響應面法優化纖維素酶輔助提取柑橘皮渣果膠工藝及產品質量研究

丁倩 殷鐘意 鄭旭煦

摘要?[目的]有效脫除榨汁廠新鮮柑橘皮渣的部分水分并獲得較高品質的柑橘皮渣和果膠。[方法]利用纖維素酶法輔助提取柑橘皮渣的果膠，在單因素試驗基礎上采用響應面試驗考察纖維素酶濃度、提取溫度、提取時間對果膠提取率的影響，分析果膠提取前后柑橘皮渣的微觀結構、含水率、主要營養成分含量以及果膠產品的品質。[結果]在纖維素酶濃度為0.9%、提取溫度為46.15?℃、提取時間為1.8 h的最優工藝條件下，果膠提取率達7.773%;與新鮮柑橘皮渣相比，提取果膠后的柑橘皮渣的孔隙率變大，比表面積增大45.32%，含水率下降16百分點，粗蛋白和粗纖維含量分別下降1.26百分點、0.61百分點，粗脂肪和粗灰分含量略微上升，果膠的理化性質達到GB 25533—2010國家標準要求。[結論]該法簡單、快速，不僅能有效脫除新鮮柑橘皮渣的部分水分，維持其主要營養成分含量，而且還能制得較高品質的果膠成品，為柑橘皮渣的開發利用提供了新思路。

關鍵詞?響應面法;柑橘皮渣;纖維素酶;果膠;提取;營養成分

中圖分類號?TS209?文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）14-0162-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.045

Abstract?[Objective]In order to effectively remove part of the moisture of fresh citrus peel residues in the juice plant and obtain higher quality citrus peel residues and pectin.[Method]The cellulase method was used to assist in the extraction of pectin from citrus peel residues. The response surface was used on the basis of a single factor test， the experiment investigated the effects of cellulase concentration， extraction temperature， and extraction time on the extraction rate of pectin， and analyzed the microstructure， moisture content， main nutrient content， and quality of pectin products of citrus peel residue before and after pectin extraction. [Result]Compared with fresh citrus peel， the porosity of citrus peel after extraction of pectin became larger， the specific surface area increased by 45.32%， the water content decreased by 16 percentage points， and the crude protein and crude fiber contents decreased by 1.26 percentage points and 0.61 percentage points， respectively.The fat and crude ash content increased slightly， and the physicochemical properties of pectin reached the national standard GB 25533—2010. [Conclusion]The method is simple and fast. It can not only effectively remove part of the moisture of fresh citrus peel and maintain its main nutrient content， but also produce a high-quality pectin finished product， which provides new ideas for development and utilization of citrus peel.

Key words?Response surface method;Citrus peel residue;Cellulose;Pectin;Extraction;Nutrients

柑橘皮渣是柑橘在食用和食品加工過程中產生的廢棄物。我國柑橘年產量在2 000萬t以上，其中柑橘皮渣占整個柑橘果實的40%～60%[1]。柑橘皮渣富含果膠、黃酮、膳食纖維等高附加價值成分，其中果膠含量高達20%左右[2-4]。由于果膠對水分的包裹作用，造成榨汁生產后的柑橘皮渣含水量極高，達80%～86%，若不及時處理，極易腐爛變質，既污染環境，又造成資源浪費。

果膠是由半乳糖醛酸聚合而成的一種高分子化合物，它廣泛存在于植物的果實、根、莖、葉中，是植物細胞壁的重要組成成分[5-6]。其與纖維素互相纏繞而存在于柑橘皮和柑橘瓤中，使植物細胞緊緊聯系在一起，從而使柑橘中的水分緊緊被包裹[7]。果膠具有黏稠性強、穩定性好、膠凝性強等特性，常常被用作食品加工及化妝品生產的重要添加劑;同時果膠還具有降血脂、潤腸通便、抗菌等作用，常常被用作藥物制劑的附加劑[8]。工業上對植物果膠的提取主要采用酸提取、離子交換樹脂、超聲波提取、微波提取等方法，但這些提取方法對殘渣的營養成分造成嚴重損失，影響其進一步開發利用[9-10]。

由圖1c可知，隨著提取時間的延長，果膠提取率呈現先增加后降低的變化趨勢，但提取時間為2 h時，果膠提取率達到最高。這是因為在提取初期，柑橘皮渣細胞壁不斷被纖維素酶破解，所以果膠提取率不斷增加，但提取時間超過2 h后，溶出的果膠長時間處于酶溶液環境中也可能被裂解，導致果膠提取率下降。所以適宜的提取時間為2 h。

2.2?響應面優化果膠提取工藝

2.2.1?響應面試驗結果。響應面結果見表2，用Design-Expert 8.0對此進行分析。

對表2進行分析，得出溫度?（A）、時間（B）、纖維素酶濃度（C）與果膠提取率（Y）之間的二次多元回歸方程為：

Y=5.44-0.92A+0.27B+2.15C-0.15AB+0.23AC+0.073BC-1.93A2-0.47B2+0.064C2-0.96A2C+1.17AB2

顯著性檢驗及方差分析可知，模型的?F=87.46，P<0.000 1?，表明針對該試驗響應目標?值Y所?選用的模型具有很好的顯著性[19]，試驗誤差小，利用此模型可以優化果膠提取工藝;失擬項的?F=5.80，P=0.061 3?>0.05，不顯著，表明試驗與該模型的差異程度不顯著，無失擬因素存在，模型擬合較好。由?F?值檢驗可以得到影響果膠提取率的主次因素分別為纖維素酶濃度、提取溫度、提取時間。

利用Design-Expert 8.0軟件對精密度、多元相關系數、可信度、精確度進行分析。

R2?越接近1，表示模型模擬得越好。?R2 =0.992 8?，表明試驗中有約99.28%的果膠提取率變異分布在所選取的3個因素中;?R2?Adj=0.981 4，表明試驗值與預測值具有較好的相關性。?（R2-R2?Adj ）<0.02，表明2個值很接近，能夠充分運用此模型對纖維素酶輔助提取柑橘皮渣果膠進行分析和預測;CV為6.30%，小于10%，說明該模型試驗的可信度和精確度高，且Adeq Precision有效信號與噪聲的比值為37.15（>4），說明試驗設計模型合理[20-21]。擬合的回歸方程符合以上檢驗原則，適應性較好，工藝模擬設計可行。

2.2.2?最佳工藝條件的預測與模型驗證。

選取適宜的提取溫度、提取時間、纖維素酶濃度進行響應面試驗，通過Design-Expert 8.0對數據進行分析，得出最佳工藝條件為提取溫度46.15?℃、提取時間1.8 h、纖維素酶濃度0.9%，根據模型得到果膠提取率的理論值為7.753%。考慮實際的可操作性，選取最佳工藝條件為提取溫度46 ℃、提取時間1.8 h、纖維素酶濃度0.9%，在此條件下進行3次平行試驗，得到的試驗結果如表3所示，相對標準偏差為1.466%，小于2%，說明此響應面優化的最佳工藝參數具有重現性和可行性。

2.3?柑橘皮渣微觀結構和主要營養成分含量變化

2.3.1?柑橘皮渣的SEM分析。采用掃描電子顯微鏡法對提取果膠前后柑橘皮渣的微觀結構進行分析，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，提取果膠前的柑橘皮渣表面光滑且無小孔隙存在，提取果膠后的柑橘皮渣表面褶皺且伴有很多小孔隙，孔隙分布不均勻。這是因為纖維素酶破壞了植物細胞壁，使包裹在植物細胞里面的果膠不斷溶解出來，所以出現了小孔隙;同時，由于纖維素酶酶解過程中與底物接觸的位點是有限的[22]，所以出現了孔隙分布不均勻的情況。與提取果膠前相比，提取果膠后的柑橘皮渣的比表面積明顯增大，使包裹在柑橘內部水分流出，降低柑橘皮渣的含水率。

2.3.2?柑橘皮渣的BET分析。

提取果膠前后的柑橘皮渣BET分析表明，提取果膠后的柑橘皮渣的比表面積（0.862 6 m2/g）大于提取果膠前的柑橘皮渣的比表面積（0.593 6 m2/g），說明纖維素酶的破壁作用對柑橘皮渣的組織結構有一定的降解作用，比表面積增大45.32%。

2.3.3?柑橘皮渣主要營養成分含量變化分析。將提取果膠前后的柑橘皮渣的主要營養成分含量測定結果列于表4中。

由表4可知，與提取果膠前的柑橘皮渣相比，提取果膠后的柑橘皮渣的含水率下降16百分點，粗蛋白和粗纖維含量分別下降1.26百分點、0.61百分點，而粗脂肪和粗灰分含量有所上升。可能的原因是纖維素酶酶解過程中少量可溶性蛋白溶解在酶溶液中，少部分纖維素在酶解過程中被破壞而溶解在酶溶液中，二者在過濾時隨著濾液被帶走，而且柑橘皮渣里自帶的某種微生物將無氮浸出物合成粗脂肪[23]，導致脂肪含量略微增加。總體而言，提取果膠后的柑橘皮渣營養成分含量與提取前沒有太大的差異，該法較好保留了柑橘皮渣的營養成分。

2.4?果膠品質?提取的果膠經過2次乙醇沉淀純化后，其理化性質如表5所示。由表5可知，果膠質量滿足GB 25533—2010[18]的要求，且果膠半乳糖醛酸含量>65%，說明果膠純度較好。

3?結論

采用響應面法優化纖維素酶輔助提取柑橘皮渣中的果膠，得到最佳工藝條件為纖維素酶濃度0.9%、提取溫度46.16 ℃、提取時間1.8 h。在此工藝條件下，果膠提取率達7.773%;與新鮮柑橘皮渣相比，提取果膠后的柑橘皮渣的孔隙率變大，比表面積增大45.32%，含水率下降16百分點，粗蛋白和粗纖維含量分別下降1.26百分點、0.61百分點，粗脂肪和粗灰分含量略微上升，果膠的理化性質達到國家標準GB 25533—2010的要求。

該研究從幫助柑橘汁加工企業解決皮渣處理難題出發，在柑橘皮渣進行烘干或青貯處理之前，采用纖維素酶法輔助提取果膠，不僅能簡單快速地脫除新鮮柑橘皮渣的部分水分、維持其主要營養成分含量，而且還能獲得較高品質的果膠產品，從而節約直接烘干所需的能耗或青貯處理的用地等成本，為柑橘皮渣的開發利用提供了新思路。

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