響應面法優化金柚皮渣中果膠的提取工藝

張巖 吳繼軍 劉學銘 王思遠 傅曼琴

摘 要 以硫酸-咔唑法為測定果膠方法，采用超聲波輔助酸提果膠，并對提取果膠工藝進行優化，包括超聲輔助酸提前處理及提取溫度、提取時間、料液比和pH等提取條件對果膠提取效果的影響。結果表明，在單因素試驗的基礎上，采取響應面試驗設計，確定優化參數為：提取時間88.7 min、提取溫度75.5 ℃和pH1.44。在此條件下，從金柚果皮中提取果膠的得率為26.8%。

關鍵詞 柚皮渣；提取工藝；優化；響應面分析法

中圖分類號 TQ461 文獻標識碼 A

Abstract Pomelo peel is the wastes from pomelo beverage processing. The sulfuric acid carbazole method for the determination of pectin was selected. After the ultrasonic assistant solvent method， the extraction conditions of pomelo peel were optimized by the response surface methodology（RSM）. The effects of ultrasonic pretreatment， extraction temperature， extraction time， and pH parameters on pectin efficacy of pomelo was studied based on the single factor test and RSM. Results showed that the optimal extracting conditions with a pectin yield of 26.8% were extraction time 88.7 min， extraction temperature 75.5 ℃， extraction liquid pH1.44.

Key words Pomelo pericarp； Extraction technology； Optimization； Response surface methodology

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.08.024

柚[Citrus grandis（L.）Osbeck]，屬蕓香科柑桔屬，柚及其果汁加工在北美、歐洲各國和日本，深受追捧。柚黃酮具有很強的清除自由基的能力，能降低血脂水平，改善肝臟脂肪的積累，具有降血壓、改善肥胖等功效。在動物實驗中，黃酮能有效降低高脂膳食導致的脂質過氧化水平和慢性炎癥反應[1-2]。柚皮中含果膠膳食纖維，大量的實驗尤其來自流行病學的證明，膳食干預中多吃水果和蔬菜可以降低慢性病的發生率，對很多癌癥、心血管病、中風等具有極強的預防作用。近年來，超聲波作為前處理方式廣泛用于水果加工，如蘋果[3]、香蕉[4]、菠蘿[5]、番石榴[6]、奇異果[7]等在超聲波的作用下植物細胞穿透性加強，加快了傳質萃取速率[8]，同時研究結果表明，超聲協助有益于對多酚類物質的保持[9]。果膠的提取方法主要包括溶劑萃取法[10]、微波輔助提取法[11-12]、超高壓提取法[13]、離子交換樹脂法[14-15]、逆流萃取法[16]等等。梅州現有柚子種植面積約35 hm2，產量約50萬t[17]。梅州以鮮果為主、涼果蜜餞等粗加工產品為輔，產品附加值不高。目前采用響應面法優化超聲波輔助酸提金柚果膠的工藝，鮮有報道。因此，本文應用超聲波輔助與酸提取相結合方法從金柚果皮中提取果膠，通過優化提取工藝，以開發性價比較高的果膠膳食纖維，提升果糕果餡等產品品質。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料與試劑 金柚：購于廣州市水果市場。柚皮的油泡層、白囊層與果肉分離后，白囊層用于熱風干燥。濃硫酸、無水乙醇、濃鹽酸等購自天津市富宇精細化工有限公司，均為分析純。

1.1.2 主要儀器設備 UV-1800紫外分光光度計，島津-GL消耗品銷售公司；SB252-12DTP超聲波，寧波新芝生物科技有限公司；ZD-2自動電位滴定儀；雷磁科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 加工工藝流程 柚子皮原料→預處理→熱風干燥（溫度65 ℃）→粉碎→超聲波提取→醇沉過濾離心→檢測。

1.2.2 果膠的測定 “硫酸-咔唑法”：濃硫酸水解果膠，咔唑做為顯色劑與水解物反應顯紫紅色。此紫色化合物的吸光度與半乳糖醛酸（GalA）含量成正比線性關系。

1.2.3 標準曲線的制作 先配制0、10、30、50、

70、90 μg/mL不同濃度的半乳糖醛酸標準液，分別取1 mL于試管中，冰浴，加入6 mL濃硫酸，振蕩均勻后立刻將試管放入85 ℃水浴里20 min，再使之冷卻至室溫。加入0.2 mL 0.1%咔唑-乙醇溶液，振蕩，室溫下靜置2 h。以超純水代替樣品作為空白對照，于530 nm波長處測定吸光度，以質量濃度為橫坐標（x），吸光度為縱坐標（y）繪制標準曲線。樣液取1 mL，同上處理，以硫酸一咔唑法測量A530。用雙蒸水做空白調零[4]。

1.2.4 提取率的測定及計算 取25 mL比色管，用移液槍移入冰浴中加入6 mL濃硫酸，振蕩均勻后立刻將試管放入85 ℃水浴里20 min，再使之冷卻至室溫。加入0.2 mL 0.1%咔唑-乙醇溶液，振蕩，室溫下靜置2 h。

果膠提取率/%=半乳糖醛酸含量×100/柚白皮粉

1.2.5 提取工藝單因素試驗設計 在控制超聲前處理、粉碎粒度等因素條件下，分別研究提取料液比（溶液為硫酸）、溫度、提取時間和pH對柚皮提取工藝的影響，以提取率為目標考察指標。

（1）料液比。在提取pH為1.5、提取時間為80 min、提取溫度為70 ℃的條件下，研究料液比為1 ∶ 10、1 ∶ 20、1 ∶ 30、1 ∶ 40、1 ∶ 50、1 ∶ 60（g/mL）時的半乳糖醛酸濃度，得出較佳的果膠提取率。

（2）酸提pH。在料液比為1 ∶ 30（g/mL）、提取時間為80min，提取溫度為70 ℃的條件下，研究硫酸提pH為1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8時的半乳糖醛酸濃度，得出較佳的果膠提取率。

（3）提取時間。在提取pH為1.5、料液比為1 ∶ 30（g/mL）、提取溫度為70 ℃的條件下，研究提取時間為20、40、60、80、100、120 min時的半乳糖醛酸濃度，得出較佳的果膠提取率。

（4）提取溫度。在料液比為1 ∶ 30（g/mL）、提取pH為1.5、提取時間為80 min的條件下，研究提取溫度為40、50、60、70、80、90 ℃時的半乳糖醛酸濃度，得出較佳的果膠提取率。

1.2.6 響應面試驗 根據單因素試驗的結果，采用Design expert中的Box.Behnken試驗設計方案排列進行試驗，因素水平表設計如表1。以果膠提取率為目標指標，每組設定3個重復，考察果膠提取率的影響。

1.2.7 柚皮果膠果漿果餡添加貯藏實驗 粗提果膠液由部分柚皮粉超聲協助優化的提取條件而得；部分柚皮果漿采用無錫赫普公司HOP-L5超細粉碎設備進行超細粉碎，破碎得到纖維果漿，其粉碎粒度至100目，將以上步驟所得的果漿在常壓室溫條件下濃縮處理，煮至可溶性固形物含量大于30%；然后加入配比砂糖、麥芽糖漿加熱混合，再與配比變性淀粉、單甘酯、植物油混合炒制，充分加熱均勻混合15～25 min，直至全部均勻成泥狀，即得焙烤餡料制品，以10%、20%、30%、40%、50%添加到配比炒制餡料中，與未混入粗提果膠超粉果漿組比較。

2 結果與分析

2.1 單因素分析

2.1.1 半乳糖醛酸標準曲線 得到線性方程：y=0.008 6x+0.007 1，R2=0.995。

2.1.2 料液比對果膠提取率的影響 從圖2可見，采用料液比較低的工藝，則工廠酸耗成本高，酸液設備占地大，綜合考慮果膠提取率，最終選取料液比為1 ∶ 30（g/mL）。且在超聲條件的單因素實驗上及考慮超聲可去柚皮苦味道及后續濃縮成本等，后續實驗超聲前處理條件選為：超聲功率90 W，液料比1 ∶ 30（mL/g），超聲時間10 min，柚皮粉碎粒度30目。

2.1.3 提取溫度對果膠提取率的影響 圖3所示，在超聲前處理、料液比、提取pH、提取時間固定，提取溫度在40～90 ℃范圍時，提取溫度是影響傳質速度的因素，提取溫度越高，提取率越高。在提取溫度小于70 ℃的范圍內，半乳糖醛酸濃度的增長速度加快，當提取溫度超過70 ℃以上時，提取率反而下降，提取溫度的增加也會導致果膠產品率的降低。

2.1.4 提取時間對提取率的影響 從圖4可見，其他因素固定下，提取時間在20～120 min內，隨著提取時間的延長，果膠產率先上升后緩慢下降，當提取時間達到80 min時，果膠提取率最高。

2.1.5 pH對提取率的影響 溶液pH也直接影響果膠提取效果。由圖5可知，隨著pH的增大，果膠提取率先增加后降低，在pH為1.5時達到最高值，隨后降低。

2.2 響應面試驗結果[18-19]

在以上單因素試驗結果的基礎上，控制超聲處理料液比1 ∶ 30（g/mL），超聲功率90 W，時間10 min，粒度30目。根據Box-Behnke試驗設計原理，以Y（果膠提取率）為目標響應值，A（提取溫度）、B（提取時間）和C（提取液pH）等因素為自變量，設計三因素三水平響應面分析（見表1），由此建立果膠提取過程的預測模型，得到性價比高的果膠產出率。

由方差分析可知，模型項的p<0.01，說明果膠的提取率響應值與提取液pH、提取溫度T和提取時間t回歸方程的關系是極顯著的：由R2=0.910可以看出，本模型的擬合度較高，可反映實際情況；理論上失擬項越小越好，此方差分析表中的失擬項p=0.050 4>0.05，說明所得回歸方程與實際擬合中的誤差為正常誤差。由回歸方程的系數檢驗表明，可以看出對果膠得率影響顯著的是：A、AB、A2、B2、C2。

2.2.1 回歸模型的建立 本試驗設計得出的半乳糖醛酸提取率Y與提取液pH（A），提取溫度（B），提取時間（C）的回歸方程為二次多元的，其方程式為：

Y=25.65-1.55A+0.49B-0.28C-1.42AB+0.098AC-

0.055BC-1.35A2-2.21B2-1.30C2

2.2.2 響應面分析 由3D響應面圖（圖6～8）可以直觀地反映提取溫度、提取液pH、提取時間與響應值果膠得率的關系，固定其中2個變量為零水平，響應值隨另兩變量的改變而變化。回歸系數p值的大小也顯示兩因素提取液pH及提取溫度間交互作用顯著（p<0.05）。由圖6可知，提取溫度與pH交互作用呈拋物線狀有極值點，果膠提取率有最大值。由圖7可以看出，提取時間與提取液pH交互作用對果膠提取率影響的3D圖呈拋物線狀，并且有極值點，果膠提取率有最大值。由圖8可知，提取溫度與時間交互作用對果膠產率Y的影響顯示，在兩因素的試驗水平內找到果膠提取率極大值。通過軟件Design Expert模擬得出酸法提取柚皮渣中果膠的優化工藝條件為pH=1.44，T=75.5 ℃，t=88.7 min，Y=28.56%，這為傳統上利用酸法生產果膠膳食纖維，提高性價比提供了依據。

研究結果表明，超聲前處理，增加了果實細胞壁的通透性[20]，破壁作用釋放了果膠[21]。本研究中提取時間不可過長及溫度不可過高，主要推測超聲前處理及后續的酸易進一步產生果膠多糖主鏈的斷裂，半乳糖的降解，導致降低果膠產率。由于結合實際操作過程來看控制在74 ℃左右比較合適，溫度過高可能造成部分果膠降解影響品質，水分蒸發量也較大。這與先前對柑橘皮果膠的提取溫度研究結果類似[22]。對模擬得到的優化條件進行重復驗證試驗，驗證試驗的平均值為26.76%。

2.2.3 果餡貯藏 添加組與粗提果膠及超細粉碎都未加入的果餡組炒制后比較，膳食纖維有較強的持水性，果餡的霉變與其自由水有關，添加有助于果餡的保質期[23]及成型。綜上添加10%超粉果漿對果餡的苦味影響不大，可添加柚皮渣生產膳食纖維作為焙烤食品果餡餡料。

3 討論與結論

柚黃酮具有降血壓、改善肥胖等功效；柚皮富含果膠膳食纖維，有必要對金柚資源進行綜合利用。相較于溶劑萃取法、微波輔助提取法、超高壓提取法、離子交換樹脂法、逆流萃取法等適于實驗室操作的提取方法，超聲輔助酸化法，通過超聲波前處理強化柚皮細胞穿透性，加快傳質萃取速率，且有待進一步探討超聲協助有益于柚黃酮類物質的保持。

本實驗采取超聲輔助酸化法提取金柚果皮中果膠，得出最佳提取工藝條件，對超聲前處理功率，柚皮粉碎粒度，液料比1 ∶ 30（mL/g）等因素進行控制，進一步優化提取條件，具體為：提取液pH1.44，提取溫度（T）75.5 ℃，提取時間（t）88.7 min。該條件下從金柚果皮中提取果膠膳食纖維得率較高，果膠得率（Y）為26.8%。說明在果皮中提取果膠時，超聲前處理提取比傳統單一酸提法提高了果膠得率，這與文獻報道一致[24]。

同時梅州金柚果深加工程度低下，亞臨界提取梅州金柚精油外[17]，通過酸化法的工藝改進便于在梅州規?；茝V應用。同時傳統果餡需添加大量冬瓜蓉作為填充料，通過開發超細粉碎柚果漿作為填充料替代，為金柚資源綜合利用提供新途徑。

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