Box-Behnken法优化提取荔枝渣中果胶工艺

姜翠翠，陈小巧，邱松山，周如金

（广东石油化工学院化学与生命科学学院，广东 茂名 525000）

Box-Behnken法优化提取荔枝渣中果胶工艺

姜翠翠，陈小巧，邱松山*，周如金

（广东石油化工学院化学与生命科学学院，广东 茂名 525000）

以荔枝渣为材料，采用超声波辅助酸法提取工艺，运用Box-Behnken试验设计方案获得超声波预处理时间、功率和料液比等因素对果胶得率的影响规律，并结合质构仪分析果胶硬度、黏度、酯化度等指标。结果表明：超声波预处理荔枝渣提取果胶最佳工艺为超声时间14.8 min、超声功率300 W、料液比1：10.7，在此基础上选择pH 2的盐酸溶液提取，乙醇沉淀时液-液体积比1：1.5，沉淀时间90 min，果胶理论得率17.86%，实测得率为17.38%。所得果胶黏度为55.8×10-3Pa·s，酯化度为40.7%，质构特性分析表明所得荔枝渣果胶硬度平均值为40.400 g，弹性平均值为55.51%，黏性绝对平均值为12.880 g，果胶样品色泽较好，胶凝度高。

荔枝渣；果胶；超声波

荔枝（Lytchee chinensis Sonn）为无患子科（Sapindaceae）荔枝属（Litchi）常绿乔木，我国是荔枝的主产国，栽培面积和产量约占世界的80%以上，主产区为广东、广西、福建、海南等地，其中广东的荔枝产量最多。荔枝营养丰富，却不易保水，造成果实采后极易腐烂、贮运极难等问题，因此常加工为果干、果酒等产品。荔枝在深加工过程中产生大量荔枝皮、荔枝核等加工废弃物，即荔枝渣。荔枝渣中糖分、果胶等营养物质含量较高，因而较易变质、发臭，会造成浪费及环境污染[1-2]。合理利用荔枝渣中的果胶、提高其经济附加值是荔枝深加工产业亟待解决的问题之一[3]。将荔枝渣中丰富的果胶提取出来，可广泛用于食品工业，主要用作胶凝剂、增稠剂、乳化剂、稳定剂等[4-5]，荔枝渣中果胶的综合利用是荔枝副产物开发利用的发展方向之一。

果胶作为一种安全的天然食品添加剂，是公认安全的食品添加剂，综合利用荔枝渣中丰富的果胶资源、生产优质果胶、满足国内外市场需求已显得极为迫切[6]。目前果胶的提取技术主要有酸提醇沉法[7]、微波法[8-9]、超声波辅助萃取[10]、高压脉冲电场[11]、离子交换[12]等，与索式提取等传统提取方法相比，超声波辅助提取技术对果胶提取具有一定的强化作用，且不改变果胶的性质[13-14]。超声波提取法[15]是一种比较成熟且有广泛应用前景的技术，具有提取时间短、产率较高、无需加热、环境污染小等特点，还可辅助其他方法来提高产率。采用超声波辅助提取果胶时，超声波频率一般在20 kHz以上，形成的冲击波可使物料表面及液体介质受到极大冲击，提高果胶类物质的溶出。与传统提取法方法相比，超声波提取法提取时间短、得率较高、无需加热，是一种比较有效的果胶提取方法。

Box-Behnken试验设计可评价试验指标和影响因素间的非线性关系，所需试验次数较少且效率更高，常用于评价试验因素的非线性影响，已广泛用于化学合成过程、药物处方筛选和剂型制备过程等的优化[16-17]。因此本实验主要考察超声波预处理提取荔枝渣中果胶工艺参数，运用Box-Behnken试验设计获得超声功率、时间、料液比等因素对果胶得率的影响规律，并在此基础上分析所得样品的黏度、酯化度等特性，以期为荔枝渣中果胶的有效利用、为荔枝深加工企业解决荔枝渣问题提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

荔枝渣由广东为多生物科技有限公司提供；乙醇、三氯化铁、氢氧化钠、盐酸等（均为分析纯） 天津市百世化工有限公司；实验所用水为蒸馏水。

1.2 仪器与设备

TA-XT Plus质构仪 英国Stable Micro System公司；XO-1200超声波细胞粉碎机 南京先欧仪器制造有限公司；NDJ-5S数显黏度计 上海方瑞仪器有限公司；PL203/01电子分析天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；PHS-25型数显pH计 上海精密科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 提取工艺

取2.5 kg鲜荔枝渣经70 ℃烘箱预干燥3 h，升温至105 ℃，干燥4 h至恒质量，粉碎后过40 目筛，备用。

称取若干份10.0 g样品粉末置500 mL烧杯中，按一定的料液比液化，并用盐酸调节酸度至2.0，超声辅助酸法浸提，4 000 r/min离心10 min，取上清液，加入95%乙醇使果胶充分沉淀析出，干燥后计算果胶得率。

果胶沉淀及干燥：取一定体积的果胶样品，采用95%乙醇沉淀、静置，过滤，再用70%的乙醇洗涤以除去无机离子、色素、单糖和双糖等杂质，并用无水乙醇洗涤6 次，所得果胶于60 ℃真空干燥至恒质量，按下式计算果胶得率并分析乙醇用量及不同沉淀时间对果胶得率的影响：

1.3.2 单因素试验

以果胶得率为考察指标，分别选取超声预处理时间（5、10、15、20、25 min）、料液比（1：5、1：10、1：15、1：20、1：25（g/mL））、超声功率（200、300、400、500、600 W）进行单因素试验，初步确定各因素适宜的范围，在单因素试验基础上优化果胶提取工艺。

1.3.3 工艺优化试验设计

按照参考文献[18]并根据Box-Behnken试验设计原理，采用三因素三水平的响应面分析方法对超声波预处理工艺进行优化。在单因素试验的基础上进行试验设计，因素编码及水平安排见表1。

表1 Box-Behnken试验设计Table1 Factors and levels used in Box-Behnken design

1.3.4 荔枝渣果胶特性研究

1.3.4.1 果胶黏度的测定

称取12.5 g实验所得果胶，配成5%果胶溶液，静置24 h，室温测定其黏度值（转速60 r/min）。

1.3.4.2 果胶甲氧基质量分数、酯化度测定

采用滴定法[19]测定果胶的甲氧基质量分数及酯化度。

1.3.5 果胶质构特性分析

利用质构仪测定制备的果胶样品硬度、黏性、弹性等各项指标，分析其质构特性[20-21]。测定参数：p/2探头；测定模式为A/BE反挤压装置；初始速率1.0 mm/s；测试速率1.0 mm/s；返回速率10.0 mm/s；测试距离5.0 mm；触发类型Auto-5 g；数据采集率200 pps。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 超声时间的影响

表2 超声时间对果胶提取得率的影响Table2 Effects of ultrasonication time on the extraction yield of pectin

在超声功率300 W、料液比1：10（g/mL）的条件下预处理样品，再用pH 2的盐酸溶液提取、沉淀、干燥，比较超声时间对果胶提取得率的影响。由表2可知，超声波预处理样品15 min内，随时间延长，果胶得率增加，超声15 min时得率为22.83%，15 min后随超声时间延长果胶得率略有下降，超声25 min时得率降至20.14%。可能是由于超声时间过长使溶液中的部分果胶降解，因此超声时间选择15 min。

2.1.2 超声功率的影响

选取超声时间15 min、料液比1：10（g/mL），改变超声功率提取果胶。由表3可知随超声功率从200 W增加到300 W，果胶得率增加了7.75%，300 W时果胶得率为22.83%，之后得率下降，在功率500 W时降至17.13%。可能是在固定时间内超声功率较低时果胶质水解不充分，果胶产率不高；随着超声波功率的提高，促使荔枝渣中的不溶性果胶更快地水解成可溶性果胶。但功率过高时荔枝渣中的果胶水解过于强烈，使得果胶裂解成多糖分子，从而使果胶产率下降，因此超声波功率选择300 W。

表3 超声功率对果胶提取得率的影响Table3 Effects of ultrasonic power on the extraction yield of pectin

2.1.3 料液比的影响

选取超声时间15 min、功率300 W，改变料液比提取果胶。由表4可知提取液使用量的增加有利于果胶转移到提取液中，当料液比为1：10（g/mL）时，果胶得率达到峰值，当料液比小于1：10时，果胶得率略有下降，在料液比为1：20时得率降至12.77%，此外，液料比过大造成一定的浪费，因此选择料液比为1：10。

表4 料液比对果胶提取得率的影响Table4 Effects ofsolid-to-liquid ratio on the extraction yield of pectin

2.2 果胶提取工艺优化

依据Box-Behnken试验设计方案，采用三因素三水平试验设计法进行工艺优化，其试验组合及结果如表5所示。方差分析显著性检验结果如表6所示。

据表5结果计算各项回归系数，以回归系数建立果胶得率与提取时间A、超声功率B和料液比C 3个因子的数学回归模型，模型回归检验F=53.74，在0.01水平上差异极显著。失拟检验F=1.36，差异不显著，模型具有统计学意义。编码因素A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2差异显著，优化模型的编码方程为：

y=22.44-0.86A-1.18B＋1.88C-2.45A2-3.56B2-2.41C2-0.82AB＋1.61AC＋1.01BC（R2=0.995 7）

表5 Box-Behnken试验设计及结果Table5 Box-Behnken design scheme and results

表6 试验结果回归分析Table6 Analysis of variance for the regression model

2.3 响应面分析与优化

从回归系数的显著性检验可知，提取时间A与料液比C的互作效应对果胶得率影响明显，根据二次回归方程绘制的响应面，如图1所示。

图1 荔枝渣果胶的超声提取响应曲面图Fig.1 Response surface plots showing the interactive effects of ultrasonication time, ultrasonic power and solid-to-liquid ratio on the extraction yield of pectin

由图1a可知，固定超声时间，果胶得率随超声功率增加而增大，300～310 W时达最大值。固定超声功率，果胶得率随超声时间延长而呈上升趋势，在15 min时达到最大值。等高线呈椭圆形，超声时间和超声功率交互作用较为显著，与模型的方差分析结果一致。由图1b可知，固定超声时间，果胶得率随料液比减少而增大，在1：9.6～1：10.2达最大值。固定料液比，果胶得率随超声时间升高而呈上升趋势，在15 min时达到最大值。等高线呈椭圆形，超声时间和料液比交互作用较显著，与模型的方差分析结果一致。由图1c可知，超声功率不变，得率随料液比减小而增大，在1：10.0～1：10.4达最大值，之后逐渐减小。固定料液比，果胶得率随超声功率升高而呈上升趋势，在300 W时达到最大值。等高线呈椭圆形，超声时间和料液比交互作用较显著，与模型的方差分析结果一致。

结合回归模型的数学分析可知，荔枝渣果胶提取最优工艺参数为超声时间14.8 min、超声功率294.5 W、料液比1：10.7，在此工艺基础上，预测果胶得率为17.86%。为进一步检验响应面分析法的可靠性，采用上述最优条件进行果胶提取（实际超声功率为300 W），实际测得样品得率为17.38%，与理论值相比，相对误差较小（为2.7%）。因此，采用响应面分析优化得到的浸提条件参数准确可靠，可用于实际操作。

2.4 果胶沉淀时乙醇用量对果胶得率的影响

由表7可知，乙醇用量与提取液体积之比小于1：1.5时，随着乙醇用量的增大，果胶得率显著升高，提取液与95%乙醇体积比由1：1增加1：1.5时，得率增加6.78%。当液-液比大于1：1.5时，果胶得率变化不明显（提取液与95%乙醇体积比由1：5增加到1：2时，得率增加0.2%），从节约成本考虑，提取液体积与95%乙醇用量之比取1：1.5合适。

表7 乙醇用量对果胶得率的影响Table7 Effect of ethanol volume on the extraction yield of pectin

2.5 沉淀时间对果胶得率的影响

表8 沉淀时间对果胶得率的影响Table8 Effect of precipitation time on the extraction yield of pectin

由表8可知，用乙醇沉淀果胶时，沉淀时间对果胶得率有明显影响，沉淀时间低于90 min时，随着沉淀时间增大，果胶得率显著升高（沉淀时间由60 min增加到90 min时，得率增加7.12%），然而当沉淀时间大于90 min时，果胶得率下降（沉淀时间由90 min增加到120 min时，得率减少4.56%），这是因为沉淀时间过长，使得果胶部分分解。

2.6 荔枝渣果胶特性分析

表9 果胶黏度、酯化度含量Table9 Viscosity and degree of esterification of pectin

由表9可知，超声波辅助酸法提取的果胶平均黏度为55.8×10-3Pa·s。果胶的甲氧基质量分数及酯化度是果胶性能指标中最基本指标之一，与果胶的胶凝性、增稠性等性质密切相关，超声波辅助酸法所得果胶甲氧基质量分数为6.63%，酯化度为40.7%，表明该果胶属低甲氧基果胶，可在食品中形成性质优良的凝胶作为添加剂使用[6,22]。

2.7 果胶质构特性分析

表10 果胶质构特性Table10 Texture characteristics of pectin

由表10可知，利用超声波辅助酸法提取所得荔枝渣果胶硬度平均值为40.400 g，弹性平均值为55.51%，黏性绝对平均值为12.880 g，且进行的6 次实验中，所测定的果胶色泽较好，胶凝度高，性质比较稳定。

3 结 论

本研究采用Box-Behnken试验设计方案从荔枝渣中提取果胶，在此条件下获得的最佳工艺参数为：超声时间14.8 min、超声功率300 W、料液比1：10.7，果胶得率为17.38%。结合方差分析，建立了超声时间、功率和料液比与果胶得率之间的数学模型方程为y=22.44-0.86A-1.18B＋1.88C-2.45A2-3.56B2-2.41C2-0.82AB＋1.61AC＋1.01BC（R2=0.995 7）。模型回归检验F=53.74，在0.01水平上差异极显著，表明Box-Behnken试验设计能准确地考察荔枝渣果胶的最佳提取条件，可用于实际操作，此模型的建立将为今后大规模应用提供直接的参考依据。

采用超声波辅助提取的果胶时间短、色泽较浅，这与文献[10,15]的研究结果一致，但超声波处理对果胶的溶解度、成分活性的影响有待深入研究[23]。由果胶的特性分析可知，采用超声波辅助提取的果胶甲氧基质量分数为6.63%，平均黏度为55.8×10-3Pa·s，酯化度为40.7%，低甲氧基果胶在Ca2+、Al3+或其他多价阳离子存在下无论有糖或无糖均能形成性质优良的凝胶，适合作为食品添加剂满足人们对低糖、低甜度食品的要求[24-25]。

超声波辅助酸法提取荔枝渣中果胶的最佳工艺条件为：在此基础上选择pH 2的盐酸溶液提取，沉淀时提取液与95%乙醇体积比为1：1.5，沉淀时间90 min，质构特性分析表明所得荔枝渣果胶硬度平均值为40.400 g，弹性平均值为55.51%，黏性绝对平均值为12.880 g，样品色泽较好，胶凝度高，属低甲氧基果胶，性质比较稳定，具有广阔的市场前景。

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Optimization of Extraction Process for Pectin from Litchi Residues by Box-Behnken Design

JIANG Cui-cui, CHEN Xiao-qiao, QIU Song-shan*, ZHOU Ru-jin
(School of Chemistry and Life Science, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

The ultrasonic-assisted acid extraction of pectin from litchi residues was optimized using Box-Behnken design. The yield of pectin was investigated as a function of ultrasonication time, ultrasonic power and solid-to-solvent ratio. Litchi pectin was tested by a texture analyzer for hardness, viscosity and degree of esterification. The optimum conditions for extracting pectin from litchi residues were found to be ultrasonic-assisted extraction for 14.8 min at a power of 300 W using pH 2 hydrochloric acid solution with a solid-to-solvent ratio of 1:10.7, addition of ethanol as a precipitant with a ratio to extract of 1:1.5 by volume, and 90 min precipitation. The maximum predicted yield of pectin under the optimized conditions was 17.86%, which was close to the experimentally observed value of 17.38%. The pectin showed a viscosity of 55.8×10-3Pa·s and a degree of esterification of 40.7%, and texture analysis indicated that the average hardness, elasticity and cohesiveness were 40.400 g, 55.51% and 12.880 g, respectively. In addition, good color and gel-forming properties were observed.

litchi residues; pectin; ultrasonic

TS255.2

A

1002-6630（2014）10-0098-05

10.7506/spkx1002-6630-201410018

2013-09-18

广东省高等学校高层次人才项目（911043）；广东石油化工学院2013年教研项目（JY201318）

姜翠翠（1980—），女，讲师，硕士，研究方向为食品加工技术。E-mail：40305170@163.com

*通信作者：邱松山（1978—），男，讲师，博士，研究方向为农产品加工与贮藏。E-mail：tustqss@163.com