超声辅助提取柑桔鲜皮渣果胶的工艺研究

马亚琴，吴厚玖，周志钦，孙志高，王 华

(1.西南大学柑桔研究所，国家柑桔工程技术研究中心，重庆400712; 2.西南大学园艺园林学院，重庆400712)

超声辅助提取柑桔鲜皮渣果胶的工艺研究

马亚琴1，2，吴厚玖1，*，周志钦2，孙志高1，王 华1

(1.西南大学柑桔研究所，国家柑桔工程技术研究中心，重庆400712; 2.西南大学园艺园林学院，重庆400712)

以水为提取溶剂，研究了超声辅助提取柑桔鲜皮渣中果胶的工艺条件。与常规的浸泡提取方法比较，在酸度和物料比相同的条件下，在80℃超声处理40min柑桔鲜皮渣中的果胶，比在90℃浸泡水解1h其果胶得率提高了82.3%。在单因素实验基础上，利用二次旋转组合实验设计及响应面分析法，评价了超声功率、超声时间和提取温度对果胶得率的影响，并建立了数学回归模型。方差分析结果表明:一次项、二次项对果胶得率的影响均达到显著水平;交互项X1X2的影响极显著，X1X3、X2X3不显著。通过响应面分析法得出最佳超声提取条件:超声功率177W，提取温度71℃，超声时间49min，模型预测果胶得率为3.34%。在此超声条件下，果胶实际得率为3.32%。

甜橙皮渣，果胶，超声提取，响应面法

果胶是存在于高等植物细胞壁中的一种结构多糖，其主链由α—1，4糖苷键连接起来的半乳糖醛酸链所构成。在一定的条件下，果胶形成凝胶，而这种特性也经常被应用在果酱、果冻以及糖果等产品中［1］。果胶作为一种天然的食品添加剂可无限量的添加到食品中［2］。商业果胶通常是以柑橘皮和苹果渣为原料，在高温下酸解制得［3］。选择合适的提取方法以及提取因子都会影响果胶的提取率和品质。一般而言，传统的提取方法是在酸溶液中90℃至少处理1h制得果胶［4－5］，由于长时间的加热会导致果胶发生热降解［6］。Panchev［7］等应用超声辅助提取苹果果胶的研究表明，超声提取较传统加热法能有效地提高果胶的提取率，田玉霞［8］等对苹果果胶的研究也表明超声波对果胶的提取具有强化作用，同时果胶的性质也不发生改变。应用超声波辅助提取橘皮果胶类化合物，结果表明超声处理能有效提高提取率［9］。超声辅助提取技术广泛的应用于提取各种植物活性成分的研究，已被证明是一种快速、高效、环保的提取方法。其研究内容涉及黄酮、多酚、花色苷、果胶、多糖、蛋白质、油脂、酒石酸、芳香成分以及其他功能性成分［10－12］。超声辅助提取是利用空化效应破坏植物细胞组织结构而使得细胞内含物易于释放，进而加速提取的过程［11，13］。但是，有关超声提取甜橙鲜皮渣中果胶的研究目前尚未见报道。本研究的目的是优化超声提取柑桔鲜皮渣果胶的条件。并且利用响应面法的实验设计研究超声功率、超声时间以及提取温度对柑桔鲜皮渣中果胶得率的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甜橙皮渣 中国农业科学院柑桔研究所，中试车间FMC榨汁后的皮渣;半乳糖醛酸 sigma公司;咔唑试剂 上海展云化工有限公司;浓硫酸(95%～98%)，盐酸(36%～38%)。

391 FMC全果榨汁机 美国FMC公司;超声波仪 昆山市超声仪器有限公司;TU－190双光束紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;DZKW－4电子恒温水浴锅 北京中心伟业仪器有限公司;PHS－3CT酸度计 上海大普仪器有限公司。

1.2 果胶分析测定方法

1.2.1 果胶提取工艺路线 柑桔鲜皮渣→切碎→高温快速灭酶→过滤→清水漂洗滤渣→酸水解→超声提取

1.2.2 操作方法 将柑桔鲜皮渣切成1cm2大小的碎块，95℃水中漂烫5min左右，再用清水快速冲洗数次，除去小分子糖类和部分色素。用0.5mol/L的盐酸调节pH至1.5，在一定提取温度、超声时间、超声功率的条件下超声处理，过滤，滤液备用待测。

1.2.3 半乳糖醛酸含量的测定 标准曲线:以D－半乳糖醛酸为标准品绘制标准曲线，其标准品经105℃干燥至恒重，配成不同质量浓度的D－半乳糖醛酸溶液，采用咔唑－硫酸分光光度法在531nm处测定最大吸收值。绘制标准曲线方程为:y=3.9536x+0.0075。式中，y为吸光值;x为D－半乳糖醛酸的含量，R2= 0.9995。

1.3 实验方法

1.3.1 单因素实验 浸泡提取:称取2.000g甜橙鲜皮渣，在pH为1.5，料液比为1∶30的条件下，在提取温度为60、70、80、90、95℃五个水平下浸泡酸解提取1h。

超声提取:称取2.000g甜橙鲜皮渣，根据前期的研究基础，按1∶30(g∶mL)的料液比加入自来水，并调pH至1.5。分别研究了在超声功率 80、100、120、140、160、180、200W七个水平;在超声时间10、20、40、60、80、100min六个水平;提取温度20、40、60、80、90℃五个水平的单因素实验条件下，测定提取液中果胶得率，确定各因素的最佳范围。

1.3.2 响应面实验 基于单因素实验结果，选择提取温度、超声时间、超声功率为影响因素，并以X1、X2、X3分别表示三因素的真实值，以－1、0、1分别表示各因素的3个水平。采用三因素三水平的 Box－Behnken Design(BBD)实验设计，研究响应值以及最佳变量的组合。实验因素水平及编码见表1。整个实验设计在中心点共有17次实验、5个重复，实验随机完成。

表1 实验因素水平及编码Table 1 Factors and levels in the Box－Behnken experiments design

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

在1∶30(g∶mL)的料液比、pH=1.5的条件下，分别研究了超声功率、超声时间、提取温度对果胶得率的影响。由图1可知，果胶得率随着超声功率的增加而增加。在20℃超声处理10min，当超声功率从80W增加到180W时，果胶得率增加了35.2%，当超声功率增加到200W时，果胶得率增加了59.5%。Sivakumar［14］等从樱桃李壳中提取单宁酸的研究发现，超声功率从20W增加到100W，其单宁酸含量可增加3～5倍。在超声应用分类上，声场中产生的能量的大小是衡量超声功率最重要的标准。以前的研究表明，超声功率会随着超声波传播距离的增加而发生衰减［15］，造成提取效率的降低［16］，而超声功率的这一特性限制了超声波技术在工业化生产中的应用。在本研究的实验条件下，超声功率最大可调到200W，可以认为在超声功率200W时果胶得率达到最大。故选择超声功率200W为宜。

图1 超声功率对果胶得率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic power on pectin yield

由图2可知，在20℃、超声功率为200W的条件下，果胶得率随超声时间的延长而增加，超声处理40min果胶得率达到最大。继续延长超声时间果胶得率呈缓慢下降趋势，当超声处理100min，果胶得率大幅度降低，可能是长时间超声处理导致半乳糖醛酸降解所引起的。故选择超声时间40min为宜。

超声温度对果胶得率有显著的影响见图3。在超声功率为200W、超声处理40min的条件下，随着提取温度的升高果胶得率呈增加趋势，当温度增加到80℃时，果胶得率最大，之后继续升温果胶得率反而下降。可能在超声条件下，高温易造成半乳糖醛酸的降解。故选择超声温度80℃为宜。

图4是利用常规的浸泡方法提取柑桔鲜皮渣中的果胶。在pH1.5，料液比为1∶30的条件下酸解1h，由图4可以看出，在90℃果胶得率达到最大。与图3比较，在酸度和料液比相同的条件下，在80℃超声处理40min比在90℃浸泡酸解1h其果胶得率提高了82.3%。这说明超声辅助提取较常规的浸泡提取具有低温、快速、高效等提取优势。

图2 超声时间对果胶得率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on pectin yield

图3 超声提取温度对果胶得率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic extraction temperature on pectin yield

图4 浸泡温度对果胶得率的影响Fig.4 Effect of maceration extraction temperature on pectin yield

2.2 响应面实验

基于单因素的实验结果，根据Box－Benhmken中心组合实验设计原理，以超声功率、超声时间、提取温度为因素，设计了三因素三水平的二次回归旋转正交实验，实验设计方案和果胶得率见表2。

利用Design Expert软件对表2中的数据进行多元回归拟合，得到果胶得率对以上三个因素的二次多项回归模型为:

对该模型进行方差分析，由表3可知，P值小于0.0001，表明回归模型极显著。该模型的失拟项为0.0552，没有显著性差异，相关系数R2值为0.9606，表明该模型拟合结果好，不存在失拟因素，可用于分析和预测柑桔鲜皮渣中提取果胶的结果。

表4表明，回归系数显著性检验结果，各因素对提取得率的影响程度大小依次为超声时间、提取温度、超声功率。该模型的一次项均达到显著水平;交互项X1X2显著，X1X3、X2X3不显著，二次项均表现为极显著。结果表明各因素对果胶得率的影响不是简单的线性关系。

表2 响应面实验设计及结果Table 2 Box－Behnken experimental design matrix and experimental results

表3 回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance for developed regression model

表4 回归模型显著性检验Table 4 Significance test for each term of developed regression model

利用Design－Expert软件作不同因子对响应值的响应曲面图，各因子及其交互作用对果胶得率的影响可以通过响应曲面的变化得到直观反映(如图5所示)。各图表示X1、X2、X3中任意两个变量取零水平时，其余两个变量对果胶得率的影响。由图5－A可知，超声时间和提取温度对果胶得率均有显著影响。随着超声时间的变化，响应面变化比较陡峭，但是，提取温度较超声时间的变化引起响应面曲面的变化相对比较平坦。说明两者的交互作用中超声时间相对于提取温度而言居于主要方面;由图5－B可知在一定范围超声功率和温度的增加，果胶得率呈增加趋势，当温度达到75℃左右，超声功率达到185W左右，随着超声功率的继续增加和温度的升高，可能导致半乳糖醛酸分子结构的破坏，使得果胶得率下降;图5－C显示了超声功率和超声时间对果胶得率的交互作用，随着超声功率的变化，响应面变化较为平缓，而随超声时间的延长，响应面变化较为陡峭。

图5 超声时间、温度和超声功率对果胶得率影响的响应面图Fig.5 Response surfaces graph of the effects of ultrasonic time，ultrasonic power and temperature and ultrasonic power on pectin yield

利用Design－Expert软件分析，由响应面数据得出最佳工艺条件为:超声功率177W、提取温度71℃、超声时间49min，提取3次，模型预测果胶得率为3.34%。为了验证模型的可靠性，在最佳超声条件下进行3次重复实验，果胶的平均得率为3.32%。

3 结论

本研究利用超声辅助提取柑桔鲜皮渣中的果胶。结果表明:超声时间、超声功率和提取温度对果胶得率的影响均达到显著的水平。3因素对响应值结果影响的主次关系依次为超声时间＞提取温度＞超声功率。并与常规的浸泡提取方法比较，表明超声辅助提取具有低温、快速、高效等优势。运用响应面分析的方法优化得到提取柑桔鲜皮渣中果胶的最佳超声条件为:超声功率177W、提取温度71℃、超声时间49min，果胶得率预测值为3.34%。对预测结果进行实验验证，在最佳超声条件下，果胶得率为3.32%，与预测值基本吻合。

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Ultrasonic assisted extraction pectin from fresh sweet orange residue

MA Ya－qin1，2，WU Hou－jiu1，*，ZHOU Zhi－qin2，SUN Zhi－gao1，WANG Hua1
(1.Citrus Research Institute，Southwest University，National Citrus Engineering Research Center，Chongqing 400712，China; 2.College of Horticulture and Landscape Architecture，Southwest University，Chongqing 400712，China)

Ultrasound assisted－extraction(UAE)was used to extraction pectin from sweet orange residue with water as extraction solvent.Comparison with maceration extraction method，under the same pH and ratio of sample and solvent conditions，pectin yields of extracts from citrus fresh peel by UAE at 80℃ for 40min was increased by 82.3%than maceration extraction at 90℃ for 1h.On the basis of single factor experiments，quadratic rotational combination design combined with response surface methodology(RSM)was used to evaluate the effects of ultrasonic power and treatment time，temperature on pectin yield，and mathematical regression models were established.Analysis of variance showed that the effects of linear and quadratic terms on pectin yields were significant;X1X2of interactive term was also significant，however，X1X3and X2X3were insignificant.The optimal ultrasonic conditions in range under study by RSM for the highest yields of pectin was determined as:ultrasonic power of 177W，extraction temperature of 71℃，ultrasonic time of 49min.The predicted yield of pectin by RSM was 3.34%，closed to the practical yield of pectin of 3.32%.

sweet orange peels;pectin;ultrasonic extraction;response surface methodology

TS255.1

B

1002－0306(2012)08－0287－04

2011－06－27 *通讯联系人

马亚琴(1978－)，女，博士，副研究员，研究方向:食品科学。

柑桔学重庆市市级重点实验室开放基金(CKLC200805);重庆市自然科学基金(cstc2011jjA80030)。