陳健旋

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，食品與生物工程系，農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心，福建漳州363000）

響應(yīng)面優(yōu)化提取血柚皮果膠的工藝研究

陳健旋

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，食品與生物工程系，農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心，福建漳州363000）

采用響應(yīng)面法優(yōu)化了血柚皮果膠的提取工藝，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取檸檬酸濃度、提取溫度、液料比和提取時(shí)間為自變量，果膠得率為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)提取血柚皮果膠的關(guān)鍵因素參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，建立了血柚皮果膠得率的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明：四個(gè)因素對(duì)血柚皮果膠得率的影響大小依次為提取溫度＞檸檬酸濃度＞液料比＞提取時(shí)間；血柚皮果膠提取的最佳工藝參數(shù)為：檸檬酸濃度1.5%，提取溫度82℃、液料比32∶1mL/g、提取時(shí)間99min。在此條件下，血柚皮果膠得率達(dá)18.85%，與預(yù)測值僅相差0.32%，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性。

檸檬酸，血柚皮，果膠，提取

紅肉蜜柚是由琯溪蜜柚基因芽變而成的一種漳州特有的新品種［1］。紅肉蜜柚，因其果肉呈血紅色，故又稱為“血柚”。血柚口感好、顏色鮮，價(jià)格比其他普通蜜柚要高好幾倍，因此其種植量也逐年上升，隨著血柚產(chǎn)量的增加，占柚果40%左右的可供利用的血柚皮也逐年增加［2］。血柚皮中含有大量的果膠，且其凝膠強(qiáng)度大，是一種良好的乳化劑和增稠劑，可廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)中［3-4］。已有一些文獻(xiàn)［5-7］報(bào)道了柚子皮中果膠的提取，有研究［8-9］表明柚子皮中的天然成分含量會(huì)因其產(chǎn)地與品種差異而不同。而對(duì)血柚皮果膠提取卻鮮見報(bào)道，利用檸檬酸對(duì)血柚皮果膠的提取也是未見報(bào)道。本文以血柚皮果膠得率為指標(biāo)，以檸檬酸溶液為溶劑對(duì)血柚皮果膠進(jìn)行提取，考察各工藝條件對(duì)得率的影響，并通過響應(yīng)面法對(duì)提取工藝進(jìn)行分析與優(yōu)化，為血柚皮果膠的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

血柚購于漳州市中閩百匯超市；檸檬酸分析純，天津津北精細(xì)化工有限公司；無水乙醇分析純，汕頭西隴化工股份有限公司；蒸餾水實(shí)驗(yàn)室自制；其他試劑均為分析純。

BSA124S電子天平賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；Q-250B高速多功能粉碎機(jī)上海冰都電器有限公司；GZX-9070MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上海亞榮生化儀器廠。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1原料預(yù)處理將血柚剝皮，切成塊狀、洗凈，置于90℃水中煮5min，除去果膠酶，后用50℃溫水漂洗，除去色素、有機(jī)酸、可溶性糖及苦味物質(zhì)，擠干水后，置于50℃烘箱中烘干，用萬能粉碎機(jī)粉碎，過80目篩得柚皮粉，保存?zhèn)溆茫?0］。

1.2.2血柚皮果膠的提取稱取10g的血柚皮粉，按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)定的工藝參數(shù)，進(jìn)行提取，冷卻，在3000r/min下離心5min，得上清液，并將上清液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中濃縮得到果膠提取液。在攪拌的條件下，加入等體積的無水乙醇，靜置，使果膠析出，在3000r/min下離心5min，抽濾得到沉淀，將沉淀置于50℃烘箱中烘干，得到果膠產(chǎn)品［11-12］。

1.3單因素實(shí)驗(yàn)

1.3.1檸檬酸濃度的選擇在液料比30mL/g，提取時(shí)間100min，提取溫度80℃的條件下，將檸檬酸濃度分別設(shè)定為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，考察檸檬酸濃度對(duì)血柚皮果膠得率的影響。

1.3.2提取溫度的選擇在檸檬酸濃度1.5%，液料比30mL/g，提取時(shí)間100min的條件下，將提取溫度分別設(shè)定為70、75、80、85、90℃，考察提取溫度對(duì)血柚皮果膠得率的影響。

1.3.3液料比的選擇在檸檬酸濃度1.5%，提取時(shí)間100min，提取溫度80℃的條件下，將液料比分別設(shè)定為10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1（mL/g），考察液料比對(duì)血柚皮果膠得率的影響。

1.3.4提取時(shí)間的選擇在檸檬酸濃度1.5%，液料比30mL/g，提取溫度80℃的條件下，將提取時(shí)間分別設(shè)定為60、80、100、120、140min，考察提取時(shí)間對(duì)血柚皮果膠得率的影響。

1.4響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素工藝的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對(duì)血柚皮果膠的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)Design-Expert 8.05b軟件，采用Box-Behnken進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)檸檬酸濃度（A），提取溫度（B），液料比（C），提取時(shí)間（D）四因素三水平響面實(shí)驗(yàn)，考察各因素及因素間交互作用對(duì)血柚皮果膠得率的影響，建立預(yù)測模型，并進(jìn)行最佳工藝驗(yàn)證。響應(yīng)曲面因素與水平的確定見表1。

1.5數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Origin 7.5和Design-Expert 8.05b軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1　響應(yīng)面分析因素水平表Table 1　Factors and levels of response surface methodology

2　結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1檸檬酸濃度對(duì)血柚皮果膠得率的影響從圖1中可以看出，果膠得率隨著檸檬酸濃度的增加而不斷地增加，當(dāng)檸檬酸濃度為1.5%時(shí)，果膠得率達(dá)到最大，繼續(xù)增加檸檬酸的濃度，果膠得率反而下降。這是因?yàn)闄幟仕釢舛容^低時(shí)，溶劑中的pH過大，酸性較弱，血柚皮顆粒組織不能被溶劑軟化，果膠無法轉(zhuǎn)化為水溶性果膠，導(dǎo)致果膠得率較低；當(dāng)檸檬酸濃度較大時(shí)，溶劑的pH較小，酸性較強(qiáng)，果膠水解較為厲害，增加了果膠裂解等副反應(yīng)的產(chǎn)生［13］，使得果膠得率下降，且酸性較強(qiáng)，會(huì)使副反應(yīng)增加，果膠沉淀物外觀會(huì)變差，因此最佳的檸檬酸濃度為1.5%。

圖1　檸檬酸濃度對(duì)果膠得率的影響Fig.1　Effect of citric acid concentration on extraction yield of pectin

2.1.2提取溫度對(duì)血柚皮果膠得率的影響從圖2中可以看出，果膠得率隨著提取溫度的升高而逐漸增加，當(dāng)提取溫度為80℃時(shí)，果膠得率達(dá)到最大，繼續(xù)增加提取溫度，果膠得率反而下降。這是因?yàn)樘崛囟容^低時(shí)，果膠水解性能差，不能完全水解，使得果膠得率較低，隨著提取溫度的升高，果膠的水解性能增強(qiáng)，促進(jìn)了果膠在溶劑中的溶解，而使得果膠得率增大，但當(dāng)溫度過高時(shí)，果膠的分子容易不穩(wěn)定而產(chǎn)生降解［14］，導(dǎo)致果膠得率的下降。因此最佳的提取溫度選擇為80℃。

圖2　提取溫度對(duì)果膠得率的影響Fig.2　Effect of temperature on extraction yield of pectin

2.1.3液料比對(duì)血柚皮果膠得率的影響從圖3中可以看出，果膠得率隨著液料比的增加而增加，當(dāng)液料比達(dá)到30∶1mL/g時(shí)，果膠得率達(dá)到最大，繼續(xù)增大液料比，果膠得率反而下降。這是因?yàn)橐毫媳容^低時(shí)，溶劑較少，溶劑無法充分浸透血柚皮顆粒，果膠溶出不完全，產(chǎn)率低；隨著液料比的增加，溶劑對(duì)血柚皮顆粒的浸透性增加，傳質(zhì)推動(dòng)力增大，增加了果膠的溶出量，而使得果膠得率增大［15］；但當(dāng)液料比過大時(shí)，溶劑消耗量增加，會(huì)造成濃縮過程果膠的損失，且會(huì)增加操作費(fèi)用和溶劑成本，因此最佳的液料比為30∶1mL/g。

圖3　液料比對(duì)果膠得率的影響Fig.3　Effect of liquid to material on extraction yield of pectin

2.1.4提取時(shí)間對(duì)血柚皮果膠得率的影響由圖4中可以看出，果膠得率隨著提取時(shí)間地增加而增加，當(dāng)提取時(shí)間為100min時(shí)，果膠得率達(dá)到最大，繼續(xù)增加提取時(shí)間，果膠得率反而下降。這是因?yàn)樘崛r(shí)間過短時(shí)，不利于果膠的水解，得率較低。隨著提取時(shí)間的延長，有利于血柚皮中果膠的水解，果膠得率增大；當(dāng)提取時(shí)間達(dá)到100min時(shí)，得率達(dá)到最大；繼續(xù)增加提取時(shí)間，容易使得果膠分子的過度水解，造成了得率的下降，因此最佳的提取時(shí)間為100min。

圖4　提取時(shí)間對(duì)果膠得率的影響Fig.4　Effect of time on extraction yield of pectin

2.2響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及方差分析在單因素?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用四因素三水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取檸檬酸濃度（A）、提取溫度（B）、液料比（C）、提取時(shí)間（D）四個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)如表2所示，響應(yīng)面分析及方差分析見表3。

表2　響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)以及響應(yīng)值Table 2　Experiment design and results of response surface method analysis

對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，得到回歸方程為：Y=18.74+0.093A+0.12B+0.072C-0.052D+ 0.25AB-0.37AC+0.37AD+0.35BC+0.040BD-0.10CD-0.36A2-0.24B2-0.32C2-0.24D2。

由表3可知，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腇值為6.43，p值為0.0007，表明該回歸模型達(dá)到極顯著水平，該方程的R2為0.8654，表明超過86.5%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可應(yīng)用該模型來擬合，說明該回歸模型可靠性高，方程的失擬項(xiàng)F值為1.29，p=0.4354＞0.05，表示模型的失擬度不顯著，說明該模型的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值能有較好的吻合度，可用該模型對(duì)血柚皮果膠得率進(jìn)行預(yù)測與分析。AC、AD、BC、A2、B2、C2對(duì)響應(yīng)值血柚皮果膠得率的影響極顯著（p＜0.01），AB、D2對(duì)響應(yīng)值血柚皮果膠得率的影響顯著（p＜0.05），而A、B、C、D、BD、CD對(duì)響應(yīng)值血柚皮果膠得率的影響均不顯著（p＞0.05）。在所選取的各因素水平范圍內(nèi)，根據(jù)F值和p值可以判斷各工藝條件對(duì)血柚皮果膠得率的影響強(qiáng)弱，其中F值越大，說明作用影響越強(qiáng)（或p值越小，作用影響越強(qiáng)），影響因子的主效應(yīng)主次順序?yàn)椋禾崛囟龋緳幟仕釢舛龋疽毫媳龋咎崛r(shí)間。

表3　響應(yīng)曲面方差分析表Table 3　Variance analysis of regression equation

圖5　各兩因素交互作用對(duì)果膠得率的影響Fig.5　The effect of operating parameters on the extraction yield of pectin

2.2.2果膠得率的響應(yīng)面分析利用Design-Expert 8.05b軟件處理得到所考察的各工藝因素交互作用的響應(yīng)面圖見圖5。從圖5中可以直觀地反映出各工藝因素及其相互作用對(duì)響應(yīng)值血柚皮果膠得率的影響。從圖5（b）中可以看出，其等高線為橢圓形，說明檸檬酸濃度和液料比交互作用顯著；響應(yīng)面坡度較為陡峭，響應(yīng)值隨檸檬酸濃度的變化率大于液料比的變化率，說明二者交互作用中檸檬酸濃度對(duì)果膠得率的影響大于液料比。而從圖5（e）中可以看出，其等高線偏圓形，說明提取溫度和提取時(shí)間交互作用不太顯著，響應(yīng)值坡度相對(duì)平緩，響應(yīng)值隨著提取溫度的變化率大于提取時(shí)間的變化率，說明二者交互作用中提取溫度對(duì)果膠得率影響大于提取時(shí)間。結(jié)合所有響應(yīng)面圖分析，檸檬酸濃度和提取時(shí)間的交互作用最顯著，檸檬酸濃度和液料比，提取溫度和液料比，檸檬酸濃度和提取溫度，液料比和提取時(shí)間，提取溫度和提取時(shí)間等的交互作用依次減弱。其中提取溫度和檸檬酸濃度較液料比和提取時(shí)間對(duì)響應(yīng)值的影響更大，各具體實(shí)驗(yàn)因素的主次順序?yàn)樘崛囟龋緳幟仕釢舛龋疽毫媳龋咎崛r(shí)間。

2.2.3驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及最佳提取工藝的確定根據(jù)回歸模型，利用Design-Expert 8.05b軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到了檸檬酸輔助提取血柚皮果膠的最優(yōu)化條件為：檸檬酸濃度1.53%，提取溫度82.79℃、液料比31.99mL/g、提取時(shí)間98.99min，在此條件下，得率可達(dá)18.79%。為方便實(shí)驗(yàn)操作，將優(yōu)化條件修正為：檸檬酸濃度1.5%，提取溫度82℃、液料比32∶1mL/g、提取時(shí)間99min，在此條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次，實(shí)際測得得率為18.72%～19.04%，平均值為18.85%，與理論預(yù)測值相比，其相對(duì)誤差為0.32%，差異不顯著（p=0.4354＞0.05），說明該模型應(yīng)用于檸檬酸法提取血柚皮果膠具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

3　結(jié)論

以果膠得率為指標(biāo)，利用響應(yīng)面分析法中的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)提取工藝條件進(jìn)行了分析，得到了檸檬酸濃度、提取溫度、液料比、提取時(shí)間四個(gè)因素的二項(xiàng)式回歸模型。該模型能較好地對(duì)血柚皮果膠得率進(jìn)行預(yù)測與分析，得到預(yù)測修正最佳工藝條件為：檸檬酸濃度1.5%，提取溫度82℃、液料比32∶1mL/g、提取時(shí)間99min，在此條件下進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際得率為18.85%，相對(duì)誤差為0.32%，說明該模型對(duì)血柚皮果膠的提取條件優(yōu)化合理可行，為工業(yè)化生產(chǎn)血柚皮果膠提供了一定的理論依據(jù)。

［1］陳文娟，陳建福.超聲輔助提取血柚皮多糖工藝優(yōu)化及其對(duì)自由基的清除作用［J］.南京師大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，37（1）：141-146.

［2］黃日升，蔡振平.平和縣紅肉蜜柚優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)栽培技術(shù)［J］.中國南方果樹，2014，43（3）：127-128.

［3］Huang R L，Gao M，Guo H，et al.Enhanced ethanol production from pomelo peel waste by integrated hydrothermal treatment，multienzyme formulation，and fed-batch operation［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2014，62（20）：4643-4651.

［4］Prakash Maran J，Sivakumar V，Thirugnanasambandham K，et al.Optimization of microwave assisted extraction of pectin from orange peel［J］.Carbohydrate Polymers，2013，97（2）：703-709.

［5］張妍楠，姚曉玲，張國真，等.超聲波輔助提取工藝對(duì)胡柚果膠品質(zhì)的影響［J］.食品工業(yè)，2014，35（3）：44-47.

［6］田寶明，彭林，吳金松，等.柚皮果膠理化性質(zhì)的研究［J］.食品工業(yè)科技，2014，35（8）：313-317.

［7］張妍楠，姚曉玲，張國真，等.胡柚果膠提取工藝的綜合評(píng)價(jià)［J］.食品科技，2013，38（11）：232-235.

［8］陳文娟，陳建福.漳州血柚皮總黃酮超聲波輔助提取工藝研究［J］.常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，26（4）：57-63.

［9］趙紅英，文海濤，林勵(lì)，等.化州柚不同栽培品種總黃酮及柚皮苷含量的比較研究［J］.中藥新藥與臨床藥理，2010，21（2）：183-186.

［10］耿敬章，劉軍海，刁宇清，等.響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取橘皮中果膠類化合物［J］.食品工業(yè)科技，2009（12）：250-253.

［11］李建鳳，任磊，王真，等.響應(yīng)曲面法用于超聲波提取檸檬皮渣果膠研究［J］.食品工業(yè)科技，2013，34（4）：267-269.

［12］劉曉霞，蘇平，吳秋敏.響應(yīng)面分析法優(yōu)化黃秋葵花中果膠的提取工藝研究［J］.食品工業(yè)科技，2014，35（16）：270-273.

［13］Minjares-Fuentes R，F(xiàn)emenia A，Garau M C，et al.Ultrasoundassisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid：A response surface methodology approach［J］.Carbohydrate Polymers，2014，106（7）：179-189.

［14］Kulkarni S G，Vijayanand P.Effect of extraction conditions on the quality characteristics of pectin from passion fruit peel（Passiflora edulis f.flavicarpa L.）［J］.LWT-Food Science and Technology，2010，43（7）：1026-1031.

［15］Chen H，F(xiàn)u X，Luo Z.Properties and extraction of pectinenriched materials from sugar beet pulp by ultrasonic-assisted treatment combined with subcritical water［J］.Food Chemistry，2014，168（2）：302-310.

Optimization of extraction techniques of pectin from blood pomelo peel by response surface methodology

CHEN Jian-xuan
（Zhangzhou Institute of Technology，Department of Food and Biology Engineering，Applied Technology Engineering Center of Fujian University for Further Processing and Safety of Agricultural Products，Zhangzhou 363000，China）

In order to optimize the process of extraction of pectin from blood pomelo peel.Based on the singlefactor experiments，Box-Benhnken design involving four factors as independent variables was used to set up a second order quadratic equation and the applicability of the model for the yield of pectin as function of citric acid concentration，temperature，liquid to material，time.Each variable and their interactions effects on the yield were studied by using Design-Expert software.The results showed that the effect order of four factors on the yield of pectin was as follows：extraction temperature，citric acid concentration，extraction temperature，liquid to material and extraction time.And the optimal extraction conditions of pectin from blood pomelo peel were：citric acid concentration 1.5%，temperature 82℃，liquid to material 32∶1mL·g-1，time 99min.The yield of pectin could be up to 18.85%，under the optimal extraction condition，the relative error was 0.32%compared to the predictive value，which indicated the feasible model fitted well with the experimental data.

citric acid；blood pomelo peel；pectin；extraction

TS201.1

B

1002-0306（2015）14-0282-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.049

2014－10－20

陳健旋（1964-），女，本科，副教授，研究方向：食品生物技術(shù)。

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JB14182）。