山楂残次果果胶提取工艺的优化

刘月英 李桂琴 刘焕云 杨 亮 彭 辉

（河北经贸大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050061）

山楂残次果果胶提取工艺的优化

刘月英 李桂琴 刘焕云 杨 亮 彭 辉

（河北经贸大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050061）

利用微波－盐酸－盐析法对山楂残次果果胶的提取工艺进行研究。采用单因素试验研究盐酸浓度、液料比、微波比功率、微波时间、盐析条件对果胶得率的影响，在单因素试验基础上，根据中心组合（Box－Behnken）试验设计原理设计3因素3水平的响应面分析法，依据回归分析各影响因素，建立二次多项式回归方程的预测模型。以果胶得率为响应值作响应面和等高线，得出山楂残次果果胶提取的最佳工艺条件为盐酸浓度0.10mol／L，微波比功率167W／g，液料比16∶1（V∶m），饱和硫酸铝溶液用量7mL，微波时间50s，在优化条件下果胶得率为6.17%。

山楂残次果；果胶；微波－盐酸－盐析法

果胶以其良好的胶凝、增稠、稳定、悬浮、乳化等性能，广泛应用于食品、医药、日化、纺织、印染、烟草、冶金等诸多领域［1－5］。全世界果胶的年需求量近2万t，且在相当长的时间内仍以每年15%左右的速度增长［6］；据不完全统计［7］，中国果胶每年的需求量约在1 500t以上，其中80%依靠进口。

目前工业生产果胶普遍采用酸法提取，如苹果、柑橘、甜菜等果胶的生产［8］，其加热方式则多采用常规水浴加热［9－11］。近年来，利用微波法从柚皮、苹果渣、柑橘皮、西番莲果皮等众多原料中提取果胶的技术得到广泛关注［12－14］。微波提取具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、选择性强、重现性好、节省时间、节省溶剂、节能、污染小等特点，被广泛用于天然活性成分的浸提过程，并迅速朝着工业化方向发展［15］。用盐析法代替乙醇沉淀法，可以大大减少乙醇用量，降低生产成本，减少能源消耗。

山楂属于蔷薇科山楂属植物，是中国北方地区重要的栽培果树之一，果实产量仅次于苹果、梨、桃，位居第四。由于山楂果实独特的风味，鲜食量较为有限，在贮藏和加工罐头、果酱、果汁、果丹皮等产品过程中会产生5%～10%原料重的残次果，目前主要是作为工业废料丢弃，不仅浪费资源而且还会导致环境的污染。山楂果实中果胶含量可高达6.4%，因此，采用提取效率较高的微波－盐酸－盐析法，以山楂残次果为原料，研究提取其果胶的工艺条件，不仅可以实现山楂果实综合利用及深加工增值技术，同时可减少环境污染，具有较高的经济价值和社会意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山楂：大金星，承德市兴隆县，市售；

咔唑、无水乙醇、乙醚、盐酸、氨水、硫酸铝、苯酚、硫酸、氢氧化钾等试剂：均为国产分析纯；

配制用水：二次蒸馏水。

1.2 主要仪器

数显恒温水浴锅：HH－2型，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；

微波炉：WD800B型，佛山市顺德区格兰仕微波炉电器有限公司；

离心沉淀机：LXJ－2型，上海分析仪器厂；

精密酸度计：PHS－4CT型，上海大普仪器有限公司；

旋转蒸发器：RE52－AAB型，温州奥利生物医学仪器厂；

电热鼓风干燥箱：DHG72－1型，湖北省黄石市医疗器械厂；

电子天平：BSA224S型，北京赛多利斯仪器系统有限公司；

循环水多用真空泵：SHB－3，郑州杜甫仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 果胶提取的工艺流程

1.3.2 操作要点

（1）原料的预处理：对有干痂、机械伤、病虫害等的山楂果实，流水清洗沥干水分后用不锈钢刀挖去伤害部位，外观严重皱缩的山楂果实流水清洗沥干水分，切成约3mm×3mm的小块，放入电热恒温鼓风干燥箱中，于70℃干燥48h后放入研钵中研细，并使之通过60目筛，收集于塑料自封袋中备用。

（2）果胶的提取：称取适量样品于烧杯中，加入热的70%乙醇，充分搅拌以提取糖类，过滤。反复操作至滤液用苯酚－硫酸法检验不呈糖的反应。残渣用无水乙醇洗涤，再用乙醚洗涤，风干乙醚。

用试验设计的浓度和用量加热至沸腾的盐酸将漏斗中残渣移入250mL锥形瓶中，充分混合后，瓶口覆盖保鲜膜，在设计的微波比功率下提取至设计时间，趁热抽滤，收集滤液；滤渣经再次提取后合并滤液，向滤液中加入其质量0.06% 的活性炭，室温下振荡40min脱色，过滤后将滤液浓缩至样品重的8倍，得无色果胶粗提液。

（3）盐析：吸取10mL果胶粗提液于200mL烧杯中，边搅拌边加稀氨水，调pH值为3.7～3.8后，搅拌30min，慢慢加入设计量的饱和硫酸铝溶液，并调pH值为7.0，间歇搅动后静置60min，抽滤得颗粒状果胶盐，水洗3遍。边搅拌边加稀盐酸，维持pH值2.7～2.8，转溶30min后，用无水乙醇沉淀，得无色凝胶，干燥后即为果胶成品。

1.3.3 单因素试验 将盐酸浓度、微波比功率、微波时间、液料比和饱和硫酸铝用量作为影响山楂残次果果胶提取的单因素。每组进行平行试验，以果胶得率评价提取效果。

1.3.4 响应面优化 采用软件 Design－Expert中的Box－Behnken试验设计原理，综合单因素试验结果，设计3因素3水平试验。

1.3.5 果胶得率计算 按式（1）计算：

2 结果及分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 盐酸浓度的选择 盐酸浓度对残次果果胶提取的影响结果见图1。

图1 盐酸浓度对果胶得率的影响Figure 1 Effect of hydrochloric acid concentration on the pectin yield rate

由图1可知，采用0.01，0.02，0.05mol／L盐酸提取时，果胶得率小于采用0.10mol／L的，当盐酸浓度为0.15mol／L时果胶得率略有下降，这可能是由于盐酸浓度的增高加强了果胶得水解。因此本试验条件下0.10mol／L为较佳提取浓度。

2.1.2 液料比的选择 液料比对残次果果胶提取的影响结果见图2。由图2可知，随着液料比由5∶1，10∶1（V∶m）增大到15∶1（V∶m），果胶得率由1.47%随之增大到5.58%，继续增大液料比至20∶1和25∶1（V∶m），果胶得率均会有所降低，因此确定15∶1（V∶m）为本试验条件下的较佳液料比。

图2 液料比对果胶得率的影响Figure 2 Effect of liquid－materialratio on the pectin yield rate

2.1.3 微波比功率的选择 由于微波功率的作用与试验原料数量关系很大，因此本试验选用微波比功率作为一影响因素进行研究。由图3可知，果胶得率在微波比功率160W／g时最高。微波比功率较低时，原果胶水解不完全，而过高则会造成果胶分子链发生降解，使果胶得率下降。故试验条件下，160W／g为最佳。

图3 微波比功率对果胶得率的影响Figure 3 Effect of microwave output power on the pectin yield rate

2.1.4 微波时间的选择 由图4可知，当微波加热时间为50s时，果胶得率达到5.61%的最高值，高于或低于该时间，得率均有所降低。这是因为萃取时间短时，原果胶水解不完全，而时间过长，则会造成果胶分子链发生降解，从而使果胶得率下降，故50s为最佳微波时间。

图4 微波时间对果胶得率的影响Figure 4 Effect of microwave time on the pectin yield rate

2.1.5 硫酸铝用量的选择 饱和硫酸铝溶液用量对果胶提取的影响结果见图5。

图5 饱和硫酸铝溶液用量对果胶得率的影响Figure 5 Effect of volume of saturated aluminum sulfate on the pectin yield rate

由图5可知，饱和硫酸铝溶液用量为3.00～6.00mL时，果胶得率随着饱和硫酸铝溶液用量的增大而迅速增大，当用量达6.00mL以上时果胶得率增长极为缓慢。这是因为用量少时果胶沉淀不完全，致使得率较低，当用量达6.00mL时，提取液中的果胶可以全部盐析出来，再增加用量得率几乎不发生变化。

2.2 响应面法优化果胶提取工艺条件

2.2.1 响应面优化 Box－Behnken试验设计因素与水平见表1，响应面分析方案与结果见表2。

表1 Box－Behnken试验设计因素与水平Table 1 Factors and levels of Box－Behnken design

表2 响应面优化果胶提取试验方案与结果Table 2 Response surface methodology design and results of pectin yield rate

2.2.2 模型的建立及显著性检验 利用Design－Expert软件对数据进行多元回归拟合，得到山楂残次果果胶得率对微波比功率、液料比和饱和硫酸铝溶液用量的二次多项回归模型：

响应面二次回归方程方差分析见表3。由表3可知，微波比功率、液料比、饱和硫酸铝溶液用量、微波比功率二次、液料比二次均达到极显著水平，饱和硫酸铝溶液用量二次达显著水平。整体模型达极显著水平（P＜0.01），失拟项不显著（P＜0.05），表明该模型对试验拟合较好，可以对试验范围内不同条件下的果胶得率进行预测。另外，该模型的变异系数（C.V）为1.00%，重复性较好。

表3 响应面二次回归方差分析 Table 3 ANOVA for response surface quadratic model

2.2.3 提取工艺的响应面分析与优化 用Design－Expert软件，根据回归方程分析作响应面和等高线图见图6～8。

由图6～8可知，在试验所设水平条件下，山楂残次果果胶得率随着微波比功率、液料比和饱和硫酸铝溶液用量的增大均呈现先增高后降低的趋势，说明响应面法所选取的水平较为合理，同时三者对果胶提取影响的交互作用均呈抛物面形，表明拟合面有真实最大值。

2.2.4 最佳工艺条件的确定及验证实验 应用Design－Expert软件并结合二次回归的数学模型分析结果，果胶提取的最优条件为微波比功率166.55W／g，液料比15.91∶1（V∶m），饱和硫酸铝溶液用量6.96mL，在此条件下理论预测值为6.205 53。将单因素试验所得最佳条件和响应面二次回归所得最佳条件进行验证实验，每个处理进行3次平行试验。结果见表4。

根据试验具体情况，结合实际操作的可行性，将最佳工艺确定为微波比功率167W／g，液料比16∶1（V∶m），饱和硫酸铝溶液用量7mL，进行3次平行试验，果胶得率为6.17%，说明该模型可以较好地反映山楂残次果果胶提取的工艺条件，从而证明响应面分析法优化山楂残次果果胶提取条件的可行性。

图6 微波比功率和料液比对果胶得率影响的响应面和等高线Figure 6 Response surface and contour of Y＝ f（ AB）

图7 微波比功率和饱和硫酸铝溶液用量对果胶得率影响的响应面和等高线Figure 7 Response surface and contour of Y＝ f（ AC）

图8 饱和硫酸铝溶液用量和液料比对果胶得率影响的响应面和等高线Figure 8 Response surface and contour of Y＝ f（ BC）

表4 验证实验结果Table 4 Results of validation experiments

3 结论

响应面法优化山楂残次果果胶提取工艺最佳提取条件为盐酸浓度0.10mol／L，微波比功率167W／g，液料比16∶1（V∶m），饱和硫酸铝溶液用量7mL，微波时间50s，在此条件下果胶得率为6.17%。从残次果中提取果胶，果胶得率比从新鲜山楂果中提取的较低，可能是由于残次果中果胶被部分降解的缘故。

从山楂残次果中提取果胶，不仅扩展了提取果胶的新资源，而且可以使大量的残次果得以充分且高附加值地利用，对山楂的综合利用和高效增值均具有十分重要的意义。

本试验仅仅对山楂残次果中果胶的提取工艺条件进行了研究和优化，而对提取出的果胶的组成、性质和功能，以及与从新鲜山楂果实中提取的果胶有何不同等未作进一步探讨，可将此作为以后的研究内容。

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15 徐怀德.天然产物提取工艺学［M］.北京：中国轻工业出版社，2006：48～51.

Study on optimization of extraction technology for pectin from substandard haw fruit by response surface methodology

LIU Yue－ying LI Gui－qin LIU Huan－yun YANG Liang PENG Hui

（College of Biological Science and Engineering，Hebei University of Economics and Business，Shijiazhuang，Hebei050061，China）

Pectin was extracted from substandard hawthorn fruit with microwave－hydrochloric acid－salting out.The single－factor tests were used to investigate the effects of hydrochloric acid concentration，liquid－material ratio，microwave output power per gram，microwave extraction irradiation time，condition of salting－out on the yield rate of pectin.The response surface method with 3factors at 3levels，which was based on single－factor tests，was designed to analyze the all of affecting factors，and a quadratic polynomial regression equation of the forecasting model was set up according to the principle of Box－Behnken experiment.The yield rate of pectin from substandard hawthorn being taken as the value for the response surface method and contour，the optimum extraction condition condition was confirmed as follows：the hydrochloric acid concentration，0.10mol／L；the microwave output power per gram，167W／g；the microwave time，50s；the volume of saturated aluminum sulfate，7ml；and the liquid－material ratio，16∶1，under which condition，the yield rate of pectin was 6.17%.

substandard hawthorn fruit；pectin；microwave－hydrochloric acid－salting out

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.063

河北省科技支撑计划项目（编号：10220923）

刘月英（1970－），女，河北经贸大学讲师。E－mail：liuyueying07＠126.com

2011－11－10