Box-Behnken法優化提取荔枝渣中果膠工藝

姜翠翠，陳小巧，邱松山，周如金

（廣東石油化工學院化學與生命科學學院，廣東 茂名 525000）

Box-Behnken法優化提取荔枝渣中果膠工藝

姜翠翠，陳小巧，邱松山*，周如金

（廣東石油化工學院化學與生命科學學院，廣東 茂名 525000）

以荔枝渣為材料，采用超聲波輔助酸法提取工藝，運用Box-Behnken試驗設計方案獲得超聲波預處理時間、功率和料液比等因素對果膠得率的影響規律，并結合質構儀分析果膠硬度、黏度、酯化度等指標。結果表明：超聲波預處理荔枝渣提取果膠最佳工藝為超聲時間14.8 min、超聲功率300 W、料液比1：10.7，在此基礎上選擇pH 2的鹽酸溶液提取，乙醇沉淀時液-液體積比1：1.5，沉淀時間90 min，果膠理論得率17.86%，實測得率為17.38%。所得果膠黏度為55.8×10-3Pa·s，酯化度為40.7%，質構特性分析表明所得荔枝渣果膠硬度平均值為40.400 g，彈性平均值為55.51%，黏性絕對平均值為12.880 g，果膠樣品色澤較好，膠凝度高。

荔枝渣；果膠；超聲波

荔枝（Lytchee chinensis Sonn）為無患子科（Sapindaceae）荔枝屬（Litchi）常綠喬木，我國是荔枝的主產國，栽培面積和產量約占世界的80%以上，主產區為廣東、廣西、福建、海南等地，其中廣東的荔枝產量最多。荔枝營養豐富，卻不易保水，造成果實采后極易腐爛、貯運極難等問題，因此常加工為果干、果酒等產品。荔枝在深加工過程中產生大量荔枝皮、荔枝核等加工廢棄物，即荔枝渣。荔枝渣中糖分、果膠等營養物質含量較高，因而較易變質、發臭，會造成浪費及環境污染[1-2]。合理利用荔枝渣中的果膠、提高其經濟附加值是荔枝深加工產業亟待解決的問題之一[3]。將荔枝渣中豐富的果膠提取出來，可廣泛用于食品工業，主要用作膠凝劑、增稠劑、乳化劑、穩定劑等[4-5]，荔枝渣中果膠的綜合利用是荔枝副產物開發利用的發展方向之一。

果膠作為一種安全的天然食品添加劑，是公認安全的食品添加劑，綜合利用荔枝渣中豐富的果膠資源、生產優質果膠、滿足國內外市場需求已顯得極為迫切[6]。目前果膠的提取技術主要有酸提醇沉法[7]、微波法[8-9]、超聲波輔助萃取[10]、高壓脈沖電場[11]、離子交換[12]等，與索式提取等傳統提取方法相比，超聲波輔助提取技術對果膠提取具有一定的強化作用，且不改變果膠的性質[13-14]。超聲波提取法[15]是一種比較成熟且有廣泛應用前景的技術，具有提取時間短、產率較高、無需加熱、環境污染小等特點，還可輔助其他方法來提高產率。采用超聲波輔助提取果膠時，超聲波頻率一般在20 kHz以上，形成的沖擊波可使物料表面及液體介質受到極大沖擊，提高果膠類物質的溶出。與傳統提取法方法相比，超聲波提取法提取時間短、得率較高、無需加熱，是一種比較有效的果膠提取方法。

Box-Behnken試驗設計可評價試驗指標和影響因素間的非線性關系，所需試驗次數較少且效率更高，常用于評價試驗因素的非線性影響，已廣泛用于化學合成過程、藥物處方篩選和劑型制備過程等的優化[16-17]。因此本實驗主要考察超聲波預處理提取荔枝渣中果膠工藝參數，運用Box-Behnken試驗設計獲得超聲功率、時間、料液比等因素對果膠得率的影響規律，并在此基礎上分析所得樣品的黏度、酯化度等特性，以期為荔枝渣中果膠的有效利用、為荔枝深加工企業解決荔枝渣問題提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

荔枝渣由廣東為多生物科技有限公司提供；乙醇、三氯化鐵、氫氧化鈉、鹽酸等（均為分析純） 天津市百世化工有限公司；實驗所用水為蒸餾水。

1.2 儀器與設備

TA-XT Plus質構儀 英國Stable Micro System公司；XO-1200超聲波細胞粉碎機 南京先歐儀器制造有限公司；NDJ-5S數顯黏度計 上海方瑞儀器有限公司；PL203/01電子分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PHS-25型數顯pH計 上海精密科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 提取工藝

取2.5 kg鮮荔枝渣經70 ℃烘箱預干燥3 h，升溫至105 ℃，干燥4 h至恒質量，粉碎后過40 目篩，備用。

稱取若干份10.0 g樣品粉末置500 mL燒杯中，按一定的料液比液化，并用鹽酸調節酸度至2.0，超聲輔助酸法浸提，4 000 r/min離心10 min，取上清液，加入95%乙醇使果膠充分沉淀析出，干燥后計算果膠得率。

果膠沉淀及干燥：取一定體積的果膠樣品，采用95%乙醇沉淀、靜置，過濾，再用70%的乙醇洗滌以除去無機離子、色素、單糖和雙糖等雜質，并用無水乙醇洗滌6 次，所得果膠于60 ℃真空干燥至恒質量，按下式計算果膠得率并分析乙醇用量及不同沉淀時間對果膠得率的影響：

1.3.2 單因素試驗

以果膠得率為考察指標，分別選取超聲預處理時間（5、10、15、20、25 min）、料液比（1：5、1：10、1：15、1：20、1：25（g/mL））、超聲功率（200、300、400、500、600 W）進行單因素試驗，初步確定各因素適宜的范圍，在單因素試驗基礎上優化果膠提取工藝。

1.3.3 工藝優化試驗設計

按照參考文獻[18]并根據Box-Behnken試驗設計原理，采用三因素三水平的響應面分析方法對超聲波預處理工藝進行優化。在單因素試驗的基礎上進行試驗設計，因素編碼及水平安排見表1。

表1 Box-Behnken試驗設計Table1 Factors and levels used in Box-Behnken design

1.3.4 荔枝渣果膠特性研究

1.3.4.1 果膠黏度的測定

稱取12.5 g實驗所得果膠，配成5%果膠溶液，靜置24 h，室溫測定其黏度值（轉速60 r/min）。

1.3.4.2 果膠甲氧基質量分數、酯化度測定

采用滴定法[19]測定果膠的甲氧基質量分數及酯化度。

1.3.5 果膠質構特性分析

利用質構儀測定制備的果膠樣品硬度、黏性、彈性等各項指標，分析其質構特性[20-21]。測定參數：p/2探頭；測定模式為A/BE反擠壓裝置；初始速率1.0 mm/s；測試速率1.0 mm/s；返回速率10.0 mm/s；測試距離5.0 mm；觸發類型Auto-5 g；數據采集率200 pps。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲時間的影響

表2 超聲時間對果膠提取得率的影響Table2 Effects of ultrasonication time on the extraction yield of pectin

在超聲功率300 W、料液比1：10（g/mL）的條件下預處理樣品，再用pH 2的鹽酸溶液提取、沉淀、干燥，比較超聲時間對果膠提取得率的影響。由表2可知，超聲波預處理樣品15 min內，隨時間延長，果膠得率增加，超聲15 min時得率為22.83%，15 min后隨超聲時間延長果膠得率略有下降，超聲25 min時得率降至20.14%。可能是由于超聲時間過長使溶液中的部分果膠降解，因此超聲時間選擇15 min。

2.1.2 超聲功率的影響

選取超聲時間15 min、料液比1：10（g/mL），改變超聲功率提取果膠。由表3可知隨超聲功率從200 W增加到300 W，果膠得率增加了7.75%，300 W時果膠得率為22.83%，之后得率下降，在功率500 W時降至17.13%。可能是在固定時間內超聲功率較低時果膠質水解不充分，果膠產率不高；隨著超聲波功率的提高，促使荔枝渣中的不溶性果膠更快地水解成可溶性果膠。但功率過高時荔枝渣中的果膠水解過于強烈，使得果膠裂解成多糖分子，從而使果膠產率下降，因此超聲波功率選擇300 W。

表3 超聲功率對果膠提取得率的影響Table3 Effects of ultrasonic power on the extraction yield of pectin

2.1.3 料液比的影響

選取超聲時間15 min、功率300 W，改變料液比提取果膠。由表4可知提取液使用量的增加有利于果膠轉移到提取液中，當料液比為1：10（g/mL）時，果膠得率達到峰值，當料液比小于1：10時，果膠得率略有下降，在料液比為1：20時得率降至12.77%，此外，液料比過大造成一定的浪費，因此選擇料液比為1：10。

表4 料液比對果膠提取得率的影響Table4 Effects ofsolid-to-liquid ratio on the extraction yield of pectin

2.2 果膠提取工藝優化

依據Box-Behnken試驗設計方案，采用三因素三水平試驗設計法進行工藝優化，其試驗組合及結果如表5所示。方差分析顯著性檢驗結果如表6所示。

據表5結果計算各項回歸系數，以回歸系數建立果膠得率與提取時間A、超聲功率B和料液比C 3個因子的數學回歸模型，模型回歸檢驗F=53.74，在0.01水平上差異極顯著。失擬檢驗F=1.36，差異不顯著，模型具有統計學意義。編碼因素A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2差異顯著，優化模型的編碼方程為：

y=22.44-0.86A-1.18B＋1.88C-2.45A2-3.56B2-2.41C2-0.82AB＋1.61AC＋1.01BC（R2=0.995 7）

表5 Box-Behnken試驗設計及結果Table5 Box-Behnken design scheme and results

表6 試驗結果回歸分析Table6 Analysis of variance for the regression model

2.3 響應面分析與優化

從回歸系數的顯著性檢驗可知，提取時間A與料液比C的互作效應對果膠得率影響明顯，根據二次回歸方程繪制的響應面，如圖1所示。

圖1 荔枝渣果膠的超聲提取響應曲面圖Fig.1 Response surface plots showing the interactive effects of ultrasonication time, ultrasonic power and solid-to-liquid ratio on the extraction yield of pectin

由圖1a可知，固定超聲時間，果膠得率隨超聲功率增加而增大，300～310 W時達最大值。固定超聲功率，果膠得率隨超聲時間延長而呈上升趨勢，在15 min時達到最大值。等高線呈橢圓形，超聲時間和超聲功率交互作用較為顯著，與模型的方差分析結果一致。由圖1b可知，固定超聲時間，果膠得率隨料液比減少而增大，在1：9.6～1：10.2達最大值。固定料液比，果膠得率隨超聲時間升高而呈上升趨勢，在15 min時達到最大值。等高線呈橢圓形，超聲時間和料液比交互作用較顯著，與模型的方差分析結果一致。由圖1c可知，超聲功率不變，得率隨料液比減小而增大，在1：10.0～1：10.4達最大值，之后逐漸減小。固定料液比，果膠得率隨超聲功率升高而呈上升趨勢，在300 W時達到最大值。等高線呈橢圓形，超聲時間和料液比交互作用較顯著，與模型的方差分析結果一致。

結合回歸模型的數學分析可知，荔枝渣果膠提取最優工藝參數為超聲時間14.8 min、超聲功率294.5 W、料液比1：10.7，在此工藝基礎上，預測果膠得率為17.86%。為進一步檢驗響應面分析法的可靠性，采用上述最優條件進行果膠提取（實際超聲功率為300 W），實際測得樣品得率為17.38%，與理論值相比，相對誤差較小（為2.7%）。因此，采用響應面分析優化得到的浸提條件參數準確可靠，可用于實際操作。

2.4 果膠沉淀時乙醇用量對果膠得率的影響

由表7可知，乙醇用量與提取液體積之比小于1：1.5時，隨著乙醇用量的增大，果膠得率顯著升高，提取液與95%乙醇體積比由1：1增加1：1.5時，得率增加6.78%。當液-液比大于1：1.5時，果膠得率變化不明顯（提取液與95%乙醇體積比由1：5增加到1：2時，得率增加0.2%），從節約成本考慮，提取液體積與95%乙醇用量之比取1：1.5合適。

表7 乙醇用量對果膠得率的影響Table7 Effect of ethanol volume on the extraction yield of pectin

2.5 沉淀時間對果膠得率的影響

表8 沉淀時間對果膠得率的影響Table8 Effect of precipitation time on the extraction yield of pectin

由表8可知，用乙醇沉淀果膠時，沉淀時間對果膠得率有明顯影響，沉淀時間低于90 min時，隨著沉淀時間增大，果膠得率顯著升高（沉淀時間由60 min增加到90 min時，得率增加7.12%），然而當沉淀時間大于90 min時，果膠得率下降（沉淀時間由90 min增加到120 min時，得率減少4.56%），這是因為沉淀時間過長，使得果膠部分分解。

2.6 荔枝渣果膠特性分析

表9 果膠黏度、酯化度含量Table9 Viscosity and degree of esterification of pectin

由表9可知，超聲波輔助酸法提取的果膠平均黏度為55.8×10-3Pa·s。果膠的甲氧基質量分數及酯化度是果膠性能指標中最基本指標之一，與果膠的膠凝性、增稠性等性質密切相關，超聲波輔助酸法所得果膠甲氧基質量分數為6.63%，酯化度為40.7%，表明該果膠屬低甲氧基果膠，可在食品中形成性質優良的凝膠作為添加劑使用[6,22]。

2.7 果膠質構特性分析

表10 果膠質構特性Table10 Texture characteristics of pectin

由表10可知，利用超聲波輔助酸法提取所得荔枝渣果膠硬度平均值為40.400 g，彈性平均值為55.51%，黏性絕對平均值為12.880 g，且進行的6 次實驗中，所測定的果膠色澤較好，膠凝度高，性質比較穩定。

3 結 論

本研究采用Box-Behnken試驗設計方案從荔枝渣中提取果膠，在此條件下獲得的最佳工藝參數為：超聲時間14.8 min、超聲功率300 W、料液比1：10.7，果膠得率為17.38%。結合方差分析，建立了超聲時間、功率和料液比與果膠得率之間的數學模型方程為y=22.44-0.86A-1.18B＋1.88C-2.45A2-3.56B2-2.41C2-0.82AB＋1.61AC＋1.01BC（R2=0.995 7）。模型回歸檢驗F=53.74，在0.01水平上差異極顯著，表明Box-Behnken試驗設計能準確地考察荔枝渣果膠的最佳提取條件，可用于實際操作，此模型的建立將為今后大規模應用提供直接的參考依據。

采用超聲波輔助提取的果膠時間短、色澤較淺，這與文獻[10,15]的研究結果一致，但超聲波處理對果膠的溶解度、成分活性的影響有待深入研究[23]。由果膠的特性分析可知，采用超聲波輔助提取的果膠甲氧基質量分數為6.63%，平均黏度為55.8×10-3Pa·s，酯化度為40.7%，低甲氧基果膠在Ca2+、Al3+或其他多價陽離子存在下無論有糖或無糖均能形成性質優良的凝膠，適合作為食品添加劑滿足人們對低糖、低甜度食品的要求[24-25]。

超聲波輔助酸法提取荔枝渣中果膠的最佳工藝條件為：在此基礎上選擇pH 2的鹽酸溶液提取，沉淀時提取液與95%乙醇體積比為1：1.5，沉淀時間90 min，質構特性分析表明所得荔枝渣果膠硬度平均值為40.400 g，彈性平均值為55.51%，黏性絕對平均值為12.880 g，樣品色澤較好，膠凝度高，屬低甲氧基果膠，性質比較穩定，具有廣闊的市場前景。

[1] 劉學銘, 廖森泰, 張名位. 荔枝加工副產物研究進展[J]. 食品研究與開發, 2012, 33(1): 201-204.

[2] 邱松山, 周如金, 黃敏, 等. 荔枝深加工過程中荔枝渣綜合利用研究[J].安徽農業科學, 2012, 40(31): 15429-15430.

[3] 何珺珺. 荔枝渣制備燃料酒精的工藝研究[D]. 鎮江: 江蘇科技大學, 2011: 7-15.

[4] 陳熠, 熊遠福, 文祝友, 等. 果膠提取技術研究進展[J]. 中國食品添加劑, 2009, 20(3): 80-84.

[5] 李建鳳, 任磊, 王真, 等. 響應曲面法用于超聲波提取檸檬皮渣果膠研究[J]. 食品工業科技, 2013, 34(4): 267-269.

[6] 林曉鋒, 許晨, 許建中, 等. 酸提工藝對果膠品質的影響[J]. 食品科學, 2011, 32(24): 78-82.

[7] 田三德, 任紅濤. 果膠生產技術工藝現狀及發展前景[J]. 食品科技, 2003, 28(1): 53-55.

[8] 彭凱, 張燕, 王似錦, 等. 微波干燥預處理對蘋果渣提取果膠的影響[J].農業工程學報, 2008, 24(7): 222-226.

[9] 吳繼紅. 彭凱. 張燕, 等. 傳統與微波輔助工藝提取蘋果果膠品質比較[J]. 農業工程學報, 2009, 25(9): 350-355.

[10] 于海蓮, 胡震. 超聲波法提取香蕉皮中果膠的工藝研究[J]. 食品工業科技, 2009, 30(7): 218-220.

[11] 殷涌光, 樊向東, 劉鳳霞, 等. 用高壓脈沖電場技術快速提取蘋果渣果膠[J]. 吉林大學學報: 工學版, 2009, 39(5): 1224-1228.

[12] 唐滿生, 戴永強. 微波協同離子交換法提取果膠的研究[J]. 現代食品科技, 2009, 25(6): 678-680.

[13] 戴喜末, 熊子文, 羅麗萍. 響應面法優化野艾蒿多糖的超聲波提取及其抗氧化性研究[J]. 食品科學, 2011, 32(8): 93-97.

[14] LIANG R H, CHEN J, LIU W, et al. Extraction, characterization and spontaneous gel-forming property of pectin from creeping fig (Ficus pumila Linn.) seeds[J]. Carbohydrate polymers, 2012, 87(1): 76-83.

[15] 黃永春, 馬月飛, 謝清若, 等. 超聲波輔助提取西番蓮果皮中果膠的研究[J]. 食品科學, 2006, 27(10): 341-344.

[16] LI D, XIN J, ZHONG W, et al. Box-Behnken experimental design for investigation of microwave-assisted extracted sugar beet pulp pectin[J]. Carbohydrate Polymers, 2012, 88(1): 342-346.

[17] VRIESMANN L C, TEOFILO R F, PETKOWICZ C L O. Optimization of nitric acid-mediated extraction of pectin from cacao pod husks (Theobroma cacao L.) using response surface methodology[J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 84(4): 1230-1236.

[18] MARAN J P, SIVAKUMAR V T, SRIDHAR S. Optimization of microwave assisted extraction of pectin from orange peel[J]. Carbohydrate Polymers, 2013, 97(2): 703-709.

[19] 高建華, 戴思齊, 劉家明, 等. 六種果皮原料果膠的理化及凝膠特性比較[J]. 農業工程學報, 2012, 28(16): 288-292.

[20] MAUD P, THIBAULT J F, ESTELLE B. Cellulase and protease preparations can extract pectins from various plant by products[J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry, 2006, 54(23): 8926-8935.

[21] 汪海波. 低酯果膠的膠凝質構性能研究[J]. 食品科學, 2006, 27(12): 123-129.

[22] EMAGA T H, RONKART S N, ROBERT C, et al. Characterisation of pectins extracted from banana peels (Musa AAA) under different conditions using an experimental design[J]. Food Chemistry, 2008, 108(2): 463-471.

[23] MAJD M H, RAJAEI A, BASHI D S, et al. Optimization of ultrasonicassisted extraction of phenolic compounds from bovine pennyroyal (Phlomidoschema parviflorum) leaves using response surface methodology[J]. Industrial Crops and Products, 2014, 57: 195-202.

[24] DAYANYG N A Z, IOANNIS S C, ANNE S M. Enzyme catalyzed oxidative gelation of sugar beet pectin: kinetics and rheology[J]. Food Hydrocolloids, 2012, 28(1): 130-140.

[25] YU K, WU Y, HU Z, et al. Modeling thermal degradation of litchi texture: comparison of well model and conventional methods[J]. Food Research International, 2011, 44(7): 1970-1976.

Optimization of Extraction Process for Pectin from Litchi Residues by Box-Behnken Design

JIANG Cui-cui, CHEN Xiao-qiao, QIU Song-shan*, ZHOU Ru-jin
(School of Chemistry and Life Science, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

The ultrasonic-assisted acid extraction of pectin from litchi residues was optimized using Box-Behnken design. The yield of pectin was investigated as a function of ultrasonication time, ultrasonic power and solid-to-solvent ratio. Litchi pectin was tested by a texture analyzer for hardness, viscosity and degree of esterification. The optimum conditions for extracting pectin from litchi residues were found to be ultrasonic-assisted extraction for 14.8 min at a power of 300 W using pH 2 hydrochloric acid solution with a solid-to-solvent ratio of 1:10.7, addition of ethanol as a precipitant with a ratio to extract of 1:1.5 by volume, and 90 min precipitation. The maximum predicted yield of pectin under the optimized conditions was 17.86%, which was close to the experimentally observed value of 17.38%. The pectin showed a viscosity of 55.8×10-3Pa·s and a degree of esterification of 40.7%, and texture analysis indicated that the average hardness, elasticity and cohesiveness were 40.400 g, 55.51% and 12.880 g, respectively. In addition, good color and gel-forming properties were observed.

litchi residues; pectin; ultrasonic

TS255.2

A

1002-6630（2014）10-0098-05

10.7506/spkx1002-6630-201410018

2013-09-18

廣東省高等學校高層次人才項目（911043）；廣東石油化工學院2013年教研項目（JY201318）

姜翠翠（1980—），女，講師，碩士，研究方向為食品加工技術。E-mail：40305170@163.com

*通信作者：邱松山（1978—），男，講師，博士，研究方向為農產品加工與貯藏。E-mail：tustqss@163.com