸浓度先升高后减少，其中在功率为50~60 W之间大幅度升高；当功率增加到70 W时，浓度增加到最高点，浓度为2.0 mg/mL；当功率从70 W提高到80 W时，浓度缓慢减少。这表明在功率较低时，超声波清洗机的超声波未能充分冲击细胞壁，溶出的果胶较少；当功率逐步增大时，分子扩散速度增大，果胶溶出变多，所以测得的半乳糖醛酸浓度增大，但是当提取功率为70 W以后，反而不利于提取，因此提取功率在70 W左右为宜。最后，由图1d可得，随着提取时间的增加，半乳糖醛酸浓度先升高后下降。当提取时间从30 min增加到60 min时，浓度达到最高为2.0 mg/mL，继续增加提取时间，半乳糖醛酸浓度下降，且时间为90 min时，浓度最低为0.8 m/mL。表明当超声时间过短，超声波所产生的能量较低，葡萄皮渣中的果胶溶出较少，不完全，果胶提取率较低，随着时间的增加，超声波所产生的能量逐渐增大，果胶溶出增加，从而提取率也提高。但是当提取时间过长，超过60 min左右时，部分果胶会分解，或者降解，使得果胶的提取率减少，因此选择超声波提取时间为60 min左右较合适。

图1 单因素对果胶提取率的影响

2.2 响应面优化分析

响应面试验结果如表2所示。利用Design Export软件对四个因素对半乳糖醛酸影响进行统计分析，得到每个因素的显著性结果，结果如表3所示。四个因变量的多元二次回归方程为:Y=+1.43-0.40A-0.21B+0.027C+0.12D

表2 响应面试验设计及结果

根据表3结果分析得出，方程模型P＜0.01，表明这个方程模型处于极显著水平，证明该方程可以很好地拟合实验结果。其中，因变量(A)料水比，(B)提取温度，(D)提取功率对果胶提取率之间的线性关系明显，对半乳糖醛酸浓度影响显著。因此分析这三个因素交互作用。利用Design Export软件对响应面优化实验得到的模型分析，得到各两个因素的立体分析图。

表3 Box-Behnken响应面实验半乳糖醛酸浓度方差分析

由图2可得，在提取时间和功率这两个条件一定的情况下，当水料比一定时，温度越高，提取效果越差。当温度一定时，料水比越高时，提取效果越高。由图3可以看出，水料比为15，提取功率为70 W时，提取效率最高。水料比一定时，提取功率越高，提取效果越好。提取功率一定时，水料比越小，提取效率越高。由图4可得，提取温度一定时，提取得率随着提取功率的升高而增加，当提取功率一定时，提取得率随温度的升高而降低。

图2 水料比与提取温度对半乳糖醛酸浓度交互作用响应曲面图

图3 水料比与提取功率对半乳糖醛酸浓度交互作用响应曲面图

图4 提取温度与提取功率对半乳糖醛酸浓度交互作用响应曲面图

回归方程的最值进行求解，得到模型的最优组合：料水比为1∶10，提取温度为35.12 ℃，提取时间为89.86 min，提取功率为80 W时，响应值半乳糖醛酸浓度达到最大值为2.935 93 mg/mL。

3 结论

通过单因素试验和响应曲面法(RSM)，分析葡萄皮渣中果胶提取温度、提取时间、料水比、提取功率这四种影响因素交互作用对果胶提取得率的影响。发现其中任意两个因素的交互作用，都会对果胶提取得率产生不同程度的影响。其中对半乳糖醛酸浓度影响较为明显的是料水比与提取温度交互作用、料水比与提取功率交互作用、提取温度与提取功率交互作用。综合单因素和响应面结果得知，在影响葡萄果胶得率的四个因素中，料水比的影响最大。当料水比为1∶10，提取温度为35.12 ℃，提取时间为89.86 min，提取功率为80 W时，响应值半乳糖醛酸浓度达到最大值为2.935 93 mg/mL。即在此条件下，果胶提取率最优。