基于正交试验设计对柚皮果胶提取工艺的优化

赵 津，周泽中，闫路娜

(河北科技大学生物科学与工程学院，河北石家庄 050018)

基于正交试验设计对柚皮果胶提取工艺的优化

赵 津，周泽中，闫路娜

(河北科技大学生物科学与工程学院，河北石家庄 050018)

基于四因素三水平的正交试验设计，确定提取柚皮果胶的较佳工艺条件：在95 ℃、pH值1.5的条件下，使水与干柚皮以15∶1比例混合，浸提60 min。通过进一步的单因素优化试验，发现：1)微波加热辅助萃取可大大缩短浸提时间，以6 min为佳；2)乳酸更有利于果胶的溶解，其得率可达17%；3)在果胶制备过程中，建议使用干柚皮为原料，但不必使用活性炭脱色。

柚皮； 果胶； 提取；正交试验设计； 优化

果胶是一种天然高分子聚合物，具有良好的胶凝化和乳化稳定作用，在食品工业上被广泛用作胶凝剂、增稠剂、稳定剂、乳化剂、增香增效剂等[1-2]。中国的果胶生产行业起步较晚，生产量较小，远不能满足生产需求，每年都需要从国外大量进口。柚子(Citrusmaxima)是芸香科柑橘属的一种水果，在中国资源丰富，柚皮含有柚皮油、色素、果胶、黄酮类化合物等活性成分[3]，干柚皮中果胶含量可达(10%～30%，质量分数)，是国内外制取果胶的主要来源之一[1，4]。但在中国，每年有上亿吨的柚皮被当作生活垃圾废弃，既浪费资源，又影响环境卫生，因此，开发柚皮来生产果胶，旨在变废为宝，利国利民。

果胶提取是从不溶性果胶转变成水溶性果胶的过程，工艺条件不同可造成果胶得率及性质的差异[5]。传统的果胶提取方法是利用水浴加热酸解提取，其特点是设备要求低，但操作复杂耗时耗力[4，6]。近年来，微波加热辅助提取技术由于省时省力，在各类果胶提取过程中得到大量应用，并逐步取代水浴加热而成为提取果胶的主要技术手段[1-2]。本研究将以正交试验设计法为基础，从微波加热辅助提取、原料选取、酸选用等因素的平行试验，来进一步优化果胶提取条件，试图开发一条操作简便、低碳环保的柚皮果胶生产工艺。

1 材料与方法

1.1试验材料

废弃柚子皮，收集自河北科技大学商城自由市场。

1.2仪器和试剂

乙醇、盐酸、硫酸、乳酸、偏磷酸钠、活性炭等，均由北京索莱宝科技有限公司提供；低速大容量离心机(DL-5)，上海安亭科学仪器厂提供；数显恒温水浴锅(HH-2)，金坛市杰瑞尔电器有限公司提供；电热鼓风干燥箱(WGL-65B)，天津泰斯特仪器有限公司提供；微波炉(MG-5021M)，天津乐金电子电器有限公司提供。

1.3果胶的提取方法

1.3.1 酸法提取果胶的工艺流程

酸法的工艺流程：原料预处理→酸水解提取→过滤→脱色→离心→滤液浓缩→醇沉淀→干燥→成品[7]。

主要提取工艺如下：取10 g柚皮切成边长约为0.5 cm的小块，置于锥形瓶中。在95 ℃条件下水浴10 min，用4层纱布拧干。清水浸泡30 min后用去离子水反复漂洗至无色。将经上述处理的原材料与软化水按照不同的要求混合，在一定的温度、pH值条件下，反应一定时间，获得提取液。趁热过滤，弃滤渣，在滤液中加入质量分数为2%的活性炭脱色，在80 ℃条件下水浴保温20 min。在4 000 r/min条件下离心20 min，得到澄清滤液。于85 ℃烘箱内烘至原体积的一半，冷却。边搅拌边加入等体积的体积分数为95%的乙醇，静置30 min。离心(4 000 r/min，20 min)，弃上清液，将沉淀在85 ℃烘箱中烘干，称量，计算果胶得率。

1.3.2 酸法结合微波法提取果胶的工艺流程

酸法结合微波法和酸法不同的是，提取时采用微波加热方法。具体流程：原料预处理→调pH值→微波加热提取→过滤→脱色→离心→滤液浓缩→醇沉淀→干燥→成品。

1.4果胶的定性及得率计算

1.4.1 果胶的定性检测

取干燥成品1 g，加去离子水10 mL，即呈胶状液体，若加入乙醇，即出现悬浮沉淀；取干燥成品1 g，加去离子水50 mL，加热搅拌使果胶完全溶解，加蔗糖5 g倒入装有质量分数为12.5%的柠檬酸溶液的烧杯中，冷却以后即成柔软而有弹性的胶冻[7]。

1.4.2 果胶的得率计算方法

果胶的得率(Y)为提取果胶的质量(w)占供提取用的柚皮质量(W)的百分数：

2 结果与讨论

2.1正交试验设计法确定果胶最佳提取工艺

由文献可知，对果胶影响较大的因素有提取时间、温度、pH值、液料比等4个因素[8-9]。为了确定最佳提取时间、温度、pH值、液料比，设置了3水平(见表1)，用L9(34)正交表作9个试验[10]，确定果胶提取的最佳条件，正交试验的结果以及极差分析见表2。

表1 正交试验因素与水平

表2 正交试验结果与极差分析

极差是反映该因素水平变动时总指标的变化，极差越大，该因素水平变动时总指标的变化越大[8]。由表2中极差分析方法可知，在A，B，C，D4个因素中，D的极差最大，然后依次为C，B和A。因此，可得出对果胶得率的影响因素依次为提取时间>液料比>pH值>温度。根据正交试验结果可知，酸法提取果胶的最佳条件为A3B2C2D2，即温度为95 ℃，pH值为1.5，液料比为15∶1，提取时间为60 min。

2.2微波加热法对果胶提取率的影响

微波是指频率为300 MHz～300 GHz的电磁波，当用于天然成分的提取时，具有选择性强、操作时间短、溶剂耗量小、目标组分得率高，并且能极大限度地保留分离组分的天然活性等优点[11]。在本研究中，结合微波加热法对酸提取工艺进行了探索(见表3、表4)，发现：微波法和传统的水浴法相比，对果胶得率基本无影响，却大大节省了时间。另外进一步研究发现，在微波条件下，加热6 min对果胶最为有利，这可能是因为加热时间短，无法达到果胶溶解温度，而时间过长会造成温度过高，引起果胶损伤。这与前人的相关研究结果一致[5,11]。

表3 微波加热法对果胶得率的影响

表4 不同酸对果胶得率的影响(微波法)

2.3不同酸对果胶提取率的影响

研究发现，在果胶的提取工艺中不同酸对柠檬皮果胶得率有明显的影响[12]，而在柚皮果胶提取中却未见相关报道。研究分别采用盐酸、硫酸、磷酸3种无机酸以及醋酸和乳酸2种有机酸来调节pH值提取果胶，结果发现(见表4)，在同等pH值条件下，果胶得率为乳酸>醋酸>硫酸>磷酸>盐酸，说明有机酸可明显提高柚皮果胶的得率，尤其以乳酸提取得率最高，可达17%。这也与周强等采用酒石酸萃取获得柚皮果胶得率高的结果相吻合[13]；但王川等使用有机酸提取柠檬皮果胶时，却无法获得果胶产物[12]，笔者分析这可能与其实验操作误差有关。基于本研究结果，笔者认为用有机酸替代现有酸萃取技术中普遍使用的盐酸，不仅可提高果胶的得率，又由于乳酸等有机酸萃取液更为绿色环保，可提高产品的稳定性和安全性，故而在实际工业生产中应推荐使用。

2.4不同柚皮原料对果胶得率的影响

分别采用干柚皮、去外皮柚皮和新鲜柚皮在同等条件下提取果胶，结果发现在果胶得率上，去外皮柚皮(16%)>干柚皮(14%)>新鲜柚皮(5%)，其中新鲜柚皮的果胶得率约为前两者的1/3，这应与新鲜柚皮中水分较多有关，为了便于原料存贮，以干柚皮为佳；柚皮是否去外皮尽管在果胶得率上有一定影响，但考虑到生产成本，干柚皮应完全能满足生产需要。

2.5活性炭对果胶得率的影响

目前，在果胶提取过程中是否使用活性炭一直存在争议[7,12]。本研究对活性炭脱色效果进行了探索，结果发现，在柚皮果胶的提取工艺中，活性炭脱色效果不明显(见表5)，且在后期过程中去除十分困难，一方面会明显降低果胶得率，同时还易造成产品颜色偏黑，影响品质，因此在柚皮果胶提取工艺中，不建议使用活性炭脱色。

表5 活性炭对果胶得率的影响

3 结 论

以废弃的柚子皮为原料，采用微波辅助酸水解方法提取果胶，其最佳提取工艺是干柚皮预处理→过滤→以液料比15∶1混合预处理后的柚皮和软化水→乳酸调pH 值至1.5→微波加热提取6 min→离心→滤液浓缩→醇沉淀→干燥→成品。通过本工艺所获得的柚皮果胶产品得率最高可达17%，具有工艺条件要求较低、原料成本低、产品质量高、绿色安全等特点，是一种较为理想的工业生产方法。

/Rerferences

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Optimization of extraction process of grapefruit peel pectin based on orthogonal experimental design

ZHAO Jin, ZHOU Zezhong, YAN Luna

(School of Biological Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang Hebei 050018, China)

Based on orthogonal test design of 4 factors and 3 levels, the optimum process condition of grapefruit peel pectin are as follows: the dry material mixed with water at a ratio of 15∶1, 95 ℃ and pH 1.5 for 60 min. Single factor optimization experiments show that 1) microwave assisted extraction can shorten extracting time, preferably in 6 minutes, 2) lactic acid is more conducive to the dissolution of pectin, and the extraction rate can reach 17%, 3) in the pectin preparation process, the use of dry peel is recommended, but not using activity carbon.

grapefruit peel; pectin; extraction; orthogonal test design; optimization

1008-1534(2013)05-0338-04

O636.1

A

10.7535/hbgykj.2013yx0507

2013-02-03;

2013-03-07

责任编辑：王海云

河北科技大学大学生科技创新基金(1176)

赵 津(1990-)，男，河北衡水人，主要从事生物活性物质提取方面的研究。

闫路娜副教授。E-mail:yanluna@126.com