响应面分析法优化海带提取液制备工艺的研究.doc

响应面分析法优化海带提取液制备工艺的研究食品与发酵,I4技FoodandFermentationTechnology第47卷(第1期)Vo1.47,No.J响应面分析法优化海带提取液制备工艺的研究逯慎杰,刘秀河,田宝兰(山东轻工业学院食品与生物ZE程学院,济南250353)摘要:选取复合酶添加量,复合酶配比,酶解温度,酶解时间四个因素进行中心组合设计,利用响应面法对海带提取液制备进行了优化.利用DesignExpe软件建立四个因素与表征水解程度的参数还原糖含量之间的二次多项式数学模型.结果表明:复合酶添加量为5.79%0,复合酶配比为1:2,酶解温度为58C,酶解时间为79min时最终还原糖含量为4.83%,重复性良好.关键词:海带提取液;响应面;优化中图分类号:TS254.58文献标识码:A文章编号:1674506X(2011)01-00530004StudyonthePreparationofKelpExtractsbyResponseSurfaceAnalysisLUShen-jie.LIUXiuheTIANBaolan(CollegeofFoodandBiologicalEngtneering,ShandongInstituteofLightIndustry,Jinan250353)Abstract:Selectthecontentoftheenzyme,theratioofcompositeenzyme,hydrolysistemperatureandhydrolysistimeasfourparameters,thentheywereinvestigatedbasedonathree-level,four-factorBoxBehnkendesignoptimizedwithresponsesurfacemethodology.AquadraticpolynomialmodelwasestablishedforreducedsugarcontentasafunctionoftheabovevariableswithDesignExpertsoftware.Theoptimumconditionsforpreparationofkelpextractswereobtainedasfollows:thecontentoftheenzymeis5.79%o.theratioofcompositeenzymeis1:2.hydrolysistemperatureis58andhydrolysistimeis79.thefinalreducedsugarcontentis4.83%whichwasgoodrepeatability.Keywords:kelpextracts;responsesurface;optimizationdoi:10.3969/j.issn.1674506X.2011.01013海带提取液是以海带为原料,制成与海带原有的营养成份相一致,但其有效成份含量却大大高于海带的一种新型保健品,资料表明该液具有一定延缓衰老及抗诱变的作用.近年来,以海带提取液为原料,进一步深加工制成其他海带保健产品,如海带酒,海带豆腐等,受到广大消费者的欢迎.响应面法是一种新兴的优化方法,它是将体系的响应作为一个或多个因素的函数,采用多元二次回归方法作为函数估计工具,运用图形技术将这种函数关系显示出来,通过直观的图像来选择试验设计中的最优化条件】.笔者曾运用响应面法对海带银杏酒的生产工艺进行了优化,深知海带水解程度收稿日期:2010一l127作者简介:逯慎杰(1986一),男,研究生,研究方向:食品科学.通讯作者:刘秀河(1965一),男,副教授.对海带提取液质量具有重要影响,固本实验通过复合酶添加量,纤维素酶和果胶酶配比,酶解温度和酶解时间四因素对海带水解程度影响进行中心组合设计,确定了最佳的制备工艺.1材料与方法1.1材料与仪器盐渍海带下脚料山东俚岛海洋科技股份有限公司纤维素酶山东隆大生物工程有限责任公司果胶酶山东隆大生物工程有限责任公司无水葡萄糖河北高清环保科技有限公司碳酸钠天津市河东区红岩试剂厂食品与发酵科技2ol1年第1期实验用水均为蒸馏水CP1502电子天平奥豪斯仪器(上海)有限公司CP114型分析天平豪斯仪器(上海)有限公司电阻炉长清区归德镇新华电器厂V1100D可见分光光度计上海美普达仪器有限公司低速台式离心机上海安亭科学仪器厂数显恒温水浴锅金坛市金南仪器厂1.2海带提取液制备1.2.1工艺流程为了把海带中的有效成分尽可能多的提取出来,本实验采取碱提与复合酶处理结合的方法对海带进行了有效成分的提取实验.具体制备流程如下:海带下脚料一匀浆一称重一脱盐一碱消化一酶解一海带提取液半成品一离心一过滤一澄清一检验一装瓶一贴标成品1.2.2研究方法1.2.2.1海带脱盐通常情况下,盐渍海带含有大量的盐分,为了不影响海带酒的口味,海带水解之前要进行脱盐,脱盐可采用浸泡法,即将初洗后的海带在冷水中浸泡50min.1.2.2.2碱消化脱盐后的海带中加入2倍I%NaCO,溶液,沸水浴lh,使海带化为浆状液体.1.2.2.3水解单因素实验果胶酶的最适作用pH为3.5-4.0;纤维素酶的最适作用pH为4.56.5.本实验选用酶解的pH值为4.5.此外,由于表征水解程度的指标繁多,本文仅以还原糖含量作为水解程度标准进行优化,还原糖含量的测定参见还原糖标准曲线法,具体不在赘述阎.(1)复合酶添加量对海带浆水解程度的影响在50g调整pH为4.5的海带浆中,分别加入1%e,2%o,3%e,4%0,5%o,6%o纤维素酶和果胶酶的复合酶(1:1),在50水解30rain后煮沸使酶失活,冷却,测定还原糖含量.(2)纤维素酶和果胶酶配比对海带浆水解程度的影响在50g调整pH为4.5海带浆中,分别加入3%c纤维素酶和果胶酶比例为1:3,1:2,1:1,3:2,2:l的复合酶,在50水解30min后煮沸使酶失活,冷却,测定还原糖的含量.(3)酶解温度对海带浆水解程度的影响在50g调整pH为4.5海带浆中,加入3纤维素酶和果胶酶比例为1:2的复合酶,分别在4OcI=,45C,50,55C,60C水解30rain后煮沸使酶失活,冷却,测定还原糖含量.(4)酶解时间对海带浆水解程度的影响在50g调整pH为4.5海带浆中,加入3%o纤维素酶和果胶酶比例为1:2的复合酶,分别在50cI=水解30min,45min,60min,75min,90min后煮沸使酶失活,冷却,测定还原糖的含量.1.2.2.4水解因素响应面优化根据上述单因素实验,选取合适水平进行三水平四因素响应面优化设计,得到最佳优化方案,并验证,测还原糖含量.2结果与讨论2.1影响海带浆水解的单因素实验对影响海带水解程度的主要因素进行单因素实验,结果见图1,图2,图3,图4.从图1,图2,图3,图4可以看出,在复合酶添加量5,纤维素酶和果胶酶配比1:2,酶解温度5O,酶解时间75min时效果较好.2.1.1复合酶添加量对海带浆水解程度的影响在其他因素一定时,海带浆水解程度随复合酶添加量升高而升高,当达到5%o时,水解程度基本不变,测其还原糖含量为3.0%.3532521510.50123456图1复合酶添加量对海带浆还原糖含量的影响Fig.1Effectsofthecontentofenzymeonreducedsugarcontent2.1.2纤维素酶和果胶酶配比对海带浆水解程度的影响在其他因素一定时,海带浆水解程度随纤维素酶和果胶酶配比升高先升高后降低,当达到1:2时,水解效果最好,此时还原糖含量为3.1%.3.532.52151050图2纤维素酶和果胶酶配比对海带浆还原糖含量的影响Fig.2Effectsoftheratioofcompositeenzymeonreducedsugarcontent第47卷(慧第161期)逯慎杰等:响应面分析法优化海带提取液制备工艺的研究552.1_3水解温度对海带浆水解程度的影响在其他因素一定时,海带浆水解程度随水解温度升高先升高后降低,当达到50%时,水解效果最好,此时还原糖含量为3.1%.3.5325215105O图3水解温度海带浆还原糖含量的影晌Fig.3Effectsofhydrolysistemperatureonreducedsugarcontent2.1.4酶解时间对海带浆水解程度的影响在其他因素一定时,海带浆水解程度随酶解时间延长而升高,当达到75min时,水解程度基本不变,测其还原糖含量为4.3%.3U436U/3托,图4酶解时间对海带浆还原糖含量的影响Fig.4EffectsofhydrolysistimeONreducedsugarcontent2.2影响海带水解提取的响应面结果分析通过多元回归方程所作响应面图及其等高线图可以直观地反映试验条件对海带浆水解程度的影响.根据BoxBenhnken的中心组合设计原理,结合上述单因素实验结果,对复合酶添加量(A),纤维素酶和果胶酶配比(B),酶解温度(C)和酶解时间(D)四因素编码并进行了四因素三水平响应面分析试验,试验因数水平选取及编码见表1.表1试验因数水平及编码Tab.1Factors,levelsandcodingsofthetest编码值与真实值之间的关系为:x=X.一5,X2=(X20.5)x6,X3=(X3-50)/5,X4=(X4-75)/5利用DesignExpert软件对数据进行二次多元回归拟合,得到还原糖含量的实测值对编码自变量A,B,C和D的二次多项回归方程,试验设计与结果见表2.拟合后得回归方程为:Y=4.62+0.58x+0.05Ox2一表2响应面分析方案与试验结果Tab,2Designandresultsofresponsesurfaceanalysis方差来源自由度平方和均方F值P(F>Fa)食品与发酵,PI-技2011年第1期寸辣墒譬纤维00%)图5复合酶添加量和配比对还原糖含量影响响应面及等高线图Fig.5ResponsesurfaceandcontourmapforeffectsofthecontentoftheenzymeandtheratioofcompositeenzymeOffreducedsugarcontent图6复合酶添加量和水解温度对水解程度影响响应面及等高线图Fig.6Responsesurfaceandcontourmapforeffectsofthecontentoftheenzymeandhydrolysistemperatureonreducedsugarcontent10EE0蔷魅*一011000500o0050100复台添加量(%)图7复合酶添加量和水解时间对水解程度影响响应面及等高线圈Fjg.7ResponsesurfaceandcontourmapforeffectsofthecontentoftheenzymeandhydrolysistimeonreducedsugarcontentQ123_0017x4-0.15xlx2+0.22xlX340.075x1x4+0.075X2X30.025x2x4+0.15x3x40.41xl一0.53x2z一0.34x3z一0.11)【42.其相关系数R=12.20/13.19=92.5%,说明相应值的变化有92.5%来源于所选变量,试验值与预测值拟合效果良好.从图5,图6,图7,图8,图9,图10中我们能直观看出四种因素两两间的协同效应,可以看出复合酶添加量与酶解温度,复合酶添加量与复合酶配比间的协同影响较大.回归方程相关系数R=92.5%,可以较好地描述各因素与响应值之间的真实关系.通过designexpe自带的分析功能我们得到最佳的水解条件为:X=0.79,X20.06,x3=0.16,x4=0.3l代入前述的变换公式得到X1=5.79,X2=O.49,X3=58,X4=79.即海带水解提取最佳工艺条件为:复合酶添加量为5.79%0,复合酶配比为1:2,酶解温度为58,酶解时间为79min.按照最佳水解工艺进行实验验证,重复实验3次,测得还原糖含量平均为4.83%,表明该工艺稳定可行,重复性好.3结论利用BoxBenhnken中心组合实验设计和响应面分析法,借助designexpe统计软件能简便,可靠地进行优化实验和数据分析.本研究应用这一方法对海带水解提取工艺条件进行优化,取得了较好的效果,实验表明:在复合酶添加量为5.79%c,复合酶配比为1:2,酶解温度为58,酶解时间为79min时最终还原糖含量为4.83%,达到了水解优化的目的,具有操作方便,重复性好,水解程度高等优点,稳定可行.图8配比和水解温度对水解程度影响响应面及等高线图Fig.8Responsesurfaceandcontourmapforeffectsoftheratioofcompositeenzymeand参考文献:hydrosi.lempeal他.duc酣.gac0nlenl1】赵博,赵晓云,李志洲等.响应面分析法优化微波辅助提取荷叶多酚的工艺研究【J】.食品与发酵科技,(下转第64页)食品与发酵,/4技2011隼第l期(3):56-6332】ChenghuaDeng,MalcolmA.ONeill,WilliamS.York.Selectivechemicaldepolvmerizati0nofrhamnogalacturonansJ.CarbohydrateResearch,2006,341(4):474484【33】YookyungKim,QuincyTeng,LouiseWicker.ActionpatternofValenciaorangePMEdeesterifieationofhighmethoxylpectinandcharacterizationofmodifiedDectins【JJ.CarbohydrateResearch,2005,340:26202629【34】HanneWinning,NannaViereck,LarsNorgaard,eta1.Quantificationofthedegreeofblockinessinpectinsus?ing1HNMRspectroscopyandchemometricsJ.FoodHydrocolloids,?2007,21(2):256266【35】AnnaStrom,Marie-ChristineRalet,JeanFran?oisThibauh,eta1.Capillaryelectrophoresisofhomogeneouspectinfractions【J1.CarbohydratePolymers,2005,60(4):467-473【36H_-J.Zhong,M.A.K.Williams,R.D.Keenan,eta1.Separationandquantificationofpectinsusingcapillaryelectrophoresis:apreliminarystudyJ.CarbohydratePolymers,1997,32(1):2732【37】FlorenceGoubet,AnnaStr?m,PaulDupree,eta1.Aninvestigationofpectinmethy1esterificationpatternsbytwoindependentmethods:capillaryelectrophoresisandpolysaccharideanalysisusingcarbohydrategelelectrophoresisJJ.CarbohydrateResearch,2005,340(6):1193-119938】HuijuanJ.Zhong,MartinA.K.Williams,DavidM.Goodall,eta1.Capillaryelectrophoresisstudiesofpectins【J】.CarbohydrateResearch,1998,308:1-8【39】S.E.Guillotina,E.J.Bakxa,P.Boulenguerb,eta1.Deter.minationofthedegreeofsubstitution,degreeofamidationanddegreeofblockinessofcommercialpectinsbyusingcapillaryelectrophoresis【JJ.FoodHydrocolloids,2007,21:44445140】ChiiMingJiang,ShihChuanLiu,Min-ChangWu,eta1.DeterminationofthedegreeofesterificationofalkalinedeesterifiedpectinsbycapillaryzoneelectrophoresisJ.FoodChemistry,2005,91(3):551555【41】PietJ.H.Daas,PeterW.Arisz,HenkA.Schols,eta1.AnalysisofPartiallyMethylEsterifiedGalacturonieAcidOligomersbyHighPerformanceAnionExchangeChro-matographyandMatrix-AssistedLaserDesorption/lonizationTimeofFlightMassSpectrometryJ.AnalyticalBiochemistry,1998,257:195202【42】Marie-ChristineRalet,MarieJeanneCrrpeau,EstelleBonnin.Evidenceforablockwisedistributionofacetylgroupsontohomogalacturo