响应曲面法优化伽师瓜皮果胶的微波辅助提取工艺

帕尔哈提·柔孜，刘姗姗，杨海燕，波拉提·马卡比力，禄 璐

(1 新疆农业大学食品科学与药学学院，乌鲁木齐 830052;2新疆维吾尔自治区药物研究所/新疆维吾尔自治区哈萨克医药研究所，乌鲁木齐 830004)

新疆伽师瓜属于葫芦科(Cucurbitaceae)黄瓜属(Cucumis L.)甜瓜亚属(Melo Jeffrey)［1，2］。(维文译名为卡拉库赛)(Cucurbitaceae Melo var.saccharinus Naud)属晚熟厚皮甜瓜［3］，伽师瓜是以地域命名的名优特级产品，据考证已有1 500 余年的种植历史，当地独特的地域特征和特殊的光热水土资源条件下蕴育的特殊果品之一。伽师瓜富含碳水化合物、多种维生素和膳食纤维，食用后具有清痰化瘀、滋肝润肺、促进消化、增进食欲和抑制肥胖等功效［4，5］，具有果皮光滑墨绿、果肉厚质地细腻、中级晚熟、果肉糖分梯度变化小，含糖量高，贮运性好，品质佳等多个优点，在国内外瓜果批零市场上也享有较高的美誉［6，7］。伽师瓜在20 世纪末开始参与国内各大特色农产品博览会，加快品牌创建、保护与营销步伐，展现了前所未有的强劲发展势头［8，9］。据统计［10，11］，2011—2013年全疆伽师瓜种植面积分别为57.78、63.12、66.13千hm2，其总产量分别为193.06、213.35、239.46 万t。伽师县不断扩大伽师瓜种植规模并投入大量的扶持资金使资源优势发挥带头作用，将伽师瓜产业发展逐渐作为农业增强、农民增收，进而带动县域经济继续增大的支柱性产业。

由于缺少针对伽师瓜的采后专门性研究，伽师瓜的贮藏保鲜和加工技术仍然延用传统的方法，每年腐烂废弃问题很严重。瓜农、瓜商及消费者对于伽师瓜皮的利用价值缺乏认识，同时伽师瓜皮因营养成分研究报道鲜见，大部分被用来喂养牲畜或弃去。加之，缺乏研究与生产未能充分结合，大多被当作废物处理，造成极大的浪费。故利用加工副产物—伽师瓜皮做果胶，不仅能满足人们的消费需求，而且能提高伽师瓜的综合利用率及其商品价值，有利于进一步发挥特色支柱产业的优势，故将伽师瓜皮加工成果胶是有效的解决伽师瓜产业化问题的关键性途径之一。微波提取技术是最近发展较快的一种绿色提取分离技术，与以前所用的传统提取技术相比，缩短了提取时间，提高了提取效率，为重要成分的提取提供了一种快速、高产的新方法［12，13］。因其得到越来越多国内外天然产物活性成分提取相关领域研究人员的关注。本试验通过响应面法优化微波辅助法提取干燥后的伽师瓜皮粉中的果胶，并确定最佳的工艺及其参数，为高效地提取果胶提供技术参考及新途径。

1 材料与方法

1.1 材料

伽师瓜于2014年8月10 日从伽师县一乡采摘。采摘5d 后带回实验室备用。盐酸、乙醇等均为分析纯。

1.2 仪器

XP1203S 型精密天平(北京京海佳业科贸有限公司);WD900ASL23-2 型格兰仕微波炉(顺德市格兰仕实业有限公司);HR1724 型粉碎机(珠海经济特区飞利浦家庭电器有限公司);S20K 型pH 计(梅特勒—托利多仪器有限公司);DHG-9140A 型电热恒热鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)。

1.3 实验方法与设计

1.3.1 工艺流程

伽师瓜皮→预处理(取皮)→伽师瓜皮→干燥(晾晒+烘箱)→粉碎(通过40 目筛)→萃取(盐酸)→加热(微波)→过滤→浓缩(减压浓缩)→沉降(乙醇)→离心(10 000r/min)→干燥→果胶。

伽师瓜皮经过3d 晾晒，然后在65℃烘箱中存放24h，处理后的瓜皮用粉碎机粉碎，分别称量1g 样品放入盛有不同pH 值的盐酸的烧杯中，接着放入微波炉中进行萃取，微波辅助法萃取后过滤，所得样品溶液浓缩至10mL，并加入2 倍于浓缩后溶液体积的无水乙醇后放入60℃的水浴锅中进行2h 的沉淀。随后将沉淀后的样品在10 000r/min 的离心机中离心5min，再放置65℃烘箱中干燥12h 后称量所得果胶重量，最后算出提取率。

1.3.2 操作要点

(1)干燥:将伽师瓜皮切成条状，在阳光充足的地方晾晒3 天，再将晾晒后的瓜皮放入65℃的烘箱中烘烤24h。(2)粉碎:将干燥处理后干脆的伽师瓜皮放入粉碎机中粉碎30s，过40 目筛。(3)减压浓缩:用旋转蒸发仪将果胶粗提液在60～70℃下浓缩到10mL。(4)乙醇沉降:待浓缩液冷却后，加入2 倍浓缩后溶液体积的无水乙醇，放入60℃的水浴锅中沉淀2h。(5)离心:将醇沉后的样品去掉上清液进行5min 的离心。(6)干燥:离心后小心倒出离心管中的液体，将存有果胶的离心管的烧杯放入60℃的烘箱中干燥12h［14-15］。

1.3.3 微波法提取伽师瓜皮果胶单因素试验

(1)不同微波时间对伽师瓜皮果胶提取率的影响:在提取液pH 值为3.0、料液比1∶50 的条件下，研究不同时间(10、30、50、70、90s)时对伽师瓜皮果胶提取率的影响。

(2)不同pH 值对伽师瓜皮果胶提取率的影响:在料液比1∶50、微波加热时间为70s 的条件下，研究不同提取盐酸萃取液pH 值分别为(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0)时对伽师瓜皮果胶提取率的影响。

(3)不同料液比对伽师瓜皮果胶提取率的影响:在提取液pH 值为3.5、微波加热时间为70s 的条件下，研究不同料液比(1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60g/mL)时对伽师瓜皮果胶提取率的影响。

1.3.4 响应面分析

为了使工艺更加优化，在上述单因素试验的基础上，根据Box-Behnken 试验设计原则，选择微波加热时间、pH 值、料液比3 个因素对瓜皮果胶提取率的影响因素，以果胶的提取率为响应值，设计三因素三水平试验进行响应面分析，试验设计的因素与水平见表1。

表1 响应面试验设计因素与水平

1.3.5 果胶提取率的计算

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 微波加热时间对伽师瓜皮果胶提取率的影响

由图1 可见，当加热时间延长到70s 左右时，伽师瓜皮果胶的提取率上升趋势最显著。反应初始到70s 的范围内，提取率与时间增长趋势呈正相关，时间超过这个最佳点后，反而果胶的提取率降低的趋势比较明显，因为加热时间的长短会导致样品的酸碱性强弱及温度差异变化，改变果胶类物质溶解特性，从而导致提取率降低，故最佳的加热时间为70s。

图1 微波加热时间对伽师瓜皮果胶提取率的影响

2.1.2 pH 值对伽师瓜皮果胶提取率的影响

由图2 可见，当提取液的pH 值3.5 左右时，伽师瓜皮果胶提取率呈最高值，随后逐步下降。这可能是由于pH 值达到一定的比例后果胶基本溶解到提取液中，pH 值过低或者过高会引起样品中原果胶的水解反应的强弱，使脱酯降解速度加快，引起果胶质转液至提取液相的过程缓慢，导致提取率降低，故提取液最佳的pH值为3.5。

图2 pH 值对伽师瓜皮果胶提取率的影响

2.1.3 料液比对伽师瓜皮果胶提取率的影响

由图3 可知，当料液比在1∶40 左右时，伽师瓜皮果胶的提取率增长趋势最显著，随后逐渐降低。这可能是由于反应初始时，料液比过小会引起反应不完全，萃取体系渗透压过高，则果胶没有全部能溶解到提取液中，引起过滤难度增加、残留物含量增多，从而降低提取率;反之，由于料液比越大过滤速度越快，会增长浓缩需要时间及增大沉淀消耗量，导致提取率下降及影响果胶的特，故最佳的料液比选1∶40 为宜。

图3 料液比对伽师瓜果胶提取率的影响

2.2 响应面优化酸法结合微波提取果胶工艺结果分析

2.2.1 响应面试验结果与分析

通过Design Expert 8.0.6 响应面统计软件响应面统计软件对果胶提取率为响应值的回归模型实验进行分析，试验结果见表2、方差分析结果见表3。

表2 响应面试验方案及结果

由表2 可知，伽师瓜皮果胶提取率预测模型:Y=+4.85－0.030A－0.022B－7.500E－003C+1.000E－0.02AB+0.080AC－0.040BC－116A2－0.078B2－0.90C2。

表3 中心旋转组合设计方差分析

由表2、表3 可看出，该模型回归方程的效果极显著(P＜0.05)，失拟项不显著。响应面试验中时间等3个因素对伽师瓜皮果胶提取率作用的大小主次顺序为:加热时间＞pH 值＞料液比。其中微波处理时间(A2)和料液比(C2)的二次项极显著，则其他交互项不显著。在α=0.05 显著水平下剔除不显著项后对原模型进行优化可确定提取率:Y=－27.133 25 +0.386 05A +2.389 00B+0.721 65C +1.000 00E－003AB +4.000 00E－004AC－8.000 00E－003BC－2.907 50E－003A2－0.312 00B2－9.0300E－003C2。说明该模型拟合度适宜，因此微波辅助提取伽师瓜皮果胶分析和预测能达到理想的效果。

2.2.2 交互作用对伽师瓜皮提取率的影响

根据回归分析结果，做出相应的响应面分析图，见图4—6。

图4 pH 值与时间对伽师果皮果胶提取率的影响

图5 料液比与时间对伽师果皮果胶提取率的影响

图6 pH 值与料液比对伽师果皮果胶提取率的影响

由图5 可见，时间的交互项较pH 值显著。由图6可知，时间的变化程度及等高线变化数量高于料液比，响应值对其比较敏感;由图7 可知，料液比的影响较pH 值显著。

2.2.3 提取条件优化及验证

经响应面优化伽师瓜皮果胶酸法结合微波提取试验，得出最优提取参数为:料液比为1∶39.99、加热时间为69.73s，提取液pH 值为3.43。根据试验条件及考虑到实际操作中的便利，将工艺参数加以修正为:料液比为1∶40、加热时间为70s、提取液pH 值为3.5。在此条件下，进行3 次平行实验进行验证，果胶提取率为4.83%，超过软件模型预测值4.85%，并误差低于1%。说明本模型在伽师瓜皮果胶提取试验中是可靠的。

3 结论

利用响应面法确定微波辅助提取伽师瓜皮果胶的最佳提取条件是:pH 值3.5、料液比1∶40、微波加热时间70s 下，伽师瓜皮果胶提取率达4.83%。经过比较分析了3 个因素对伽师瓜皮果胶的提取效果的影响，作用大小依次顺序:微波加热时间＞pH 值＞料液比。经微波处理后果胶的提取率得以提高，且果胶质量好、节约能耗、提取时间短，对进一步开发利用伽师瓜皮及其综合利用具有指导意义。

［1］中国农业科学院郑州果树研究所.中国西瓜甜瓜［M］.北京:中国农业出版社，2001:549-553.

［2］林德佩.甜瓜种下分类专论［J］.中国瓜菜，2012，5:42-46.

［3］吴海华.全立架露地栽培伽师瓜水肥调控技术研究［D］.乌鲁木齐:新疆农业大学，2013.

［4］张阳，张润光，张有林，等.气调贮藏对新疆伽师瓜采后生理及贮藏品质的影响［J］.农业工程学报，2011，27(1):383-388.

［5］阿不都热依木·卡地尔.《中华本草》(维吾尔药卷)［M］.上海:上海科技出版社，2005:346.

［6］谭政，唐忠建.不同温度及不同贮藏期对伽师瓜果实品质的影响［J］.北方园艺，2013，21:150-152.

［7］罗国亮，王辉霞.喀什地区伽师瓜产业发展现状及措施建议［J］.中国园艺文摘，2013，11:51-52.

［8］刘明轩，曾祥甫.新疆珍品伽师瓜［J］.中国经贸，2001，1:62.

［9］王雪.以瓜为媒伽师旅游阔步发展［J］.大陆桥视野，2010，3:88.

［10］新疆维吾尔自治区统计局.新疆统计年鉴［M］.北京:中国统计出版社，2013:377-387.

［11］新疆维吾尔自治区统计局.新疆统计年鉴［M］.北京:中国统计出版社，2014:343-355.

［12］孙德武，王德成，林险峰，等.微波辐射萃取法提取桔皮中的果胶［J］.吉林师范大学学报(自然科学版)，2008，3:113-114.

［13］Kratchanova，M.，Panlova，E.，Panchev，I.The effect of microwave heating of fresh orange peels onthe fruit tissue and quality of extracted pectin ［J］.Carbohydr Polymers，2004，56:181-185.

［14］刘玲，叶博，纪淑娟.西瓜中果胶不同提取工艺的比较研究［J］.食品工业科技，2007，(7):150-153.

［15］任小青，史艳艳.西瓜皮中果胶的提取工艺［J］.食品研究与开发，2009，30(4):85-87.