響應面試驗優化超聲輔助提取柚皮纖維素工藝

曾小峰，白小鳴，2，蓋智星，彭雪嬌，王　華，3，*

（1.西南大學柑桔研究所，重慶 400712；2.西南大學食品科學學院，重慶 400715；3.國家柑桔工程技術研究中心，重慶 400712）

響應面試驗優化超聲輔助提取柚皮纖維素工藝

曾小峰1，白小鳴1，2，蓋智星1，彭雪嬌1，王華1，3，*

（1.西南大學柑桔研究所，重慶 400712；2.西南大學食品科學學院，重慶 400715；3.國家柑桔工程技術研究中心，重慶 400712）

以柚皮為原料研究超聲輔助提取纖維素的工藝條件，通過單因素試驗，分別考察氫氧化鈉質量濃度、提取溫度、提取時間及過氧化氫體積分數對柚皮纖維素含量的影響。在此基礎上，應用響應面分析氫氧化鈉質量濃度、提取溫度、提取時間及三者兩兩交互作用對響應值的影響，確定了柚皮纖維素提取的最佳工藝參數。結果表明：各因素對纖維素含量影響的顯著性表現為提取溫度＞氫氧化鈉質量濃度＞提取時間，通過響應面法優化的最佳工藝條件為氫氧化鈉質量濃度為9.4 g/100 mL、提取溫度為84℃、提取時間為77 min，在此條件下柚皮纖維素含量為63.12%。

柚皮；纖維素；超聲波提取；響應面

我國柚類種植歷史悠久，種質資源豐富，其生產面積和產量均居世界第1位［1］。中國柚子以鮮食為主，但隨產量的增加，柚類加工也不斷擴大，并伴隨大量副產物——柚皮，約占整個柚子果實質量的30%以上，富含黃酮類、果膠、纖維素等［2］，目前對于柚皮的處理除少部分制作糖制品以外，大部分以生活垃圾填埋處理，不僅浪費資源，還造成環境的污染［3］。為了減小環境污染及提高柚皮的經濟價值，研究者對柚皮進行了開發利用，但研究主要集中在其功能性成分分離提取，如果膠、黃酮類、香精油、膳食纖維等［4］，對柚皮中含量豐富的纖維素的提取和應用卻極其少見。

纖維素是由葡萄糖殘基通過β-1，4-糖苷鍵聯結而成的具有高度結晶區的長鏈分子［5］，周圍緊密鑲嵌著半纖維、木質素和果膠等，需去除這些物質才能得到含量較高的纖維素。現有的提取纖維素的方法主要有物理法：如機械粉碎［6］、蒸汽爆破［7-8］、微波超聲波輔助［9］等；化學法：如堿法［10］、亞硫酸鹽法［11］等。物理法一般用于提取的預處理工藝或是輔助工藝，其目的是去除木質素等對纖維素具有保護作用的成分［12］。因此，本實驗采用超聲波輔助化學法提取柚皮中的纖維素，采用響應面分析法優化提取工藝，以獲得柚皮纖維素提取的最佳工藝，以期為更好地開發柚皮纖維素提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

梁平柚采購于重慶市梁平縣。

鹽酸、氫氧化鈉、過氧化氫、冰醋酸、乙醇、硫酸、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、硝酸、鄰二氮菲等均為分析純。

1.2儀器與設備

恒溫水浴鍋 上海雙舜實業發展有限公司；KQ5200E型超聲波儀器 昆山市超聲儀器有限公司；L550臺式離心機 長沙湘儀器離心機有限公司；BT224S電子天平 賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；GZX-9240MBE型電熱恒溫鼓風干燥器 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；6202型高速粉碎機 北京燕山正德機械設備有限公司。

1.3方法

1.3.1柚皮的預處理

柚子清洗干凈，用手工除去表皮油胞，切成2 cm×2 cm小塊，電熱恒溫鼓風干燥器65 ℃烘干，粉碎過篩（60 目），得到柚皮粉，4 ℃貯藏備用。

1.3.2柚皮纖維素提取工藝流程

柚皮→干燥→粉碎→0.1 mol/L的鹽酸溶液處理→氫氧化鈉溶液去半纖維素→過氧化氫溶液去木質素、脫色→95%酒精脫酯、脫色→洗滌→干燥→柚皮纖維素

1.3.3柚皮纖維素提取分析

1.3.3.1去除果膠

將粉碎后的柚皮粉按1∶20（g/mL）的料液比加0.1 mol/L鹽酸溶液85 ℃水浴處理2 h，不斷攪拌，3 層紗布抽濾，去除果膠，蒸餾水洗滌至中性，60 ℃電熱恒溫鼓風干燥器干燥，粉碎機粉碎，儲存備用。

1.3.3.2去半纖維素

將去除果膠的柚皮粉按1∶20（g/mL）的料液比加入氫氧化鈉溶液，在超聲功率為200 W，一定溫度條件下超聲處理一定時間去除半纖維素，3 層紗布抽濾，蒸餾水洗滌3 次，保留濾渣待用。

1.3.3.3去木質素

將去半纖維素的濾渣按1∶20（g/mL）料液比加過氧化氫溶液，由于在堿性環境下能促進H2O2水解除去木質素，因此用氫氧化鈉溶液調節pH值至11左右［13-14］，在30 ℃水浴條件下反應30 min，蒸餾水洗滌至中性，95%的酒精洗脫酯類及去除部分色素，60 ℃烘干，得到柚皮纖維素。

1.3.4纖維素含量測定

采用重鉻酸鉀-硫酸亞鐵銨法［15］。

1.3.5單因素試驗設計

稱取去除果膠的柚皮粉末5 g，按料液比1∶20，以氫氧化鈉質量濃度（4、6、8、10、12 g/100 mL）為變量，在相同超聲功率（200 W）、80 ℃條件下于超聲儀器中固定位置處理70 min，以纖維素含量為指標確定最佳氫氧化鈉質量濃度。

以最佳氫氧化鈉質量濃度在不同提取溫度（50、60、70、80、90 ℃）條件下反應，確定最佳提取溫度。

以最佳氫氧化鈉質量濃度、最佳溫度條件下，以時間（50、70、90、110、130 min）為變量條件下反應，確定最佳提取時間。

以最佳氫氧化鈉質量濃度、最佳溫度、最佳時間條件下，以過氧化氫體積分數（4%、6%、8%、10%、12%）為變量條件下反應，確定最佳過氧化氫體積分數。

1.3.6響應面試驗選擇最佳提取條件

基于單因素試驗結果，根據Box-Behnken試驗設計原理，綜合單因素影響試驗結果，選擇氫氧化鈉質量濃度、提取溫度、提取時間3 個主要因素為自變量，設計三因素三水平響應面試驗表，因素與水平設計如表1所示。

表1　響應面試驗因素水平表Table1　Factors and levers used in RSM design

2　結果與分析

2.1單因素試驗結果分析

2.1.1氫氧化鈉質量濃度對柚皮纖維素含量的影響

圖1　氫氧化鈉對柚皮纖維素含量的影響Fig.1　Effect of sodium hydroxide concentration on the purity of pomelo peel cellulose

由圖1可知，隨著氫氧化鈉質量濃度的增加，纖維素含量不斷增加，原因是隨著氫氧化鈉質量濃度增加，蛋白質、色素、黃酮類等堿溶性物質不斷被溶出［16］。同時，纖維素結構變的松散，半纖維素等不斷被溶解，因而纖維素含量不斷增加；當氫氧化鈉質量濃度達到10 g/100 mL時纖維素含量達到最大，繼續增大氫氧化鈉質量濃度時，纖維素含量下降，其原因可能為纖維素被堿分解掉一部分，另外，部分纖維素可與堿液發生反應生產堿纖維素。

2.1.2提取溫度對柚皮纖維素含量的影響

圖2　提取溫度對柚皮纖維素含量的影響Fig.2　Effect of extraction temperature on the purity of pomelo peel cellulose

由圖2可知，隨著溫度的升高，分子運動加劇，堿的反應活力加強，纖維素大分子間的糖苷鍵斷裂，促使半纖維素、木質素等物質溶出，使纖維素含量不斷增加，在80 ℃時，含量達到最大。之后再升高溫度時，由于過高的溫度使得纖維素自身結構遭到破壞而發生降解，因而纖維素含量顯著下降。

2.1.3提取時間對柚皮纖維素含量的影響

圖3　提取時間對柚皮纖維素含量的影響Fig.3　Effect of ultraconication time on the purity of pomelo peel cellulose

由圖3可知，在70 min時出現峰值，之前隨提取時間延長，纖維素含量急劇增加，之后急劇下降，90 min后下降趨勢變得緩慢。時間較短時，反應不完全，提取的纖維素不純，隨著時間的延長，當物料與溶液充分反應時，纖維素含量最高；繼續延長時間，物料黏度增加，纖維素含量反而下降［17］。

2.1.4過氧化氫體積分數對柚皮纖維素含量的影響

過氧化氫對提取的纖維素具有漂白作用，同時有研究［18］表明，在高溫環境下，過氧化氫分解成的氫基自由基可在氧負離子的協調作用下與木質素反應，使木質素鏈發生斷裂，從而使纖維素含量增加；從圖4可以看出，過氧化氫體積分數對纖維素含量影響不大，隨著過氧化氫體積分數增加，纖維素含量從55%左右增加到最大值57.47%，此后再增加過氧化氫體積分數，含量開始緩慢下降，最后趨于平緩。

圖4　過氧化氫體積分數對柚皮纖維素含量的影響Fig.4　Effect of hydrogen peroxideon concentration on the purity of pomelo peel cellulose

2.2響應面法優化超聲輔助提取柚皮纖維素工藝

2.2.1響應面模型設計方案及試驗結果

在對氫氧化鈉質量濃度、提取溫度、提取時間、過氧化氫體積分數進行單因素試驗的基礎上，選擇對纖維素含量影響較大的3 個因素，采用Design-Expert 8.0.6軟件，以表1的因素水平設計17組試驗，分別測定纖維素含量，設計方案及結果見表2。

表2　響應面設計方案及試驗結果Table2　Response surface design scheme and experimental results

2.2.2響應面模型建立與顯著性檢驗

由表3可知，模型達到極顯著水平，而失擬項不顯著，說明試驗設計可靠，所擬合的二次回歸方程合適，可用此模型對柚皮纖維素提取進行分析和預測；各因素中一次項B、二次項A2、C2對纖維素含量有極顯著影響；一次項A、交互項AC、二次項C2對纖維素含量有顯著影響。各因素對纖維素含量的影響大小順序為提取溫度＞氫氧化鈉質量濃度＞提取時間。其中，氫氧化鈉質量濃度和提取時間對纖維素含量具有交互作用，且達到顯著水平。

表3　纖維素含量響應面模型的方差分析Table3　Analysis of variance for the response surface quadratic model for cellulose puriittyy

根據各項的回歸系數，得到模型的回歸方程為：

Y=62.22－1.71A+4.24B+1.06C+0.77AB－1.76AC+ 0.05BC－3.33A2－5.52B2－2.11C2

2.2.3響應面分析與優化

根據回歸方程，得到各因素交互作用對纖維素含量影響的響應面圖和等高線圖，分別為圖5。其中，等高線的形狀可反映出交互效應的強弱大小，等高線圓形表示兩因素交互作用不顯著，橢圓表示兩交互作用顯著［19］。響應面圖的曲面性狀可以看出影響因素的顯著水平，曲面較陡說明影響顯著，曲面較圓說明影響不顯著［20］。

圖5　各因素交互作用對柚皮纖維素含量影響的響應面圖Fig.5　Response surface and contour plots for the interactive effects of NaOH treatment conditions on the cellulose content of pomelo peel extract

由圖5a可知，提取時間一定時，隨著氫氧化鈉質量濃度增加和提取溫度的升高，纖維素含量呈先升高后下降的趨勢。當氫氧化鈉質量濃度在10 g/100 mL左右，提取溫度在80 ℃左右時，含量有最大值。從響應面圖中，明顯看到溫度曲面變化較氫氧化鈉質量濃度曲面變化更陡，說明提取溫度對纖維素含量影響較氫氧化鈉質量濃度更顯著。由圖5b可知，提取溫度一定時，纖維素含量隨著氫氧化鈉質量濃度增加呈先升高后下降的趨勢，隨提取時間的延長而一直升高。當氫氧化鈉質量濃度在10 g/100 mL左右，提取時間在66～74 min時，含量有最大值。由等高線圖可以看出，該等高線為橢圓形圖案，可以推出其兩因素的交互作用對含量影響顯著。由圖5c可知，在10 g/100 mL氫氧化鈉質量濃度不變條件下，纖維素含量隨提取溫度的升高先上升后下降，提取時間對纖維素含量的影響則為先上升后趨于平穩趨勢。當提取溫度在80℃左右，提取時間在66～74 min時，含量有最大值。

2.2.4 驗證實驗結果

通過響應面法優化后的最佳提取工藝條件為氫氧化鈉質量濃度9.38 g/100 mL、提取溫度83.61 ℃、提取時間77.54 min，此時預測含量的理論值為63.53%。考慮到實際操作性，選擇氫氧化鈉質量濃度9.4 g/100 mL、提取溫度84 ℃、提取時間77 min。為檢測結果的可靠性，采用最佳條件做驗證實驗，纖維素含量為63.12%，與理論值較為接近，說明擬合程度較好，可以利用該工藝條件制備柚皮纖維素。

3　結 論

在單因素的試驗基礎上，通過響應面分析法，以纖維素含量為響應值，得到柚皮纖維素提取的最優工藝條件：氫氧化鈉質量濃度為9.4 g/100 mL、提取溫度84 ℃、提取時間77 min，在此條件下，柚子皮纖維素含量為63.12%。通過實驗得到的結果與羅均［21］、Ejikeme［22］等分別采用琯溪蜜柚、橙皮渣得到的纖維素含量相近，分別為67.7%、62.5%。存在 的差別可能是品種不同及提取條件不同引起，但基本保持一致。

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Optimization of Ultrasonic-Assisted Extraction of Cellulose from Pomelo Peel by Response Surface Methodology

ZENG Xiaofeng1， BIAO Xiaoming1，2， GE Zhixing1， PENG Xuejiao1， WANG Hua1，3，*
（1. Citrus Research Institute， Southwest University， Chongqing 400712， China； 2. College of Food Science， Southwest University，Chongqing 400715， China； 3. National Citrus Engineering Research Center， Chongqing 400712， China）

The present study optimized the ultrasonic-assisted extraction of cellulose from pomelo peel by the combined use of single factor method and response surface methodology （RSM）. In the extraction process， pomelo peel was ultrasonically treated with （NaOH） at a certain temperature for the removal of hemicelluloses， followed by further removal of lignin and simultaneous decolorization with hydrogen peroxide. The influences of sodium hydroxide concentration， extraction temperature， ultrasonication time and hydrogen peroxide concentration， as well as interactions among the former three variables on the cellulose content （i.e.， purity） of pomelo peel extract were investigated. The results indicated that the cellulose content of pomelo peel extract was affected in decreasing order by the following factors： extraction temperature ＞sodium hydroxide concentration ＞ ultrasonication time. Through response surface methodology， the process conditions for hemicelluloses removal were optimized as follows： NaOH concentration 9.4 g/100 mL， temperature 84 ℃ and ultrasonication time 77 min. Under these conditions， the purity of cellulose extracted from pomelo peel was 63.12%.

pomelo peel； cellulose； ultrasonic-assisted extraction； response surface methodology

TS255.3

A

1002-6630（2015）14-0034-05

10.7506/spkx1002-6630-201514007

2015-01-14

重慶市應用開發計劃項目（cstc2013yykfB00001）；公益性行業（農業）科研專項（201503142）

曾小峰（1989—），女，碩士研究生，研究方向為食品化學與營養學。E-mail：zengxiaofeng@sinocitrus.com

王華（1963—），男，研究員，學士，研究方向為食品化學與營養學。E-mail：wanghua40@126.com