籽瓜瓜皮果胶提取方法的优化与评价

代彩玲，王 萍 ，王 静，王丰丰，李书颉

(1.内蒙古农业大学农学院 呼和浩特 010019； 2.通辽市经济作物工作站 内蒙古通辽 028000)

果胶（pectin）是一类杂多糖物质，广泛存在于植物细胞壁中[1]，作为稳定剂与胶凝剂被广泛应用于食品添加剂和化妆品当中[2-3]，且有研究表明果胶在医疗保健方面有抗癌和抗菌的作用[4-5]。随着果胶的结构与功能逐渐明确，其应用前景更加精细化与具体化，同时也引起更多科研工作者对果胶的研究[6]。果胶提取原料有限，目前广泛应用的商业化果胶提取原料为苹果皮与柑橘皮[2]。我国虽然果胶资源丰富，但利用率较低，造成了严重的资源浪费与经济损失[7]。

籽瓜瓜皮中含10%～20%的果胶[8]，是优质的果胶资源。我国为籽瓜主产区，种植面积与产出量均居世界首位[9]，其中内蒙古是籽瓜种植较大的省份[10]，且种植面积在不断的扩大[11]。但是目前占籽瓜总质量40%～45%的籽瓜瓜皮处理方式普遍以丢弃为主，不仅造成了资源浪费，同时造成了环境污染，引起农田瓜病虫害[12]。有报道指出籽瓜瓜皮中果胶利用与提取是解决瓜皮废弃问题的主要途径之一[13-14]。因此，深入研究籽瓜瓜皮的综合利用价值具有广阔的前景[15]。

目前籽瓜果胶提取研究多集中于甘肃、新疆、河北等地区籽瓜品种的单一提取方法的优化，如朱春丽等[16]、安仕豪等[17]优化了新疆地区籽瓜超声波法提取籽瓜皮果胶的工艺。刘金郎等[18]采用酸提醇析法对甘肃籽瓜皮果胶提取及脱色工艺进行优化。笔者首次采用2种提取方法对内蒙古地区代表性籽瓜品种的果胶进行提取并对提取率进行比较分析，以期得到适合内蒙古地区籽瓜瓜皮果胶提取的最佳方法及其最佳工艺，为内蒙古地区籽瓜果胶提取提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

籽用西瓜品种选择‘内蒙古黑中片’（采种自种质来源地），营养钵育苗，2017年5月定植于内蒙古农业大学科技园区实验基地，采用露地栽培管理，双蔓整枝，1蔓1瓜，人工套袋授粉，于2017年9月收获，取瓜皮为试验材料[19]。

1.2 方法

1.2.1 原料预处理 取新鲜籽瓜皮，洗净切碎，在95℃水浴锅中加热5 min灭酶，于45℃鼓风干燥箱中干燥24 h，将干燥后的瓜皮用万能粉碎机粉碎至40目（0.425 mm）。

1.2.2 传统酸解法试验步骤 称取籽瓜皮粉10 g，按照1∶30～1∶60的料液比与蒸馏水混合，然后用酸调节溶液pH值至1.0～2.5，然后在85～95℃水浴条件下加热 90～180 min，搅拌萃取，用抽滤装置过滤，得到含有果胶的滤液。滤液用离心机以转速3 000 r·min-1离心 15 min，取上清液，旋转蒸发至原体积的1/3，用无水乙醇（≥99.7%）沉淀2 h，过滤后继续用无水乙醇洗涤沉淀2～3次，将得到的果胶于45℃鼓风干燥箱中干燥14 h，取出称质量，计算果胶得率。

1.2.3 微波辅助法试验步骤 称取籽瓜皮粉10 g，与蒸馏水按1∶30～1∶60的料液比混合，然后用酸调节溶液pH值于1.0～2.5，将混合溶液微波加热4～7 min，功率为500～700 W，然后进行过滤，收集滤液，以3 000 r·min-1转速离心15 min，取上清液旋转蒸发至原体积的1/3，用无水乙醇沉淀2 h，过滤后将沉淀继续用无水乙醇洗涤2～3次，将得到的果胶置于45℃鼓风干燥箱中干燥14 h，然后称质量，计算果胶得率。

1.2.4 萃取剂的选择 保持其他条件相同，萃取温度为90℃，pH值为2.0，萃取时间为2 h，料液比1∶15，在 HCl、H2SO3、H2SO4、H3PO4和 HNO3中筛选出高果胶得率萃取剂。

1.2.5 传统酸解法单因素试验 a、pH对果胶得率的影响：萃取温度为90℃，萃取时间为2 h，料液比1∶15，以 H2SO4为萃取剂，在 pH 为 1.0、1.5、2.0、2.5梯度下筛选出高果胶得率pH值。b、料液比对果胶得率的影响：萃取温度为90℃，萃取时间为2 h，调节溶液为a中高果胶得率pH值，在料液比为1∶30、1∶40、1∶50、1∶60 梯度条件下筛选出高果胶得率料液比。c、萃取时间对果胶得率的影响：萃取温度为90℃，用H2SO4调节pH为a中筛选出的最佳值，料液比为b中筛选的最佳值，比较萃取时间为90、120、150、180 min下的果胶得率，从而筛选出最佳萃取时间。d、萃取温度对果胶得率的影响：H2SO4萃取剂，pH为a中筛选出的最佳值，料液比为b中筛选的最佳值，萃取时间为c中筛选出的最佳值，比较萃取温度为80、85、90、95℃下的果胶得率，从而筛选出最佳萃取温度。

1.2.6 传统酸解法正交试验 通过单因素试验，选择 H2SO4为萃取剂，对萃取温度（A）、pH 值（B）、萃取时间（C）、料液比（D）采用 L9（34）正交设计[20]，从而进一步优化籽瓜皮果胶提取工艺，试验因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平

1.2.7 微波辅助法单因素试验 a、pH对果胶得率的影响：料液比为1∶40，微波时间为6 min，微波功率为 600 W，筛选 pH 为 1.0、1.5、2.0、2.5梯度下高果胶得率pH值。b、料液比对果胶得率的影响：微波时间为6 min，微波功率为600 W，pH为a中筛选出的最佳值，比较料液比为 1∶30、1∶40、1∶50、1∶60梯度下果胶得率，从而确定最佳料液比。c、微波时间对果胶得率的影响：微波功率为600 W，pH为a中筛选出的最佳值，料液比为b中筛选出的最佳比值，比较微波时间为4、5、6、7 min条件下果胶得率，从而确定最佳微波时间。d、微波功率对果胶得率的影响：pH为a中筛选出的最佳值，料液比为b中筛选出的最佳比值，微波时间为c中筛选出的最佳值，比较微波功率为500、600、700 W条件下果胶得率，从而确定最佳微波功率。

1.2.8 微波辅助法正交试验 在前期试验基础上，选择以H2SO4为萃取剂，对料液比（A）、微波功率（B）、微波时间（C）、pH 值（D）采用 L9（34）正交设计，从而进一步优化籽瓜皮果胶提取工艺，试验因素水平见表2。

表2 正交试验因素水平

2 结果与分析

2.1 最佳萃取剂的选择

由表3可知，保持相同的提取条件时，选用不同萃取剂，所得果胶得率差异显著，比较而言，以H2SO4为萃取剂的果胶得率最高，这可能是因为籽瓜皮厚度更大、硬度更强，H2SO4可以更好的起到软化瓜皮作用，而且可以有效促进原果胶溶解为可溶性果胶。其他酸液提取率低的原因各不相同，盐酸可能由于挥发性强，在萃取过程中如果不补充盐酸，溶液酸性会越来越弱，不利于果胶溶解。而硝酸本身对果胶的溶解性较差，亚硫酸提取籽瓜皮果胶得率最低，并且会有二氧化硫挥发出来，危害人体。

表3 萃取剂种类对果胶得率的影响

2.2 传统酸解法工艺优化

2.2.1 传统酸解法单因素试验 由图1可知，伴随pH值的增大，果胶得率呈现先升高后降低的趋势，当pH值是1.5时，果胶得率达到最大值。由此可以看出，pH值对果胶得率影响很大，适宜的pH值可以促进果胶的水解，增加得率。但是pH值过低时，酸性太强而导致原果胶水解过度且果胶裂解，使得果胶得率低；pH值过高时，不能充分软化组织细胞，果胶不能完全溶解，所以果胶得率低。

图1 pH值对果胶得率的影响

由图2可知，随着料液比值的降低，果胶得率呈先升高后降低的趋势，当料液比是1∶50时，果胶得率最高。料液比的影响主要是通过溶剂的多少来影响果胶的溶解程度的，当料液比太小时，因溶剂太少果胶无法完全析出，使得果胶得率较低；料液比太大时，多余的溶剂不仅造成试剂浪费而且为后续的浓缩工艺和沉淀过程增加了困难，造成果胶损失增大，从而使得果胶得率有所下降。

图2 料液比对果胶得率的影响

由图3可知，随着萃取时间的延长果胶得率逐渐增大，当萃取时间为120 min时得率达到最大，之后随着萃取时间的继续延长果胶得率持续下降。在萃取过程中，萃取时间太短果胶不能充分溶解于溶液；萃取时间太长，会使部分析出的果胶进一步水解成果胶酸，从而降低果胶得率。

图3 萃取时间对果胶得率的影响

由图4可知，伴随萃取温度的增大，果胶得率呈先升高后降低的趋势，当萃取温度为90℃时果胶得率最高。这是由于加热过程中如果温度太低，果胶不能完全溶解于溶剂，但温度太高又会造成果胶受热分解，从而使得率降低。

图4 萃取温度对果胶得率的影响

2.2.2 传统酸解法正交试验 通过正交试验（表4）以及利用SPSS 18.0软件对正交结果进行分析（表5），结果表明，各因素对果胶提取率影响极显著，且各个因素之间对果胶提取率的影响差异很大，RB＞RD＞RC＞RA，4个因素对果胶提取率的影响程度为pH值＞料液比＞萃取时间＞萃取温度；传统酸解法提取籽瓜皮果胶最优工艺条件是A2B2C2D1，即萃取温度为90℃，pH值为1.5，萃取时间为120 min，料液比为 1∶40。

表4 传统酸解法正交试验结果

表5 正交试验方差分析结果

2.3 微波辅助法工艺优化

2.3.1 微波辅助法单因素试验 由图5可以看出，随着pH值增大，果胶得率呈现先增大后减小的趋势，pH值为1.5时，果胶得率最高。由图6可以看出，随着料液比值的减小，果胶得率呈先增大后减小的趋势，当料液比为1∶40时，果胶得率最高。由图7可以看出，在高能量的微波辐射下，随着微波时间的延长，果胶快速溶解，得率呈先增大后减小的趋势，当微波时间为6 min时，果胶得率达到最高。由图8可以看出，随着微波功率的增大，果胶得率呈先增大后减小的趋势。这是由于微波辅助法在加热过程中，伴随微波功率的增大，果胶不断从组织细胞中溶出，当微波功率过低时，果胶无法完全溶出造成得率较低，但微波功率过大时高能量的微波会使溶出的果胶分解，从而降低果胶得率。因此最适宜的微波功率为600 W。

图5 pH值对果胶得率的影响

图6 料液比对果胶得率的影响

图7 微波时间对果胶得率的影响

图8 微波功率对果胶得率的影响

2.3.2 微波辅助法正交试验 通过正交试验（表6）以及利用SPSS 18.0软件对正交结果进行分析（表7）可知，各因素对果胶提取率的影响极显著，且各个因素之间对果胶提取率的影响差异很大，RD＞RA＞RC＞RB，4个因素对果胶提取率的影响程度为pH值＞料液比＞微波时间＞微波功率；微波辅助法提取籽瓜皮果胶的最佳提取工艺为A3B1C3D1，即料液比为1∶50，微波功率为500 W，微波时间为7 min，pH 值为 1。

表6 微波辅助法正交试验结果

表7 正交试验方差分析结果

2.4 传统酸解法与微波辅助法的比较

按每种方法正交试验确定的最佳提取工艺条件进行籽瓜皮果胶提取验证试验，3组平行试验取均值，所得结果如表8所示。

表8 传统酸解法与微波辅助法的比较

由表8可以看出，传统酸解法与微波辅助法最佳提取工艺下果胶得率差异显著，采用微波辅助法提取籽瓜皮果胶比传统酸解法果胶得率提高了27.02%，时间缩短了94.17%。微波辅助法消耗溶剂略多于传统酸解法，但操作时间短且得率高，大幅度提高了果胶提取效率，从而降低了生产成本。所以，微波辅助法在内蒙古籽瓜果胶提取工艺的研究上有更为广阔的应用前景。

3 讨论与结论

对内蒙古地区代表性籽瓜品种‘内蒙古黑中片’果胶最佳提取方法的研究得出：通过正交试验得出传统酸解法的最佳提取工艺为：pH值为1.5，料液比为1∶40，萃取温度为90℃，萃取时间为120 min，提取率为15.25%。微波辅助法的最佳提取工艺为：pH值为1，料液比为1∶50，微波功率为500 W，微波时间为7 min，提取率为19.37%。提取籽瓜皮果胶选择H2SO4为萃取剂效果最佳，而李于善等[21]研究表明，从柑橘皮中提取果胶选择亚硫酸为萃取剂效果最好，由此可知提取籽瓜皮需要更强的酸性条件，可能由于籽瓜皮比柑橘皮、苹果皮等果皮厚度更大和硬度更强。各个因素对果胶提取率影响程度不同，pH值影响最大，萃取温度或者微波功率影响最小。其中料液比通过影响果胶溶解程度以及浓缩工艺来影响果胶得率，这与张雪丹等[22]研究柿果胶提取工艺优化中原理一致。

微波辅助法比传统酸解法果胶得率提高了27.02%，且节约了94.17%的时间，由此可知微波提取法更适于内蒙古地区籽瓜瓜皮果胶的提取。且在此方法的最佳提取条件下，‘内蒙古黑中片’的果胶得率高达19.37%；朱春丽等[16]选用新疆地区籽瓜瓜皮采用微波辅助法进行果胶提取，得率为13.58%；刘金郎等[18]选择甘肃籽瓜品种采用传统酸解法进行瓜皮果胶提取，得率约为10.13%。所以‘内蒙古黑中片’与我国其他地区的籽瓜皮相比，瓜皮果胶含量较高。与水果果皮提取果胶相比，‘内蒙古黑中片’的果胶提取率也较高。王福海[23]利用柚子皮进行果胶提取，得率为15.9%。李朋亮等[24]利用盐析法对苹果渣进行果胶提取，得率为17%。所以‘内蒙古黑中片’籽瓜皮比柚子皮、苹果渣等原料所提取的果胶得率均高，因此利用籽瓜瓜皮提取果胶是内蒙古地区籽用西瓜副产物开发利用的一个有效途径，不仅减少资源浪费，同时可以提高农民经济收入。