馬松艷，靳曉東，李成晗，馬曉陽，解俊玲

（綏化學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061）

西紅柿是我國種植廣泛的一種蔬菜，營養(yǎng)成分豐富，價(jià)格便宜，富含維生素 A、B、C和鈣、鐵、鎂、鉀等多種金屬元素，以及蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等，成熟西紅柿還含有大量果膠等成分，因此，食用西紅柿能夠消暑解渴、補(bǔ)充養(yǎng)分，而且還具有軟化血管作用[1,2]。果膠是來自于水果和蔬菜中的水溶性膳食纖維，是一種良好的食品添加劑，具有抗氧化活性、平衡腸內(nèi)微生物菌群，降低血液膽固醇水平，改善糖尿病癥狀，抗癌和抗炎等功效[3,4]。目前，從西紅柿提取果膠的方法主要有超聲輔助法[5]、微波輔助法[6]、鹽酸酸化法[7]等多種方法。響應(yīng)面分析法是通過合理的數(shù)學(xué)模型，采用多元二次回歸方程分析各因素和結(jié)果間關(guān)系，尋找最佳工藝條件的一種統(tǒng)計(jì)方法，具有用時(shí)少、成本低、效率高的特點(diǎn)，在食品工藝優(yōu)化研究中得到廣泛應(yīng)用[8,9]。本試驗(yàn)以乙醇為提取劑，采用超聲輔助提取法對西紅柿中果膠進(jìn)行分離提取，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法優(yōu)化了提取工藝，為西紅柿中果膠開發(fā)應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

西紅柿（地產(chǎn)）；D-半乳糖醛酸、無水乙醇、HCl、濃 H2SO4、咔唑、NH3·H2O 均為分析純。

UV-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；KQ-300B超聲波清洗機(jī)（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）；SHB-D（III）循環(huán)水式多用真空泵（河南泰斯儀器有限公司）；ZDF-6050真空干燥箱（嘉興市中新醫(yī)療儀有限公司）；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司）；ESJ205-4電子天平（沈陽龍騰電子有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超聲輔助西紅柿中果膠提取工藝流程 西紅柿→清洗→滅酶→超聲波輔助提取→趁熱抽濾→脫色→趁熱抽濾→果膠提取液→吸光度→果膠提取率

稱取一定質(zhì)量的新鮮西紅柿洗凈，放入燒杯，并加入適量蒸餾水，置于恒溫水浴鍋加熱滅酶，將溫度調(diào)節(jié)至90℃左右，加熱10min，使酶失去活性，避免果膠發(fā)生酶解，導(dǎo)致得率下降。然后將西紅柿取出清洗后，并搗碎成醬狀。向預(yù)處理好的原料加入一定量的蒸餾水，并用鹽酸調(diào)節(jié)到所需pH值，提取條件按單因素試驗(yàn)調(diào)節(jié)，置于超聲波清洗機(jī)內(nèi)，超聲提取，取出后趁熱進(jìn)行抽濾，再向?yàn)V液中加入0.5%～1%的活性炭，并在80℃水浴鍋內(nèi)保持20 min脫色處理，再趁熱抽濾，獲得清澈的果膠提取液。

1.2.2 半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 用分析天平準(zhǔn)確稱取半乳糖醛酸100mg，將其溶于蒸餾水，定容于100mL容量瓶中，搖勻后形成濃度1.0mg·mL-1的半乳糖醛酸原液；再準(zhǔn)確稱取0.15g的咔唑，將其溶于乙醇溶液，并定容于100mL的容量瓶中，形成咔唑溶液；分別移取半乳糖醛酸原液 0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0mL將其注入100mL的容量瓶中，并稀釋至刻度，形成不同濃度的半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，并編號 I-VIII，備用。

向8支相同規(guī)格的比色管（編號為1～8）中分別加入12mL濃H2SO4，冷卻后緩慢向比色管中依次對應(yīng)加入編號I-VIII的半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液各2mL，搖勻并冷卻后，置于沸水浴中保持10min，取出并迅速冷卻至室溫，各加入咔唑溶液1mL，混勻，靜止30min。1號用做試劑空白，在530nm下分別測其吸光度，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3 果膠提取率的測定 移取2mL的果膠提取液，加入100mL容量瓶中定容。依照標(biāo)準(zhǔn)曲線的方法測其吸光度A，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算提取液中半乳糖醛酸含量（Cμg·mL-1），即為果膠的含量，按下式進(jìn)行果膠提取率計(jì)算：

式中C：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得出的提取稀釋液的果膠含量，μg·mL-1；V：果膠提取原液總體積，mL；K：提取液稀釋倍數(shù)；m：樣品質(zhì)量，g；106：質(zhì)量單位換算系數(shù)。

1.2.4 單因素試驗(yàn) 以乙醇為提取劑，以超聲時(shí)間、提取溫度、浸提液pH值、料液比為實(shí)驗(yàn)因子，超聲波功率300W，超聲溫度為70℃，pH值為2，料液比1∶5，探究超聲時(shí)間分別為 20、30、40、50、60min 中的最佳提取時(shí)間；料液比為1∶5，pH值為2，超聲時(shí)間為40min，探究提取溫度 20、40、60、70、80℃中的最佳溫度；料液比為1∶5，超聲時(shí)間為40min，超聲溫度為60℃，探究浸提液 pH 值為 1、2、3、4、5 中的最佳 pH值；pH值為2，超聲時(shí)間為40min，超聲溫度為60℃，探究料液比 1∶2、1∶3、1∶5、1∶8、1∶10g·mL-1中的最佳料液比；果膠提取率為考察指標(biāo)，重復(fù)3次。

1.2.5 響應(yīng)面試驗(yàn) 基于單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選擇超聲溫度、超聲時(shí)間、浸提液pH值為自變量，并以A、B、C編碼表示，以提取率為響應(yīng)值，根據(jù)BBD（Box-Behnken Design）的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則[10]，設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平編碼值表Tab.1 Horizontal coding values of response surface test factors

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析，再進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)以得到最佳提取工藝。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)共重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取3次平均值，數(shù)據(jù)處理采用WPS2019及Design expert.V8.0.6.1軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用紫外分光光度計(jì)在530nm處測定顯色后半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度得標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖1。

圖1 半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of galacturonic acid

試驗(yàn)所得線性方程為y=0.0097x+0.1997，R2為0.9994?？梢娋€性關(guān)系良好，適合本次實(shí)驗(yàn)中果膠濃度的測量。

2.2 西紅柿中果膠提取工藝的單因素試驗(yàn)

2.2.1 超聲時(shí)間對果膠提取率的影響

圖2是超聲時(shí)間對果膠提取率的影響。

圖2 超聲時(shí)間對果膠提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on pectin extraction rate

由圖2可以看出，在一定時(shí)間內(nèi)，隨著超聲時(shí)間增加提取率逐漸提高，并在40min時(shí)達(dá)到最高值，隨后逐漸降低，可能由于超聲時(shí)間過長，促使果膠發(fā)生解酯、裂解等不良現(xiàn)象，從而降低果膠提取率。因此，超聲時(shí)間選擇40min效果最佳。

2.2.2 超聲溫度對果膠提取率的影響

圖3是超聲溫度對果膠提取率的影響。

圖3 超聲溫度對果膠提取率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on pectin extraction rate

由圖3可見，果膠提取率與溫度的變化有一定關(guān)系，超聲溫度為60℃時(shí)提取率達(dá)到最高值，溫度過高提取率反而下降。原因可能是在20～60℃之間時(shí)，其分子熱運(yùn)動(dòng)加快適度，有助于果膠有效水解，但當(dāng)溫度到達(dá)特定程度后，則會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)，造成果膠提取率下降。因此，選擇超聲溫度為60℃時(shí)效果最佳。

2.2.3 浸提液pH值對果膠提取率的影響

圖4是浸提液pH值對果膠提取率的影響。

圖4 浸提液pH值對果膠提取率的影響Fig.4 Effect of extraction solution pH on pectin extraction rate

由圖4可見，果膠提取率隨pH值不同而變化，pH值較低時(shí)，可使果膠水解程度增大，pH值為2時(shí)，果膠提取率最高。pH值大于2后提取率開始下降，可能是pH值過高時(shí)，果膠水解過于強(qiáng)烈，使果膠脫酯裂解，致使果膠產(chǎn)率下降。因此，選擇浸提液pH值為2時(shí)效果最佳。

2.2.4 料液比對果膠提取率的影響

圖5是料液比浸對果膠提取率的影響。

圖5 料液比對果膠提取率的影響Fig.5 Effect of ratio of material to liquid on pectin extraction rate

由圖5可見，料液比對果膠提取率的影響不明顯，在料液比1∶5為時(shí)果膠的提取率略高些，原因可能是當(dāng)溶劑過低時(shí)，粘度太大，不易擴(kuò)散，果膠難以轉(zhuǎn)移到提取液中，溶劑過多，使提取液中果膠濃度變小，提取率也隨之變低。因此，選擇1∶5的料液比效果最佳。

通過上述單因素實(shí)驗(yàn)可知，西紅柿中果膠的最佳提取工藝條件為：超聲時(shí)間40min、超聲溫度60℃、浸提液 pH 值為 2、料液比 1∶5。

2.3 果膠提取率的優(yōu)化

2.3.1 響應(yīng)面模型的建立 基于單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選擇超聲溫度、超聲時(shí)間、浸提液pH值為自變量，并以A、B、C編碼表示，以提取率為響應(yīng)值，根據(jù)BBD（Box-Behnken Design）的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.2 Response surface test scheme and results

采用響應(yīng)面軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到果膠提取率（Y）與超聲溫度（A）、超聲時(shí)間（B）和浸提液pH值（C）的回歸方程模型如下：

Y=0.86+0.033A-5.25×10-3B+0.034C-0.015AB+0.031AC+7.25×10-3BC-0.15A2--0.1B2-0.23C2

2.3.2 響應(yīng)面模型的顯著性檢驗(yàn) 對回歸方程模型進(jìn)行方差分析和可信度分析，結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面方差分析結(jié)果Tab.3 Results of variance analysis of response surface

對此模型進(jìn)行方差分析，由表3數(shù)據(jù)可知，通過實(shí)驗(yàn)所得到的模型整體屬于極顯著（P＜0.0001），本次實(shí)驗(yàn)失擬項(xiàng)P值為0.4184沒有顯著差異（P＞0.05）。相關(guān)系數(shù)R2=0.9894，校正系數(shù)R2adj=0.9758，說明方程對實(shí)驗(yàn)擬合程度較好，只有總變異的2.42%不能通過此模型解釋。此外，通過P值發(fā)現(xiàn)A、C、A2、B2、C2表現(xiàn)為極顯著（P 值越小表示其顯著性越強(qiáng)烈），并看出在不同因素水平下對果膠提取率的影響的強(qiáng)弱關(guān)系：浸提液pH值＞超聲溫度＞提取溫度和浸提液pH值的交互項(xiàng)。

2.3.3 兩因子交互作用的響應(yīng)面分析

圖6超聲溫度和超聲時(shí)間交互影響曲面。

圖6 超聲溫度和超聲時(shí)間交互影響曲面Fig.6 Interaction hook face between ultrasonic temperature and ultrasonic time

由圖6可以看出，從超聲溫度與超聲時(shí)間之間的交互關(guān)系，明顯看出超聲溫度對果膠提取率的影響曲面相對陡峭，說明對提取率有較大影響；而超聲時(shí)間對響應(yīng)面曲面的變化相對較平緩，說明其對提取率影響較小。因此，超聲溫度對提取率的影響大于超聲時(shí)間。

圖7是超聲溫度和pH值交互影響曲面。

圖7 超聲溫度和pH值交互影響曲面Fig.7 Interaction hook face between ultrasonic temperature and pH

由圖7可見，在一定范圍內(nèi)隨著超聲溫度和浸提液pH值的增加，果膠提取率呈增加趨勢，當(dāng)pH值大于2.0、溫度高于60℃后，果膠提取率有所下降?？梢?，在一定的pH值和溫度范圍內(nèi)果膠提取率與其因素呈正比，但到達(dá)另一個(gè)范圍時(shí)則相反。

圖8是超聲時(shí)間和pH值交互影響曲面。

圖8 超聲時(shí)間和pH值交互影響曲面Fig.8 Interaction hook face between ultrasonic time and pH

由圖8可以看出，隨著超聲時(shí)間的變化響應(yīng)曲面變化較平緩，而隨浸提液pH值的變化響應(yīng)面曲面較陡峭，說明浸提液pH值對提取率的影響明顯大于超聲時(shí)間的影響。

2.3.4 驗(yàn)證試驗(yàn) 采用Design expert.V8.0.6.1軟件求解方程[11]，得到理想的提取條件為超聲溫度61.19℃，超聲時(shí)間39.69min，浸提液pH值為2.08，此時(shí)提取率為0.861%。考慮到實(shí)驗(yàn)室條件以及實(shí)際操作的可行性，將提取條件修正為超聲溫度61℃，超聲時(shí)間40min，浸提液pH值為2。進(jìn)行五次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，平均提取率為0.854%，與預(yù)測值基本吻合，表明該提取條件參數(shù)可靠，具有較好的可行性。

3 結(jié)論

以綏化地產(chǎn)西紅柿為原料，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)，采用超聲波輔助乙醇提取西紅柿中果膠，料液比 1∶5、提取溫度 61℃、超聲時(shí)間 40min、浸提液pH值為2條件下果膠提取率最高，可達(dá)0.854%，通過驗(yàn)證試驗(yàn)，證實(shí)了該提取工藝可靠性較高，實(shí)際可行性較好，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。