响应面法优化金柚皮渣中果胶的提取工艺

2016-05-30张岩吴继军刘学铭王思远傅曼琴

热带作物学报 2016年8期

张岩吴继军刘学铭王思远傅曼琴

摘要以硫酸-咔唑法为测定果胶方法，采用超声波辅助酸提果胶，并对提取果胶工艺进行优化，包括超声辅助酸提前处理及提取温度、提取时间、料液比和pH等提取条件对果胶提取效果的影响。结果表明，在单因素试验的基础上，采取响应面试验设计，确定优化参数为：提取时间88.7 min、提取温度75.5 ℃和pH1.44。在此条件下，从金柚果皮中提取果胶的得率为26.8%。

关键词柚皮渣；提取工艺；优化；响应面分析法

中图分类号 TQ461 文献标识码 A

Abstract Pomelo peel is the wastes from pomelo beverage processing. The sulfuric acid carbazole method for the determination of pectin was selected. After the ultrasonic assistant solvent method， the extraction conditions of pomelo peel were optimized by the response surface methodology（RSM）. The effects of ultrasonic pretreatment， extraction temperature， extraction time， and pH parameters on pectin efficacy of pomelo was studied based on the single factor test and RSM. Results showed that the optimal extracting conditions with a pectin yield of 26.8% were extraction time 88.7 min， extraction temperature 75.5 ℃， extraction liquid pH1.44.

Key words Pomelo pericarp； Extraction technology； Optimization； Response surface methodology

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.08.024

柚[Citrus grandis（L.）Osbeck]，属芸香科柑桔属，柚及其果汁加工在北美、欧洲各国和日本，深受追捧。柚黄酮具有很强的清除自由基的能力，能降低血脂水平，改善肝脏脂肪的积累，具有降血压、改善肥胖等功效。在动物实验中，黄酮能有效降低高脂膳食导致的脂质过氧化水平和慢性炎症反应[1-2]。柚皮中含果胶膳食纤维，大量的实验尤其来自流行病学的证明，膳食干预中多吃水果和蔬菜可以降低慢性病的发生率，对很多癌症、心血管病、中风等具有极强的预防作用。近年来，超声波作为前处理方式广泛用于水果加工，如苹果[3]、香蕉[4]、菠萝[5]、番石榴[6]、奇异果[7]等在超声波的作用下植物细胞穿透性加强，加快了传质萃取速率[8]，同时研究结果表明，超声协助有益于对多酚类物质的保持[9]。果胶的提取方法主要包括溶剂萃取法[10]、微波辅助提取法[11-12]、超高压提取法[13]、离子交换树脂法[14-15]、逆流萃取法[16]等等。梅州现有柚子种植面积约35 hm2，产量约50万t[17]。梅州以鲜果为主、凉果蜜饯等粗加工产品为辅，产品附加值不高。目前采用响应面法优化超声波辅助酸提金柚果胶的工艺，鲜有报道。因此，本文应用超声波辅助与酸提取相结合方法从金柚果皮中提取果胶，通过优化提取工艺，以开发性价比较高的果胶膳食纤维，提升果糕果馅等产品品质。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试材料与试剂金柚：购于广州市水果市场。柚皮的油泡层、白囊层与果肉分离后，白囊层用于热风干燥。浓硫酸、无水乙醇、浓盐酸等购自天津市富宇精细化工有限公司，均为分析纯。

1.1.2 主要仪器设备 UV-1800紫外分光光度计，岛津-GL消耗品销售公司；SB252-12DTP超声波，宁波新芝生物科技有限公司；ZD-2自动电位滴定仪；雷磁科学仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 加工工艺流程柚子皮原料→预处理→热风干燥（温度65 ℃）→粉碎→超声波提取→醇沉过滤离心→检测。

1.2.2 果胶的测定 “硫酸-咔唑法”：浓硫酸水解果胶，咔唑做为显色剂与水解物反应显紫红色。此紫色化合物的吸光度与半乳糖醛酸（GalA）含量成正比线性关系。

1.2.3 标准曲线的制作先配制0、10、30、50、

70、90 μg/mL不同浓度的半乳糖醛酸标准液，分别取1 mL于试管中，冰浴，加入6 mL浓硫酸，振荡均匀后立刻将试管放入85 ℃水浴里20 min，再使之冷却至室温。加入0.2 mL 0.1%咔唑-乙醇溶液，振荡，室温下静置2 h。以超纯水代替样品作为空白对照，于530 nm波长处测定吸光度，以质量浓度为横坐标（x），吸光度为纵坐标（y）绘制标准曲线。样液取1 mL，同上处理，以硫酸一咔唑法测量A530。用双蒸水做空白调零[4]。

1.2.4 提取率的测定及计算取25 mL比色管，用移液枪移入冰浴中加入6 mL浓硫酸，振荡均匀后立刻将试管放入85 ℃水浴里20 min，再使之冷却至室温。加入0.2 mL 0.1%咔唑-乙醇溶液，振荡，室温下静置2 h。

果胶提取率/%=半乳糖醛酸含量×100/柚白皮粉

1.2.5 提取工艺单因素试验设计在控制超声前处理、粉碎粒度等因素条件下，分别研究提取料液比（溶液为硫酸）、温度、提取时间和pH对柚皮提取工艺的影响，以提取率为目标考察指标。

（1）料液比。在提取pH为1.5、提取时间为80 min、提取温度为70 ℃的条件下，研究料液比为1 ∶ 10、1 ∶ 20、1 ∶ 30、1 ∶ 40、1 ∶ 50、1 ∶ 60（g/mL）时的半乳糖醛酸浓度，得出较佳的果胶提取率。

（2）酸提pH。在料液比为1 ∶ 30（g/mL）、提取时间为80min，提取温度为70 ℃的条件下，研究硫酸提pH为1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8时的半乳糖醛酸浓度，得出较佳的果胶提取率。

（3）提取时间。在提取pH为1.5、料液比为1 ∶ 30（g/mL）、提取温度为70 ℃的条件下，研究提取时间为20、40、60、80、100、120 min时的半乳糖醛酸浓度，得出较佳的果胶提取率。

（4）提取温度。在料液比为1 ∶ 30（g/mL）、提取pH为1.5、提取时间为80 min的条件下，研究提取温度为40、50、60、70、80、90 ℃时的半乳糖醛酸浓度，得出较佳的果胶提取率。

1.2.6 响应面试验根据单因素试验的结果，采用Design expert中的Box.Behnken试验设计方案排列进行试验，因素水平表设计如表1。以果胶提取率为目标指标，每组设定3个重复，考察果胶提取率的影响。

1.2.7 柚皮果胶果浆果馅添加贮藏实验粗提果胶液由部分柚皮粉超声协助优化的提取条件而得；部分柚皮果浆采用无锡赫普公司HOP-L5超细粉碎设备进行超细粉碎，破碎得到纤维果浆，其粉碎粒度至100目，将以上步骤所得的果浆在常压室温条件下浓缩处理，煮至可溶性固形物含量大于30%；然后加入配比砂糖、麦芽糖浆加热混合，再与配比变性淀粉、单甘酯、植物油混合炒制，充分加热均匀混合15～25 min，直至全部均匀成泥状，即得焙烤馅料制品，以10%、20%、30%、40%、50%添加到配比炒制馅料中，与未混入粗提果胶超粉果浆组比较。

2 结果与分析

2.1 单因素分析

2.1.1 半乳糖醛酸标准曲线得到线性方程：y=0.008 6x+0.007 1，R2=0.995。

2.1.2 料液比对果胶提取率的影响从图2可见，采用料液比较低的工艺，则工厂酸耗成本高，酸液设备占地大，综合考虑果胶提取率，最终选取料液比为1 ∶ 30（g/mL）。且在超声条件的单因素实验上及考虑超声可去柚皮苦味道及后续浓缩成本等，后续实验超声前处理条件选为：超声功率90 W，液料比1 ∶ 30（mL/g），超声时间10 min，柚皮粉碎粒度30目。

2.1.3 提取温度对果胶提取率的影响图3所示，在超声前处理、料液比、提取pH、提取时间固定，提取温度在40～90 ℃范围时，提取温度是影响传质速度的因素，提取温度越高，提取率越高。在提取温度小于70 ℃的范围内，半乳糖醛酸浓度的增长速度加快，当提取温度超过70 ℃以上时，提取率反而下降，提取温度的增加也会导致果胶产品率的降低。

2.1.4 提取时间对提取率的影响从图4可见，其他因素固定下，提取时间在20～120 min内，随着提取时间的延长，果胶产率先上升后缓慢下降，当提取时间达到80 min时，果胶提取率最高。

2.1.5 pH对提取率的影响溶液pH也直接影响果胶提取效果。由图5可知，随着pH的增大，果胶提取率先增加后降低，在pH为1.5时达到最高值，随后降低。

2.2 响应面试验结果[18-19]

在以上单因素试验结果的基础上，控制超声处理料液比1 ∶ 30（g/mL），超声功率90 W，时间10 min，粒度30目。根据Box-Behnke试验设计原理，以Y（果胶提取率）为目标响应值，A（提取温度）、B（提取时间）和C（提取液pH）等因素为自变量，设计三因素三水平响应面分析（见表1），由此建立果胶提取过程的预测模型，得到性价比高的果胶产出率。

由方差分析可知，模型项的p<0.01，说明果胶的提取率响应值与提取液pH、提取温度T和提取时间t回归方程的关系是极显著的：由R2=0.910可以看出，本模型的拟合度较高，可反映实际情况；理论上失拟项越小越好，此方差分析表中的失拟项p=0.050 4>0.05，说明所得回归方程与实际拟合中的误差为正常误差。由回归方程的系数检验表明，可以看出对果胶得率影响显著的是：A、AB、A2、B2、C2。

2.2.1 回归模型的建立本试验设计得出的半乳糖醛酸提取率Y与提取液pH（A），提取温度（B），提取时间（C）的回归方程为二次多元的，其方程式为：

Y=25.65-1.55A+0.49B-0.28C-1.42AB+0.098AC-

0.055BC-1.35A2-2.21B2-1.30C2

2.2.2 响应面分析由3D响应面图（图6～8）可以直观地反映提取温度、提取液pH、提取时间与响应值果胶得率的关系，固定其中2个变量为零水平，响应值随另两变量的改变而变化。回归系数p值的大小也显示两因素提取液pH及提取温度间交互作用显著（p<0.05）。由图6可知，提取温度与pH交互作用呈抛物线状有极值点，果胶提取率有最大值。由图7可以看出，提取时间与提取液pH交互作用对果胶提取率影响的3D图呈抛物线状，并且有极值点，果胶提取率有最大值。由图8可知，提取温度与时间交互作用对果胶产率Y的影响显示，在两因素的试验水平内找到果胶提取率极大值。通过软件Design Expert模拟得出酸法提取柚皮渣中果胶的优化工艺条件为pH=1.44，T=75.5 ℃，t=88.7 min，Y=28.56%，这为传统上利用酸法生产果胶膳食纤维，提高性价比提供了依据。

研究结果表明，超声前处理，增加了果实细胞壁的通透性[20]，破壁作用释放了果胶[21]。本研究中提取时间不可过长及温度不可过高，主要推测超声前处理及后续的酸易进一步产生果胶多糖主链的断裂，半乳糖的降解，导致降低果胶产率。由于结合实际操作过程来看控制在74 ℃左右比较合适，温度过高可能造成部分果胶降解影响品质，水分蒸发量也较大。这与先前对柑橘皮果胶的提取温度研究结果类似[22]。对模拟得到的优化条件进行重复验证试验，验证试验的平均值为26.76%。

2.2.3 果馅贮藏添加组与粗提果胶及超细粉碎都未加入的果馅组炒制后比较，膳食纤维有较强的持水性，果馅的霉变与其自由水有关，添加有助于果馅的保质期[23]及成型。综上添加10%超粉果浆对果馅的苦味影响不大，可添加柚皮渣生产膳食纤维作为焙烤食品果馅馅料。

3 讨论与结论

柚黄酮具有降血压、改善肥胖等功效；柚皮富含果胶膳食纤维，有必要对金柚资源进行综合利用。相较于溶剂萃取法、微波辅助提取法、超高压提取法、离子交换树脂法、逆流萃取法等适于实验室操作的提取方法，超声辅助酸化法，通过超声波前处理强化柚皮细胞穿透性，加快传质萃取速率，且有待进一步探讨超声协助有益于柚黄酮类物质的保持。

本实验采取超声辅助酸化法提取金柚果皮中果胶，得出最佳提取工艺条件，对超声前处理功率，柚皮粉碎粒度，液料比1 ∶ 30（mL/g）等因素进行控制，进一步优化提取条件，具体为：提取液pH1.44，提取温度（T）75.5 ℃，提取时间（t）88.7 min。该条件下从金柚果皮中提取果胶膳食纤维得率较高，果胶得率（Y）为26.8%。说明在果皮中提取果胶时，超声前处理提取比传统单一酸提法提高了果胶得率，这与文献报道一致[24]。

同时梅州金柚果深加工程度低下，亚临界提取梅州金柚精油外[17]，通过酸化法的工艺改进便于在梅州规模化推广应用。同时传统果馅需添加大量冬瓜蓉作为填充料，通过开发超细粉碎柚果浆作为填充料替代，为金柚资源综合利用提供新途径。

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