山楂殘次果果膠提取工藝的優(yōu)化

劉月英 李桂琴 劉煥云 楊 亮 彭 輝

（河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050061）

山楂殘次果果膠提取工藝的優(yōu)化

劉月英 李桂琴 劉煥云 楊 亮 彭 輝

（河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050061）

利用微波－鹽酸－鹽析法對(duì)山楂殘次果果膠的提取工藝進(jìn)行研究。采用單因素試驗(yàn)研究鹽酸濃度、液料比、微波比功率、微波時(shí)間、鹽析條件對(duì)果膠得率的影響，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)中心組合（Box－Behnken）試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)3因素3水平的響應(yīng)面分析法，依據(jù)回歸分析各影響因素，建立二次多項(xiàng)式回歸方程的預(yù)測(cè)模型。以果膠得率為響應(yīng)值作響應(yīng)面和等高線，得出山楂殘次果果膠提取的最佳工藝條件為鹽酸濃度0.10mol／L，微波比功率167W／g，液料比16∶1（V∶m），飽和硫酸鋁溶液用量7mL，微波時(shí)間50s，在優(yōu)化條件下果膠得率為6.17%。

山楂殘次果；果膠；微波－鹽酸－鹽析法

果膠以其良好的膠凝、增稠、穩(wěn)定、懸浮、乳化等性能，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、日化、紡織、印染、煙草、冶金等諸多領(lǐng)域［1－5］。全世界果膠的年需求量近2萬(wàn)t，且在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍以每年15%左右的速度增長(zhǎng)［6］；據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)［7］，中國(guó)果膠每年的需求量約在1 500t以上，其中80%依靠進(jìn)口。

目前工業(yè)生產(chǎn)果膠普遍采用酸法提取，如蘋(píng)果、柑橘、甜菜等果膠的生產(chǎn)［8］，其加熱方式則多采用常規(guī)水浴加熱［9－11］。近年來(lái)，利用微波法從柚皮、蘋(píng)果渣、柑橘皮、西番蓮果皮等眾多原料中提取果膠的技術(shù)得到廣泛關(guān)注［12－14］。微波提取具有設(shè)備簡(jiǎn)單、適用范圍廣、萃取效率高、選擇性強(qiáng)、重現(xiàn)性好、節(jié)省時(shí)間、節(jié)省溶劑、節(jié)能、污染小等特點(diǎn)，被廣泛用于天然活性成分的浸提過(guò)程，并迅速朝著工業(yè)化方向發(fā)展［15］。用鹽析法代替乙醇沉淀法，可以大大減少乙醇用量，降低生產(chǎn)成本，減少能源消耗。

山楂屬于薔薇科山楂屬植物，是中國(guó)北方地區(qū)重要的栽培果樹(shù)之一，果實(shí)產(chǎn)量?jī)H次于蘋(píng)果、梨、桃，位居第四。由于山楂果實(shí)獨(dú)特的風(fēng)味，鮮食量較為有限，在貯藏和加工罐頭、果醬、果汁、果丹皮等產(chǎn)品過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生5%～10%原料重的殘次果，目前主要是作為工業(yè)廢料丟棄，不僅浪費(fèi)資源而且還會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染。山楂果實(shí)中果膠含量可高達(dá)6.4%，因此，采用提取效率較高的微波－鹽酸－鹽析法，以山楂殘次果為原料，研究提取其果膠的工藝條件，不僅可以實(shí)現(xiàn)山楂果實(shí)綜合利用及深加工增值技術(shù)，同時(shí)可減少環(huán)境污染，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山楂：大金星，承德市興隆縣，市售；

咔唑、無(wú)水乙醇、乙醚、鹽酸、氨水、硫酸鋁、苯酚、硫酸、氫氧化鉀等試劑：均為國(guó)產(chǎn)分析純；

配制用水：二次蒸餾水。

1.2 主要儀器

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH－2型，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；

微波爐：WD800B型，佛山市順德區(qū)格蘭仕微波爐電器有限公司；

離心沉淀機(jī)：LXJ－2型，上海分析儀器廠；

精密酸度計(jì)：PHS－4CT型，上海大普儀器有限公司；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：RE52－AAB型，溫州奧利生物醫(yī)學(xué)儀器廠；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG72－1型，湖北省黃石市醫(yī)療器械廠；

電子天平：BSA224S型，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；

循環(huán)水多用真空泵：SHB－3，鄭州杜甫儀器廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 果膠提取的工藝流程

1.3.2 操作要點(diǎn)

（1）原料的預(yù)處理：對(duì)有干痂、機(jī)械傷、病蟲(chóng)害等的山楂果實(shí)，流水清洗瀝干水分后用不銹鋼刀挖去傷害部位，外觀嚴(yán)重皺縮的山楂果實(shí)流水清洗瀝干水分，切成約3mm×3mm的小塊，放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，于70℃干燥48h后放入研缽中研細(xì)，并使之通過(guò)60目篩，收集于塑料自封袋中備用。

（2）果膠的提取：稱(chēng)取適量樣品于燒杯中，加入熱的70%乙醇，充分?jǐn)嚢枰蕴崛√穷?lèi)，過(guò)濾。反復(fù)操作至濾液用苯酚－硫酸法檢驗(yàn)不呈糖的反應(yīng)。殘?jiān)脽o(wú)水乙醇洗滌，再用乙醚洗滌，風(fēng)干乙醚。

用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的濃度和用量加熱至沸騰的鹽酸將漏斗中殘?jiān)迫?50mL錐形瓶中，充分混合后，瓶口覆蓋保鮮膜，在設(shè)計(jì)的微波比功率下提取至設(shè)計(jì)時(shí)間，趁熱抽濾，收集濾液；濾渣經(jīng)再次提取后合并濾液，向?yàn)V液中加入其質(zhì)量0.06% 的活性炭，室溫下振蕩40min脫色，過(guò)濾后將濾液濃縮至樣品重的8倍，得無(wú)色果膠粗提液。

（3）鹽析：吸取10mL果膠粗提液于200mL燒杯中，邊攪拌邊加稀氨水，調(diào)pH值為3.7～3.8后，攪拌30min，慢慢加入設(shè)計(jì)量的飽和硫酸鋁溶液，并調(diào)pH值為7.0，間歇攪動(dòng)后靜置60min，抽濾得顆粒狀果膠鹽，水洗3遍。邊攪拌邊加稀鹽酸，維持pH值2.7～2.8，轉(zhuǎn)溶30min后，用無(wú)水乙醇沉淀，得無(wú)色凝膠，干燥后即為果膠成品。

1.3.3 單因素試驗(yàn) 將鹽酸濃度、微波比功率、微波時(shí)間、液料比和飽和硫酸鋁用量作為影響山楂殘次果果膠提取的單因素。每組進(jìn)行平行試驗(yàn)，以果膠得率評(píng)價(jià)提取效果。

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化 采用軟件 Design－Expert中的Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)。

1.3.5 果膠得率計(jì)算 按式（1）計(jì)算：

2 結(jié)果及分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 鹽酸濃度的選擇 鹽酸濃度對(duì)殘次果果膠提取的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 鹽酸濃度對(duì)果膠得率的影響Figure 1 Effect of hydrochloric acid concentration on the pectin yield rate

由圖1可知，采用0.01，0.02，0.05mol／L鹽酸提取時(shí)，果膠得率小于采用0.10mol／L的，當(dāng)鹽酸濃度為0.15mol／L時(shí)果膠得率略有下降，這可能是由于鹽酸濃度的增高加強(qiáng)了果膠得水解。因此本試驗(yàn)條件下0.10mol／L為較佳提取濃度。

2.1.2 液料比的選擇 液料比對(duì)殘次果果膠提取的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著液料比由5∶1，10∶1（V∶m）增大到15∶1（V∶m），果膠得率由1.47%隨之增大到5.58%，繼續(xù)增大液料比至20∶1和25∶1（V∶m），果膠得率均會(huì)有所降低，因此確定15∶1（V∶m）為本試驗(yàn)條件下的較佳液料比。

圖2 液料比對(duì)果膠得率的影響Figure 2 Effect of liquid－materialratio on the pectin yield rate

2.1.3 微波比功率的選擇 由于微波功率的作用與試驗(yàn)原料數(shù)量關(guān)系很大，因此本試驗(yàn)選用微波比功率作為一影響因素進(jìn)行研究。由圖3可知，果膠得率在微波比功率160W／g時(shí)最高。微波比功率較低時(shí)，原果膠水解不完全，而過(guò)高則會(huì)造成果膠分子鏈發(fā)生降解，使果膠得率下降。故試驗(yàn)條件下，160W／g為最佳。

圖3 微波比功率對(duì)果膠得率的影響Figure 3 Effect of microwave output power on the pectin yield rate

2.1.4 微波時(shí)間的選擇 由圖4可知，當(dāng)微波加熱時(shí)間為50s時(shí)，果膠得率達(dá)到5.61%的最高值，高于或低于該時(shí)間，得率均有所降低。這是因?yàn)檩腿r(shí)間短時(shí)，原果膠水解不完全，而時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)造成果膠分子鏈發(fā)生降解，從而使果膠得率下降，故50s為最佳微波時(shí)間。

圖4 微波時(shí)間對(duì)果膠得率的影響Figure 4 Effect of microwave time on the pectin yield rate

2.1.5 硫酸鋁用量的選擇 飽和硫酸鋁溶液用量對(duì)果膠提取的影響結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 飽和硫酸鋁溶液用量對(duì)果膠得率的影響Figure 5 Effect of volume of saturated aluminum sulfate on the pectin yield rate

由圖5可知，飽和硫酸鋁溶液用量為3.00～6.00mL時(shí)，果膠得率隨著飽和硫酸鋁溶液用量的增大而迅速增大，當(dāng)用量達(dá)6.00mL以上時(shí)果膠得率增長(zhǎng)極為緩慢。這是因?yàn)橛昧可贂r(shí)果膠沉淀不完全，致使得率較低，當(dāng)用量達(dá)6.00mL時(shí)，提取液中的果膠可以全部鹽析出來(lái)，再增加用量得率幾乎不發(fā)生變化。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化果膠提取工藝條件

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化 Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平見(jiàn)表1，響應(yīng)面分析方案與結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Factors and levels of Box－Behnken design

表2 響應(yīng)面優(yōu)化果膠提取試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Response surface methodology design and results of pectin yield rate

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗(yàn) 利用Design－Expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到山楂殘次果果膠得率對(duì)微波比功率、液料比和飽和硫酸鋁溶液用量的二次多項(xiàng)回歸模型：

響應(yīng)面二次回歸方程方差分析見(jiàn)表3。由表3可知，微波比功率、液料比、飽和硫酸鋁溶液用量、微波比功率二次、液料比二次均達(dá)到極顯著水平，飽和硫酸鋁溶液用量二次達(dá)顯著水平。整體模型達(dá)極顯著水平（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P＜0.05），表明該模型對(duì)試驗(yàn)擬合較好，可以對(duì)試驗(yàn)范圍內(nèi)不同條件下的果膠得率進(jìn)行預(yù)測(cè)。另外，該模型的變異系數(shù)（C.V）為1.00%，重復(fù)性較好。

表3 響應(yīng)面二次回歸方差分析 Table 3 ANOVA for response surface quadratic model

2.2.3 提取工藝的響應(yīng)面分析與優(yōu)化 用Design－Expert軟件，根據(jù)回歸方程分析作響應(yīng)面和等高線圖見(jiàn)圖6～8。

由圖6～8可知，在試驗(yàn)所設(shè)水平條件下，山楂殘次果果膠得率隨著微波比功率、液料比和飽和硫酸鋁溶液用量的增大均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，說(shuō)明響應(yīng)面法所選取的水平較為合理，同時(shí)三者對(duì)果膠提取影響的交互作用均呈拋物面形，表明擬合面有真實(shí)最大值。

2.2.4 最佳工藝條件的確定及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用Design－Expert軟件并結(jié)合二次回歸的數(shù)學(xué)模型分析結(jié)果，果膠提取的最優(yōu)條件為微波比功率166.55W／g，液料比15.91∶1（V∶m），飽和硫酸鋁溶液用量6.96mL，在此條件下理論預(yù)測(cè)值為6.205 53。將單因素試驗(yàn)所得最佳條件和響應(yīng)面二次回歸所得最佳條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，每個(gè)處理進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表4。

根據(jù)試驗(yàn)具體情況，結(jié)合實(shí)際操作的可行性，將最佳工藝確定為微波比功率167W／g，液料比16∶1（V∶m），飽和硫酸鋁溶液用量7mL，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，果膠得率為6.17%，說(shuō)明該模型可以較好地反映山楂殘次果果膠提取的工藝條件，從而證明響應(yīng)面分析法優(yōu)化山楂殘次果果膠提取條件的可行性。

圖6 微波比功率和料液比對(duì)果膠得率影響的響應(yīng)面和等高線Figure 6 Response surface and contour of Y＝ f（ AB）

圖7 微波比功率和飽和硫酸鋁溶液用量對(duì)果膠得率影響的響應(yīng)面和等高線Figure 7 Response surface and contour of Y＝ f（ AC）

圖8 飽和硫酸鋁溶液用量和液料比對(duì)果膠得率影響的響應(yīng)面和等高線Figure 8 Response surface and contour of Y＝ f（ BC）

表4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of validation experiments

3 結(jié)論

響應(yīng)面法優(yōu)化山楂殘次果果膠提取工藝最佳提取條件為鹽酸濃度0.10mol／L，微波比功率167W／g，液料比16∶1（V∶m），飽和硫酸鋁溶液用量7mL，微波時(shí)間50s，在此條件下果膠得率為6.17%。從殘次果中提取果膠，果膠得率比從新鮮山楂果中提取的較低，可能是由于殘次果中果膠被部分降解的緣故。

從山楂殘次果中提取果膠，不僅擴(kuò)展了提取果膠的新資源，而且可以使大量的殘次果得以充分且高附加值地利用，對(duì)山楂的綜合利用和高效增值均具有十分重要的意義。

本試驗(yàn)僅僅對(duì)山楂殘次果中果膠的提取工藝條件進(jìn)行了研究和優(yōu)化，而對(duì)提取出的果膠的組成、性質(zhì)和功能，以及與從新鮮山楂果實(shí)中提取的果膠有何不同等未作進(jìn)一步探討，可將此作為以后的研究?jī)?nèi)容。

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Study on optimization of extraction technology for pectin from substandard haw fruit by response surface methodology

LIU Yue－ying LI Gui－qin LIU Huan－yun YANG Liang PENG Hui

（College of Biological Science and Engineering，Hebei University of Economics and Business，Shijiazhuang，Hebei050061，China）

Pectin was extracted from substandard hawthorn fruit with microwave－h(huán)ydrochloric acid－salting out.The single－factor tests were used to investigate the effects of hydrochloric acid concentration，liquid－material ratio，microwave output power per gram，microwave extraction irradiation time，condition of salting－out on the yield rate of pectin.The response surface method with 3factors at 3levels，which was based on single－factor tests，was designed to analyze the all of affecting factors，and a quadratic polynomial regression equation of the forecasting model was set up according to the principle of Box－Behnken experiment.The yield rate of pectin from substandard hawthorn being taken as the value for the response surface method and contour，the optimum extraction condition condition was confirmed as follows：the hydrochloric acid concentration，0.10mol／L；the microwave output power per gram，167W／g；the microwave time，50s；the volume of saturated aluminum sulfate，7ml；and the liquid－material ratio，16∶1，under which condition，the yield rate of pectin was 6.17%.

substandard hawthorn fruit；pectin；microwave－h(huán)ydrochloric acid－salting out

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.063

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：10220923）

劉月英（1970－），女，河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)講師。E－mail：liuyueying07＠126.com

2011－11－10