基于正交試驗設計對柚皮果膠提取工藝的優化

趙 津，周澤中，閆路娜

(河北科技大學生物科學與工程學院，河北石家莊 050018)

基于正交試驗設計對柚皮果膠提取工藝的優化

趙 津，周澤中，閆路娜

(河北科技大學生物科學與工程學院，河北石家莊 050018)

基于四因素三水平的正交試驗設計，確定提取柚皮果膠的較佳工藝條件：在95 ℃、pH值1.5的條件下，使水與干柚皮以15∶1比例混合，浸提60 min。通過進一步的單因素優化試驗，發現：1)微波加熱輔助萃取可大大縮短浸提時間，以6 min為佳；2)乳酸更有利于果膠的溶解，其得率可達17%；3)在果膠制備過程中，建議使用干柚皮為原料，但不必使用活性炭脫色。

柚皮； 果膠； 提取；正交試驗設計； 優化

果膠是一種天然高分子聚合物，具有良好的膠凝化和乳化穩定作用，在食品工業上被廣泛用作膠凝劑、增稠劑、穩定劑、乳化劑、增香增效劑等[1-2]。中國的果膠生產行業起步較晚，生產量較小，遠不能滿足生產需求，每年都需要從國外大量進口。柚子(Citrusmaxima)是蕓香科柑橘屬的一種水果，在中國資源豐富，柚皮含有柚皮油、色素、果膠、黃酮類化合物等活性成分[3]，干柚皮中果膠含量可達(10%～30%，質量分數)，是國內外制取果膠的主要來源之一[1，4]。但在中國，每年有上億噸的柚皮被當作生活垃圾廢棄，既浪費資源，又影響環境衛生，因此，開發柚皮來生產果膠，旨在變廢為寶，利國利民。

果膠提取是從不溶性果膠轉變成水溶性果膠的過程，工藝條件不同可造成果膠得率及性質的差異[5]。傳統的果膠提取方法是利用水浴加熱酸解提取，其特點是設備要求低，但操作復雜耗時耗力[4，6]。近年來，微波加熱輔助提取技術由于省時省力，在各類果膠提取過程中得到大量應用，并逐步取代水浴加熱而成為提取果膠的主要技術手段[1-2]。本研究將以正交試驗設計法為基礎，從微波加熱輔助提取、原料選取、酸選用等因素的平行試驗，來進一步優化果膠提取條件，試圖開發一條操作簡便、低碳環保的柚皮果膠生產工藝。

1 材料與方法

1.1試驗材料

廢棄柚子皮，收集自河北科技大學商城自由市場。

1.2儀器和試劑

乙醇、鹽酸、硫酸、乳酸、偏磷酸鈉、活性炭等，均由北京索萊寶科技有限公司提供；低速大容量離心機(DL-5)，上海安亭科學儀器廠提供；數顯恒溫水浴鍋(HH-2)，金壇市杰瑞爾電器有限公司提供；電熱鼓風干燥箱(WGL-65B)，天津泰斯特儀器有限公司提供；微波爐(MG-5021M)，天津樂金電子電器有限公司提供。

1.3果膠的提取方法

1.3.1 酸法提取果膠的工藝流程

酸法的工藝流程：原料預處理→酸水解提取→過濾→脫色→離心→濾液濃縮→醇沉淀→干燥→成品[7]。

主要提取工藝如下：取10 g柚皮切成邊長約為0.5 cm的小塊，置于錐形瓶中。在95 ℃條件下水浴10 min，用4層紗布擰干。清水浸泡30 min后用去離子水反復漂洗至無色。將經上述處理的原材料與軟化水按照不同的要求混合，在一定的溫度、pH值條件下，反應一定時間，獲得提取液。趁熱過濾，棄濾渣，在濾液中加入質量分數為2%的活性炭脫色，在80 ℃條件下水浴保溫20 min。在4 000 r/min條件下離心20 min，得到澄清濾液。于85 ℃烘箱內烘至原體積的一半，冷卻。邊攪拌邊加入等體積的體積分數為95%的乙醇，靜置30 min。離心(4 000 r/min，20 min)，棄上清液，將沉淀在85 ℃烘箱中烘干，稱量，計算果膠得率。

1.3.2 酸法結合微波法提取果膠的工藝流程

酸法結合微波法和酸法不同的是，提取時采用微波加熱方法。具體流程：原料預處理→調pH值→微波加熱提取→過濾→脫色→離心→濾液濃縮→醇沉淀→干燥→成品。

1.4果膠的定性及得率計算

1.4.1 果膠的定性檢測

取干燥成品1 g，加去離子水10 mL，即呈膠狀液體，若加入乙醇，即出現懸浮沉淀；取干燥成品1 g，加去離子水50 mL，加熱攪拌使果膠完全溶解，加蔗糖5 g倒入裝有質量分數為12.5%的檸檬酸溶液的燒杯中，冷卻以后即成柔軟而有彈性的膠凍[7]。

1.4.2 果膠的得率計算方法

果膠的得率(Y)為提取果膠的質量(w)占供提取用的柚皮質量(W)的百分數：

2 結果與討論

2.1正交試驗設計法確定果膠最佳提取工藝

由文獻可知，對果膠影響較大的因素有提取時間、溫度、pH值、液料比等4個因素[8-9]。為了確定最佳提取時間、溫度、pH值、液料比，設置了3水平(見表1)，用L9(34)正交表作9個試驗[10]，確定果膠提取的最佳條件，正交試驗的結果以及極差分析見表2。

表1 正交試驗因素與水平

表2 正交試驗結果與極差分析

極差是反映該因素水平變動時總指標的變化，極差越大，該因素水平變動時總指標的變化越大[8]。由表2中極差分析方法可知，在A，B，C，D4個因素中，D的極差最大，然后依次為C，B和A。因此，可得出對果膠得率的影響因素依次為提取時間>液料比>pH值>溫度。根據正交試驗結果可知，酸法提取果膠的最佳條件為A3B2C2D2，即溫度為95 ℃，pH值為1.5，液料比為15∶1，提取時間為60 min。

2.2微波加熱法對果膠提取率的影響

微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，當用于天然成分的提取時，具有選擇性強、操作時間短、溶劑耗量小、目標組分得率高，并且能極大限度地保留分離組分的天然活性等優點[11]。在本研究中，結合微波加熱法對酸提取工藝進行了探索(見表3、表4)，發現：微波法和傳統的水浴法相比，對果膠得率基本無影響，卻大大節省了時間。另外進一步研究發現，在微波條件下，加熱6 min對果膠最為有利，這可能是因為加熱時間短，無法達到果膠溶解溫度，而時間過長會造成溫度過高，引起果膠損傷。這與前人的相關研究結果一致[5,11]。

表3 微波加熱法對果膠得率的影響

表4 不同酸對果膠得率的影響(微波法)

2.3不同酸對果膠提取率的影響

研究發現，在果膠的提取工藝中不同酸對檸檬皮果膠得率有明顯的影響[12]，而在柚皮果膠提取中卻未見相關報道。研究分別采用鹽酸、硫酸、磷酸3種無機酸以及醋酸和乳酸2種有機酸來調節pH值提取果膠，結果發現(見表4)，在同等pH值條件下，果膠得率為乳酸>醋酸>硫酸>磷酸>鹽酸，說明有機酸可明顯提高柚皮果膠的得率，尤其以乳酸提取得率最高，可達17%。這也與周強等采用酒石酸萃取獲得柚皮果膠得率高的結果相吻合[13]；但王川等使用有機酸提取檸檬皮果膠時，卻無法獲得果膠產物[12]，筆者分析這可能與其實驗操作誤差有關。基于本研究結果，筆者認為用有機酸替代現有酸萃取技術中普遍使用的鹽酸，不僅可提高果膠的得率，又由于乳酸等有機酸萃取液更為綠色環保，可提高產品的穩定性和安全性，故而在實際工業生產中應推薦使用。

2.4不同柚皮原料對果膠得率的影響

分別采用干柚皮、去外皮柚皮和新鮮柚皮在同等條件下提取果膠，結果發現在果膠得率上，去外皮柚皮(16%)>干柚皮(14%)>新鮮柚皮(5%)，其中新鮮柚皮的果膠得率約為前兩者的1/3，這應與新鮮柚皮中水分較多有關，為了便于原料存貯，以干柚皮為佳；柚皮是否去外皮盡管在果膠得率上有一定影響，但考慮到生產成本，干柚皮應完全能滿足生產需要。

2.5活性炭對果膠得率的影響

目前，在果膠提取過程中是否使用活性炭一直存在爭議[7,12]。本研究對活性炭脫色效果進行了探索，結果發現，在柚皮果膠的提取工藝中，活性炭脫色效果不明顯(見表5)，且在后期過程中去除十分困難，一方面會明顯降低果膠得率，同時還易造成產品顏色偏黑，影響品質，因此在柚皮果膠提取工藝中，不建議使用活性炭脫色。

表5 活性炭對果膠得率的影響

3 結 論

以廢棄的柚子皮為原料，采用微波輔助酸水解方法提取果膠，其最佳提取工藝是干柚皮預處理→過濾→以液料比15∶1混合預處理后的柚皮和軟化水→乳酸調pH 值至1.5→微波加熱提取6 min→離心→濾液濃縮→醇沉淀→干燥→成品。通過本工藝所獲得的柚皮果膠產品得率最高可達17%，具有工藝條件要求較低、原料成本低、產品質量高、綠色安全等特點，是一種較為理想的工業生產方法。

/Rerferences

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Optimization of extraction process of grapefruit peel pectin based on orthogonal experimental design

ZHAO Jin, ZHOU Zezhong, YAN Luna

(School of Biological Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang Hebei 050018, China)

Based on orthogonal test design of 4 factors and 3 levels, the optimum process condition of grapefruit peel pectin are as follows: the dry material mixed with water at a ratio of 15∶1, 95 ℃ and pH 1.5 for 60 min. Single factor optimization experiments show that 1) microwave assisted extraction can shorten extracting time, preferably in 6 minutes, 2) lactic acid is more conducive to the dissolution of pectin, and the extraction rate can reach 17%, 3) in the pectin preparation process, the use of dry peel is recommended, but not using activity carbon.

grapefruit peel; pectin; extraction; orthogonal test design; optimization

1008-1534(2013)05-0338-04

O636.1

A

10.7535/hbgykj.2013yx0507

2013-02-03;

2013-03-07

責任編輯：王海云

河北科技大學大學生科技創新基金(1176)

趙 津(1990-)，男，河北衡水人，主要從事生物活性物質提取方面的研究。

閆路娜副教授。E-mail:yanluna@126.com