响应曲面法优化ι-卡拉胶处理工艺.pdf

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1、第 2 期(总第 3 4 3 期)农产品加工(学刊)2 0 1 4年 2月 A c a d e m i c P e ri o d i c a l o f F a r m P r odu c t s P r o c e s s i n g No 2 F e b 文章编号：1 6 7 1 9 6 4 6(2 0 1 4)0 2 a-0 0 2 1 0 5 响应曲面法优化 L 一卡拉胶处理工艺 侯丽丽，许加超，孙丽雯，王学良，高 昕，付晓婷(1 中国海洋大学 食品科学与工程学院，山东 青岛2 6 6 0 0 3；2 福建环球海洋生物科技有限公司，福建 漳州3 6 3 0 0 0)摘要：采用响应曲面法

2、研究碱液质量分数、浸泡时间和浸泡温度对刺麒麟菜中提取的 一卡拉胶的产率、黏度、凝 胶强度的影响。在单因素试验基础上采用 B o x B e n h n k e n中心组合试验，以碱液质量分数、浸泡时间和浸泡温度为影 响因素，以产率、黏度和凝胶强度为响应值建立二次回归方程，通过响应面分析得到优化组合。结果表明，碱处理 优化工艺参数为碱液质量分数 1 2 (1 2 0 g L)，浸泡时间 6 1 2 h，浸泡温度 3 2，在此条件下提取出的 L 一卡拉胶 产率为 5 0 1 6，凝胶强度为 3 0 8 7 6 v C c mz，黏度为 1 7 4 5 0 m P a S。在原有工艺的基础上，增加了

3、蒸发水分的工艺过 程，可减少酒精用量。经测定蒸发水分对得到的 一卡拉胶的黏度、凝胶强度、硫酸基含量的影响不显著。关键词：L 一卡拉胶；响应曲面；凝胶强度；黏度；产率；水分蒸发 中图分类号：T S 2 5 4 4 文献标志码：A c l o i：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 1 9 646(X)2 0 1 4 0 2 0 0 7 Op t i mi z a t i o n T e c h n o l o g y o f P r o c e s s i n g o f L-c a r r a g e e n a n b y Re s p o n s e S u r f a

4、 c e Me t h o d o l o g y H O U L i-l i ，X U J i a-c h a o ，S U N L i-w e n ，W A N G X u e-l i ，G A O X i n ，F U x i a n g l (1 C o H e g e o f F o o d S c i e n c eE n g i n e e ri n g，O c e a n U n i v e r s i t y o f C h i n a，Q i n g d a o，S h and o n g 2 6 6 0 0 3，C h i n a；2 F u j i an G l o b

5、 a l O c e an B i o t e c h n o l o g y C o ，L t d ，Z h a n g z h o u，F u j i an 3 6 3 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：T h e i n fl u e n c e s o f 3 f a c t o rs i n c l u d i n g alk a l i c o n c e n tr a ti o n，s o a k i n g t i m e and t e mp e r a t u r e o n g e l s tr e n g t h(G S)，v i s c

6、o s i t y a n d y i e l d o f L-c a r r g e e n a n e x t r a c t e d f r o m E u c h e u m a s p i n o s u m b y r e s p o n s e s u r f a c e me t h o d o l o g y(R S M)a r e s t u d i e d On t h e b a s i s o f s i n g l e f a c t o r i n v e s ti g a t i o n，B o x Be n h n k e n c e n t r a l c

7、o mp o s i t e e x p e rime n t s fi f e c a r r i e d o u t t o b u i l d t h e q u a d r a t i c r e g r e s s i o n mo d e l s f o r GS，v i s c o s i ty a n d y i e l d wi t h t h e a b o v e 3 f a c t o rs，and the alk a l i p r o c e s s i n g t e c h n o l o gy i s o p t i mi z e d b y r e s p

8、o n s e s u rf a c e a n al y s i s T h e o p t i m i z i n g p r o c e s s p a r a me t e rs a y e：alk al i c o n c e n tr a ti o n 1 2 (1 2 0 g L)，s o aki n g ti m e 6 1 2 h，s o aki n g t e mp e r a t u r e 3 2 o C Un d e r t h e o p ti mal p r o c e s s i n g c o n d i ti o n，y i e l d o f L-c a

9、r r g e e n a n，the G S a n d v i s c o s i t y fife 5 0 1 6 ，3 0 8 7 6 g c m 2 a n d 1 7 4 5 0 mP a。S，r e s p e c ti v e l y O n the b a s i s o f t h e o r i gi n al t e c h n o l o gy，a d d e d the e v a p o r a t i o n p r o c e s s，C an r e d u c e t h e a mo u n t o f alc o h o l，an d i t i s

10、n o t s i g n i fi c an t l y a ff e c t e d o n t h e n a t u r e o f L-c a r r a g e e n a n Ke y w o r d s：L-c a r r g e e n an；r e s p o n s e s u rf a c e；g e l s t r e n g t h；v i s c o s i ty；y i e l d；e v a por a t i o n 0引言 卡拉胶(C a r r a g e e n a n)又叫作鹿角菜胶或鹿角 藻胶，是从麒麟菜(E u c h e u m a)、角叉菜(

11、C h o n d r u s)、杉菜(G ig a r t in a)和沙菜(H y p n e a)等属的海洋红藻 中提取，由 D一半乳糖残基 一(1 3)和 p一(1 )交替键合而成的重复结构的高分子多糖硫酸酯【1-2t。可根据半乳糖中是否含有内醚以及半乳糖上硫酸基 的数量和连接位置不同区分为现在已知的 7 种卡拉 胶类型，K一，一，L 一，一，一，0 一和 专 一卡 拉胶等。其中具有广泛经济价值是 K a p p a 型(K 一)，I o t a 型(L 一)和 l a m b d a型(一)，它们都具有凝 胶、增稠、乳化、保湿、成膜及稳定分散等特性【3】。目前，卡拉胶被广泛应用于食品

12、、化工、医药等诸 多工业领域，其中在最新医药应用方面，卡拉胶降 解产物的活性研究 已得到充分开展，如抗凝血、抗 病毒、抗肿瘤等嗍；而且随着医药工业中植物性胶囊 壳产业的迅猛兴起，大有植物性原料替代动物性原 料的趋势，而植物性胶囊壳的生产原料之一就是卡 拉胶，这将使其需求量成倍增加3】。一卡拉胶形成 的凝胶柔软且富于弹性、触变性及抗溶稳定性，同 时具有更好的保水性，这些优良性质，使得其在食 品、化妆品、医药等行业中有着更广泛的应用价值 和潜力圈。但是由于 一 卡拉胶生产工艺复杂，成本 收稿 日期：2 0 1 3 1 1-l 1 基金项目：“十二五”国家科技支撑项目(2 0 1 3 B A B 0

13、 1 B 0 1)；福建省海洋经济创新区域示范项目(2 0 1 2 F J 0 8)。作者简介：侯丽丽(1 9 8 9 一)，女，硕士，研究方向为食品工程。通讯作者：许加超(1 9 6 3 一)，男，硕士，教授，研究方向为海藻化学。农产品加工(学刊)高，卡拉胶产品的品质随着所用原料和生产工艺的 不同而存在显著性差异。因此，优化其提取工艺，降低成本，是目前此领域科学研究的热门课题。本 研究通过响应曲面的优化选出 一卡拉胶最佳提取 工艺参数，并增加了蒸发水分的工艺过程，可减少 酒精的用量，降低成本，为其产业化提供数据基础。1 材料与方法 1 1 原料与试剂 刺麒麟菜(E u c h e u m a

14、 s p i n o s u m)。氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钾、硫酸钾、明胶、三氯乙酸、氯化钡，均为分析纯试剂；明胶、酒精(9 5)，食用级。1 2 试验设备 T MS 2 P R O 型 质 构 仪，美 国 F o o d T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n产品；N D J 一 1型旋转黏度计、数显恒温 水浴锅、分析天平、7 2 2型分光光度计、恒温烘箱、S HB 一 1 1 1 型循环水式多用真空泵。1 3 试验方法 1 3 1 工 艺流程 原料(刺麒麟菜)一预处理一碱液浸泡一洗涤至中性一 提胶一精滤一酒精脱水一千燥一成品。1 3 2 工艺操

15、作 原料经水洗去除盐类、泥沙、贝壳等杂质后晾 干，并将藻体剪成 1 c m左右的小段备用。准确称取 洗净晒干的刺麒麟菜 1 0 g，用不同质量分数的碱液 浸泡一定时间(以藻体完全浸没 为准)。滤 去碱液，清洗 2 3 h，隔 O 5 h换水 1 次，洗涤藻体至中性并 将废碱液回收。藻体投入 3 0 倍体积的去离子水中，并在 9 0 cC 下使之煮溶 4 h。先经单层纱布过滤，然 后用 2 0 0目尼龙纱布滤去藻渣。将胶体冷却至 4 0 5 O 后与 3 倍体积的 9 5 酒精混合并沉淀，再用 2 0 0目尼龙纱布挤压过滤。滤饼在鼓风干燥箱中干 燥，即得到成 品 一卡拉胶。1 3 3 试 验 方

16、案(1)单因素试验。选择碱液质量分数、浸泡时 间和浸泡温度 3 个影响碱处理的重要因素，通过单 因素试验确定各 自的敏感范围。(2)响应曲面试验设计。根据单因素试验结果，选取对响应值(产率、黏度、凝胶强度)有显著影 响的 3个因素进行响应面试验。每个 自变量的低、中、高水平分别以 一 1，0，1 进行编码，采用最小二 乘法拟合二次多项方程。1 3 4 产率测定 水分含量通过水分测定仪测定。Y=腱 1 3 5 凝胶 强度的测定 1 0 0 2 0 1 4年第 2期 准确称量 2 g L 一卡拉胶溶于 9 8 m L无离子水 中，加入 O 2 g C a C I 2 和 0 2 g K C 1，在

17、 9 0 水浴 中加热溶 解，分装于 3 个测试杯中，恒温 1 0，静置 2 h，用 质构仪测定凝胶强度。1 3 6 胶 液黏度 的测 定 准确称量 1 5 g 一 卡拉胶溶于 9 9 m L无离子水 中，在 8 0水浴中加热溶解，配制成质量分数为 1 5 的卡拉胶溶液，用 N D J l型旋转式黏度 计于 7 5恒温测定6 1。1 3 7 硫酸基含量的测定(B a S O 比浊法)称取 L 一卡拉胶样品 7 0 m g于 5 0 mL反应试管 中，加入 1 0 mL浓度 为 1 m o l L的 H C 1，封管，于 1 0 0加 热水解 4 h。冷却后，加盐 酸溶液 至刻度 线，用滤纸过滤

18、，除去不溶物质，于波长 3 6 0 n m处 测量吸光度 A。根据标准曲线，计算出产品中的硫 酸基含量用。2结果与讨论 2 1 单因素试验 2 1 1 氢氧化钾质量分数对 L 一卡拉胶 产率、凝胶 强度、黏度 的影响 在碱质量分数试验中，固定碱处理温度为 2 5，碱处理时间为5 h，在此条件下探索了氢氧化钾不同 质量分数对卡拉胶产率、凝胶强度和黏度的影响。碱质量分数对卡拉胶性质的影响见图 1。5 0 4 0 3 0 僻 2 0 1 0 O 碱质量分数 囹一黏度 m P a s；一 凝胶强度 g-c m ；一 产率 图 1 碱质量分数对卡拉胶性质的影响 由图 1 可知，在其他因素一定时，卡拉胶的

19、产率 和凝胶强度随着碱质量分数的增加呈现先增大后减少 的趋势。当氢氧化钾的质量分数为 1 2 时，卡拉胶产 率和凝胶强度最高，分别为 4 8 0 5 和 3 6 9 6 2 g，c m 2。碱质量分数对于卡拉胶的黏度影响不显著。2 1 2 碱液浸泡时间对 L 一卡拉胶 产率、凝胶 强度、黏度的影响 在碱液浸泡时间试验 中，固定碱质量分数为 6，碱处理温度为 2 5，在此条件下探索了碱液浸 泡不同时间对卡拉胶得率、凝胶强度和黏度的影响。碱液浸泡时间对 一 卡拉胶性质的影响见图 2。由图 2 可知，在其他因素一定时，卡拉胶的产 如 0 4 3 3 2 2 1 1 g学 黑甾 、2 0 1 4 年第

20、2 期 侯丽丽，等：响应曲面法优化 一卡拉胶处理工艺 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 40 4 5 5 O 温度 0 5 0 48 46 4 4 4 2褂 4 0+L 3 8 3 6 3 4 园一黏度 mP a s；一 一凝胶强度 g-c m；一产率 图 3 碱浸泡温度对I 一卡拉胶性质的影响 由图 3 可知，在其他因素一定时，卡拉胶的产 率、黏度和凝胶 强度，呈现先 增长后减少 的趋势。产率和凝胶强度均在浸泡温度为 3 0时达到最大 值，分别为 4 6 2 2 和 5 1 3 3 1 g c m ；黏度在浸泡温度 为 4 5时达到最大为 1 5 6 8 3 m P a s。2 2 响

21、应曲面优化试验 2 2 1 试验结果与分析 根据单 因素试验结果，确定各影响 因素 的编码 水平。A，B，C分别代表碱质 量分数、浸 泡时间、浸泡温度 3个响应变量，产率、黏度、凝胶强度作 为 3 个响应值，采用 3 因素 3 水平响应面设计试验，每个试验作 3 个平行8 _ 。响应面试验因素与水平设计见表 1，响应面试验 结果见表 2。对表 2的响应值分别进行多元回归，对回归模 型进行方差分析。响应值(产率)的回归分析见表 3，响应值(凝 表 1 响应面试验因素与水平设计 试验号A B c 凝胶g c m强度-2 m黏度P a s 胶强度)的回 归分析见表4，响应值(黏度)的回归 分析见表

22、5。表 3 响应值(产率)的回归分析 注：为显著影响因子，为极显著影响因子，下同 由表 3可知，模 型显著水平 p 0 0 5)，即表明这个方程对试 验的 0 6 5 4 3 2 l _J 越暖甾 d L u 榱 农产品加工(学刊)2 0 1 4 年第 2 期 拟合程度较好；试验中 A d e p p r e c i s i o n=6 9 2 4 说明这 个模型有足够的信号，来响应试验设计。综合说 明，一卡拉胶产率的变化与所选因素即碱质量分 数、浸泡时间和浸泡温度存在一定的回归关系，因 此可用这个模型对不同条件下的产率进行预测和分 析。结果还表明，二次项 对卡拉胶产率影响极其 显著，一次项A

23、及二次项A ，c 2 对卡拉胶产率的影 响显著。表 4 响应值(凝胶强度)的回归分析 变异来源平方和自由度 均方 F 值P r F显著性 由表 4 可知，模型显著水平 p 0 0 1，说明回归 模型达到极显著的水平，即碱处理的各因素对凝 胶强度有显著的影响。对各因素进行了回归拟合，得 出 多 项 回归 方 程 为 Y 2=2 8 0 6 7+1 4 5 2 A 一 1 5 6 6 B 一 2 3 2 3 C 一 3 3 8 0 AB 一1 9 3 2 AC 一 6 0 4 BG 一 5 7 9 0 2 2 _ 4 7 1 2 c 2，R E _-0 9 1 9 6，说明这个方程的拟合度较高，有

24、 9 1 9 6 的响应值变化都来源于所选的变量；失拟 项的值没有达到显著水平，即表明这个方程对试验 的拟合程度较好；试验中A d e q P r e c i s i o n=1 1 3 5 0 说明 这个模型有足够的信号，来响应试验设计。综合说 明，一卡拉胶凝胶强度 的变化与所选 因素即碱质量 分数、浸泡温度和浸泡时间存在一定的回归关系，因此可用这个模型对不同碱处理条件下 的凝胶强度 进行预测和分析。结果还表明，一次项 c及二次项 A B，c 2 对卡拉胶凝胶强度影响极其显著，一次项 A，对卡拉胶凝胶强度的影响显著。由表 5可知，模型显 著水平 p 0 0 1 说 明 回 归模型达到极显著的

25、水平，即碱处理的各因素对 黏度有显著 的影响。对各因素进行了回归拟合，得 出 多 项 回 归 方 程 为 Y 3=+1 5 3 2 3+1 4 5 2 A+5 0 2 B+1 6 6 3 C 一 1 1 1 3 AB+2 8 5 8 AC一 2 6 6 7 BC 一 1 6 7 6 A 7 0 1 B 9 2 2 c 2，尺 =0 9 0 5 8，说明这个方程的拟合度较高，有 9 0 5 8 的响应值变化都来源于所选的变量；失拟项 的值没有达到显著水平，即表明这个方程对试验的 拟合程度较好；试验中A d e q P r e c i s i o n=9 3 5 7 说明这 表 5 响应值 c 黏

26、度)的回归分析 个模型有足够的信号，来响应试验设计。综合表明，一卡拉胶黏度的变化与所选因素即碱质量分数、浸 泡温度和浸泡时间存在一定的回归关系，因此可用 这个模型对不同碱处理条件下的凝胶强度进行预测 和分析。结果还表明，二次项 A C，B C对卡拉胶凝 胶强度影响极其显著，一次项 A，c及二次项 A 对 卡拉胶黏度的影响显著。2 2 2 响应曲面分析 由拟合的回归模型作响应面和等高线图，分别 固定变量 A碱质量分数、日浸泡时间和 C浸泡温 度在原点分别得到另外 2个因素的响应面和等高 线图。产率=(A，的响应值和等高线见图4，产率=，的响应值和等高线见图5。5 3 5 2 堡5 1 45 09

27、 48 4 7 8 厘 曹 剐 0 碱质量分数 图4 产率=(A。B)的响应值和等高线 2 0 1 4 年第2 期 侯丽丽，等：响应曲面法优化 一卡拉胶处理工艺 2 5 、赠 剐 O 处 理时间 t，h 图 5 产率=(B。C)的响应值和等高线 以产率的响应曲面分析为例，等高线图近似圆 形表明交互项的影响不显著，这与表 3中的回归系 数和模型方差显著性的检验结果一致。响应面呈规 则的凸起形表明在试验因素水平范围内存在极大值，即响应面的最高点。2 2 3最优 工艺确 定 为了进一步得到各因素的最佳条件组合，使得 一卡拉胶凝胶强度、黏度和产率达到最优值，采用 D e s i g n E x p e

28、 r t 软件对各因素和响应的数据进行优化 分析。经过最终分析得到各响应值最大时的提取条 件为碱质量分数 1 2，浸泡时间 6 1 2 h，浸泡温度 3 2。在此条件下，L 一 卡拉胶产率、凝胶强度及黏 度的预测值为 5 1 7 2，3 1 0 4 2 g c m ，1 7 6 2 4 m P a-s o 验证试验表明，在此提取条件下卡拉胶的产率、凝胶强 度 和黏度分别 为 5 0 1 6 4-1 5，3 0 8 7 6 4-1 2 7 8 g c m，1 7 4 5 0 4-2 2 5 m P a-S o结果与理论预测值基本吻合，表 明响应面分析优化结果 与实 际值相一致，对卡拉 胶提取的碱

29、处理参数具有一定的实际预测价值。2 3 蒸发水分对卡拉胶性质的影响 蒸发水分对卡拉胶性质的影响见表 6。表 6 蒸发水分对卡拉胶性质的影响 一 产率 黏度 凝胶强度 硫酸基含量 一 i|mP a s|薯 c m-2|对照 4 9 7 8 0 4 3 2 1 5 4 2 7 4 2 2 5 3 2 5 2 0 2 0 3 4 4 1 0 8 8 搅拌蒸发5 0 0 1 0 1 5 2 2 2 0 1 0 4 7 2 6 3 9 6 1 3 7 7 3 4 0 7 2 0 0 对照 5 O 0 6 0 5 2 2 5 2 0 8 8 3 7 3 5 1 2 92 8 4 6 3 4 1 00 6

30、2 负压蒸发5 0 1 41 7 3 2 3 3 8 3 2 3 6 3 7 0 4 52 2 4 9 3 3 7 80 1 7 在最优工艺的基础上，对于提取出的胶液增加 了在 9 0搅拌蒸发 2 h 水分和负压旋转蒸发 0 5 h 水分的过程，均可蒸发水分 1 5 0 m L，减少了酒精用 量。经测定，蒸发水分对 一卡拉胶的黏度、凝胶 强度、硫酸基含量等性质没有显著影响。3结论 通过 B o x B e n h n k e n的中心组合设计响应面法建 立 3 个影响因素(碱质量分数、浸泡时间和浸泡温 度)和 3 个响应值(产率、黏度和凝胶强度)之间 相互作用的数学模型，得出碱处理时的最佳工艺

31、参 数为碱质量分数 1 2，浸泡 时间 6 1 2 h，浸泡温度 3 2。按优化工艺条件对刺麒麟菜进行碱处理，得 到 一卡拉胶的产率、凝胶强度和黏度的最大值分 别为 5 0 1 6，3 0 8 7 6 g c m 2，1 7 4 5 0 m P a s，有效提 高了刺麒麟菜卡拉胶的产率和产品品质。建立的数 学模型能较好地预测各试验因素和考察指标之间的 关系，试验首次增加 了蒸发水分 的工艺步骤，并与 对照组 一卡拉胶的性质进行了对比，结果显示水 分的蒸发对卡拉胶的性质没有显著影响，同时可以 减少酒精的用量，为工业生产 一 卡拉胶提供了一 定的科学依据。参考文献：1 戚勃，李来好，杨贤庆，等 响

32、应曲面法优化麒麟菜卡 拉胶碱处理工艺 J 南方水产科学，2 0 1 1，7(6)：2 6-3 4 【2】P r a d o F e rna n d e z J，R o d r i g u e z V a z q u e z J A，T o j o E，e t a 1 Q u a n t i t a t i o n o f K 一，L 一，a n d -c a r r a g e e n a n s b y m i d i n f r a r e d s e p c t r o s c o p y a n d P L S r e g r e s s i o n A n a l y t i c a

33、 C h i m i c a A c t a，2 0 0 3，4 8 0(1)：2 3 3 7 3】朱敏，张立新 刺麒麟菜提取 卜卡拉胶工艺中碱处理的 作用研究 J 科技研究，2 0 1 1，7 0(7)：7-9 4 刘雪平，许加超，侯丽丽，等 低黏度低硫酸基卡拉胶提 取方法研究【J 农产品加工(学刊)，2 0 1 3(7)：4 8 5】韩国华，李海霞，吴杨桦 菲律宾刺生麒麟菜提取 一卡 拉胶的工艺探讨 J 食品与机械，2 0 0 1，8 3(3)：3 1 3 3 6 中华人民共和国检验检疫总局 G B 1 5 0 4 4食品添加剂一 卡拉胶【S】北京：中国标准出版社，2 0 0 9 7 陈乾，马天翔，郭宏举，等 硫酸钡一 比浊法测定褐藻糖 胶中硫酸根的含量 J 药学实践杂志，2 0 1 2，3 0(2)：1 1 8-1 2 0 8】杨文雄，高彦祥 响应面法及其在食品工业中的应用 阴 中国食品添加剂，2 0 0 5，6 8(4)：6 8 7 0 【9】逯慎杰，刘秀河 响应面分析法优化海带提取液制备工 艺的研究 J 食品与发酵科技，2 0 1 1，4 7(1)：5 3 6 4 【1 0 1 马永全，黄雪莲 响应面分析法优化香蕉皮多酚提取工艺 的研究【J 安徽农业科学，2 0 1 0，3 8(1 8)：8 4-8 5