响应面法优化乳酸辅助提取菠萝皮果胶的工艺研究

郑振峰，施伟梅，曾 勤



响应面法优化乳酸辅助提取菠萝皮果胶的工艺研究

郑振峰1,3，施伟梅2，*曾 勤1,3

（1. 漳州职业技术学院食品与生物工程系，福建，漳州363000；2. 赣南医学院药学院，江西，赣州 341000）3.农产品深加工及安全福建省高校应用技术工程中心，福建，漳州363000）

为优化乳酸辅助提取菠萝皮果胶的工艺，在单因素实验的基础上，利用响应面法建立了菠萝皮果胶提取工艺的二次响应面方程。实验证实提取时间、乳酸浓度、液料比、提取温度对菠萝皮果胶提取率有不同的影响。结果表明，在实验范围内，各工艺条件对菠萝皮果胶提取率的影响大小顺序为：提取温度> 乳酸浓度> 提取时间> 液料比。菠萝皮果胶提取的最佳工艺参数：提取时间96 min，乳酸浓度8.25%，液料比25 mL·g-1，提取温度74 ℃，在此条件下，菠萝皮果胶提取率达8.47%，与预测值相对误差为0.58%，验证了该模型的有效性，表明该提取工艺条件合理可行。

菠萝皮；果胶；乳酸；提取

菠萝（学名：Ananas comosus），又名凤梨，它是重要的水果之一，在我国福建、海南、广东、广西等地均有大面积种植[1]。目前，菠萝以鲜销为主，然而成熟的菠萝货架寿命短，不耐藏。为提高菠萝的货架寿命及附加产值，有人已将菠萝加工成罐头、果酱、蜜饯等产品[2]。漳州是我国的罐头之乡，每年在菠萝罐头加工过程中都会产生数以万吨计菠萝皮，由于技术的壁垒，菠萝皮没有得到有效的增值利用而造成极大的资源浪费和环境污染[3-4]。

果胶是植物细胞壁特有的物质，是一种天然多糖类高分子化合物，在食品、医药、化工等领域均有广泛的应用[5-6]。菠萝皮中含有丰富的果胶，已有一些文献对菠萝皮果胶的提取工艺进行了报道[7-8]。

乳酸是一种有机酸，具有很强的抑菌保鲜作用，因此利用乳酸提取后的果胶在抑菌、色泽、保质期等方面具有其它提取方法所没有的品质[9]，但尚未有利用乳酸辅助菠萝皮果胶进行提取的报道。本研究采用乳酸辅助对菠萝皮果胶进行提取，并利用响应面法对提取工艺进行优化，以期得到一种可用于菠萝皮果胶提取的工艺，为菠萝皮的深开发利用提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

菠萝，购于漳州菜市场；乳酸，食品级，广州智业化工有限公司；无水乙醇，分析纯，汕头西陇化工股份有限公司；蒸馏水，实验室自制；其他试剂均为分析纯。

Q-250B高速多功能粉碎机，上海冰都电器有限公司；RE-52AA旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；BSA124S电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司； GZX-9070MBE数显鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂。

1.2 实验方法

1.2.1 原料预处理

将菠萝去皮，并将菠萝皮切成块状、洗净，将所得菠萝皮置于90 ℃水中煮5 min，除去果胶酶，后用50 ℃温水漂洗，除去可溶性糖、色素、有机酸等，晾干后，置于50 ℃烘箱中烘干，粉碎，过80目筛，保存备用。

1.2.1 菠萝皮果胶的提取

称取10 g的菠萝皮粉，按设定的实验工艺进行提取，提取完后，冷却，离心，得上清液，并用旋转蒸发仪将上清液浓缩，得到果胶提取液。边搅拌边加入等体积的无水乙醇，静置，使果胶析出，抽滤得到沉淀，将沉淀置于50 ℃烘箱中烘干，得到果胶产品。菠萝皮果胶提取率由下式计算[10]：

1.3 单因试验

准确称取菠萝皮粉末10 g，在其他条件相同的条件下，分别采用不同的提取时间、乳酸浓度、液料比、提取温度进行提取，以菠萝皮果胶提取率为指标，考察各因素对提取率的影响。

1.4 响应面试验设计

在单因素实验的基础上，利用Design-Expert 8.05b软件，采用Box-Behnken中心组合原理，选取提取时间（A）、乳酸浓度（B）、液料比（C）、提取温度（D）4个因素，以菠萝皮果胶提取率为响应值，采用4因素3水平的响应面法进行优化，得到二次模拟回归方程，以确定乳酸辅助菠萝皮果胶的最佳工艺条件并进行验证。因素与水平见表1。

表1 响应面分析因素与水平表

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 提取时间对果胶提取率的影响

固定乳酸浓度8%，液料比25 mL·g-1，提取温度75℃的条件下，考察提取时间对菠萝皮果胶提取率的影响，其结果如图1所示。

由图1中可以看出，果胶提取率随着提取时间的延长而增加，但当提取时间超过90 min时，果胶提取率随着时间的延长又开始下降，这是因为提取时间过短时，果胶不能充分水解成可溶性果胶，提取率较低，继续延长提取时间，有利于果胶充分地水解，而使得果胶提取率增大，但提取时间过长时，容易造成部分果胶分子的裂解[11]而造成了果胶提取率的下降，因此最佳的提取时间应为90 min。

图1 提取时间对果胶提取率的影响

2.1.2 乳酸浓度对果胶提取率的影响

固定提取时间90 min，液料比25 mL·g-1，提取温度75 ℃的条件下，考察乳酸浓度对菠萝皮果胶提取率的影响，其结果如图2所示。

从图2中可以看出，果胶提取率随着乳酸浓度的增加而增大，当乳酸浓度超过8%时，继续增大乳酸的浓度，果胶提取率反而下降，这是因为乳酸浓度较低时，溶液中酸性较低，菠萝皮中的果胶水解很慢，甚至无法转化为水溶性果胶而使得果胶提取率较低，但当乳酸浓度较大时，溶液酸性较强，酸会促使果胶分子中甙键及酯键的水解，造成了果胶的脱酯裂解[12]，从而导致果胶提取率下降，因此最佳的乳酸浓度应选择为8%。

图2 乳酸浓度对果胶提取率的影响

2.1.3 液料比对果胶提取率的影响

固定提取时间90 min，乳酸浓度8%，提取温度75 ℃的条件下，考察液料比对菠萝皮果胶提取率的影响，其结果如图3所示。

从图3中可以看出，果胶提取率随着液料比的增加而增大，当液料比超过25 mL·g-1时，继续增大液料比，果胶提取率反而下降。这是因为液料比较小时，溶剂较少，粘度大，果胶分子扩散速度较慢，果胶无法充分溶出而产率低[13]。但当液料比过大时，溶剂用量过大，会加大浓缩与沉淀过程的操作成本，且容易造成果胶的损失，因此最佳的液料比应选拔为25 mL·g-1。

图3 液料比对果胶提取率的影响

2.2.4 提取温度对果胶提取率的影响

固定提取时间90 min，乳酸浓度8 %，液料比25 mL·g-1的条件下，考察提取温度对菠萝皮果胶提取率的影响，其结果如图4所示。

从图4中可以看出，果胶提取率随着提取温度的升高而增大，当提取温度超过75℃时，继续增加提取温度，果胶提取率反而下降。这是因为随着提取温度的升高，体系粘度下降，促进了菠萝皮中原果胶更快地溶出并水解为可溶性果胶，而使得提取率增加，但当温度超过75℃时，体系温度过高，部分耐热性较差的果胶分子会发生水解而降解[14-15]，从而造成果胶提取率下降。因此，最佳的提取温度应选择为75℃。

图4 提取温度对果胶提取率的影响

2.2 响应面实验结果与数据分析

2.2.1 回归模型结果及方差分析

根据Box-Behnken中心组合设计原理，以果胶提取率为响应值，选取提取时间（A）、乳酸浓度（B）、液料比（C）、提取温度（D）四个因素进行实验设计，共29个方案，具体实验方案和水平如表2所示，方差分析见表3。

表2 响应面分析方案及结果

表3 回归模型方差分析

注： *表示差异显著（<0.05）；**表示差异极显著（<0.01）。

用Design Expert 8.05b软件对表2数据进行回归分析，得到二次多项式回归方程为：Y = 8.47 + 0.16A + 0.19B + 0.041C-0.32D + 0.11AB-0.028AC-0.065AD+0.40BC-0.60BD-0.035CD-0.41A2-1.2B2- 0.99C2-1.65D2。由表3可以看出，该回归模型的F值为30.90，< 0.0001，说明该回归模型高度显著，与实验拟合好，误差小，方法可靠；R2为0.9687，说明超过96.8%的实验数据可应用该模型来拟合。方程的失拟项F值为3.71，为0.1088 > 0.05，说明该模型的失拟度不显著，预测值与实验值能有较好的吻合度，可用该模型对菠萝皮果胶的提取进行预测与分析。一次项D，交互项BC、BD，二次项A2、B2、C2、D2对响应值影响极显著（< 0.01），一次项A、B对响应值影响显著（< 0.05），而一次项C，交互项AB、AC、AD、CD对响应值影响均不显著（> 0.05）。在所选取的各因素水平范围内，对菠萝皮果胶提取率影响的大小顺序为：提取温度> 乳酸浓度> 提取时间> 液料比，即提取温度对菠萝皮果胶提取率的影响最为显著。

2.2.2 响应面交互作用分析与优化

响应面方法的图形是响应值Y与对应因素提取时间（A）、乳酸浓度（B）、液料比（C）、提取温度（D）构成的三维空间等高图，可以直观反映出各因素及因素间相互作用对响应值的影响[16]。响应面结果图见图5~10。

响应面图表现为曲线平滑，则说明该因素对果胶提取率影响不显著；曲线越陡，则说明影响越显著。因此，从图5~10中可以看出，提取温度对菠萝皮果胶提取的影响最显著，乳酸浓度次之，最后为提取时间和液料比；提取时间与乳酸浓度交互作用不显著、提取时间与液料比交互作用不显著、提取时间与提取温度交互作用不显著、乳酸浓度与液料比交互作用显著、乳酸浓度与提取温度交互作用显著、液料比与提取温度交互作用不显著，与表3中交互项的F值及P值的分析结果相一致。

图5 提取时间与乳酸浓度对果胶提取率的影响

图6 提取时间与液料比对果胶提取率的影响

图7 提取时间与提取温度对果胶提取率的影响

图8 乳酸浓度与液料比对果胶提取率的影响

图9 乳酸浓度与提取温度对果胶提取率的影响

图10 液料比与提取温度对果胶提取率的影响

2.2.3 验证实验

回归模型预测的乳酸辅助提取菠萝皮果胶的最佳工艺条件为：提取时间96.47 min，乳酸浓度8.25 %，液料比25.23 mL·g-1，提取温度74.38 ℃，在此条件下菠萝皮果胶提取率可达8.52 %，考虑到实际操作的便利性，将工艺条件修正为提取时间96 min，乳酸浓度8.25%，液料比25 mL·g-1，提取温度74 ℃。在此条件下，进行五次平行验证实验，测得提取率8.45%~8.51%，平均值为8.47%，与预测值相比，其相对误差为0.58%，验证了该模型的有效性，说明利用响应面法对乳酸辅助提取菠萝皮果胶的工艺优化具有一定的现实指导意义。

3 结论

以果胶提取率为指标，采用Box-Behnken中心组合实验设计，通过响应面分析法得到了提取时间、乳酸浓度、液料比、提取温度四个因素的二项式回归模型。通过分析得到了乳酸辅助提取菠萝皮果胶的最佳工艺条件为：提取时间96 min，乳酸浓度8.25%，液料比25 mL·g-1，提取温度74 ℃，在此条件下进行5次平行验证实验，平均提取率为8.47%，与预测值相对误差为0.58%，验证了该模型的有效性，说明该模型对菠萝皮果胶提取条件的优化合理可行，为菠萝皮的开发与利用提供了的理论依据。

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OPTIMIZATION OF LACTIC ACID-ASSISTED EXTRACTION CONDITIONS OF PECTIN FROM PINEAPPLE PEEL BY RESPONSE SURFACE METHOD

ZHENG Zhen-feng1,3, SHI Wei-mei2,*ZENG Qin1,3

(1.Zhangzhou Institute of Technology, Department of Food and Biology Engineering, Zhangzhou, Fujian 363000, China; 2. College of Pharmacy, Gannan Medical University, Ganzhou, Jiangxi 341000, China)3. Applied Technology Engineering Center of Fujian University for Further Processing and Safety of Agricultural Products, Zhangzhou, Fujian 363000, China）

To well-utilized pineapple peel pectin, lactic acid-assisted extraction was applied for its extraction from pineapple peel. The single factor experiment and response surface method were used to optimize the effect of processing parameters on extraction yield of pectin such as time, lactic acid concentration, ratio of liquid to material and temperature, the different factors had different effects on the extraction yield of pectin. The results showed that the effect order of four factors on the pectin yield was as follows: temperature, lactic acid concentration, time and ratio of liquid to material. And the optimal extraction conditions of pectin from pineapple peel were: time 96 min, lactic acid concentration 8.25%, ratio of liquid to material 25 mL·g-1, temperature 74 ℃. The yield of pectin could be up to 8.47% under the optimal extraction condition, the relative error was 0.58% compared with the predictive value, which illustrated the feasible model fitted well with the experimental data. It showed that the conditions were reasonable and feasible.

pineapple peel; pectin; lactic acid; extraction

1674-8085(2015)04-0021-06

O 636.1+3/TS255.36

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.04.005

2015-04-11；修改日期：2015-05-23

福建省教育厅科技计划项目（JA13389）；漳州职业技术学院科研计划项目(ZZY1414)和科技公共服务平台建设项目(ZZ2014078)

郑振峰(1964-)，男，福建德化人，副教授，主要从事应用化学研究(E-mail:1171194487@qq.com);

施伟梅(1985-)，女，福建东山人，讲师，硕士，主要从事天然产物化学及药物监测(E-mail:maisi540@163.com);

*曾 勤(1964-)，女，福建厦门人，高级工程师，主要从事天然产物化学工艺研究(E-mail:1665241798@qq.com).