響應(yīng)面試驗優(yōu)化柿子皮多糖鉻的制備工藝研究

苗旭忠 李秀芬 高艷艷 張雪 張禧慶 喬魯芹

摘要：利用熱水浸提法提取柿子皮多糖，并將柿子皮多糖與三價鉻離子結(jié)合制備柿子皮多糖鉻。以鉻吸附率為指標(biāo)，通過單因素和響應(yīng)面法優(yōu)化得到柿子皮多糖鉻的最佳吸附工藝。結(jié)果顯示柿子皮多糖鉻的最佳工藝為：柿子皮多糖與氯化鉻質(zhì)量比6.7∶1.0，反應(yīng)時間150 min，溫度82 ℃，吸附液pH為5，此時氯化鉻吸附率達92.81%。研究表明，柿子皮多糖可以高效結(jié)合三價鉻離子，為研發(fā)綠色無污染的鉻吸附劑或動物營養(yǎng)補充劑提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：柿子皮；多糖；鉻吸附；響應(yīng)面試驗

中圖分類號：TS201.4?? 文獻標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1002-4026（2024）02-0127-08

Optimization of preparation of persimmon peel polysaccharide chromium

using response surface methodology

Abstract∶In this study， the hot water extraction method was utilized to extract polysaccharides from persimmon peel， and the persimmon peel polysaccharides were combined with trivalent chromium ions to prepare persimmon peel polysaccharide chromium. Considering the adsorption rate of chromium as the index， the adsorption process of persimmon peel polysaccharide chromium was optimized using single factor and response surface methodology. The results showed that the optimal preparation process of persimmon peel polysaccharide chromium consisted of the following steps， such as the mass ratio of persimmon peel polysaccharides to chromium chloride was set at 6.7∶1; the reaction time was 150 min; the temperature was set at 82 ℃; and the pH of the adsorption liquid was fixed at 5. Under these conditions， the maximum adsorption rate reached 92.81%. Therefore， this study has shown that persimmon peel polysaccharides can efficiently bind trivalent chromium ions， which can further provide technical support for the development of green pollution-free heavy-adsorption chromium adsorbents or animal nutritional supplements.

Key words∶persimmon peel; polysaccharide; chromium adsorption rate; response surface methodology

三價鉻是動物和人類糖脂代謝過程的必要元素，適量食用可在機體內(nèi)發(fā)揮降血糖作用，加速葡萄糖的利用，改善胰島素的抵抗[1]。然而機體過量攝入鉻元素有致癌風(fēng)險，且土壤中過量的三價鉻也會危害作物的生長[2-3]，目前我國存在水體、土壤鉻金屬污染情況，其中東江流域表層土壤中鉻的質(zhì)量分數(shù)平均值為45.72 mg/kg，黃河流域沉積物中鉻的質(zhì)量分數(shù)平均值為90.31 mg/kg[4-5]。當(dāng)前處理鉻離子的物理化學(xué)技術(shù)包括離子交換、膜分離、化學(xué)沉淀和吸附法[6]。吸附法由于操作方便和適應(yīng)性強而受到歡迎[7-8]，但使用強堿、酸或螯合劑吸附鉻離子會導(dǎo)致二次污染[9-10]。因此，有必要建立一種安全有效、可持續(xù)的鉻離子吸附方法。天然多糖聚合物富含活性官能團（如羧基、羥基、氨基），展現(xiàn)出較大吸附鉻離子的潛力，其可通過配位或靜電相互作用實現(xiàn)金屬離子的快速吸附，且來源豐富、成本低，具有可持續(xù)性、無毒性和可降解等優(yōu)點[11]。

柿子作為經(jīng)濟作物在中國被廣泛種植，在柿子加工過程中至少產(chǎn)生10%的柿子皮[12]，柿子皮富含多糖、多酚和單寧[13]。柿子皮多糖、多羥基和多羧基位點的特性使其具有高效吸附鉻離子的能力，提取的柿子皮多糖可作為鉻的吸附劑，可以解決柿子皮腐敗造成的環(huán)境污染問題，同時提高其附加值。目前，已見報道的多糖鉻研究涉及的多糖來源包括甜玉米芯[14]、山藥[15]、南瓜皮[16]、苦瓜[17]、萬年青[18]、黑木耳[19]、黃芪[20]和海藻[21]等，關(guān)于柿子皮多糖與鉻復(fù)合工藝的研究尚未見報道。

本研究利用柿子皮多糖結(jié)合氯化鉻制備柿子皮多糖鉻，采用響應(yīng)面法優(yōu)化柿子皮多糖鉻的制備工藝，并研究金屬鉻的吸附率，以期開發(fā)綠色鉻吸附劑或柿子皮多糖鉻動物營養(yǎng)補充劑，為柿子皮等農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物綜合利用提供參考。

1 儀器與材料

1.1 儀器

Agilent7800電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）（美國安捷倫科技公司）；SECURA224-ICN電子天平（北京賽多利斯儀器有限公司）；S210 pH計（梅特勒-托利多儀器有限公司）；DKZ-2B水浴恒溫振蕩器（上海一恒科技儀器有限公司）；FD-304冷凍干燥機（濟南駿德儀器有限公司）。

1.2 材料

干制柿子皮（濰坊青州）；氯化鉻（分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）；鹽酸（優(yōu)級純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；氫氧化鈉（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；硝酸（優(yōu)級純，蘇州晶瑞化學(xué)股份有限公司）；透析袋（截留分子量500 Da，怡康科貿(mào)生物試劑耗材試驗有限公司）。

2 方法

2.1 柿子皮多糖的提取

采用熱水浸提法提取柿子皮多糖[22]。取1 kg新鮮柿子皮，以1∶10的料液比加入去離子水，100 ℃下熱水浸提兩次，過濾收集濾液，濃縮后用4倍體積的無水乙醇醇沉，過夜靜置后，4 000 r/min下離心15 min，收集沉淀得柿子皮粗多糖。用熱水復(fù)溶柿子皮粗多糖，然后利用Sevage溶液（氯仿：正丁醇體積比為4∶1配置）除蛋白，重復(fù)操作7～8次至無蛋白層，去除有機溶劑后將多糖溶液濃縮并再次醇沉，4 000 r/min下離心15 min，冷凍干燥得到柿子皮多糖。

2.2 柿子皮多糖鉻的制備工藝

將柿子皮多糖與三價鉻離子復(fù)合制備柿子皮多糖鉻[23]。配制0.2 g/L的柿子皮多糖，與一定濃度的氯化鉻溶液等體積混合，調(diào)節(jié)多糖與氯化鉻質(zhì)量比（g/g，下稱質(zhì)量比）、吸附時間、吸附溫度和吸附液pH后于恒溫水浴振蕩反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，加入4倍體積的無水乙醇過夜醇沉，4 000 r/min離心15 min，上清液保存?zhèn)溆?，沉淀?fù)溶后用500 Da的透析袋透析72 h，冷凍干燥得到柿子皮多糖鉻。

2.3 單因素試驗

在柿子皮多糖與氯化鉻質(zhì)量比為8：1，吸附時間為90 min，吸附溫度為55 ℃，吸附液自然pH條件下（pH為4～5）條件下，按2.2 節(jié)進行操作。其他條件不變，設(shè)置質(zhì)量比為4：1、8：1、12：1、16：1、20：1，考察質(zhì)量比對吸附率的影響；設(shè)置吸附時間為90、120、150、180、210 min，考察吸附時間對吸附率的影響；設(shè)置吸附溫度為45、55、65、75、85 ℃，考察吸附溫度對吸附率的影響；設(shè)置吸附液pH為3、4、5、6、7，考察吸附液pH對吸附率的影響。

2.4 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以柿子皮多糖吸附鉻的吸附率為響應(yīng)值，以柿子皮多糖與氯化鉻質(zhì)量比、吸附時間、吸附溫度和吸附液pH為自變量，進行4因素3水平響應(yīng)面試驗。采用Design Expert 8.0統(tǒng)計分析軟件建立Box-Behnken模型，對吸附反應(yīng)進行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計。響應(yīng)面試驗設(shè)計因素與水平見表1。每組試驗均重復(fù)3次，采用Design Expert 8.0.6進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Origin 2017軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗結(jié)果

多糖與氯化鉻質(zhì)量比對吸附率的影響見圖1（a）。結(jié)果表明，隨著多糖含量的增加，吸附率先升高后降低，當(dāng)質(zhì)量比為8：1時，吸附率達到最高值為87.57%。這種變化可能是因為柿子皮多糖分子中的結(jié)合位點完全被鉻離子占據(jù)，柿子皮多糖不能吸附溶液中剩余鉻離子，導(dǎo)致吸附率下降[24]，此外多糖分子與金屬離子間的靜電相互作用也會導(dǎo)致鉻含量的降低[25]。故選擇多糖與氯化鉻質(zhì)量比4：1、8：1、12：1進行后續(xù)試驗。

吸附時間對吸附率的影響見圖1（b）。隨著吸附時間增加，吸附率先升高后降低，當(dāng)吸附時間為150 min時，吸附率達到最大值為95.79%，繼續(xù)延長吸附時間，吸附率反而降低。多糖和鉻的結(jié)合在短時間內(nèi)不穩(wěn)定、不均勻，但時間過長會產(chǎn)生其他不必要的副產(chǎn)物，導(dǎo)致吸附率緩慢下降[26]。因此，選擇時間120、150、180 min進行后續(xù)試驗。

吸附溫度對吸附率的影響見圖1（c）?？梢钥闯鑫綔囟葘ξ铰实挠绊戄^小，隨著溫度的升高，吸附率不斷增加，但增加速率先快后慢，當(dāng)溫度為75 ℃時，吸附率增速最快，吸附率達96.20%。這可能是由于多糖空間結(jié)構(gòu)的變化以及多糖和鉻之間劇烈的分子運動引起的[27]。因此，選擇吸附溫度65、75、85 ℃進行后續(xù)試驗。

吸附液pH對吸附率的影響見圖1（d）。當(dāng)pH為3時，吸附率較低，這可能是由于強酸性條件不利于鉻離子與多糖鏈上的—OH結(jié)合和多糖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[26]，此后吸附率隨吸附液pH的增加而升高，在pH為5時吸附率達到最大值為92.0%，可能是由于多糖在弱酸性環(huán)境中發(fā)生自催化反應(yīng)從而產(chǎn)生更多的羥基[28]，促進了多糖與鉻離子的結(jié)合。當(dāng)pH為6時，吸附率降低，此后再增大pH，吸附率趨于穩(wěn)定，這與Lu等[24]的研究結(jié)果相似，因此，選擇吸附液pH為4、5、6時進行后續(xù)試驗。

3.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

3.2.1 響應(yīng)模型的建立與分析

響應(yīng)面試驗結(jié)果見OSID附表，方差分析結(jié)果見表2。對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到吸附率（Y）對柿子皮多糖-氯化鉻質(zhì)量比（A）、吸附時間（B）、吸附溫度（C）和吸附液pH（D）的四元二次擬合回歸方程為：

Y=89.23-8.37A+0.36B+4.23C-7.77D+2.22AB+1.09AC-5.81AD+0.69BC+1.01BD-1.10CD-9.70A2-6.28B2-2.97C2-15.05D2。（1）

由表2可知該模型差異性顯著（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P＞0.05），說明此模型的擬合度較好；決定系數(shù)R2為0.983 1，說明吸附率的試驗值和模擬回歸值具有很好的一致性；校正后決定系數(shù)R2Adj為0.966 1，說明該回歸方程可信度較高，能夠反映96.61%的響應(yīng)值變化。因此該模型的可信度和擬合度均較高，可以利用該模型對柿子皮多糖鉻的吸附能力進行預(yù)測和分析。

回歸模擬一次項A、C、D，交互項AD，二次項A2、B2、C2、D2對吸附作用影響顯著（P＜0.000 1），一次項B，交互項AB、AC、BC、BD和CD對吸附作用影響不顯著，可將其從回歸模型中刪除。最終確定回歸模型為：

Y=89.23-8.37A+4.23C-7.77D-5.81AD-9.70A2-6.28B2-2.97C2-15.05D2。（2）

因此，各因素對響應(yīng)面的影響并不是簡單的線性關(guān)系，F(xiàn)值可以反映出各個因素對吸附率的影響程度[29]。本實驗中吸附率的影響因素從大到小排序為多糖與氯化鉻質(zhì)量比、吸附液pH、吸附溫度、吸附時間。

3.2.2 響應(yīng)面圖分析

由圖2（a）可知，質(zhì)量比與吸附時間兩因素有一定的交互作用，質(zhì)量比對響應(yīng)值的影響程度大于吸附時間。隨著質(zhì)量比和吸附時間的增加，吸附率先增大后減小。當(dāng)吸附時間為150 min時，反應(yīng)基本完成，過長的吸附時間并不會顯著提高響應(yīng)值，反而可能會因水分的蒸發(fā)而導(dǎo)致吸附率下降。所以當(dāng)質(zhì)量比為6.7：1.0，吸附時間為150 min時，吸附率達到最大值。

由圖2（b）可知，質(zhì)量比與吸附溫度兩因素交互作用不顯著，對吸附率的影響作用較小。質(zhì)量比對響應(yīng)值的影響大于吸附溫度。隨著質(zhì)量比和吸附溫度的增加，吸附率逐漸增大然后減小。當(dāng)溫度過高時，柿子皮多糖鉻的穩(wěn)定性降低，部分吸附產(chǎn)物分解導(dǎo)致吸附率降低，不利于柿子皮多糖-鉻的合成。所以當(dāng)質(zhì)量比為6.7：1.0，吸附溫度為82 ℃時，吸附率達到最大值。

由圖2（c）可知，柿子皮多糖-鉻質(zhì)量比與吸附液pH兩因素交互作用較強，由方差分析結(jié)果可知，兩因素間交互作用對吸附率影響較顯著。柿子皮多糖-鉻質(zhì)量比對響應(yīng)值的影響大于吸附液pH。隨著柿子皮多糖質(zhì)量和pH的增加，吸附率逐漸增大然后減小。柿子皮多糖含量過高不利于多糖-鉻的生成，因為柿子皮多糖含量過高，使其溶解度下降，導(dǎo)致吸附率下降。pH大于或小于5都不利于吸附反應(yīng)的進行，pH較小時，游離的H+與鉻離子競爭多糖上的結(jié)合位點；pH較大時，部分鉻離子的溶解度下降，導(dǎo)致吸附率下降。所以當(dāng)柿子皮多糖-鉻質(zhì)量比為6.7：1.0，pH為5時，吸附率達到最大值。

由圖2（d）可知，吸附時間和吸附溫度兩因素交互作用不顯著，對吸附率的影響作用較小。吸附溫度對響應(yīng)值的影響大于吸附時間。隨著吸附時間延長和吸附溫度升高，吸附率逐漸增大然后減小。這與吸附過程中水分的蒸發(fā)以及多糖-鉻的穩(wěn)定性有關(guān)。所以當(dāng)吸附時間為150 min，吸附溫度為82 ℃時，吸附率達到最大值。

由圖2（e）可知，吸附時間與吸附液pH兩因素交互作用不顯著，對吸附率的影響作用較小。吸附液pH對響應(yīng)值的影響大于吸附時間。隨著吸附時間延長和吸附液pH增大，吸附率逐漸增大然后減小，這與吸附過程中水分的蒸發(fā)有關(guān)。當(dāng)吸附時間為150 min，pH為5時，吸附率達到最大值。

由圖2（f）可知，吸附溫度與吸附液pH兩因素交互作用不顯著，對吸附率的影響作用較小。吸附液pH對響應(yīng)值的影響大于吸附溫度。隨著吸附溫度和吸附液pH的增大，吸附率逐漸增大然后減小。所以當(dāng)吸附溫度為82 ℃，pH為5時，吸附率達到最大值。

綜合圖2可知，柿子皮多糖-鉻質(zhì)量比和吸附液pH對吸附率的影響最為顯著，吸附時間和吸附溫度對吸附率的影響相對較小，柿子皮多糖-鉻質(zhì)量比和吸附液pH過高或過低都會導(dǎo)致吸附率降低，這與回歸模型方差分析結(jié)果一致，說明模型顯著可行。

3.2.3 回歸模型驗證

結(jié)合Design Expert 8.0.6軟件分析可得最佳的吸附條件為：柿子皮多糖-氯化鉻質(zhì)量比為6.69：1.0，吸附時間為149.71 min，吸附溫度為81.93 ℃，吸附液pH為4.78時，吸附率達到最大值為92.92%。為考慮實際生產(chǎn)需要，選擇以下條件進行驗證：柿子皮多糖-氯化鉻質(zhì)量比為6.7：1.0，吸附時間150 min，吸附溫度82 ℃，吸附液pH為5時，在此條件下實際得到的柿子皮鉻多糖吸附率約為92.81%，與預(yù)測值相差較小為0.11%，說明該工藝穩(wěn)定可靠，可用于生產(chǎn)。

4 結(jié)論

在柿子皮鉻多糖的制備過程中，各因素對吸附率的影響大小排序為：柿子皮鉻多糖與氯化鉻質(zhì)量比、吸附液pH、吸附溫度、吸附時間。通過響應(yīng)面法優(yōu)化后得到最佳制備工藝為：質(zhì)量比為6.7：1.0，吸附時間150 min，吸附溫度82 ℃，吸附液pH為5，在此條件下制備的柿子皮鉻多糖吸附率約為92.81%。本試驗為重金屬吸附劑或動物營養(yǎng)補充劑提供了理論依據(jù)，提高了柿子資源的綜合利用。

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