微波輔助提取核桃青皮果膠的工藝優化

洪晶陽，李瓊，王威，李煥榮

（新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆烏魯木齊830052）

微波輔助提取核桃青皮果膠的工藝優化

洪晶陽，李瓊，王威，李煥榮*

（新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆烏魯木齊830052）

以核桃青皮為原料，采用微波輔助水浴提取核桃青皮果膠并對提取工藝進行優化。在單因素試驗的基礎上，確定微波溫度、微波功率、液料pH值3個因素為自變量，以果膠得率為響應值進行Box-Benhnken試驗設計，研究自變量與響應值之間的關系，建立并分析各因素與指標的數學模型，以確立核桃青皮果膠的最佳提取工藝。結果表明：微波輔助提取核桃青皮果膠的最佳工藝條件為微波溫度56℃，微波功率540 W，提取液料pH為3.5，此條件下的果膠得率的理論值為90.117 4 mg/g，實際測得的果膠得率為89.769 4 mg/g，與模型分析的理論值之間的相對誤差為0.39%＜0.5%，說明優化后得出的回歸方程具有一定的實踐指導意義；微波輔助法與傳統的酸法水浴相比核桃青皮果膠得率提高11.56%。

核桃青皮；微波輔助；提取；果膠；響應面

核桃系胡桃科核桃屬植物，屬新疆特色林果。核桃青皮（walnut green husk）又稱胡桃青皮[1]，是核桃成熟初期外面包裹的一層綠色果皮，其性辛、苦、澀、有毒、微寒[2]，含有大量的沒食子酸、胡桃醌、鞣質、α-氫化胡桃醌-4-葡萄糖苷、胡桃醌生物堿、果膠類物質等活性成分[3]，具有一定的藥用價值[4]。核桃在新疆的栽培歷史已逾兩千多年，2013年，全疆核桃種植面積達到321.65×103hm2[5]。剛成熟的新鮮核桃中，核桃青皮的質量占核桃總重量的67%。核桃青皮一般被當做廢棄物處理，堆積在田間地頭，不僅影響美觀而且污染環境[6]。

果膠廣泛存在于綠色植物的細胞壁和內壁中，為內部細胞的支撐物質，直接影響植物組織的完整性和堅實度[7]。果膠是食品工業中常用的食品添加劑，它是一種復雜的多糖，功能多樣，應用廣泛[8-9]。國內外的學者們關于果膠提取的研究層出不窮[10-12]，但目前少有從核桃青皮中提取果膠的相關研究報道。本文以干制之后的核桃青皮粉末為原料，利用微波輔助提取果膠，并利用響應面法對提取條件進行優化，獲得最佳提取工藝參數，以期為核桃青皮的綜合利用提供理論依據與技術支撐，以實現延長產業鏈及廢物利用減少環境污染的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

核桃青皮：收集于2015年9月烏魯木齊市北園春干鮮果市場，經干制后粉碎密封保存；濃鹽酸、濃硫酸、咔唑、乙醇、半乳糖醛酸均為分析純。

AL204-IC型電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；SB-2000型數控恒溫水浴鍋：上海愛朗儀器有限公司；TU-1810紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；AnkeLXJ-IIB離心機：上海安亭科學儀器廠；SHB-III循環水式多用真空泵：鄭州長城科工貿有限公司；MCR-3型微波化學反應器：上海恬恒儀器有限公司；LE438系列pH電極：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；高速萬能粉碎機FW-100：北京市永光明醫療儀器廠；電熱鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 果膠含量的測定：咔唑-乙醇比色法

半乳糖醛酸標準曲線的繪制：取6只試管編號，按表1依次加入各試劑，再依次加入0.2 mL 0.15%咔唑-乙醇溶液，產生白色絮狀沉淀，不斷搖動試管。再依次加入6mL濃硫酸，立即放入85℃水浴加熱10min，取出冷卻后在波長530 nm處測定吸光值[13-14]。以吸光度為縱坐標，半乳糖醛酸量（μg）為橫坐標，繪制標準曲線。

表1 繪制乳糖醛酸標準曲線各試劑加入量Table 1 The amount of each reagent for drawing lactobionic acid standard curve

以半乳糖醛酸濃度為X軸、吸光度為Y軸建立的標準曲線，得到標準曲線方程為Y=0.007X-0.002 8，R2=0.999 2。

1.2.2 果膠得率的測定

經微波輔助提取后的樣品液在3 500 r/min轉速下離心15 min，抽濾之后轉移到200 mL容量瓶中，定容。準確移取2.5 mL，稀釋20倍。再準確移取1 mL溶液至試管內，按照標曲的方法加入各試劑，進行果膠濃度的測定，然后計算樣品中果膠的得率[15]。計算方程為：

式中：C為根據標準曲線測得的樣品中果膠的質量濃度，μg/mL；N為稀釋倍數；V為提取液總體積，mL；m 為樣品質量，g。

1.2.3 不同干制方法對核桃青皮果膠得率的影響

新鮮核桃青皮，經過不同的溫度和干制方式（室溫25℃下自然干制、40、50、60、70、80℃、微波滅酶5min/60℃）干燥，按照1.2.2的方法測定不同干制溫度和干制方式下核桃青皮果膠的得率。

1.2.4 不同顆粒度大小核桃青皮果膠得率的影響

將自然干制的核桃青皮粉碎，分別過20、40、60、80目篩，按照1.2.2方法測定不同顆粒度大小的核桃青皮果膠的得率。

1.2.5 單因素試驗

以微波溫度、微波時間、微波功率、液料比、液料pH等因素進行單因素試驗，以研究各因素對核桃青皮果膠得率的影響，通過單因素篩選出對果膠得率影響較為顯著的3個因素，以果膠得率為響應值進行Boxbehnken試驗，確定最佳工藝參數，單因素表見表2。

表2 顯著單因素表Table 2 Significant single factor table

2 結果與分析

2.1 不同干制方法對核桃青皮果膠得率的影響

不同干制方式對核桃青皮果膠得率的影響見圖1。

圖1 不同干制方式對核桃青皮果膠得率的影響Fig.1 Effect of drying methods on pectin yield

由圖1可以看出熱風溫度為60℃時，核桃青皮果膠的得率最高。其次是80℃熱風干燥，原因是較高的溫度可以鈍化果膠酶的活性，可以防止果膠的酶降解，但是溫度過高也可能使果膠分子發生熱降解，得率下降。采用微波滅酶時，雖然微波產生的熱太低而不能夠打斷主要的化學結構[16]，但是微波輻能夠使得大分子的三級、四級結構發生極化，引起氫鍵斷裂而引起果膠的得率下降。因此核桃青皮的干燥方式應選擇熱風干燥，溫度在60℃左右為宜。

2.2 不同顆粒度大小對核桃青皮果膠得率的影響

不同顆粒度大小對核桃青皮果膠得率的影響見圖2。

圖2 不同顆粒度大小對核桃青皮果膠得率的影響Fig.2 Effect of particle sizes on pectin yield

隨著過篩目數的增大，核桃青皮果膠的得率呈上升趨勢，這是由于過篩目數增大，核桃青皮粉末的顆粒度就越小，與提取液的接觸面積增大，所以得率越高。過20目篩時得率為71.10 mg/g，過80目篩時果膠的得率提高到84.09 mg/g，因此過篩目數選擇80目。

2.3 單因素試驗結果與分析

在單因素試驗的基礎上，確定最佳液料比為30∶1 mL/g，最佳提取微波時間為15 min，并篩選出對果膠得率影響較為顯著的3個因素，分別是微波溫度、料液pH值和微波功率。

2.3.1 微波溫度對核桃青皮果膠得率的影響

微波溫度對核桃青皮果膠得率的影響見圖3。

圖3 微波溫度對核桃青皮果膠得率的影響Fig.3 Effect of microwave temperature on pectin yield

微波溫度在50℃以下時，果膠得率較低，此時升高溫度有利于果膠得率的提高，溫度繼續升高，果膠得率呈現下降趨勢，高于60℃時降幅明顯，高溫不利于果膠分子的穩定，所以繼續升高溫度果膠得率反而下降。因此可以推出微波輔助提取核桃青皮果膠的溫度在50℃左右。

2.3.2 微波功率對核桃青皮果膠得率的影響

微波功率對核桃青皮果膠得率的影響見圖4。

由圖4可知，當微波功率＜450 W時，果膠的得率隨著功率的增大而提高，當微波功率＞450 W時，果膠得率隨著功率的增大而降低。可能的原因是，微波功率較低時，核桃青皮粉末中的原果膠水解不完全，隨著微波功率的增大，原果膠不斷水解為可溶性果膠，微波功率過高就會使果膠裂解為多糖分子或者脫脂降級從而降低了果膠得率。因此選擇微波功率為450W。

圖4 微波功率對核桃青皮果膠得率的影響Fig.4 Effect of microwave power on pectin yield

2.3.3 液料pH值對核桃青皮果膠得率的影響

提取液pH值對核桃青皮果膠得率的影響見圖5。

圖5 提取液pH值對核桃青皮果膠得率的影響Fig.5 Effects of extraction solution pH on the yield of pectin

由圖5可知，隨著液料pH值的增大，果膠得率呈現先升高后降低的趨勢。核桃青皮果膠的得率在pH=3時最高。pH值的大小和鹽酸濃度有關系，說明H+濃度過高過低都會抑制果膠的提取，因此將提取液的pH調為3最適宜。

在以上單因素試驗基礎上，以微波溫度、微波功率、液料pH值為自變量，以果膠得率為響應值進行Box-behnken試驗。

表3 響應面因素水平編碼表Table 3 Response surface factor level code table

2.4 響應面結果分析

根據單因素試驗結果設計的Box-benhnken試驗結果見表4，響應面二次模型的方差分析見表5。

表4 Box-Benhnken試驗設計結果Table 4 Box-Benhnken experiment design result

表5 響應面二次模型的方差分析Table 5 Analysis of variance of the response surface quadratic model

通過回歸分析，得到果膠得率的三元二次回歸方程：果膠得率=86.95+3.22×A+3.05×B+0.71×C+3.24×AB+3.34×AC+2.74×BC-6.47×A2-2.69×B2-5.89×C2

由表5可知，回歸模型的F值為15.75（p<0.01），說明所建模型極顯著，模型的相關系數R2=0.952 9，模型失擬項p=0.122 3＞0.05不顯著，說明該回歸方程與試驗的擬合度較高。其中，微波溫度、微波功率、微波溫度的二次項、液料pH值的二次項為極顯著統計水平，微波溫度、微波功率以及液料pH值之間的的交互作用為顯著統計水平。根據回歸方程的一次項自變量系數可知，各單因素對果膠得率的影響大小順序為A（微波溫度）＞B（微波功率）＞C（液料pH值）。由此可知，各因素對果膠得率的影響不是呈簡單的線性關系，它們之間是有交互作用的。各因素交互作用的影響見圖6～圖8。曲面的彎曲程度表示兩因素之間的相互作用的顯著程度。

圖6 微波功率和微波溫度的交互作用響應曲面及等高線Fig.6 Interaction of the response surface and contour between microwave power and microwave temperatre

圖7 液料pH值和微波溫度的交互作用響應曲面及等高線Fig.7 Interaction of the response surface and contour between pH and microwave temperatre

圖8 液料pH值和微波功率的交互作用響應曲面及等高線Fig.8 Interaction of the response surface and contour between pH and microware power

在選取的各因素范圍內，利用Design Expert8.0.5.b軟件進行分析，得出微波輔助水浴提取核桃青皮果膠的最佳工藝條件為：微波溫度為56.21℃、微波功率為540 W、液料pH值為3.47。在此條件下，果膠得率的理論值90.117 4 mg/g。為檢驗所得結果的可靠性，采用上述優化條件進行果膠的提取，考慮到實際操作的可能性和方便性，把工藝條件調整為：微波溫度56℃，微波功率540 W，液料pH 3.5。實際測得果得率為89.769 4 mg/g，與模型的理論值相差0.39%，說明該模型與實際情況比較吻合，具有良好的可行性。

3 結論

通過響應面法試驗，建立了微波輔助核桃青皮果膠的得率與影響因素之間的模型關系，并最終確立微波輔助提取核桃青皮果膠的最佳工藝條件為：微波溫度56℃，微波功率540 W，液料pH 3.5，此條件下的果膠得率可達到89.769 4 mg/g。并對傳統酸法水浴提取和微波輔助提取兩種方式進行對比，結果表明微波輔助提取方式比酸法水浴提取的方法更高效，是提取核桃青皮果膠的有效方法，具有更廣闊的發展前景。

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Microwave-assisted Extraction of Walnut Green Husk Pectin Process Optimization

HONG Jing-yang，LI Qiong，WANG Wei，LI Huan-rong*
（Institute of Food Science and Pharmacy，Xinjiang Agriculture University，Urumqi 830052，Xinjiang，China）

Walnut green husk was taken as raw material.Microwave assisted extraction of pectin from walnut peel and the extraction process was optimized.On the basis of single factor test，the 3 factors of microwave temperature，microwave power and pH value of liquid are determined as independent variables.The Box-Benhnken experimental design was carried out with the response value of pectin yield，and the relationship between the independent variable and the response value was studied.To establish and analyze the mathematical model of the factors and indicators，to establish the optimum extraction technology of pectin from walnut peel.The results showed that the optimum conditions of microwave assisted extraction of pectin from walnut peel for microwave temperature 56℃，microwave power 540 W，extraction liquid for pH 3.5.The theoretical value of the yield of pectin under this condition was 90.117 4 mg/g，The actual yield of pectin was 89.769 4 mg/g.The relative error between the theoretical values of the model analysis was 0.39%<0.5%.It shows that the regression equation obtained after optimization has some practical guiding significance.Acid water bath microwave assisted method compared with the traditional walnut peel pectin yield increased to 11.56%.

walnut green husk；microwave-assisted；extraction；pectin；response surface

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.008

洪晶陽（1991—），女（回），碩士，研究方向：農產品深加工。

*通信作者

2017-02-17