柑橘皮渣水溶性膳食纖維的檸檬酸提取工藝優化

彭　婭，彭　榮，殷鐘意，鄭旭煦，，*（.重慶工商大學環境與生物工程學院，重慶400067；.重慶工商大學催化與功能有機分子重慶市重點實驗，重慶400067）

柑橘皮渣水溶性膳食纖維的檸檬酸提取工藝優化

彭婭1，彭榮1，殷鐘意2，鄭旭煦1，2，*
（1.重慶工商大學環境與生物工程學院，重慶400067；2.重慶工商大學催化與功能有機分子重慶市重點實驗，重慶400067）

以柑橘皮渣為原料，水溶性膳食纖維得率為指標，在單因素實驗基礎上，采用Box-Behnken原理設計的響應面法優化檸檬酸提取柑橘皮渣中水溶性膳食纖維的工藝。方差分析和交互作用分析表明，最佳提取工藝為檸檬酸質量分數3.38%、料液比1∶24、振蕩時間69min、加熱溫度72℃，在此工藝條件下水溶性膳食纖維得率為21.10%±0.16%，與模型高度擬合，可用于實際預測。

響應面法，柑橘皮渣，檸檬酸，水溶性膳食纖維

柑橘是世界第一大水果，年產量高達1000萬t。作為柑橘加工的下腳料，柑橘皮渣占果實的40%～60%［1］，這些殘渣含有大量的水分、營養物質和膳食纖維，極易腐爛變質，造成嚴重的環境污染。因此，開發利用柑橘皮渣的有用資源，對于提高柑橘產業的附加值以及保護環境等都具有十分重要的意義。

膳食纖維（Dietary Fiber，DF）是指不被人體消化吸收的多糖類碳水化合物與木質素的總稱。根據其溶解性可分為水不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）和水溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber， SDF）兩大類［2］，SDF比IDF具有更強的生理功能而成為研究報道的熱點。有關柑橘皮渣SDF的提取方法主要有直接水提法［3］、酶解法［4］、發酵法［5］和化學提取法［6］。直接水提法工藝簡單，但提取率不高；酶解法消耗低、無污染，但成本高、可控性差；發酵法安全、成本低，但對菌種要求比較高；化學法主要是利用酸、堿等提取膳食纖維，制備成本較低，在工業上廣泛使用。目前采用酸法提取柑橘皮渣膳食纖維的“酸”主要有鹽酸、磷酸、硝酸和冰乙酸等，但這些“酸”提取SDF不僅得率不高，而且還影響SDF的功能性應用；而檸檬酸本身是一種食品添加劑，可有效彌補上述“酸”的不足。鑒于目前尚未見到檸檬酸提取柑橘皮渣SDF的相關報道，本文以柑橘皮渣為原料，檸檬酸溶液為提取溶劑，首先采用單因素實驗法研究檸檬酸質量分數、料液比、加熱溫度、振蕩時間等因素對柑橘皮渣SDF提取率的影響，然后再運用響應面Box-Beken中心設計法優化檸檬酸提取柑橘皮渣SDF的工藝，旨在為開發利用柑橘皮渣中的膳食纖維提供有益的參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

柑橘皮渣采自重慶派森百橙汁有限公司；檸檬酸（分析純）、2-（N-嗎啉代）乙烷磺酸、酸洗硅藻土、α-淀粉酶（酶活力≥4000U/g）、淀粉葡萄糖苷酶（酶活性≥10萬U/mL）、蛋白酶（酶活力≥400U/mg）

阿拉丁試劑（中國）有限公司；95%乙醇、乙酸、石油醚、丙酮（以上均為分析純） 成都科龍化工試劑廠；三羥基氨基甲烷北京鼎國生物技術責任公司。

HH-6恒溫水浴振蕩器、DZ-88.350真空干燥箱上海躍進醫療器械廠；ZX98H旋轉蒸發器上海亞榮生化儀器；2001K馬弗爐天津華北實驗儀器；SHZ-D（III）循環水多用真空泵鞏市義予華儀器有限責任公司；JA3003電子分析天平上海舜宇恒平科學儀器有限公司；milli-Q超純水系統美國milli pore公司；D-37520臺式冷凍高速離心機美國KENDRO公司。

1.2實驗方法

1.2.1柑橘皮渣成分測定脂肪、蛋白質、灰分、膳食纖維分別參照GB/T 14772-2008食品中粗脂肪的測定；GB 5009.5-2010食品中蛋白質的測定；GB 5009.4-2010食品中灰分的測定；GB/T 5009.88-2008食品中膳食纖維的測定。

1.2.2柑橘皮渣SDF的提取將干燥的柑橘皮渣粉碎，過40目篩備用。稱取2.0g柑橘皮渣粉末于燒杯中，加入一定質量分數的檸檬酸溶液，水浴加熱到一定溫度，振蕩一定時間后取出，在6000r/min離心10min，上清液抽濾，濾液以4倍體積的95%乙醇沉淀，靜置2h，用烘干且恒重的定量中速濾紙抽濾。將過濾后的濾紙置于105℃烘干至恒重，按下式計算得率。

式中，m為稱取的柑橘皮渣粉末質量，m1為烘干至恒重的濾紙質量，m2為過濾后烘干至恒重的濾紙質量。

1.2.3影響柑橘皮渣SDF得率的單因素實驗

1.2.3.1檸檬酸質量分數對SDF得率的影響在柑橘皮渣粉末與檸檬酸料液比為1∶12g/mL、加熱溫度為70℃、振蕩時間為70min下，分別選取檸檬酸質量分數（檸檬酸質量g/水質量g）為1%、2%、3%、4%、5%，按照1.2.2方法進行實驗。

1.2.3.2料液比對SDF得率的影響在檸檬酸質量分數為3%、加熱溫度為70℃、振蕩時間為70min下，分別選取料液比為1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24g/mL，按照1.2.2方法進行實驗。

1.2.3.3振蕩時間對SDF的影響在檸檬酸質量分數為3%、料液比為1∶20、加熱溫度為70℃下，分別選取振蕩時間為50、60、70、80、90min，按照1.2.2方法進行實驗。

1.2.3.4加熱溫度對SDF提取的影響在檸檬酸質量分數為3%、料液比為1∶20、振蕩時間為70min下，分別選取加熱溫度為50、60、70、80、90℃，按照1.2.2方法進行實驗。

1.2.4響應面中心實驗設計采用Design-Expert 8.0.6軟件，用Box-behnken中心組合實驗設計原理，在單因素實驗的基礎上，以檸檬酸的質量分數（X1）、料液比（X2）、振蕩時間（X3）和加熱溫度（X4）4個因素為自變量，SDF得率為響應值，用4因素3水平的響應曲面進行實驗設計，實驗因素水平設計見表1。

表1　響應面分析因素及水平編碼Table 1　Factors and levels of code in response surface nanlysis

1.2.5實驗數據處理用Origin 8.5.1和Design-Expert 8.0.6軟件進行實驗數據的圖表和數據分析，用Box-Behnken中心組合進行提取工藝優化。

2　結果與討論

2.1柑橘皮渣的成分分析

對干燥粉碎的柑橘皮渣粉末進行成分分析，結果見表2。

表2　柑橘皮渣的成分Table 2　Composition of citrus peel slag

由表2可知，柑橘皮渣中SDF含量占11.28%，比芒果皮［7］、蔬菜、豆類等高，是較好的制備SDF的原料，且脂肪等常規成分含量較低，不需進行脫脂處理。

2.2柑橘皮渣中SDF提取工藝單因素實驗

2.2.1檸檬酸質量分數對SDF得率的影響按1.2.3.1方法進行實驗的結果見圖1。

圖1　檸檬酸質量分數對SDF的影響Fig.1　Effect of the mass fraction of citric acid on SDF yield

從圖1可知，其他條件一定時，SDF得率隨著檸檬酸質量分數的增加呈現先增加后下降的變化趨勢；當檸檬酸質量分數為3%時，SDF得率最大，達13.30%，高于表2的測定值。究其原因，一是原果膠在酸性條件下加熱水解而變成水溶性果膠［8］，使得SDF得率高于GB/T 5009.88-2008中酶解法測定的SDF含量。二是當檸檬酸質量分數較小時，SDF不能被充分提取；但當檸檬酸質量分數較大時，柑橘皮渣中一些其他成分將阻礙SDF析出［9］。因此實驗選擇2%～4%為檸檬酸質量分數的響應面因素水平。

2.2.2料液比對SDF得率的影響按1.2.3.2方法進行實驗的結果見圖2。

圖2　料液比對SDF的影響Fig.2　Effect of material-to-liquid on SDF yield

從圖2可知，其他條件一定時，SDF得率隨著料液比增加呈現先升高后平緩的變化趨勢；當料液比為1∶20g/mL時，達到最大值，為18.34%；當料液比大于1∶20g/mL時，SDF得率變化不大。這是因為隨著提取液體積的增加，柑橘皮渣粉末在提取劑中分散程度增大，原料與提取劑的接觸面積也增大，即提取劑中SDF濃度與柑橘皮渣邊界層的濃度差增大，SDF由柑橘皮渣向提取液擴散速率變快，當料液比為1∶20g/mL時達到平衡，SDF得率達到最大值［10］。因此選擇1∶16～1∶24g/mL為料液比的響應面因素水平。

2.2.3振蕩時間對SDF得率的影響按1.2.3.3方法進行實驗的結果見圖3。

圖3　振蕩時間對SDF的影響Fig.3　Effect of oscillation time on SDF yield

從圖3可知，其他條件一定時，SDF得率隨著水浴振蕩時間的延長呈現先增加后降低的變化趨勢；當水浴振蕩時間為70min時，SDF得率最大，達18.98%。這可能是由于加熱時間大于70min后，提取液中水分蒸發，體積變小，濃度變大，不利于SDF的溶解［11］。因此選擇60～80min為水浴加熱振蕩時間的響應面因素水平。2.2.4加熱溫度對SDF得率的影響按1.2.3.4方法進行實驗的結果見圖4。

圖4　加熱溫度對SDF的影響Fig.4　Effect of temperature on SDF yield

從圖4可知，其他條件一定時，SDF得率隨著溫度的升高呈現先增加后降低的變化趨勢；當溫度升高到70℃時，SDF得率最大，達19.45%。這可能是由于溫度小于70℃時，隨著溫度的升高，水分子運動加快，同時其他物質分子的振動和轉動也加快，使得SDF成分脫離IDF成分的束縛而被溶解分離出來，SDF得率提高［12］；當溫度高于70℃時，SDF中的多糖分子容易被檸檬酸水解為小分子糖，使其不易于被95%的乙醇沉淀。因此選擇60～80℃為加熱溫度的響應面因素水平。

2.3響應面法優化SDF提取工藝條件

2.3.1響應面實驗結果在單因素實驗結果下，以檸檬酸的質量分數、料液比、振蕩時間和加熱溫度4個因素為自變量，SDF得率為響應值［13-14］，實驗設計及結果見表3。

用Design-Expert 8.0.6軟件，選擇Box-Behnken模型，對表3中實驗數據進行多元回歸擬合，得到擬合方程：

對該模型進行方差分析，結果見表4，模型的F值為20.91（p＜0.0001），表明該模型極為顯著，失擬項p= 0.0651＞0.05，表明失擬項差異不顯著，該方程對實驗的擬合程度好。模型的復相關系數R2=0.9544，表明該模型能解釋95.44%的響應變化值，該模型的擬合程度好，可以用來分析和預測柑橘皮渣SDF提取工藝的結果。從表4可知，模型中一次項、二次項中X1、X2、對Y值影響高度顯著，X3和X1X3對Y值影響極顯著，X1X2和X1X4對Y值影響顯著，其他變量的影響均不顯著（p＞0.05）。

2.3.2響應面結果分析為考察交互項對SDF得率的影響，固定檸檬酸的質量分數3%，料液比1∶20（g/mL），時間70min，溫度70℃中的兩個因素的取值，變化另外兩個因素的取值，利用Design-Expert 8.0.6軟件分析，所得的響應曲面圖見圖5。

從圖5（a）可知，料液比一定時，隨著檸檬酸質量分數的增加，SDF得率呈現先增加后降低的變化趨勢，檸檬酸的質量分數在2%～3%時SDF得率的增加幅度比3%～4%時的下降幅度大，與單因素實驗結果相同；但檸檬酸質量分數一定時，隨著料液比的增加SDF得率略有增加，料液比在1∶16～1∶20時增加的幅度比1∶20～1∶24時小，與單因素實驗結果不同。表明檸檬酸質量分數與料液比兩個因素的交互作用對SDF得率的影響顯著，與方差分析結果一致。

表3　SDF提取工藝的響應面實驗設計及結果Table 3　Experimental design and results for response surface analysis

從圖5（b）可知，振蕩時間一定時，隨著檸檬酸質量分數的增加，SDF得率呈現先增加后變化不大的趨勢，與單因素實驗結果不同；檸檬酸質量一定時，隨著提取時間的延長SDF得率呈現先增加后降低變化趨勢，增加的趨勢比降低的趨勢大，在70min時達到最大值。表明檸檬酸質量分數與振蕩時間兩個因素的交互作用對SDF的得率有顯著影響，與方差分析結果一致。

從圖5（c）可知，加熱溫度一定時，隨著檸檬酸質量分數的增加，SDF得率的變化趨勢與單因素實驗一致；檸檬酸質量分數一定時，隨著溫度的升高，SDF得率呈現先增加后降低變化趨勢，增加與下降的趨勢基本一致，在70℃時達到最大值，與單因素實驗不一樣。表明檸檬酸質量分數與加熱溫度兩個因素的交互作用對SDF得率影響顯著，與方差分析結果一致。2.3.3響應曲面工藝優化與驗證經軟件分析優化，得到柑橘皮渣SDF的最佳提取工藝條件為檸檬酸質量分數3.38%、料液比1∶24、加熱溫度71.6℃、振蕩時間68.6min，在此工藝條件下計算SDF的理論得率為21.6%。對理論優化組合進行校正：檸檬酸質量分數3.38%、料液比1∶24、加熱溫度72℃、振蕩時間69min，重復進行3次驗證實驗，SDF平均得率為21.10%± 0.16%，與預測值接近，表明該模型能很好地預測檸檬酸提取柑橘皮渣粉末水溶性膳食纖維的情況。此外，本文還采用GB/T 5009.88-2008方法測定了該提取物中SDF的含量，為65.01%±0.20%，而采用檸檬酸法提取的SDF與采用酶解法提取的SDF究竟有何差異，有待今后進一步研究。

表4　回歸模型方差分析Table 4　Variance analysis for the built regression model

3　結論

在單因素實驗的基礎上，用Box-Behnken建立回歸模型并對其進行方差分析，得出該回歸模型顯著，擬合程度好，有實際意義。采用響應面法優化檸檬酸提取柑橘皮渣水溶性膳食纖維的最佳工藝條件為檸檬酸質量分數3.38%、料液比1∶24、加熱溫度72℃，振蕩時間69min。重復3次驗證實驗，得SDF得率為21.10% ±0.16%，與預測值接近，表明該模型能很好地預測檸檬酸提取柑橘皮渣粉末水溶性膳食纖維的情況。

圖5　兩因素交互作用的響應面圖Fig.5　Response surface showing the interactive effects of four process parameters on extraction yield of SDF

［1］汪秋安，單楊.柑桔類果皮資源的綜合利用研究［J］.再生資源研究，1999（5）：28-30.

Study on optimization of water-soluble dietary fiber extraction process from citrus residues with citric acid

PENG Ya1，PENG Rong1，YIN Zhong-yi2，ZHENG Xu-xu1，2，*
（1.Environmental and Biological Engineering Institute of Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China；2.Research Center of Medical Chemistry&Chemical Biology of Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

Citrus residues was treated with citric acid to extract soluble dietary fiber（SDF）and the yield of soluble dietary fiber was used to be an indicator.On the basis of single-factor experiments，response surface analysis based on Box-Behnken experimental design were carried out to optimize the extraction process of soluble dietary fiber.As indicated by variance analysis and interaction analysis，the optimal extraction parameters were found as follows：mass fraction of citric acid 3.38%；material-to-liquid 1∶24；oscillation time 69min；temperature 72℃.Under the optimized conditions，the actual yield of soluble dietary fiber was 21.10%±0.16%.It could be well fitted with model and was reliable and applicable for actual prediction.

response surface methodology；citrus residues；citric acid；soluble dietary fiber

TS255.1

B

1002-0306（2015）02-0243-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.044

2014－05－22

彭婭（1990-），女，碩士研究生，主要從事環境生物工程方面的研究。

鄭旭煦（1964-），女，博士研究生，教授，主要從事生物資源與天然藥物方面的研究。

重慶市高校優秀成果轉化資助重點項目（KJZH11212）。