福建平和蜜柚皮多糖酶解提取工艺的优化.pdf
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1、食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术基金项目:福建省教育厅中青年教育科研项目(科技类)(JAT220513);福建省 2022 年大学生创新训练项目(S202213470033);福州大学至诚学院 2022 年大学生创新训练项目(2022056)作者简介:王睿宁(2002),女(汉),本科,研究方向:生物活性物质及多糖提取。*通信作者:杨帆(1984),女(汉),讲师,博士,研究方向:生物活性物质提取。DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.22.011福建平和蜜柚皮多糖酶解提取工艺的优化王睿宁,胡宇鑫,陈强,黄哲,杨帆*(福州大学至诚
2、学院,福建 福州 350002)摘要:以蜜柚皮为原料,利用酶解提取多糖活性成分,提高蜜柚利用率。该研究选取酶用量、液料比、浸提时间 3 个因素,以多糖得率为指标,根据响应面 Box-Behnken 试验设计原理,确定酶解提取蜜柚皮多糖的工艺条件。研究表明,酶解提取蜜柚皮多糖的最佳工艺条件:液料比 201(mL/g)、浸提时间 2 h、酶用量 1.0 g,该条件下,蜜柚皮多糖得率达到(2.730.21)%,酶解法能够有效提高福建蜜柚皮多糖得率。关键词:福建平和蜜柚;多糖;酶解;果皮利用;提取工艺Optimization of Enzymatic Hydrolysis Extraction Pro
3、cess of Polysaccharide from Citrus maxima PeelWANG Ruining,HU Yuxin,CHEN Qiang,HUANG Zhe,YANG Fan*(Zhicheng College of Fuzhou University,Fuzhou 350002,Fujian,China)Abstract:Bioactive polysaccharide was extracted from Citrus maxima peel with enzymatic hydrolysis to improve the utilization rate of C.m
4、axima.The amount of enzyme,the liquid-to-solid ratio,and the extraction timein the enzymatic hydrolysis extraction process were optimized by the Box-Behnken design with the polysaccharide yield as the indicator.The results indicated that the optimal extraction conditions were extraction at the liqui
5、d-to-solid ratio of 201(mL/g)and enzyme addition amount of 1.0 g for 2 h.Under these conditions,the yieldof polysaccharide from C.maxima peel reached up to(2.730.21)%.Enzymatic hydrolysis can effectively improvethe extraction rate of polysaccharide from C.maxima peel.Key words:Citrus maxima;polysacc
6、haride;enzymatic hydrolysis;peel utilization;extraction process引文格式:王睿宁,胡宇鑫,陈强,等.福建平和蜜柚皮多糖酶解提取工艺的优化J.食品研究与开发,2023,44(22):74-79.WANG Ruining,HU Yuxin,CHEN Qiang,et al.Optimization of Enzymatic Hydrolysis Extraction Process of Polysaccharidefrom Citrus maxima PeelJ.Food Research and Development,2023,4
7、4(22):74-79.福建平和蜜柚Citrus maxima(Burm)Merr是琯溪蜜柚的品种之一1,产量逐年上升,据统计年均产量已突破 150 万 t2,产值突破 100亿元3。相较于逐年上升的产值,亟需解决的问题也越来越多。蜜柚食用或加工后的副产物果皮废弃物丢弃问题严重,造成固体废弃物的污染4,蜜柚果皮未得到充分利用。实际上蜜柚不仅果肉味美、鲜爽可口5,其果皮富含活性多糖、果胶、膳食纤维等成分,具有较高的营养价值和食用价值6。基于柚子皮潜在的活性成分与功能,柚子皮越来越受到研究者的关注。大量研究表明,柚子皮的主要成分之一活性多糖具有降血脂、降胆固醇和抑制菌体病毒生长等作用7-10。柚子
8、皮粉能改善带鱼肌原纤维蛋白的凝胶特性,可作为改善鱼肉及其制品品质的添加剂11。此外,柚子皮还有止咳化痰的功效12,其大量的未知成分还有待开发利用13。但是对于柚子皮的综合利用开发还处在试验阶段,未形成产业化、规模化的生产。因此,开发利用柚皮资源,如提取多糖、香精油、果胶、黄酮等活性物质,获取蜜柚高附加值,将成为研究者的重要任务,这也是柚子产区柚子果品加工厂亟需解决的问题6。目前,关于对柚子皮中黄酮提取工艺的研究最多14-15,其次是柚子皮多糖的研究16-17,但选取的原料都是常山胡柚皮16-17,对于福建平和蜜柚的研74食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术究鲜见报道
9、。本研究以福建平和蜜柚皮为原料,利用酶解提取柚子皮多糖,并通过响应面法确定福建蜜柚多糖提取的最佳工艺条件18-21。本研究将有利于解决福建蜜柚果皮造成的固体废弃物的问题,提高蜜柚的原料利用率,有利于福建地方经济的发展,以期为蜜柚皮废弃化利用的开发与研究提供参考。1试验材料与方法1.1材料与试剂福建平和蜜柚:市售;果胶酶(30 000 U/g):上海阿拉丁生化科技股份有限公司;木瓜蛋白酶(50 万 U/g):北京奥博星生物技术有限公司;无水乙醇、95%乙醇(均为分析纯):西陇科学股份有限公司;超纯水:湖南科尔顿水务有限公司。1.2仪器与设备DK-S26 型恒温水浴锅:上海森信实验仪器有限公司;D
10、HG-9245A 鼓风干燥箱:上海一恒科学仪器有限公司;RE-5205 旋转蒸发仪:上海昕仪仪器仪表有限公司;CTFD-10S 冷冻干燥机:青岛永合创信电子科技有限公司;SHZ-D()型循环水式真空泵:巩义市予华仪器有限责任公司。1.3试验方法1.3.1柚子皮多糖酶解提取工艺流程称取自然风干的柚子皮 10 g 置于锥形瓶中,加入液料比 151(mL/g)的 95%乙醇在恒温水浴锅中处理2 h,经过滤、干燥备用。柚子皮与水按液料比混合,加入 0.4%的果胶酶和 0.1%的木瓜蛋白酶,置于 55 恒温水浴锅,提取液经 80 水浴灭活、活性炭沉淀(取物料质量的 1%,80 维持 1 h)、旋转蒸发仪
11、浓缩(真空度 0.95 MPa,65)至 20 mL 后,加入 95%乙醇至占溶液体积分数为 90%以上,析出粗多糖,4 静置 12 h,过滤,60 干燥 1 h,获得柚子皮多糖固体粉末。1.3.2单因素试验1.3.2.1酶用量对柚子皮多糖得率的影响在液料比 151(mL/g)、浸提时间 2 h、浸提 2 次的条件下,酶用量分别为 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 g,考察酶用量对柚子皮多糖得率的影响。每个试验 2 组平行,每组重复 3 次。1.3.2.2液料比对柚子皮多糖得率的影响在酶用量 0.9 g、浸提时间 2 h、浸提 2 次的条件下,液料比分别为 51、101、151、
12、201、251、301(mL/g),考察液料比对柚子皮多糖得率的影响。每个试验 2 组平行,每组重复 3 次。1.3.2.3浸提时间对柚子皮多糖得率的影响在液料比 201(mL/g)、酶用量 0.9 g、浸提 2 次的条件下,浸提时间分别为 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h,考察不同浸提时间对柚子皮多糖得率的影响。每个试验2 组平行,每组重复 3 次。1.3.3响应面优化试验设计在单因素试验结果的基础上,根据响应面 Box-Behnken 试验设计原理,选取酶用量 A、液料比 B、浸提时间 C 3 个对柚子皮多糖提取影响显著的因子,以柚子皮多糖得率为响应值,采用三因素三水平响
13、应面分析法设计试验水平因素表,见表 1。1.3.4柚子皮多糖得率计算柚子皮多糖得率的计算公式如下。W=M1/M0100式中:W 为柚子皮多糖得率,%;M1为干燥后多糖固体粉末的质量,g;M0为柚子皮质量,g。1.4数据处理数据分析采用 SPSS 19.0 进行单因素试验结果分析,采用 Design Expert 10.0 进行响应面试验结果分析,图表绘制采用 Origin 8.0 进行制图。2结果与分析2.1单因素试验结果2.1.1酶用量对柚子皮多糖得率的影响酶用量对柚子皮多糖得率的影响如图 1 所示。由图 1 可知,柚子皮多糖得率随酶用量的增加而先升高后降低。酶用量为 0.9 g 时,多糖得
14、率最高为2.13%。此后随着酶用量增加,柚子皮多糖得率反而下表 1试验因素水平设计Table 1Levels of test factors水平因素A 酶用量/gB 液料比/(mL/g)C 浸提时间/h-10.71511.500.92012.011.12512.5不同小写字母表示差异显著(P0.05)。图 1酶用量对柚子皮多糖得率的影响Fig.1Effect of enzyme dosage on the yield of polysaccharidefrom Citrus maxima peelGFECBDF*FH2(75食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术降。在
15、溶液反应过程中,果胶酶与底物进行特异性结合,分解果胶内部结构,破坏植物细胞壁释放多糖22。同时酶用量在 0.10.9 g 时,有利于蛋白质的降解,可提高多糖得率。但酶用量过多,会大大阻碍酶与底物的定向反应,导致酶的催化效率降低,致使多糖得率下降23。因此,酶用量的最佳选用范围为 0.71.1 g。2.1.2液料比对柚子皮多糖得率的影响液料比对柚子皮多糖得率的影响如图 2 所示。由图 2 可知,柚子皮多糖得率随着液料比的增加而提高。液料比 201(mL/g)时,多糖得率最高 2.77%。柚子皮液料比小于 201(mL/g)时,柚子皮与酶溶剂的接触面积和接触机会也相对变大,能够使多糖更多的与水分子
16、接触,更好地溶解在水中24。液料比在 201301(mL/g)时,柚子皮多糖得率保持稳定,多糖溶解度一定时,液料比超过一定范围后,对可溶性多糖的溶解影响减弱。溶剂体积的变化也会造成后续浓缩能耗的增加,因此,液料比的最佳选用范围为 151251(mL/g)。2.1.3浸提时间对柚子皮多糖得率的影响浸提时间对柚子皮多糖得率的影响如图 3 所示。由图 3 可知,在浸提时间 0.52.0 h 时柚子皮多糖得率随浸提时间延长而提高。浸提时间 2.0 h 时,多糖得率最高为 2.73%。在一定时间范围内,浸提时间越长,多糖的溶解越多,呈现平衡状态25。浸提时间为2.03.0 h 时,对多糖得率影响变小,可
17、能是底物与酶完全反应,多糖得率逐渐趋于稳定26。因此,浸提时间的最佳选用范围为 1.52.5 h。2.2响应面优化试验2.2.1响应面试验分析在单因素试验基础上,采用响应面分析法设计综合优化试验。以柚子皮多糖得率为响应值,以 A 酶用量(g)、B 液料比(mL/g)、C 浸提时间(h)3 个因素为因子,设计三因素三水平的中心组合试验设计,响应面试验设计结果见表 2。2.2.2回归方程建立与分析以柚子皮多糖得率为响应值,利用DesignExpert10.0软件对表 2 试验结果进行分析,得到提取条件与多糖得率之间的二次多项式回归模型:Y=2.71+0.006 25A+0.12B+0.14C+0.
18、063AB+0.045AC+0.007 5BC-0.34A2-0.19B2-0.24C2。对数据进行方差分析,结果见表 3。由表 3 可知,回归模型具有高度显著性(P0.01),证明此模型已达到极显著水平;失拟项 P 值为 0.265 7,差异不显著(P0.05)。决定系数 R2=0.984 4 说明响应值柚子皮多糖得率与预测值之间拟合较好。校正系数RAdj2=0.964 3,说明模型能解释 96.43%的响应值变化。回归方程各项方差分析表明,B、C、A2、B2、C2对多糖得率有极其显著的影响(P0.01),A、AB、AC、BC 对多糖得率影响不显著(P0.05)。各因子对多糖得率的影响不同小
19、写字母表示差异显著(P0.05)。图 2液料比对柚子皮多糖得率的影响Fig.2Effect of liquid-to-solid ratio on the yield ofpolysaccharide from Citrus maxima peel不同小写字母表示差异显著(P0.05)。图 3浸提时间对柚子皮多糖得率的影响Fig.3Effect of extraction time on the yield of polysaccharidefrom Citrus maxima peelFEDBCDD2(KIFEDBBCDC!UN-HU2(表 2响应面试验设计结果Table 2Response
20、 surface design of experiments and results组号 A 酶用量/g B 液料比/(mL/g)C 浸提时间/h Y 多糖得率/%11.1202.52.3520.9202.02.7530.7252.02.2340.7152.02.1150.9202.02.7160.7202.52.2770.9151.52.0880.9202.02.6990.9252.52.51100.9152.52.27110.9202.02.76120.9251.52.29130.7201.52.01141.1252.02.39150.9202.02.65161.1201.51.91171
21、.1152.02.0276食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术方差来源平方和自由度均方F 值P 值显著性模型1.2590.1449.090.000 1*A 酶用量 3.12510-413.1310-40.110.749 4B 液料比0.1110.1139.040.000 4*C 浸提时间0.1510.1554.440.000 2*AB0.01610.0165.520.051 1AC8.110-318.110-32.860.134 5BC2.2510-412.2510-40.080.786 1A20.4810.48170.520.000 1*B20.1510.1551
22、.490.000 2*C20.2410.2484.650.000 1*残差0.02072.82910-3失拟项0.01233.90810-31.930.265 7净误差8.0810-342.0210-3总离差1.2716表 3方差分析Table 3Analysis of variance注:*表示影响极显著(P0.01)。显著性依次是 C(浸提时间)B(液料比)A(酶用量)。2.2.3两因子间交互作用分析响应曲面图及等高线图可明晰各因素间的交互作用及确定最佳点。因素影响显著则 3D 曲面图的曲面坡度越陡峭,平坦则影响不显著27。疏离的椭圆形等高线代表两因素交互作用显著,反之,密集的圆形等高线代
23、表交互作用不显著28。各因素的交互作用对柚子皮多糖得率的影响效果如图 4 所示。图 4任意两变量对多糖得率影响的响应曲面图Fig.4Response surface plots of the effects of interactionsbetween any two variables on polysaccharide yieldC 浸提时间/h多糖得率/%2.01.82.22.42.62.81.91.72.12.32.51.1A 酶用量/g1.00.90.80.71.52.52.32.11.91.71.5多糖得率/%A 酶用量/gC 浸提时间/h52.62.42.22.01.11.00.
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