昭通苹果渣中果胶提取工艺研究

2025-01-20张孟艳张秀英王雪梅杨艳群王云仙宋枚芳吴灿张新军

山西果树 2025年1期

摘要：【目的】充分利用昭通苹果资源，研究苹果果胶的最佳盐酸提取工艺条件，为延长昭通苹果产业链及增加其附加值提供参考。【方法】以昭通产区5个苹果品种果渣作为原材料，以盐酸提取-无水乙醇进行醇沉的方法，分析单因素对果胶得率的影响，同时利用响应面优化果胶提取工艺，再利用软件分析优化出来的结果分别提取5个昭通产区不同苹果品种苹果渣里的果胶。【结果】4个单因素对昭通苹果提取果胶得率的影响由小到大顺序为：提取时间lt;提取温度lt;提取pH值lt;提取料液比，苹果渣中果胶的盐酸提取最佳工艺条件为：料液比1∶50（g/ml）、pH 1.0、温度94 ℃和提取时间70 min；不同苹果品种盐酸提取果胶得率由大到小顺序为：长富2号gt;秦冠gt;烟富7号gt;烟富8号gt;烟富3号。【结论】以盐酸提取-无水乙醇进行醇沉的方法提取苹果果胶成本较低，适于工业生产；不同的苹果品种提取的果胶得率不同，可为昭通苹果果渣提取果胶的苹果品种选取提供一定参考。

关键词：苹果渣；果胶；盐酸提取；响应面分析

文章编号：2096-8108（2025）01-0064-07 中图分类号：S661.1 文献标识码：A文献标志码

Study on Extraction Process of Pectin from Pomace of Zhaotong Apple

ZHANG Mengyan¹，ZHANG Xiuying³，WANG Xuemei²，YANG Yanqun³，WANG Yunxian³，SONG Meifang³，WU Can³，ZHANG Xinjun^2*

（1.Zhenxiong County Agricultural Science and Technology Extension Center， Zhenxiong Yunnan 657200， China;

2.Zhaotong College， Zhaotong Yunnan 657000， China; 3.Zhaotong Apple Industry Development Center， Zhaotong Yunnan 657000， China）

Abstract：【Objective】 In order to make full use of Zhaotong apple resources， the optimum hydrochloric acid extraction conditions of apple pectin were studied to provide reference for extending Zhaotong apple industry chain and increasing its added value. 【Methods】 The effects of single factor on the yield of pectin were analyzed by hydrochloric acid extraction-anhydrous ethanol precipitation method with the pomace of five apple cultivars in Zhaotong area as raw material. At the same time， the response surface was used to optimize the pectin extraction process， and then the pectin in the apple pomace of different apple varieties in five Zhaotong areas was extracted by software analysis. 【Results】 The effects of four single factors on the yield of pectin extracted from Zhaotong apple were as follows： extraction timelt;extraction temperaturelt;extraction pHlt;ratio of material to liquid. The optimum conditions of hydrochloric acid extraction of pectin from apple pomace were as follows： ratio of material to liquid 1∶50 （g/ml）， pH 1.0， temperature 94 ℃ and extraction time 70 min. The yield of pectin extracted by hydrochloric acid from different apple varieties was in the order of Changfu 2gt;Qinguangt;Yanfu 7gt;Yanfu 8gt;Yanfu 3.

【Conclusion】The method of extracting apple pectin by hydrochloric acid extraction followed by alcohol precipitation with anhydrous ethanol has a relatively low cost and is suitable for industrial production. The pectin yields obtained from different apple cultivars vary， which can provide certain reference for the selection of apple cultivars when extracting pectin from the pomace of Zhaotong apples.

Keywords：apple pomace; pectin; hydrochloric acid extraction; response surface analysis

苹果为蔷薇科苹果属落叶乔木的果实，因营养丰富而利于食用和保健^［1^］。其果皮、果核中含有丰富的果胶，果胶是一种酸性多糖大分子，由α-1，4糖苷键连接的半乳糖醛酸组成，相对分子质量介于50～300 ku之间^［2^］，具有增稠、乳化^［³^］等功能特性，广泛应用于医药保健品^［⁴^］、食品^［⁵^］、化工、纺织^［⁶^］等行业。所有陆生植物都含有果胶，而商用果胶仅有少数来源，主要是甜菜类水果、柑橘和苹果等^［^7-9^］。我国每年所用果胶量大，但大多数果胶依靠进口，价格较为昂贵^［¹⁰^］。

目前果胶的提取方法主要有酸法、酶法^［11-12^］、碱法^［¹³^］，微波法^［¹⁴^］、混合盐析法^［¹⁵^］、超声波辅助法^［¹⁶^］、超声波-酸法^［17^］等。其中酸法提取果胶是基于果胶在酸性溶液中的可溶性^［¹⁸^］，而将果胶分离出来的方法，然后用盐析法、电解沉淀法和胶体沉淀法等方法提纯，但在工业生产中常采用醇沉淀法^［19^］等。任秋慧^［²⁰^］等试验了不同的酸，磷酸、硫酸、硝酸、盐酸，分别测定在相同的提取条件下提取果胶，用盐酸提取的得率最高，且盐酸提取工艺较为成熟，操作步骤简单，成本较低，可应用于工业生产。因此，为达到经济成本的节约与工艺步骤的简化，选择价格低廉的无机盐酸作为果胶的提取溶剂是较佳选择。

昭通市地处滇东北，有低纬度高海拔、日照时间长、早晚温差大的立体气候^［21^］，造就了西南冷凉高地优质苹果产区的地理位置，赋予了昭通苹果早、甜、香、脆、艳等特点，受到国内外消费者的喜爱^［22^］。近年来昭通苹果产业发展迅速，重点县区呈规模发展，初步形成了产供销和农、工、贸的产业链，产业基础好，已成为云南乃至西南高原、乌蒙山区规模最大、最为集中的苹果产区。昭通引进及培植近20家苹果种植、加工企业，其中苹果脆片、浓缩苹果果汁制备企业4家^［23^］。这些企业苹果加工后残余的苹果渣能为苹果果胶的提取提供比较稳定、规模化的原材料，目前有关昭通苹果渣提取果胶方面还未见报道，因此本实验以盐酸提取-无水乙醇进行醇沉的方法提取苹果渣中果胶，在进行4个单因素实验（提取料液比、提取pH、提取温度、提取时间）的基础上，通过软件Design Expert.V8.0.6.1对提取条件进行优化，从而得到昭通苹果果胶的最佳盐酸提取工艺条件，为延长昭通苹果产业链、增加昭通苹果附加值提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以昭通苹果产区5个苹果品种为试材，5个品种分别为烟富3号、烟富7号、烟富8号、秦冠和长富2号，分别取其果皮和果核作为原材料开展试验。5个苹果品种均采于昭通市苹果主产区的昭阳区洒渔镇，采样果园管理水平中等，5个品种树龄均为12年。在试验园内每个品种随机选取5株树为采样株，采样株均树势健壮、结果稳定。采样时间2022年10月28日，在每个样株树冠中部东、南、西、北4个方向随机各摘取8个苹果，每个品种采摘样品40个果。

1.2 试验方法

1.2.1 原料处理

将苹果洗净，削皮，去除果肉，留下果核和果皮，利用破壁机把果核和果皮打成浆，60目两层纱布过滤。过滤得到的果渣置于烘箱中65 ℃烘至恒重，粉碎机粉碎，过60目筛，苹果渣置于烧杯中依照料液比1∶20（g/ml）的量倒入无水乙醇，室温下搅拌1.5 h后抽滤，留下沉淀部分的果渣同上处理1次，抽滤掉无水乙醇留下沉淀部分的果渣。沉淀部分的果渣置于烘箱65 ℃烘至恒重，降温到室温，获得的苹果渣置于密封袋里，放到4 ℃冰箱储存备用。

1.2.2 果胶提取单因素试验

电子天平称取2 g苹果渣放入250 ml烧杯中，根据料液比分别加入1∶30（g/ml）的配制pH为2.0的盐酸溶液，在90 ℃条件下水浴，边加热边搅拌60 min，冷却离心（15 min， 4 500 r/min），收集上清液。同上述方法再提取1次合并所得上清液，烘箱浓缩至原体积的1/5左右。其他因素条件不发生变化，在单因素条件发生变化下进行试验，统一根据规定：料液比1：30（g/ml）、提取时间60 min、提取温度90 ℃、提取pH值2.0进行试验。

实施单因素变化试验，单因素的变化梯度如下：料液比按照1∶20、1∶30、1∶40、1∶50（g/ml）；提取时间按照60，70，80，90 min；提取温度按照70，80，90，94 ℃；提取pH按照0.5、1.0、1.5、2.0来进行单因素实验。得到的上述每组上清液各自加入其3.5倍体积的无水乙醇搅动5 min，室温条件下醇沉12 h，使果胶在醇沉条件下析出，析出的沉淀用高速冷冻离心机离心（15 min， 4 500 r/min），收集沉淀，各自加入75%乙醇溶液以及无水乙醇先后洗涤两遍，每次洗涤时间均需搅拌20 min，将清洗过后的沉淀收集置于烘箱70 ℃干燥至恒重便得到苹果渣中提取出的果胶，最后对数据进行统计分析处理。

1.2.3 盐酸提取果胶的响应面软件进行优化分析与试验

以单因素试验得到的结果为基础设计三因素三水平的（Box-Behnken Design，BBD）试验设计，以提取时间（X₁ ）、提取溶剂盐酸的料液比（X₂）、提取PH值（X₃）作为自变量，果胶得率作为响应值优化盐酸提取苹果渣中果胶的提取工艺条件。试验水平和条件见表1。

1.2.4 粗果胶得率的测定

70 ℃烘箱烘至恒重冷却后，称量果胶的质量，进行数据统计计算得到果胶得率，苹果果胶得率为提取出来的果胶烘干质量占总提取经原料处理过的苹果渣粉末质量的百分率。、试验样品中的果胶得率依据以下的公式（1）来计算。

X₁= mw ×100%（1）

式中：X₁是实验样品所得果胶得率，%；

m是烘箱烘至恒重冷却后所得苹果果胶质量，g；

w是实验样品经过原料处理的苹果渣粉末质量，g。

1.2.5 测定昭通苹果产区5个苹果品种果渣提取果胶的得率试验

根据响应面软件优化得到的数据通过3组重复实验获得符合预期的结果，应用此盐酸提取苹果果胶的工艺条件分别测定昭通苹果产区5个苹果品种果渣中果胶得率。

1.3 数据处理

采用Excel 2019进行数据统计，SPSS 23.0 软件处理分析。试验设计用响应面软件Design-Expert.V8.0.6.1对提取工艺条件进行优化，最后实践验证其可行性。

2 结果与分析

2.1 温度对盐酸提取苹果渣中果胶得率的影响

图1显示，在一致的提取条件下，温度较低时，果胶得率较小，随着温度的升高，果胶得率显著增加，70～80 ℃时涨幅达到最大，提取温度94 ℃时，得率最高，为21.03%。说明苹果渣中的果胶提取温度最佳为94 ℃。

2.2 时间对盐酸提取苹果渣中果胶得率的影响

图2显示，在同样提取情况下，提取时间过短时果胶溶解度相对较小，果胶得率在提取时间为60～70 min时显著升高，且在提取时间为70 min时达到最高值，为16.89%；提取时间为70～90 min时，果胶得率显著降低。说明苹果渣中的果胶提取时间最佳为70 min。

图中不同小写字母表示处理间差异显著（Plt;0.05）。图2、图3、图4同。

2.3 pH值对盐酸提取苹果渣中果胶得率的影响

图3显示，在一致的提取情况下，果胶得率在盐酸提取溶液pH值为0.5～1.0时缓慢升高，在pH值为1.0时达到最高果胶得率值，为21.53%，且试验过程中发现，提取pH值在0.5时提取出的苹果果胶颜色偏向于红棕色，影响果胶外观品质；提取pH值为1.0～2.0时所得果胶得率显著下降。说明苹果渣中的果胶提取pH值最佳为1.0。

2.4 料液比对盐酸提取苹果渣中果胶得率的影响

图4显示，在一致提取情况下，料液比为（1∶20）～（1∶40）之间果胶得率显著上升，在提取料液比为1∶40时果胶得率达到最高，为17.01%；料液比为（1∶40）～（1 ∶50）之间略微降低，试验过程中发现当料液比较小时体系过于浓稠不便操作且易烧干。说明苹果渣中的果胶提取料液比最佳为1∶40。

2.5 盐酸法提取苹果果胶的响应面优化试验及分析

采用Design-Expert.V8.0.6.1软件，在单因素实验基础上，以3因素3水平的响应面优化试验设计，以提取时间（X₁ ）、提取料液比（X₂）、提取pH值（X₃）作为自变量，提取苹果果胶得率Y作为响应值，试验设计和结果如表2所示，试验回归模型方差分析如表3所示。

利用Design-Expert.V8.0.6.1响应面分析的软件对表2中的试验数据多项式回归拟合建立关于果胶得率（Y）为响应数值，提取时间（X₁）、提取料液比（X₂）、提取pH值（X₃）3个因素为变量的二次多项回归方程：Y=-345.382 00+5.602 30X₂+6.861 40X₁+71.173 00X₃+6.900 00×10^-3X₂X₁＋0.487 00X₂X₃-0.076 860 X²₂-0.049 110 X₁²-33.044 00X²₃。

从表3可以得出，此回归模型失拟项不显著（P=0.324 9gt;0.05），说明对本试验的拟合较好，试验误差较小；变异系数CV=4.87%，CV数值比较低，表明了试验稳定性好，结果可靠；此模型的R²=0.981 8，模型的校正决定系数R²_adj =0.958 5，表现出预测值和实测值高度相关，PredR-Squared其数值（0.829 1）与R²_Adj值较为接近，说明回归模型与实测值拟合较好。此模型信噪比Adeq Precision为20.519，信号充足，能用于各因素水平区间设计。综上可证明此回归模型和实际试验拟合比较好，变量与响应值之间线性关系较显著，适用于盐酸提取昭通苹果果胶的最佳工艺条件预测。通过F值大小比较可知：影响昭通苹果果胶得率大小的因素依次为料液比gt;pH值gt;时间。一次项X₂、X₃，二次项X²₁、X²₂、X²₃影响极显著（Plt;0.01）；一次项X₁，交互项X₁X₃、 X₂X₃影响显著（Plt;0.05）；交互项X₁X₂不显著（Pgt;0.05）。

采用Design-Expert V8.06.1软件，对试验数据进行分析可知，交互作用显著的料液比和pH值、时间和pH值的响应面3D图（见图5），由图5（a）可看出：在pH值0.90～1.10，料液比值1∶（40～50）的范围内，两者有显著的增效作用；pH值在1.10～1.50范围内随着pH值的逐渐升高，果胶得率反而逐渐降低。由图5（b）可看出：pH值在0.90～1.10，时间在65～75 min的范围内，两者增效作用显著；时间75～80 min，pH值1.10～1.50的区间内，果胶得率随两者逐渐升高而降低。由图5（c）可看出：不同提取时间与不同提取提取料液比曲面虽然较陡，但两因素的交互作用不显著，表明这两个因素中其中一个因素的改变并不能显著影响另一因素对响应值的获得。

由等高线图5（d）可看出沿着料液比方向的等高线密度明显高于沿着时间方向的等高线密度，且沿时间方向等高线的峰值范围在70 min左右，说明料液比对果胶得率的影响大于时间对果胶得率的影响，且符合表3回归模型方差分析中的F数值比较；图5（e）可看出两等高线密度大小为：沿pH值的方向gt;沿时间的方向，说明在两个因素互作作用中提取pH值对果胶得率的影响大于时间对果胶得率的影响，与表3方差分析结果吻合；由图5（f）可知，在料液比和pH值互作作用等高线图中沿着料液比方向的等高线密度大于沿pH值方向的密度，说明pH值对果胶得率的影响小于料液比对果胶得率的影响，与表3回归模型方差结果一致。

使用 Design-Expert 8.0.6.1软件，选用Numerical优化板块对响应面进行结果优化。在进行愿望值的选择时，果胶得率为优化条件选择范围值，目标值设置为最高值，优化结果如图6。

由图6可知，愿望函数优化得到的盐酸提取昭通苹果渣的最佳提取工艺条件是：料液比1∶50，pH值1.00，时间70 min，预测果胶得率39.55%，且此条件下，合乎性为0.900，表明该愿望函数优化结果的果胶得率预测值有较好可行性。

2.6 验证实验

在模型预测得到的最佳工艺条件下，预测得到的果胶得率为39.55%。为验证此模型的实际可重现性和可靠性，对此提取工艺进行实验验证，果胶得率实际为39.04%，与模型预测值相差0.51%。说明果胶的最佳提取工艺为：料液比1∶50、pH值1.00、温度94 ℃、时间70 min。因此，采用响应面法优化得到的昭通苹果渣中果胶提取工艺参数具有一定的参考价值。

2.7 昭通苹果产区5个苹果品种果渣中果胶得率比较

通过模型预测得到最佳工艺条件并且进行验证实验后，用上述最佳优化提取工艺条件对烟富3号、长富2号、烟富8号、烟富7号和秦冠5个昭通苹果品种进行果胶提取。结果表明：果胶得率由高到低顺序依次为：长富2号（32.19%）gt;秦冠（31.93%）gt;烟富7号（31.33%）gt;烟富8号（28.83%）gt;烟富3号（28.61%）。

3 结论

本试验先后通过单因素试验和响应面优化试验设计，得出各试验条件对果胶得率的影响依次为：料液比gt;pH值gt;温度gt;时间，其中达到极显著作用的试验条件是pH值和温度，达到显著作用的是料液比和时间；与单因素实验结果相比，响应面优化中的交互作用会削减pH值对果胶得率的影响。同时表明，盐酸提取昭通苹果果胶的最佳工艺条件为：盐酸溶液体系料液比为1∶50、温度为94 ℃、pH值为1.0和提取时间为70 min。在此条件下，果胶得率可达到39.04%，此方法成本较低，适于工业生产，可为昭通苹果果渣的合理利用提供一种可行的途径，从而延长昭通苹果的产业链和增加昭通苹果的附加值，减少因苹果渣堆积产生的发酵物对环境的污染。用优化的工艺条件提取5个昭通苹果品种里的果胶，果胶得率最低和果胶得率最高的品种相差3.58%，说明不同的苹果品种提取的果胶得率有所差别，可为昭通苹果果渣提取果胶的苹果品种选取提供一定参考。

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