响应面优化提取血柚皮果胶的工艺研究

陈健旋

（漳州职业技术学院，食品与生物工程系，农产品深加工及安全福建省高校应用技术工程中心，福建漳州363000）

响应面优化提取血柚皮果胶的工艺研究

陈健旋

（漳州职业技术学院，食品与生物工程系，农产品深加工及安全福建省高校应用技术工程中心，福建漳州363000）

采用响应面法优化了血柚皮果胶的提取工艺，在单因素实验基础上，选取柠檬酸浓度、提取温度、液料比和提取时间为自变量，果胶得率为响应值，根据Box-Behnken实验设计方法，对提取血柚皮果胶的关键因素参数进行了优化，建立了血柚皮果胶得率的数学模型。结果表明：四个因素对血柚皮果胶得率的影响大小依次为提取温度＞柠檬酸浓度＞液料比＞提取时间；血柚皮果胶提取的最佳工艺参数为：柠檬酸浓度1.5%，提取温度82℃、液料比32∶1mL/g、提取时间99min。在此条件下，血柚皮果胶得率达18.85%，与预测值仅相差0.32%，验证了数学模型的有效性。

柠檬酸，血柚皮，果胶，提取

红肉蜜柚是由琯溪蜜柚基因芽变而成的一种漳州特有的新品种［1］。红肉蜜柚，因其果肉呈血红色，故又称为“血柚”。血柚口感好、颜色鲜，价格比其他普通蜜柚要高好几倍，因此其种植量也逐年上升，随着血柚产量的增加，占柚果40%左右的可供利用的血柚皮也逐年增加［2］。血柚皮中含有大量的果胶，且其凝胶强度大，是一种良好的乳化剂和增稠剂，可广泛应用于食品、医药、化工等行业中［3-4］。已有一些文献［5-7］报道了柚子皮中果胶的提取，有研究［8-9］表明柚子皮中的天然成分含量会因其产地与品种差异而不同。而对血柚皮果胶提取却鲜见报道，利用柠檬酸对血柚皮果胶的提取也是未见报道。本文以血柚皮果胶得率为指标，以柠檬酸溶液为溶剂对血柚皮果胶进行提取，考察各工艺条件对得率的影响，并通过响应面法对提取工艺进行分析与优化，为血柚皮果胶的开发利用提供科学依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

血柚购于漳州市中闽百汇超市；柠檬酸分析纯，天津津北精细化工有限公司；无水乙醇分析纯，汕头西陇化工股份有限公司；蒸馏水实验室自制；其他试剂均为分析纯。

BSA124S电子天平赛多利斯科学仪器有限公司；Q-250B高速多功能粉碎机上海冰都电器有限公司；GZX-9070MBE数显鼓风干燥箱上海博讯实业有限公司医疗设备厂；RE-52AA旋转蒸发仪上海亚荣生化仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1原料预处理将血柚剥皮，切成块状、洗净，置于90℃水中煮5min，除去果胶酶，后用50℃温水漂洗，除去色素、有机酸、可溶性糖及苦味物质，挤干水后，置于50℃烘箱中烘干，用万能粉碎机粉碎，过80目筛得柚皮粉，保存备用［10］。

1.2.2血柚皮果胶的提取称取10g的血柚皮粉，按实验设计设定的工艺参数，进行提取，冷却，在3000r/min下离心5min，得上清液，并将上清液置于旋转蒸发仪中浓缩得到果胶提取液。在搅拌的条件下，加入等体积的无水乙醇，静置，使果胶析出，在3000r/min下离心5min，抽滤得到沉淀，将沉淀置于50℃烘箱中烘干，得到果胶产品［11-12］。

1.3单因素实验

1.3.1柠檬酸浓度的选择在液料比30mL/g，提取时间100min，提取温度80℃的条件下，将柠檬酸浓度分别设定为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，考察柠檬酸浓度对血柚皮果胶得率的影响。

1.3.2提取温度的选择在柠檬酸浓度1.5%，液料比30mL/g，提取时间100min的条件下，将提取温度分别设定为70、75、80、85、90℃，考察提取温度对血柚皮果胶得率的影响。

1.3.3液料比的选择在柠檬酸浓度1.5%，提取时间100min，提取温度80℃的条件下，将液料比分别设定为10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1（mL/g），考察液料比对血柚皮果胶得率的影响。

1.3.4提取时间的选择在柠檬酸浓度1.5%，液料比30mL/g，提取温度80℃的条件下，将提取时间分别设定为60、80、100、120、140min，考察提取时间对血柚皮果胶得率的影响。

1.4响应面实验设计

在单因素工艺的基础上，采用响应面法对血柚皮果胶的提取工艺进行优化。根据Design-Expert 8.05b软件，采用Box-Behnken进行实验设计柠檬酸浓度（A），提取温度（B），液料比（C），提取时间（D）四因素三水平响面实验，考察各因素及因素间交互作用对血柚皮果胶得率的影响，建立预测模型，并进行最佳工艺验证。响应曲面因素与水平的确定见表1。

1.5数据处理

运用Origin 7.5和Design-Expert 8.05b软件对实验数据进行分析。

表1　响应面分析因素水平表Table 1　Factors and levels of response surface methodology

2　结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1柠檬酸浓度对血柚皮果胶得率的影响从图1中可以看出，果胶得率随着柠檬酸浓度的增加而不断地增加，当柠檬酸浓度为1.5%时，果胶得率达到最大，继续增加柠檬酸的浓度，果胶得率反而下降。这是因为柠檬酸浓度较低时，溶剂中的pH过大，酸性较弱，血柚皮颗粒组织不能被溶剂软化，果胶无法转化为水溶性果胶，导致果胶得率较低；当柠檬酸浓度较大时，溶剂的pH较小，酸性较强，果胶水解较为厉害，增加了果胶裂解等副反应的产生［13］，使得果胶得率下降，且酸性较强，会使副反应增加，果胶沉淀物外观会变差，因此最佳的柠檬酸浓度为1.5%。

图1　柠檬酸浓度对果胶得率的影响Fig.1　Effect of citric acid concentration on extraction yield of pectin

2.1.2提取温度对血柚皮果胶得率的影响从图2中可以看出，果胶得率随着提取温度的升高而逐渐增加，当提取温度为80℃时，果胶得率达到最大，继续增加提取温度，果胶得率反而下降。这是因为提取温度较低时，果胶水解性能差，不能完全水解，使得果胶得率较低，随着提取温度的升高，果胶的水解性能增强，促进了果胶在溶剂中的溶解，而使得果胶得率增大，但当温度过高时，果胶的分子容易不稳定而产生降解［14］，导致果胶得率的下降。因此最佳的提取温度选择为80℃。

图2　提取温度对果胶得率的影响Fig.2　Effect of temperature on extraction yield of pectin

2.1.3液料比对血柚皮果胶得率的影响从图3中可以看出，果胶得率随着液料比的增加而增加，当液料比达到30∶1mL/g时，果胶得率达到最大，继续增大液料比，果胶得率反而下降。这是因为液料比较低时，溶剂较少，溶剂无法充分浸透血柚皮颗粒，果胶溶出不完全，产率低；随着液料比的增加，溶剂对血柚皮颗粒的浸透性增加，传质推动力增大，增加了果胶的溶出量，而使得果胶得率增大［15］；但当液料比过大时，溶剂消耗量增加，会造成浓缩过程果胶的损失，且会增加操作费用和溶剂成本，因此最佳的液料比为30∶1mL/g。

图3　液料比对果胶得率的影响Fig.3　Effect of liquid to material on extraction yield of pectin

2.1.4提取时间对血柚皮果胶得率的影响由图4中可以看出，果胶得率随着提取时间地增加而增加，当提取时间为100min时，果胶得率达到最大，继续增加提取时间，果胶得率反而下降。这是因为提取时间过短时，不利于果胶的水解，得率较低。随着提取时间的延长，有利于血柚皮中果胶的水解，果胶得率增大；当提取时间达到100min时，得率达到最大；继续增加提取时间，容易使得果胶分子的过度水解，造成了得率的下降，因此最佳的提取时间为100min。

图4　提取时间对果胶得率的影响Fig.4　Effect of time on extraction yield of pectin

2.2响应面实验结果

2.2.1响应面实验结果及方差分析在单因素数据的基础上，根据Box-Benhnken实验设计原理，采用四因素三水平实验设计，选取柠檬酸浓度（A）、提取温度（B）、液料比（C）、提取时间（D）四个因素进行优化实验，实验因素和水平设计如表2所示，响应面分析及方差分析见表3。

表2　响应曲面实验以及响应值Table 2　Experiment design and results of response surface method analysis

对表2数据进行二次多项式回归拟合，得到回归方程为：Y=18.74+0.093A+0.12B+0.072C-0.052D+ 0.25AB-0.37AC+0.37AD+0.35BC+0.040BD-0.10CD-0.36A2-0.24B2-0.32C2-0.24D2。

由表3可知，实验模型的F值为6.43，p值为0.0007，表明该回归模型达到极显著水平，该方程的R2为0.8654，表明超过86.5%的实验数据可应用该模型来拟合，说明该回归模型可靠性高，方程的失拟项F值为1.29，p=0.4354＞0.05，表示模型的失拟度不显著，说明该模型的预测值与实验值能有较好的吻合度，可用该模型对血柚皮果胶得率进行预测与分析。AC、AD、BC、A2、B2、C2对响应值血柚皮果胶得率的影响极显著（p＜0.01），AB、D2对响应值血柚皮果胶得率的影响显著（p＜0.05），而A、B、C、D、BD、CD对响应值血柚皮果胶得率的影响均不显著（p＞0.05）。在所选取的各因素水平范围内，根据F值和p值可以判断各工艺条件对血柚皮果胶得率的影响强弱，其中F值越大，说明作用影响越强（或p值越小，作用影响越强），影响因子的主效应主次顺序为：提取温度＞柠檬酸浓度＞液料比＞提取时间。

表3　响应曲面方差分析表Table 3　Variance analysis of regression equation

图5　各两因素交互作用对果胶得率的影响Fig.5　The effect of operating parameters on the extraction yield of pectin

2.2.2果胶得率的响应面分析利用Design-Expert 8.05b软件处理得到所考察的各工艺因素交互作用的响应面图见图5。从图5中可以直观地反映出各工艺因素及其相互作用对响应值血柚皮果胶得率的影响。从图5（b）中可以看出，其等高线为椭圆形，说明柠檬酸浓度和液料比交互作用显著；响应面坡度较为陡峭，响应值随柠檬酸浓度的变化率大于液料比的变化率，说明二者交互作用中柠檬酸浓度对果胶得率的影响大于液料比。而从图5（e）中可以看出，其等高线偏圆形，说明提取温度和提取时间交互作用不太显著，响应值坡度相对平缓，响应值随着提取温度的变化率大于提取时间的变化率，说明二者交互作用中提取温度对果胶得率影响大于提取时间。结合所有响应面图分析，柠檬酸浓度和提取时间的交互作用最显著，柠檬酸浓度和液料比，提取温度和液料比，柠檬酸浓度和提取温度，液料比和提取时间，提取温度和提取时间等的交互作用依次减弱。其中提取温度和柠檬酸浓度较液料比和提取时间对响应值的影响更大，各具体实验因素的主次顺序为提取温度＞柠檬酸浓度＞液料比＞提取时间。

2.2.3验证实验及最佳提取工艺的确定根据回归模型，利用Design-Expert 8.05b软件对实验结果进行分析，得到了柠檬酸辅助提取血柚皮果胶的最优化条件为：柠檬酸浓度1.53%，提取温度82.79℃、液料比31.99mL/g、提取时间98.99min，在此条件下，得率可达18.79%。为方便实验操作，将优化条件修正为：柠檬酸浓度1.5%，提取温度82℃、液料比32∶1mL/g、提取时间99min，在此条件下重复实验5次，实际测得得率为18.72%～19.04%，平均值为18.85%，与理论预测值相比，其相对误差为0.32%，差异不显著（p=0.4354＞0.05），说明该模型应用于柠檬酸法提取血柚皮果胶具有一定的实际指导意义。

3　结论

以果胶得率为指标，利用响应面分析法中的Box-Behnken实验设计，对提取工艺条件进行了分析，得到了柠檬酸浓度、提取温度、液料比、提取时间四个因素的二项式回归模型。该模型能较好地对血柚皮果胶得率进行预测与分析，得到预测修正最佳工艺条件为：柠檬酸浓度1.5%，提取温度82℃、液料比32∶1mL/g、提取时间99min，在此条件下进行5次平行实验，实际得率为18.85%，相对误差为0.32%，说明该模型对血柚皮果胶的提取条件优化合理可行，为工业化生产血柚皮果胶提供了一定的理论依据。

［1］陈文娟，陈建福.超声辅助提取血柚皮多糖工艺优化及其对自由基的清除作用［J］.南京师大学报：自然科学版，2014，37（1）：141-146.

［2］黄日升，蔡振平.平和县红肉蜜柚优质丰产栽培技术［J］.中国南方果树，2014，43（3）：127-128.

［3］Huang R L，Gao M，Guo H，et al.Enhanced ethanol production from pomelo peel waste by integrated hydrothermal treatment，multienzyme formulation，and fed-batch operation［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2014，62（20）：4643-4651.

［4］Prakash Maran J，Sivakumar V，Thirugnanasambandham K，et al.Optimization of microwave assisted extraction of pectin from orange peel［J］.Carbohydrate Polymers，2013，97（2）：703-709.

［5］张妍楠，姚晓玲，张国真，等.超声波辅助提取工艺对胡柚果胶品质的影响［J］.食品工业，2014，35（3）：44-47.

［6］田宝明，彭林，吴金松，等.柚皮果胶理化性质的研究［J］.食品工业科技，2014，35（8）：313-317.

［7］张妍楠，姚晓玲，张国真，等.胡柚果胶提取工艺的综合评价［J］.食品科技，2013，38（11）：232-235.

［8］陈文娟，陈建福.漳州血柚皮总黄酮超声波辅助提取工艺研究［J］.常熟理工学院学报，2012，26（4）：57-63.

［9］赵红英，文海涛，林励，等.化州柚不同栽培品种总黄酮及柚皮苷含量的比较研究［J］.中药新药与临床药理，2010，21（2）：183-186.

［10］耿敬章，刘军海，刁宇清，等.响应面法优化超声波辅助提取橘皮中果胶类化合物［J］.食品工业科技，2009（12）：250-253.

［11］李建凤，任磊，王真，等.响应曲面法用于超声波提取柠檬皮渣果胶研究［J］.食品工业科技，2013，34（4）：267-269.

［12］刘晓霞，苏平，吴秋敏.响应面分析法优化黄秋葵花中果胶的提取工艺研究［J］.食品工业科技，2014，35（16）：270-273.

［13］Minjares-Fuentes R，Femenia A，Garau M C，et al.Ultrasoundassisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid：A response surface methodology approach［J］.Carbohydrate Polymers，2014，106（7）：179-189.

［14］Kulkarni S G，Vijayanand P.Effect of extraction conditions on the quality characteristics of pectin from passion fruit peel（Passiflora edulis f.flavicarpa L.）［J］.LWT-Food Science and Technology，2010，43（7）：1026-1031.

［15］Chen H，Fu X，Luo Z.Properties and extraction of pectinenriched materials from sugar beet pulp by ultrasonic-assisted treatment combined with subcritical water［J］.Food Chemistry，2014，168（2）：302-310.

Optimization of extraction techniques of pectin from blood pomelo peel by response surface methodology

CHEN Jian-xuan
（Zhangzhou Institute of Technology，Department of Food and Biology Engineering，Applied Technology Engineering Center of Fujian University for Further Processing and Safety of Agricultural Products，Zhangzhou 363000，China）

In order to optimize the process of extraction of pectin from blood pomelo peel.Based on the singlefactor experiments，Box-Benhnken design involving four factors as independent variables was used to set up a second order quadratic equation and the applicability of the model for the yield of pectin as function of citric acid concentration，temperature，liquid to material，time.Each variable and their interactions effects on the yield were studied by using Design-Expert software.The results showed that the effect order of four factors on the yield of pectin was as follows：extraction temperature，citric acid concentration，extraction temperature，liquid to material and extraction time.And the optimal extraction conditions of pectin from blood pomelo peel were：citric acid concentration 1.5%，temperature 82℃，liquid to material 32∶1mL·g-1，time 99min.The yield of pectin could be up to 18.85%，under the optimal extraction condition，the relative error was 0.32%compared to the predictive value，which indicated the feasible model fitted well with the experimental data.

citric acid；blood pomelo peel；pectin；extraction

TS201.1

B

1002-0306（2015）14-0282-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.049

2014－10－20

陈健旋（1964-），女，本科，副教授，研究方向：食品生物技术。

福建省中青年教师教育科研项目（JB14182）。