响应面法优化纤维素酶辅助提取柑橘皮渣果胶工艺及产品质量研究

丁倩 殷钟意 郑旭煦

摘要 [目的]有效脱除榨汁厂新鲜柑橘皮渣的部分水分并获得较高品质的柑橘皮渣和果胶。[方法]利用纤维素酶法辅助提取柑橘皮渣的果胶，在单因素试验基础上采用响应面试验考察纤维素酶浓度、提取温度、提取时间对果胶提取率的影响，分析果胶提取前后柑橘皮渣的微观结构、含水率、主要营养成分含量以及果胶产品的品质。[结果]在纤维素酶浓度为0.9%、提取温度为46.15 ℃、提取时间为1.8 h的最优工艺条件下，果胶提取率达7.773%;与新鲜柑橘皮渣相比，提取果胶后的柑橘皮渣的孔隙率变大，比表面积增大45.32%，含水率下降16百分点，粗蛋白和粗纤维含量分别下降1.26百分点、0.61百分点，粗脂肪和粗灰分含量略微上升，果胶的理化性质达到GB 25533—2010国家标准要求。[结论]该法简单、快速，不仅能有效脱除新鲜柑橘皮渣的部分水分，维持其主要营养成分含量，而且还能制得较高品质的果胶成品，为柑橘皮渣的开发利用提供了新思路。

关键词 响应面法;柑橘皮渣;纤维素酶;果胶;提取;营养成分

中图分类号 TS209 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）14-0162-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.045

Abstract [Objective]In order to effectively remove part of the moisture of fresh citrus peel residues in the juice plant and obtain higher quality citrus peel residues and pectin.[Method]The cellulase method was used to assist in the extraction of pectin from citrus peel residues. The response surface was used on the basis of a single factor test， the experiment investigated the effects of cellulase concentration， extraction temperature， and extraction time on the extraction rate of pectin， and analyzed the microstructure， moisture content， main nutrient content， and quality of pectin products of citrus peel residue before and after pectin extraction. [Result]Compared with fresh citrus peel， the porosity of citrus peel after extraction of pectin became larger， the specific surface area increased by 45.32%， the water content decreased by 16 percentage points， and the crude protein and crude fiber contents decreased by 1.26 percentage points and 0.61 percentage points， respectively.The fat and crude ash content increased slightly， and the physicochemical properties of pectin reached the national standard GB 25533—2010. [Conclusion]The method is simple and fast. It can not only effectively remove part of the moisture of fresh citrus peel and maintain its main nutrient content， but also produce a high-quality pectin finished product， which provides new ideas for development and utilization of citrus peel.

Key words Response surface method;Citrus peel residue;Cellulose;Pectin;Extraction;Nutrients

柑橘皮渣是柑橘在食用和食品加工過程中产生的废弃物。我国柑橘年产量在2 000万t以上，其中柑橘皮渣占整个柑橘果实的40%～60%[1]。柑橘皮渣富含果胶、黄酮、膳食纤维等高附加价值成分，其中果胶含量高达20%左右[2-4]。由于果胶对水分的包裹作用，造成榨汁生产后的柑橘皮渣含水量极高，达80%～86%，若不及时处理，极易腐烂变质，既污染环境，又造成资源浪费。

果胶是由半乳糖醛酸聚合而成的一种高分子化合物，它广泛存在于植物的果实、根、茎、叶中，是植物细胞壁的重要组成成分[5-6]。其与纤维素互相缠绕而存在于柑橘皮和柑橘瓤中，使植物细胞紧紧联系在一起，从而使柑橘中的水分紧紧被包裹[7]。果胶具有黏稠性强、稳定性好、胶凝性强等特性，常常被用作食品加工及化妆品生产的重要添加剂;同时果胶还具有降血脂、润肠通便、抗菌等作用，常常被用作药物制剂的附加剂[8]。工业上对植物果胶的提取主要采用酸提取、离子交换树脂、超声波提取、微波提取等方法，但这些提取方法对残渣的营养成分造成严重损失，影响其进一步开发利用[9-10]。

由圖1c可知，随着提取时间的延长，果胶提取率呈现先增加后降低的变化趋势，但提取时间为2 h时，果胶提取率达到最高。这是因为在提取初期，柑橘皮渣细胞壁不断被纤维素酶破解，所以果胶提取率不断增加，但提取时间超过2 h后，溶出的果胶长时间处于酶溶液环境中也可能被裂解，导致果胶提取率下降。所以适宜的提取时间为2 h。

2.2 响应面优化果胶提取工艺

2.2.1 响应面试验结果。响应面结果见表2，用Design-Expert 8.0对此进行分析。

对表2进行分析，得出温度 （A）、时间（B）、纤维素酶浓度（C）与果胶提取率（Y）之间的二次多元回归方程为：

Y=5.44-0.92A+0.27B+2.15C-0.15AB+0.23AC+0.073BC-1.93A2-0.47B2+0.064C2-0.96A2C+1.17AB2

显著性检验及方差分析可知，模型的 F=87.46，P<0.000 1 ，表明针对该试验响应目标 值Y所 选用的模型具有很好的显著性[19]，试验误差小，利用此模型可以优化果胶提取工艺;失拟项的 F=5.80，P=0.061 3 >0.05，不显著，表明试验与该模型的差异程度不显著，无失拟因素存在，模型拟合较好。由 F 值检验可以得到影响果胶提取率的主次因素分别为纤维素酶浓度、提取温度、提取时间。

利用Design-Expert 8.0软件对精密度、多元相关系数、可信度、精确度进行分析。

R2 越接近1，表示模型模拟得越好。 R2 =0.992 8 ，表明试验中有约99.28%的果胶提取率变异分布在所选取的3个因素中; R2 Adj=0.981 4，表明试验值与预测值具有较好的相关性。 （R2-R2 Adj ）<0.02，表明2个值很接近，能够充分运用此模型对纤维素酶辅助提取柑橘皮渣果胶进行分析和预测;CV为6.30%，小于10%，说明该模型试验的可信度和精确度高，且Adeq Precision有效信号与噪声的比值为37.15（>4），说明试验设计模型合理[20-21]。拟合的回归方程符合以上检验原则，适应性较好，工艺模拟设计可行。

2.2.2 最佳工艺条件的预测与模型验证。

选取适宜的提取温度、提取时间、纤维素酶浓度进行响应面试验，通过Design-Expert 8.0对数据进行分析，得出最佳工艺条件为提取温度46.15 ℃、提取时间1.8 h、纤维素酶浓度0.9%，根据模型得到果胶提取率的理论值为7.753%。考虑实际的可操作性，选取最佳工艺条件为提取温度46 ℃、提取时间1.8 h、纤维素酶浓度0.9%，在此条件下进行3次平行试验，得到的试验结果如表3所示，相对标准偏差为1.466%，小于2%，说明此响应面优化的最佳工艺参数具有重现性和可行性。

2.3 柑橘皮渣微观结构和主要营养成分含量变化

2.3.1 柑橘皮渣的SEM分析。采用扫描电子显微镜法对提取果胶前后柑橘皮渣的微观结构进行分析，结果如图2所示。

从图2可以看出，提取果胶前的柑橘皮渣表面光滑且无小孔隙存在，提取果胶后的柑橘皮渣表面褶皱且伴有很多小孔隙，孔隙分布不均匀。这是因为纤维素酶破坏了植物细胞壁，使包裹在植物细胞里面的果胶不断溶解出来，所以出现了小孔隙;同时，由于纤维素酶酶解过程中与底物接触的位点是有限的[22]，所以出现了孔隙分布不均匀的情况。与提取果胶前相比，提取果胶后的柑橘皮渣的比表面积明显增大，使包裹在柑橘内部水分流出，降低柑橘皮渣的含水率。

2.3.2 柑橘皮渣的BET分析。

提取果胶前后的柑橘皮渣BET分析表明，提取果胶后的柑橘皮渣的比表面积（0.862 6 m2/g）大于提取果胶前的柑橘皮渣的比表面积（0.593 6 m2/g），说明纤维素酶的破壁作用对柑橘皮渣的组织结构有一定的降解作用，比表面积增大45.32%。

2.3.3 柑橘皮渣主要营养成分含量变化分析。将提取果胶前后的柑橘皮渣的主要营养成分含量测定结果列于表4中。

由表4可知，与提取果胶前的柑橘皮渣相比，提取果胶后的柑橘皮渣的含水率下降16百分点，粗蛋白和粗纤维含量分别下降1.26百分点、0.61百分点，而粗脂肪和粗灰分含量有所上升。可能的原因是纤维素酶酶解过程中少量可溶性蛋白溶解在酶溶液中，少部分纤维素在酶解过程中被破坏而溶解在酶溶液中，二者在过滤时随着滤液被带走，而且柑橘皮渣里自带的某种微生物将无氮浸出物合成粗脂肪[23]，导致脂肪含量略微增加。总体而言，提取果胶后的柑橘皮渣营养成分含量与提取前没有太大的差异，该法较好保留了柑橘皮渣的营养成分。

2.4 果胶品质 提取的果胶经过2次乙醇沉淀纯化后，其理化性质如表5所示。由表5可知，果胶质量满足GB 25533—2010[18]的要求，且果胶半乳糖醛酸含量>65%，说明果胶纯度较好。

3 结论

采用响应面法优化纤维素酶辅助提取柑橘皮渣中的果胶，得到最佳工艺条件为纤维素酶浓度0.9%、提取温度46.16 ℃、提取时间1.8 h。在此工艺条件下，果胶提取率达7.773%;与新鲜柑橘皮渣相比，提取果胶后的柑橘皮渣的孔隙率变大，比表面积增大45.32%，含水率下降16百分点，粗蛋白和粗纤维含量分别下降1.26百分点、0.61百分点，粗脂肪和粗灰分含量略微上升，果胶的理化性质达到国家标准GB 25533—2010的要求。

该研究从帮助柑橘汁加工企业解决皮渣处理难题出发，在柑橘皮渣进行烘干或青贮处理之前，采用纤维素酶法辅助提取果胶，不仅能简单快速地脱除新鲜柑橘皮渣的部分水分、维持其主要营养成分含量，而且还能获得较高品质的果胶产品，从而节约直接烘干所需的能耗或青贮处理的用地等成本，为柑橘皮渣的开发利用提供了新思路。

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