微波輔助提取核桃青皮果膠的工藝優(yōu)化

洪晶陽(yáng)，李瓊，王威，李煥榮

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

微波輔助提取核桃青皮果膠的工藝優(yōu)化

洪晶陽(yáng)，李瓊，王威，李煥榮*

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)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(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定微波溫度、微波功率、液料pH值3個(gè)因素為自變量，以果膠得率為響應(yīng)值進(jìn)行Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究自變量與響應(yīng)值之間的關(guān)系，建立并分析各因素與指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，以確立核桃青皮果膠的最佳提取工藝。結(jié)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(shí)際測(cè)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(duì)誤差為0.39%＜0.5%，說(shuō)明優(yōu)化后得出的回歸方程具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義；微波輔助法與傳統(tǒng)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??；果膠；響應(yīng)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(zhì)、α-氫化胡桃醌-4-葡萄糖苷、胡桃醌生物堿、果膠類物質(zhì)等活性成分[3]，具有一定的藥用價(jià)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(dá)到321.65×103hm2[5]。剛成熟的新鮮核桃中，核桃青皮的質(zhì)量占核桃總重量的67%。核桃青皮一般被當(dāng)做廢棄物處理，堆積在田間地頭，不僅影響美觀而且污染環(huán)境[6]。

果膠廣泛存在于綠色植物的細(xì)胞壁和內(nèi)壁中，為內(nèi)部細(xì)胞的支撐物質(zhì)，直接影響植物組織的完整性和堅(jiān)實(shí)度[7]。果膠是食品工業(yè)中常用的食品添加劑，它是一種復(fù)雜的多糖，功能多樣，應(yīng)用廣泛[8-9]。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們關(guān)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(guān)研究報(bào)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(yīng)面法對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳提取工藝參數(shù)，以期為核桃青皮的綜合利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐，以實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈及廢物利用減少環(huán)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(chǎng)，經(jīng)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(shù)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(jì)：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；AnkeLXJ-IIB離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵：鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；MCR-3型微波化學(xué)反應(yīng)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(wàn)能粉碎機(jī)FW-100：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 果膠含量的測(cè)定：咔唑-乙醇比色法

半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：取6只試管編號(hào)，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(chǎn)生白色絮狀沉淀，不斷搖動(dòng)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(zhǎng)530 nm處測(cè)定吸光值[13-14]。以吸光度為縱坐標(biāo)，半乳糖醛酸量（μg）為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表1 繪制乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)曲線，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=0.007X-0.002 8，R2=0.999 2。

1.2.2 果膠得率的測(cè)定

經(jīng)微波輔助提取后的樣品液在3 500 r/min轉(zhuǎn)速下離心15 min，抽濾之后轉(zhuǎn)移到200 mL容量瓶中，定容。準(zhǔn)確移取2.5 mL，稀釋20倍。再準(zhǔn)確移取1 mL溶液至試管內(nèi)，按照標(biāo)曲的方法加入各試劑，進(jìn)行果膠濃度的測(cè)定，然后計(jì)算樣品中果膠的得率[15]。計(jì)算方程為：

式中：C為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)得的樣品中果膠的質(zhì)量濃度，μg/mL；N為稀釋倍數(shù)；V為提取液總體積，mL；m 為樣品質(zhì)量，g。

1.2.3 不同干制方法對(duì)核桃青皮果膠得率的影響

新鮮核桃青皮，經(jīng)過(guò)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(cè)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(guò)20、40、60、80目篩，按照1.2.2方法測(cè)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(yàn)

以微波溫度、微波時(shí)間、微波功率、液料比、液料pH等因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以研究各因素對(duì)核桃青皮果膠得率的影響，通過(guò)單因素篩選出對(duì)果膠得率影響較為顯著的3個(gè)因素，以果膠得率為響應(yīng)值進(jìn)行Boxbehnken試驗(yàn)，確定最佳工藝參數(shù)，單因素表見表2。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干制方法對(duì)核桃青皮果膠得率的影響

不同干制方式對(duì)核桃青皮果膠得率的影響見圖1。

圖1 不同干制方式對(duì)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(fēng)溫度為60℃時(shí)，核桃青皮果膠的得率最高。其次是80℃熱風(fēng)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(guò)高也可能使果膠分子發(fā)生熱降解，得率下降。采用微波滅酶時(shí)，雖然微波產(chǎn)生的熱太低而不能夠打斷主要的化學(xué)結(jié)構(gòu)[16]，但是微波輻能夠使得大分子的三級(jí)、四級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)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(yīng)選擇熱風(fēng)干燥，溫度在60℃左右為宜。

2.2 不同顆粒度大小對(duì)核桃青皮果膠得率的影響

不同顆粒度大小對(duì)核桃青皮果膠得率的影響見圖2。

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

隨著過(guò)篩目數(shù)的增大，核桃青皮果膠的得率呈上升趨勢(shì)，這是由于過(guò)篩目數(shù)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(guò)20目篩時(shí)得率為71.10 mg/g，過(guò)80目篩時(shí)果膠的得率提高到84.09 mg/g，因此過(guò)篩目數(shù)選擇80目。

2.3 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定最佳液料比為30∶1 mL/g，最佳提取微波時(shí)間為15 min，并篩選出對(duì)果膠得率影響較為顯著的3個(gè)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(duì)核桃青皮果膠得率的影響

微波溫度對(duì)核桃青皮果膠得率的影響見圖3。

圖3 微波溫度對(duì)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(shí)，果膠得率較低，此時(shí)升高溫度有利于果膠得率的提高，溫度繼續(xù)升高，果膠得率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，高于60℃時(shí)降幅明顯，高溫不利于果膠分子的穩(wěn)定，所以繼續(xù)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(duì)核桃青皮果膠得率的影響

微波功率對(duì)核桃青皮果膠得率的影響見圖4。

由圖4可知，當(dāng)微波功率＜450 W時(shí)，果膠的得率隨著功率的增大而提高，當(dāng)微波功率＞450 W時(shí)，果膠得率隨著功率的增大而降低?？赡艿脑蚴牵⒉üβ瘦^低時(shí)，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(guò)高就會(huì)使果膠裂解為多糖分子或者脫脂降級(jí)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(duì)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(duì)核桃青皮果膠得率的影響

提取液pH值對(duì)核桃青皮果膠得率的影響見圖5。

圖5 提取液pH值對(duì)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(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。核桃青皮果膠的得率在pH=3時(shí)最高。pH值的大小和鹽酸濃度有關(guān)系，說(shuō)明H+濃度過(guò)高過(guò)低都會(huì)抑制果膠的提取，因此將提取液的pH調(diào)為3最適宜。

在以上單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)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(yīng)值進(jìn)行Box-behnken試驗(yàn)。

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

2.4 響應(yīng)面結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)的Box-benhnken試驗(yàn)結(jié)果見表4，響應(yīng)面二次模型的方差分析見表5。

表4 Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 4 Box-Benhnken experiment design result

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

通過(guò)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(shuō)明所建模型極顯著，模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.952 9，模型失擬項(xiàng)p=0.122 3＞0.05不顯著，說(shuō)明該回歸方程與試驗(yàn)的擬合度較高。其中，微波溫度、微波功率、微波溫度的二次項(xiàng)、液料pH值的二次項(xiàng)為極顯著統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)水平。根據(jù)回歸方程的一次項(xiàng)自變量系數(shù)可知，各單因素對(duì)果膠得率的影響大小順序?yàn)锳（微波溫度）＞B（微波功率）＞C（液料pH值）。由此可知，各因素對(duì)果膠得率的影響不是呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(nèi)，利用Design Expert8.0.5.b軟件進(jìn)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(yàn)所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行果膠的提取，考慮到實(shí)際操作的可能性和方便性，把工藝條件調(diào)整為：微波溫度56℃，微波功率540 W，液料pH 3.5。實(shí)際測(cè)得果得率為89.769 4 mg/g，與模型的理論值相差0.39%，說(shuō)明該模型與實(shí)際情況比較吻合，具有良好的可行性。

3 結(jié)論

通過(guò)響應(yīng)面法試驗(yàn)，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(guān)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(dá)到89.769 4 mg/g。并對(duì)傳統(tǒng)酸法水浴提取和微波輔助提取兩種方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)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(fā)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(yáng)（1991—），女（回），碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品深加工。

*通信作者

2017-02-17