微波辅助提取核桃青皮果胶的工艺优化

洪晶阳，李琼，王威，李焕荣

（新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐830052）

微波辅助提取核桃青皮果胶的工艺优化

洪晶阳，李琼，王威，李焕荣*

（新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐830052）

以核桃青皮为原料，采用微波辅助水浴提取核桃青皮果胶并对提取工艺进行优化。在单因素试验的基础上，确定微波温度、微波功率、液料pH值3个因素为自变量，以果胶得率为响应值进行Box-Benhnken试验设计，研究自变量与响应值之间的关系，建立并分析各因素与指标的数学模型，以确立核桃青皮果胶的最佳提取工艺。结果表明：微波辅助提取核桃青皮果胶的最佳工艺条件为微波温度56℃，微波功率540 W，提取液料pH为3.5，此条件下的果胶得率的理论值为90.117 4 mg/g，实际测得的果胶得率为89.769 4 mg/g，与模型分析的理论值之间的相对误差为0.39%＜0.5%，说明优化后得出的回归方程具有一定的实践指导意义；微波辅助法与传统的酸法水浴相比核桃青皮果胶得率提高11.56%。

核桃青皮；微波辅助；提取；果胶；响应面

核桃系胡桃科核桃属植物，属新疆特色林果。核桃青皮（walnut green husk）又称胡桃青皮[1]，是核桃成熟初期外面包裹的一层绿色果皮，其性辛、苦、涩、有毒、微寒[2]，含有大量的没食子酸、胡桃醌、鞣质、α-氢化胡桃醌-4-葡萄糖苷、胡桃醌生物碱、果胶类物质等活性成分[3]，具有一定的药用价值[4]。核桃在新疆的栽培历史已逾两千多年，2013年，全疆核桃种植面积达到321.65×103hm2[5]。刚成熟的新鲜核桃中，核桃青皮的质量占核桃总重量的67%。核桃青皮一般被当做废弃物处理，堆积在田间地头，不仅影响美观而且污染环境[6]。

果胶广泛存在于绿色植物的细胞壁和内壁中，为内部细胞的支撑物质，直接影响植物组织的完整性和坚实度[7]。果胶是食品工业中常用的食品添加剂，它是一种复杂的多糖，功能多样，应用广泛[8-9]。国内外的学者们关于果胶提取的研究层出不穷[10-12]，但目前少有从核桃青皮中提取果胶的相关研究报道。本文以干制之后的核桃青皮粉末为原料，利用微波辅助提取果胶，并利用响应面法对提取条件进行优化，获得最佳提取工艺参数，以期为核桃青皮的综合利用提供理论依据与技术支撑，以实现延长产业链及废物利用减少环境污染的目的。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

核桃青皮：收集于2015年9月乌鲁木齐市北园春干鲜果市场，经干制后粉碎密封保存；浓盐酸、浓硫酸、咔唑、乙醇、半乳糖醛酸均为分析纯。

AL204-IC型电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；SB-2000型数控恒温水浴锅：上海爱朗仪器有限公司；TU-1810紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；AnkeLXJ-IIB离心机：上海安亭科学仪器厂；SHB-III循环水式多用真空泵：郑州长城科工贸有限公司；MCR-3型微波化学反应器：上海恬恒仪器有限公司；LE438系列pH电极：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；高速万能粉碎机FW-100：北京市永光明医疗仪器厂；电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 果胶含量的测定：咔唑-乙醇比色法

半乳糖醛酸标准曲线的绘制：取6只试管编号，按表1依次加入各试剂，再依次加入0.2 mL 0.15%咔唑-乙醇溶液，产生白色絮状沉淀，不断摇动试管。再依次加入6mL浓硫酸，立即放入85℃水浴加热10min，取出冷却后在波长530 nm处测定吸光值[13-14]。以吸光度为纵坐标，半乳糖醛酸量（μg）为横坐标，绘制标准曲线。

表1 绘制乳糖醛酸标准曲线各试剂加入量Table 1 The amount of each reagent for drawing lactobionic acid standard curve

以半乳糖醛酸浓度为X轴、吸光度为Y轴建立的标准曲线，得到标准曲线方程为Y=0.007X-0.002 8，R2=0.999 2。

1.2.2 果胶得率的测定

经微波辅助提取后的样品液在3 500 r/min转速下离心15 min，抽滤之后转移到200 mL容量瓶中，定容。准确移取2.5 mL，稀释20倍。再准确移取1 mL溶液至试管内，按照标曲的方法加入各试剂，进行果胶浓度的测定，然后计算样品中果胶的得率[15]。计算方程为：

式中：C为根据标准曲线测得的样品中果胶的质量浓度，μg/mL；N为稀释倍数；V为提取液总体积，mL；m 为样品质量，g。

1.2.3 不同干制方法对核桃青皮果胶得率的影响

新鲜核桃青皮，经过不同的温度和干制方式（室温25℃下自然干制、40、50、60、70、80℃、微波灭酶5min/60℃）干燥，按照1.2.2的方法测定不同干制温度和干制方式下核桃青皮果胶的得率。

1.2.4 不同颗粒度大小核桃青皮果胶得率的影响

将自然干制的核桃青皮粉碎，分别过20、40、60、80目筛，按照1.2.2方法测定不同颗粒度大小的核桃青皮果胶的得率。

1.2.5 单因素试验

以微波温度、微波时间、微波功率、液料比、液料pH等因素进行单因素试验，以研究各因素对核桃青皮果胶得率的影响，通过单因素筛选出对果胶得率影响较为显著的3个因素，以果胶得率为响应值进行Boxbehnken试验，确定最佳工艺参数，单因素表见表2。

表2 显著单因素表Table 2 Significant single factor table

2 结果与分析

2.1 不同干制方法对核桃青皮果胶得率的影响

不同干制方式对核桃青皮果胶得率的影响见图1。

图1 不同干制方式对核桃青皮果胶得率的影响Fig.1 Effect of drying methods on pectin yield

由图1可以看出热风温度为60℃时，核桃青皮果胶的得率最高。其次是80℃热风干燥，原因是较高的温度可以钝化果胶酶的活性，可以防止果胶的酶降解，但是温度过高也可能使果胶分子发生热降解，得率下降。采用微波灭酶时，虽然微波产生的热太低而不能够打断主要的化学结构[16]，但是微波辐能够使得大分子的三级、四级结构发生极化，引起氢键断裂而引起果胶的得率下降。因此核桃青皮的干燥方式应选择热风干燥，温度在60℃左右为宜。

2.2 不同颗粒度大小对核桃青皮果胶得率的影响

不同颗粒度大小对核桃青皮果胶得率的影响见图2。

图2 不同颗粒度大小对核桃青皮果胶得率的影响Fig.2 Effect of particle sizes on pectin yield

随着过筛目数的增大，核桃青皮果胶的得率呈上升趋势，这是由于过筛目数增大，核桃青皮粉末的颗粒度就越小，与提取液的接触面积增大，所以得率越高。过20目筛时得率为71.10 mg/g，过80目筛时果胶的得率提高到84.09 mg/g，因此过筛目数选择80目。

2.3 单因素试验结果与分析

在单因素试验的基础上，确定最佳液料比为30∶1 mL/g，最佳提取微波时间为15 min，并筛选出对果胶得率影响较为显著的3个因素，分别是微波温度、料液pH值和微波功率。

2.3.1 微波温度对核桃青皮果胶得率的影响

微波温度对核桃青皮果胶得率的影响见图3。

图3 微波温度对核桃青皮果胶得率的影响Fig.3 Effect of microwave temperature on pectin yield

微波温度在50℃以下时，果胶得率较低，此时升高温度有利于果胶得率的提高，温度继续升高，果胶得率呈现下降趋势，高于60℃时降幅明显，高温不利于果胶分子的稳定，所以继续升高温度果胶得率反而下降。因此可以推出微波辅助提取核桃青皮果胶的温度在50℃左右。

2.3.2 微波功率对核桃青皮果胶得率的影响

微波功率对核桃青皮果胶得率的影响见图4。

由图4可知，当微波功率＜450 W时，果胶的得率随着功率的增大而提高，当微波功率＞450 W时，果胶得率随着功率的增大而降低。可能的原因是，微波功率较低时，核桃青皮粉末中的原果胶水解不完全，随着微波功率的增大，原果胶不断水解为可溶性果胶，微波功率过高就会使果胶裂解为多糖分子或者脱脂降级从而降低了果胶得率。因此选择微波功率为450W。

图4 微波功率对核桃青皮果胶得率的影响Fig.4 Effect of microwave power on pectin yield

2.3.3 液料pH值对核桃青皮果胶得率的影响

提取液pH值对核桃青皮果胶得率的影响见图5。

图5 提取液pH值对核桃青皮果胶得率的影响Fig.5 Effects of extraction solution pH on the yield of pectin

由图5可知，随着液料pH值的增大，果胶得率呈现先升高后降低的趋势。核桃青皮果胶的得率在pH=3时最高。pH值的大小和盐酸浓度有关系，说明H+浓度过高过低都会抑制果胶的提取，因此将提取液的pH调为3最适宜。

在以上单因素试验基础上，以微波温度、微波功率、液料pH值为自变量，以果胶得率为响应值进行Box-behnken试验。

表3 响应面因素水平编码表Table 3 Response surface factor level code table

2.4 响应面结果分析

根据单因素试验结果设计的Box-benhnken试验结果见表4，响应面二次模型的方差分析见表5。

表4 Box-Benhnken试验设计结果Table 4 Box-Benhnken experiment design result

表5 响应面二次模型的方差分析Table 5 Analysis of variance of the response surface quadratic model

通过回归分析，得到果胶得率的三元二次回归方程：果胶得率=86.95+3.22×A+3.05×B+0.71×C+3.24×AB+3.34×AC+2.74×BC-6.47×A2-2.69×B2-5.89×C2

由表5可知，回归模型的F值为15.75（p<0.01），说明所建模型极显著，模型的相关系数R2=0.952 9，模型失拟项p=0.122 3＞0.05不显著，说明该回归方程与试验的拟合度较高。其中，微波温度、微波功率、微波温度的二次项、液料pH值的二次项为极显著统计水平，微波温度、微波功率以及液料pH值之间的的交互作用为显著统计水平。根据回归方程的一次项自变量系数可知，各单因素对果胶得率的影响大小顺序为A（微波温度）＞B（微波功率）＞C（液料pH值）。由此可知，各因素对果胶得率的影响不是呈简单的线性关系，它们之间是有交互作用的。各因素交互作用的影响见图6～图8。曲面的弯曲程度表示两因素之间的相互作用的显著程度。

图6 微波功率和微波温度的交互作用响应曲面及等高线Fig.6 Interaction of the response surface and contour between microwave power and microwave temperatre

图7 液料pH值和微波温度的交互作用响应曲面及等高线Fig.7 Interaction of the response surface and contour between pH and microwave temperatre

图8 液料pH值和微波功率的交互作用响应曲面及等高线Fig.8 Interaction of the response surface and contour between pH and microware power

在选取的各因素范围内，利用Design Expert8.0.5.b软件进行分析，得出微波辅助水浴提取核桃青皮果胶的最佳工艺条件为：微波温度为56.21℃、微波功率为540 W、液料pH值为3.47。在此条件下，果胶得率的理论值90.117 4 mg/g。为检验所得结果的可靠性，采用上述优化条件进行果胶的提取，考虑到实际操作的可能性和方便性，把工艺条件调整为：微波温度56℃，微波功率540 W，液料pH 3.5。实际测得果得率为89.769 4 mg/g，与模型的理论值相差0.39%，说明该模型与实际情况比较吻合，具有良好的可行性。

3 结论

通过响应面法试验，建立了微波辅助核桃青皮果胶的得率与影响因素之间的模型关系，并最终确立微波辅助提取核桃青皮果胶的最佳工艺条件为：微波温度56℃，微波功率540 W，液料pH 3.5，此条件下的果胶得率可达到89.769 4 mg/g。并对传统酸法水浴提取和微波辅助提取两种方式进行对比，结果表明微波辅助提取方式比酸法水浴提取的方法更高效，是提取核桃青皮果胶的有效方法，具有更广阔的发展前景。

[1]张旭,曹丽娟,赵庆宇靖,等.核桃青皮渣中多酚的超声提取工艺研究[J].食品科技,2016,41(3):218-222

[2]李杰,赵声兰,陈朝银.核桃青皮果蔬酵素的成分组成及体外抗氧化活性研究[J].食品工业科技,2016,37(10):117-122

[3]魏佳,马晓芬,阿塔吾拉·铁木尔,等.核桃青皮提取液与壳聚糖复合物对甜瓜采后品质的影响[J].食品科学,2016,37(4):242-248

[4]仲军梅,刘玉梅.核桃青皮的开发利用研究进展[J].食品工业科技,2014,35(19):396-400

[5]任欢.新疆核桃生产发展优势及竞争力研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2015:1-2

[6]潘富赟,张培正.核桃青皮的综合应用及开发前景[J].中国食物与营养,2010(12):21-24

[7]刘文,董赛丽,梁金亚.果胶的性质、功能及其应用[J].三门峡职业技术学院学报,2008,7(2):118-124

[8]谢明勇,李精,聂少平.果胶研究与应用进展[J].中国食品学报,2013,13(8):1-14

[9]张雪娇,刘春叶,杨莉宁.果胶含量测定方法研究现状[J].应用化工,2015,44(4):729-731,735

[10]Cibele Freitas Olivera,Diego Giordani,Poliana Deyse Gurak,et al.Extraction of pectin from passion fruit peel using moderate electric field and conventional heating extraction methods[J].Innovation Food Science and Emerging Technologies,2015,29:201-208

[11]Oni Yuliarti,Lara Matia-merino,Kelvin K T Goh,et al.Characterization of gold kiwifruit pectin from fruit of different maturities and extraction methods[J].Food Chemistry,2015,166:479-485

[12]Wenjun Wang,Xiaobin Ma,Yuting Xu.Ultrasound-assisted heating extraction of pectin grapefruit peel:optimization and comparison with the conventional method[J].Food Chemistry,2015,178:106-114

[13]曹健康,姜微波,赵玉梅.果蔬菜后生理生化试验指导[M].北京:中国轻工业出版社,2007:79-80

[14]于宁.干制工艺对哈密大枣品质的影响[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2014:13-15

[15]朱霞,李焕荣,罗游.Folin-Ciocalteu比色法测定核桃青皮中多酚含量条件的优化[J].食品与机械,2014,30(4):122-125

[16]吴双双.微波和高速剪切诱导果胶降解的研究[D].南昌:南昌大学,2014:29-47

Microwave-assisted Extraction of Walnut Green Husk Pectin Process Optimization

HONG Jing-yang，LI Qiong，WANG Wei，LI Huan-rong*
（Institute of Food Science and Pharmacy，Xinjiang Agriculture University，Urumqi 830052，Xinjiang，China）

Walnut green husk was taken as raw material.Microwave assisted extraction of pectin from walnut peel and the extraction process was optimized.On the basis of single factor test，the 3 factors of microwave temperature，microwave power and pH value of liquid are determined as independent variables.The Box-Benhnken experimental design was carried out with the response value of pectin yield，and the relationship between the independent variable and the response value was studied.To establish and analyze the mathematical model of the factors and indicators，to establish the optimum extraction technology of pectin from walnut peel.The results showed that the optimum conditions of microwave assisted extraction of pectin from walnut peel for microwave temperature 56℃，microwave power 540 W，extraction liquid for pH 3.5.The theoretical value of the yield of pectin under this condition was 90.117 4 mg/g，The actual yield of pectin was 89.769 4 mg/g.The relative error between the theoretical values of the model analysis was 0.39%<0.5%.It shows that the regression equation obtained after optimization has some practical guiding significance.Acid water bath microwave assisted method compared with the traditional walnut peel pectin yield increased to 11.56%.

walnut green husk；microwave-assisted；extraction；pectin；response surface

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.008

洪晶阳（1991—），女（回），硕士，研究方向：农产品深加工。

*通信作者

2017-02-17