正交试验法优化酒石酸提取柑橘皮渣中水溶性膳食纤维的工艺条件

丁洁，王宁波，王爱霞，牛犇，高俊，梁宁，洪霞

(1.甘肃省商业科技研究所，甘肃 兰州 730020；2.甘肃省人民医院，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省商业科技研究所,甘肃省动物源性制品安全分析与检测技术重点实验室，甘肃 兰州 730020)



正交试验法优化酒石酸提取柑橘皮渣中水溶性膳食纤维的工艺条件

丁洁1，王宁波1，王爱霞2，牛犇1，高俊2，梁宁1，洪霞3

(1.甘肃省商业科技研究所，甘肃 兰州 730020；2.甘肃省人民医院，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省商业科技研究所,甘肃省动物源性制品安全分析与检测技术重点实验室，甘肃 兰州 730020)

【目的】 优化酒石酸提取柑橘皮渣中水溶性膳食纤维的工艺.【方法】 以柑橘皮渣为原料，水溶性膳食纤维得率为指标，在单因素试验基础上，采用正交试验设计法优化酒石酸提取柑橘皮渣中水溶性膳食纤维的工艺.【结果】 酒石酸提取柑橘皮渣中水溶性膳食纤维最佳提取工艺为酒石酸质量分数3%，料液比1∶20 (g∶mL)，浸泡时间120 min，加热回流时间120 min.【结论】 按优选工艺条件下水溶性膳食纤维得率为25.4%，验证试验证明结果稳定，具有生产应用价值.

正交试验；柑橘皮；酒石酸；水溶性膳食纤维

我国是柑橘类水果生产大国，每年产柑橘皮达40万吨，除少部分被作为药用陈皮外，大部分柑橘皮丢弃为垃圾.我国柑橘产地主要有浙江、福建、湖南、四川、广西、湖北、广东、江西、重庆.人们习惯用柑橘皮作为调料品或蜜饯休闲食品.柑橘皮中水溶性膳食纤维含量达30%以上[1]，膳食纤维(dietary Fiber，DF)是指不被人体消化吸收的多糖类碳水化合物与木质素的总称，是植物的可食部分或类似的碳水化合物，在人类的小肠中难易消化吸收，但在大肠中会全部发酵分解[2].根据其溶解性可分为水不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)和水溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)两大类.人们大量摄入膳食纤维可提高肠蠕动，预防结肠癌，营养学数据显示，我国中老年人每天通过各类食物只摄入9 g膳食纤维，营养学家推荐中老年人每天摄入20 g以上的膳食纤维，可预防便秘.柑橘皮中水溶性膳食纤维的提取，可提高废弃柑橘皮的附加值，对推动综合利用有限资源起到积极意义.SDF提取方法主要有发酵法，酶解法和化学分离方法[3].发酵法安全、成本低，但对菌种要求比较高[4]；酶解法消耗低、无污染，但成本高、可控性差[5]；化学法主要是利用酸、碱等提取膳食纤维[6]，制备成本较低，在工业上广泛使用.目前采用酸法提取柑橘皮渣SDF的酸主要有盐酸、磷酸、硝酸和冰乙酸等，但这些酸提取水溶性膳食纤维得率不高，且影响其功能性应用，SDF多用于食品，无机酸后续处理需要成本.而酒石酸本身是一种食品添加剂，可有效弥补上述无机酸的不足.目前尚未见到酒石酸提取柑橘皮渣SDF的相关报道.本文以柑橘皮渣为原料，考察酒石酸质量分数、料液比、浸泡时间、回流时间等因素对柑橘皮渣SDF提取率的影响，再运用正交试验法优化酒石酸提取柑橘皮渣SDF的工艺，旨在为开发利用柑橘皮渣中SDF提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

1.1.1 试验材料 柑橘皮(购自兰州市水果市场剥皮、烘干、粉碎)、纯水(自制，pH值6.82，电导率15 μs/cm(27 ℃))、酒石酸(北京化工厂，批号830905)、95%乙醇(利安隆博华(天津)医药化学有限公司，批号20150601).

1.1.2 试验仪器 RE-52A旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂)；XS225A型电子分析天平(普利塞斯，瑞士)；优普UPT-I-20L落地式纯水机(四川优普超纯科技).

1.2 试验方法

1.2.1 柑橘皮SDF提取 将柑橘皮粉碎，过40目筛备用.称取20 g柑橘皮粉于1 000 mL圆底烧瓶中，加入一定质浓度的酒石酸溶液，浸泡，加热回流，过滤、浓缩.浓缩液以4倍体积的95%乙醇沉淀，过滤.恒质量滤渣，计算提取率.

1.2.2 柑橘皮SDF提取单因素试验 固定酒石酸质量分数3%，柑橘皮粉酒石酸料液比1∶16(g∶mL)、浸泡30 min、加热回流60 min的情况下，改变其中1个因素，酒石酸质量分数(g/mL) 1%、2%、3%、4%、5%；料液比1∶8、1∶12、1∶16、1∶20，1∶24 (g∶mL)；浸泡时间30、60、90、120、150 min；加热回流时间30、60、90、120、150 min；进行单因素试验，以提取率为指标，择优参数[7].

1.2.3 正交试验设计 在单因素试验基础上，依据单因素试验结果设置水平，以酒石酸质量分数、料液比、浸泡时间、回流时间4个因素的3个水平设计正交试验L9(34)优化酒石酸提取柑橘皮渣SDF工艺.

表1 正交试验因素水平

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果及分析

2.1.1 酒石酸质量分数对SDF提取率影响 图1结果显示，其他条件不变时，SDF提取率随酒石酸质量分数增加呈先增后降趋势；酒石酸质量分数3%时，SDF提取率最大.原果胶在酸性条件下加热水解而变成水溶性果胶，使SDF提取率增加.酒石酸质量分数较小时，SDF提取不充分；当酒石酸质量分数过大时，柑橘皮渣中一些其他成分将阻碍SDF析出，由于酸度过大时，柑橘皮内的蛋白质变性凝固，包埋水溶性膳食纤维，导致SDF提取率下降且差异显著.因此选择2%～4%质量分数的酒石酸为正交试验因素水平.

图1 酒石酸质量分数对水溶性膳食纤维>提取率的影响Fig.1 Effect of the mass fraction of tartaric acid on SDF yield

2.1.2 料液比对SDF提取率的影响 图2结果显示，尽管随着料液比提高SDF提取率而增加，差异显著.试验对比显示，料液比<1∶12 (g∶mL)时.由于柑橘皮粉末在水中溶胀，容易出现糊底现象，对SDF的含量和品质都有影响.当料液比从1∶16 (g∶mL)提高至1∶20 (g∶mL)，SDF得率大幅提高，说明SDF由柑橘皮渣向提取液扩散速率变快，溶解量增大.而当料液比继续增加，水溶性膳食纤维提取率变化不大，料液比超过1∶20 (g∶mL)得率基本不变，说明料液比增大到一定程度，溶解速率达到平衡.因此式验选择1∶16～1∶24 (g∶mL)为料液比的正交试验因素水平.

图2 料液比对水溶性膳食纤维的影响Fig.2 Effect of material-to-liquid on SDF yield

2.1.3 浸泡时间对SDF得率影响 由图3看出，SDF提取率随着浸泡时间的增长呈上升趋势，但增长趋势缓慢，差异不显著浸泡超过60 min提取率基本不变.由此可知通过浸泡有利于SDF的溶出，但浸泡时间使SDF浸出能力有限，浸泡时间>90 min时，柑橘皮粉末充分溶胀，通过浸泡的溶解物质达到饱和，不再溶出.综合试验效率因素，选择浸泡时间60～120 min为浸泡时间的正交试验因素水平.

图3 浸泡时间对水溶性膳食纤维提取率的影响Fig.3 Effect of soak time on SDF yield

2.1.4 回流时间对SDF提取率的影响 由图4看出，随着加热回流时间延长，SDF得率呈上升趋势，在60～90 min内SDF得率增加较快，且差异显著，超过120 minSDF得率不再上升，说明120 min左右SDF提取完全.随着回流时间加长，部分多糖被酸水解不能被乙醇沉淀，所以SDF提取率有所下降.因此试验选择90～150 min为加热回流时间的正交试验因素水平.

图4 加热回流时间对水溶性膳食纤维得率的影响Fig.4 Effect of heating reflux time on SDF yield

2.2 正交试验结果分析

根据单因素试验结果，选择4个影响因素的3个水平设计正交试验L9(34)优化酒石酸提取柑橘皮渣SDF工艺，正交试验因素表见表1.考察指标为SDF提取率，正交试验结果与分析见表2，方差分析见表3.

从表3结果可见，酒石酸水解提取柑橘皮SDF的影响因素中，酒石酸质量分数的影响极显著，料液比影响显著，回流和浸泡时间次之，影响不显著.由于表2正交试验中得出最佳提取条件为:A2B2C3D2；而极差分析结果中得出的最佳工艺方案是A2B2C3D3；二者不一致，通过验证试验比较，即酒石酸质量分数3%，料液比1∶20，浸泡时间120 min，提取时间150 min条件下进行提取实验，计算水溶性膳食纤维提取率，重复6次，提取率为25.4%，RSD=1.57%(n=6).由此可知，在极差分析结果中得出的最佳提取条件和表2正交试验中得出的最佳提取条件提取率差异不大，综合成本因素，得出最佳提取条件为:A2B2C3D2，即酒石酸质量分数3%，料液比1∶20，浸泡时间120 min，提取时间120 min.

表2 正交试验结果

表3 方差分析结果

F0.05(2，2)=19.00，F0.01(2，2)=99.00

3 讨论

有关于酸碱法提取水溶性膳食纤维的研究由来已久[8-10].SDF比IDF具有更强的生理功能而成为研究报道的热点[11]，可作为预防、减轻症状、辅助治疗心血管等疾病的功能性食品[12]以及食品添加剂[13].SDF因其生理活性较强，具有明显的保健作用，可作为各种食品的添加剂以及用于生产保健食品.柑橘皮渣中含有大量的活性成分，如类柠檬苦素、类黄酮、多酚类物质、香豆素等.经过干燥处理后膳食纤维的含水量和微生物群系都可以达到贮藏水平，得到的柑橘膳食纤维产品为白色、浅黄色、橙色等，无粗糙感，入口后感觉细腻，带有柑橘特有的香味.综合上述分析，柑橘果渣作为膳食纤维加工原料，产品原料和品质上将具有竞争优势.生产得到的膳食纤维可以作为营养强化剂添加到焙烤、肉制品、饮料食品中，满足人们对膳食纤维摄入需求的同时提高产品的附加值，柑橘膳食纤维具有广阔的开发应用前景.

本试验以柑橘皮渣为材料，运用机械和化学相结合的方法，提取其中的SDF，为柑桔副产物的加工利用，提高柑橘皮渣附加值，节能减排，提供一定的技术依据.本试验选用作为食品添加剂的酒石酸，提高了SDF的食用安全性.

通过单因素和正交试验，确定采用酒石酸水解提取柑橘皮中SDF的最佳工艺参数为酒石酸质量分数3%、料液比1∶20，浸泡时间120 min，回流时间120 min.在此条件下，柑橘皮中SDF提取率达25.4%，可为回收柑橘类皮工业化生产水溶性膳食纤维，综合利用柑橘类水果产业资源，增加产品多元化，高附加值化提供参考.

[1] 曾祥燕,赵良忠.桔子皮渣水溶性膳食纤维提取工艺的优化[J].食品与机械,2012,28(1):193-196

[2] 魏红,徐宏伟,钟红舰，等.膳食纤维的应用及检测方法[J].海峡预防医学杂志，2004,10(2):25-27

[3] Figuerola F，Hurtado M L,Estévez A M,et al.Fiber concentrates from apple pomace and citrus peel as potential fiber sources for good enrichment[J].Food Chemistry，2005(91):395-401

[4] 李红霞,吕敬军,陆丰升，等.黑曲霉固态发酵花生壳提取水溶性膳食纤维[J].食品科学，2010,31(19)：277-282

[5] 金毓峑,李兆辉,李坚，等.酶法制取水溶性膳食纤维的实验研究[J].北京工业大学学报，2004,30(1):45-48

[6] 李露,关健,薛淑静，等.微波法提取南瓜水溶性膳食纤维及功能特性的研究[J].食品科技，2011,39(3):176-180[7] 宋勇强,贠建民,安志刚,等.基于正交设计与人工神经网络模型的醋酸菌A3菌株醋酸发酵条件优化[J].食品工业科技,2013,34(5):142-150

[8] Schneeman B O.Dietary Fiber:physical and chemical properties,methods of analysis，and physiological effects[J].Food Technology，1986(2):104-110

[9] Tungland B C.Meyer D.Nondigestible oligo and polysaccharides (Dietary Fiber):their physiology and role in human health and food[J].Food Science And Food Safety，2002,1(13):90-109

[10] Fouad A H,Amin I,Azizah A H，et al.Characterization of fiber-rich powder and anti-oxidant capacity of Mangiferapajang Kort fruit peels[J].Food Chemistm,2011,126(1):283-288

[11] 彭娅,彭荣,殷钟意，等.柑橘皮渣水溶性膳食纤维的柠檬酸提取工艺优化[J].食品工业科技，2015,36(2):243-247

[12] 于丽娜,杨庆利,毕洁，等.花生壳水溶性膳食纤维提取工艺的研究[J].现代化工,2008 ,28 (2):324-327

[13] 付全意,刘冬,李坚斌，等.膳食纤维提取方法的研究进展[J].食品科技，2008(2):225-227

(责任编辑 李辛)

Process optimization for extraction of soluble dietary fiber from citrus peel with tartaric acid by orthogonal test

DING Jie1,WANG Ning-bo1,WANG Ai-xia2,NIU Ben1,GAO Jun2,LIANG Ning1,HONG Xia3

(1.Commercial Technology Institute of Gansu Province,Lanzhou 730020,China；2.The People's Hospital of Gansu Province, Lanzhou 730000,China;3.Key Laboratory of Animal products safety analysis and detection technology of Gansu Province,Commercial Technology Institute of Gansu Province，Lanzhou 730020,China)

【Objective】 To optimize the process for extraction of water-soluble dietary fiber from citrus peel residue with tartaric acid.【Method】 Citrus residues was treated with tartaric acid to extract soluble dietary fiber(SDF) and the yield of soluble dietary fiber was used as an indicator and the orthogonal experiment was carried out to optimize the extraction process of soluble dietary fiber based on the single -factor experiments.【Result】 The optimal extraction parameters were found as follows: mass fraction of tartaric acid was 3.38%,the ratio of material-to-liquid was 1∶20 (g∶mL),soak time was 120 min and heating reflux time was 120 min.【Conclusion】 Under the optimized conditions,the actual yield of soluble dietary fiber was 25.4% and it was verified to be stable with production value.

orthogonal experiment；citrus residues；tartaric acid；water-soluble dietary fiber

丁洁(1986-)，女，工程师，硕士，主要从事天然产物的研究与开发工作.E-mail：dingjie860118@163.com

牛犇，男，高级工程师，主要从事天然产物的研究与开发工作.E-mail：lzniuben@163.com

甘肃省科技厅科技开发项目(144FKCA063)；甘肃省重点实验室建设计划项目(1309RTSA025).

2015-09-17；

2015-10-12

TS 202.3

A

1003-4315(2016)05-0137-04