響應(yīng)面法優(yōu)化金柚皮渣中果膠的提取工藝

張巖 吳繼軍 劉學(xué)銘 王思遠(yuǎn) 傅曼琴

摘 要 以硫酸-咔唑法為測(cè)定果膠方法，采用超聲波輔助酸提果膠，并對(duì)提取果膠工藝進(jìn)行優(yōu)化，包括超聲輔助酸提前處理及提取溫度、提取時(shí)間、料液比和pH等提取條件對(duì)果膠提取效果的影響。結(jié)果表明，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采取響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定優(yōu)化參數(shù)為：提取時(shí)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(guān)鍵詞 柚皮渣；提取工藝；優(yōu)化；響應(yīng)面分析法

中圖分類(lèi)號(hào) TQ461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)和日本，深受追捧。柚黃酮具有很強(qiáng)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，黃酮能有效降低高脂膳食導(dǎo)致的脂質(zhì)過(guò)氧化水平和慢性炎癥反應(yīng)[1-2]。柚皮中含果膠膳食纖維，大量的實(shí)驗(yàn)尤其來(lái)自流行病學(xué)的證明，膳食干預(yù)中多吃水果和蔬菜可以降低慢性病的發(fā)生率，對(duì)很多癌癥、心血管病、中風(fēng)等具有極強(qiáng)的預(yù)防作用。近年來(lái)，超聲波作為前處理方式廣泛用于水果加工，如蘋(píng)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(xì)胞穿透性加強(qiáng)，加快了傳質(zhì)萃取速率[8]，同時(shí)研究結(jié)果表明，超聲協(xié)助有益于對(duì)多酚類(lèi)物質(zhì)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(shù)脂法[14-15]、逆流萃取法[16]等等。梅州現(xiàn)有柚子種植面積約35 hm2，產(chǎn)量約50萬(wàn)t[17]。梅州以鮮果為主、涼果蜜餞等粗加工產(chǎn)品為輔，產(chǎn)品附加值不高。目前采用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助酸提金柚果膠的工藝，鮮有報(bào)道。因此，本文應(yīng)用超聲波輔助與酸提取相結(jié)合方法從金柚果皮中提取果膠，通過(guò)優(yōu)化提取工藝，以開(kāi)發(fā)性?xún)r(jià)比較高的果膠膳食纖維，提升果糕果餡等產(chǎn)品品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料

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

1.1.2 主要儀器設(shè)備 UV-1800紫外分光光度計(jì)，島津-GL消耗品銷(xiāo)售公司；SB252-12DTP超聲波，寧波新芝生物科技有限公司；ZD-2自動(dòng)電位滴定儀；雷磁科學(xué)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(yù)處理→熱風(fēng)干燥（溫度65 ℃）→粉碎→超聲波提取→醇沉過(guò)濾離心→檢測(cè)。

1.2.2 果膠的測(cè)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(yīng)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(guān)系。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)照，于530 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（x），吸光度為縱坐標(biāo)（y）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。樣液取1 mL，同上處理，以硫酸一咔唑法測(cè)量A530。用雙蒸水做空白調(diào)零[4]。

1.2.4 提取率的測(cè)定及計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì) 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(shí)間和pH對(duì)柚皮提取工藝的影響，以提取率為目標(biāo)考察指標(biāo)。

（1）料液比。在提取pH為1.5、提取時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的半乳糖醛酸濃度，得出較佳的果膠提取率。

（3）提取時(shí)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(shí)間為20、40、60、80、100、120 min時(shí)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(shí)間為80 min的條件下，研究提取溫度為40、50、60、70、80、90 ℃時(shí)的半乳糖醛酸濃度，得出較佳的果膠提取率。

1.2.6 響應(yīng)面試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，采用Design expert中的Box.Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案排列進(jìn)行試驗(yàn)，因素水平表設(shè)計(jì)如表1。以果膠提取率為目標(biāo)指標(biāo)，每組設(shè)定3個(gè)重復(fù)，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(shí)驗(yàn) 粗提果膠液由部分柚皮粉超聲協(xié)助優(yōu)化的提取條件而得；部分柚皮果漿采用無(wú)錫赫普公司HOP-L5超細(xì)粉碎設(shè)備進(jìn)行超細(xì)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(jié)果與分析

2.1 單因素分析

2.1.1 半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)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(duì)果膠提取率的影響 從圖2可見(jiàn)，采用料液比較低的工藝，則工廠酸耗成本高，酸液設(shè)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(shí)驗(yàn)上及考慮超聲可去柚皮苦味道及后續(xù)濃縮成本等，后續(xù)實(shí)驗(yàn)超聲前處理?xiàng)l件選為：超聲功率90 W，液料比1 ∶ 30（mL/g），超聲時(shí)間10 min，柚皮粉碎粒度30目。

2.1.3 提取溫度對(duì)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(shí)間固定，提取溫度在40～90 ℃范圍時(shí)，提取溫度是影響傳質(zhì)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(nèi)，半乳糖醛酸濃度的增長(zhǎng)速度加快，當(dāng)提取溫度超過(guò)70 ℃以上時(shí)，提取率反而下降，提取溫度的增加也會(huì)導(dǎo)致果膠產(chǎn)品率的降低。

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)提取率的影響 從圖4可見(jiàn)，其他因素固定下，提取時(shí)間在20～120 min內(nèi)，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，果膠產(chǎn)率先上升后緩慢下降，當(dāng)提取時(shí)間達(dá)到80 min時(shí)，果膠提取率最高。

2.1.5 pH對(duì)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(shí)達(dá)到最高值，隨后降低。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果[18-19]

在以上單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，控制超聲處理料液比1 ∶ 30（g/mL），超聲功率90 W，時(shí)間10 min，粒度30目。根據(jù)Box-Behnke試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以Y（果膠提取率）為目標(biāo)響應(yīng)值，A（提取溫度）、B（提取時(shí)間）和C（提取液pH）等因素為自變量，設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面分析（見(jiàn)表1），由此建立果膠提取過(guò)程的預(yù)測(cè)模型，得到性?xún)r(jià)比高的果膠產(chǎn)出率。

由方差分析可知，模型項(xiàng)的p<0.01，說(shuō)明果膠的提取率響應(yīng)值與提取液pH、提取溫度T和提取時(shí)間t回歸方程的關(guān)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(shí)際情況；理論上失擬項(xiàng)越小越好，此方差分析表中的失擬項(xiàng)p=0.050 4>0.05，說(shuō)明所得回歸方程與實(shí)際擬合中的誤差為正常誤差。由回歸方程的系數(shù)檢驗(yàn)表明，可以看出對(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)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(yīng)面分析 由3D響應(yīng)面圖（圖6～8）可以直觀地反映提取溫度、提取液pH、提取時(shí)間與響應(yīng)值果膠得率的關(guān)系，固定其中2個(gè)變量為零水平，響應(yīng)值隨另兩變量的改變而變化?；貧w系數(shù)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(diǎn)，果膠提取率有最大值。由圖7可以看出，提取時(shí)間與提取液pH交互作用對(duì)果膠提取率影響的3D圖呈拋物線狀，并且有極值點(diǎn)，果膠提取率有最大值。由圖8可知，提取溫度與時(shí)間交互作用對(duì)果膠產(chǎn)率Y的影響顯示，在兩因素的試驗(yàn)水平內(nèi)找到果膠提取率極大值。通過(guò)軟件Design Expert模擬得出酸法提取柚皮渣中果膠的優(yōu)化工藝條件為pH=1.44，T=75.5 ℃，t=88.7 min，Y=28.56%，這為傳統(tǒng)上利用酸法生產(chǎn)果膠膳食纖維，提高性?xún)r(jià)比提供了依據(jù)。

研究結(jié)果表明，超聲前處理，增加了果實(shí)細(xì)胞壁的通透性[20]，破壁作用釋放了果膠[21]。本研究中提取時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)及溫度不可過(guò)高，主要推測(cè)超聲前處理及后續(xù)的酸易進(jìn)一步產(chǎn)生果膠多糖主鏈的斷裂，半乳糖的降解，導(dǎo)致降低果膠產(chǎn)率。由于結(jié)合實(shí)際操作過(guò)程來(lái)看控制在74 ℃左右比較合適，溫度過(guò)高可能造成部分果膠降解影響品質(zhì)，水分蒸發(fā)量也較大。這與先前對(duì)柑橘皮果膠的提取溫度研究結(jié)果類(lèi)似[22]。對(duì)模擬得到的優(yōu)化條件進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)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(xì)粉碎都未加入的果餡組炒制后比較，膳食纖維有較強(qiáng)的持水性，果餡的霉變與其自由水有關(guān)，添加有助于果餡的保質(zhì)期[23]及成型。綜上添加10%超粉果漿對(duì)果餡的苦味影響不大，可添加柚皮渣生產(chǎn)膳食纖維作為焙烤食品果餡餡料。

3 討論與結(jié)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(duì)金柚資源進(jìn)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(shù)脂法、逆流萃取法等適于實(shí)驗(yàn)室操作的提取方法，超聲輔助酸化法，通過(guò)超聲波前處理強(qiáng)化柚皮細(xì)胞穿透性，加快傳質(zhì)萃取速率，且有待進(jìn)一步探討超聲協(xié)助有益于柚黃酮類(lèi)物質(zhì)的保持。

本實(shí)驗(yàn)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(duì)超聲前處理功率，柚皮粉碎粒度，液料比1 ∶ 30（mL/g）等因素進(jìn)行控制，進(jìn)一步優(yōu)化提取條件，具體為：提取液pH1.44，提取溫度（T）75.5 ℃，提取時(shí)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(shuō)明在果皮中提取果膠時(shí)，超聲前處理提取比傳統(tǒng)單一酸提法提高了果膠得率，這與文獻(xiàn)報(bào)道一致[24]。

同時(shí)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(guò)酸化法的工藝改進(jìn)便于在梅州規(guī)?；茝V應(yīng)用。同時(shí)傳統(tǒng)果餡需添加大量冬瓜蓉作為填充料，通過(guò)開(kāi)發(fā)超細(xì)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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