柑橘皮渣水溶性膳食纤维的柠檬酸提取工艺优化

彭　娅，彭　荣，殷钟意，郑旭煦，，*（.重庆工商大学环境与生物工程学院，重庆400067；.重庆工商大学催化与功能有机分子重庆市重点实验，重庆400067）

柑橘皮渣水溶性膳食纤维的柠檬酸提取工艺优化

彭娅1，彭荣1，殷钟意2，郑旭煦1，2，*
（1.重庆工商大学环境与生物工程学院，重庆400067；2.重庆工商大学催化与功能有机分子重庆市重点实验，重庆400067）

以柑橘皮渣为原料，水溶性膳食纤维得率为指标，在单因素实验基础上，采用Box-Behnken原理设计的响应面法优化柠檬酸提取柑橘皮渣中水溶性膳食纤维的工艺。方差分析和交互作用分析表明，最佳提取工艺为柠檬酸质量分数3.38%、料液比1∶24、振荡时间69min、加热温度72℃，在此工艺条件下水溶性膳食纤维得率为21.10%±0.16%，与模型高度拟合，可用于实际预测。

响应面法，柑橘皮渣，柠檬酸，水溶性膳食纤维

柑橘是世界第一大水果，年产量高达1000万t。作为柑橘加工的下脚料，柑橘皮渣占果实的40%～60%［1］，这些残渣含有大量的水分、营养物质和膳食纤维，极易腐烂变质，造成严重的环境污染。因此，开发利用柑橘皮渣的有用资源，对于提高柑橘产业的附加值以及保护环境等都具有十分重要的意义。

膳食纤维（Dietary Fiber，DF）是指不被人体消化吸收的多糖类碳水化合物与木质素的总称。根据其溶解性可分为水不溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber，IDF）和水溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber， SDF）两大类［2］，SDF比IDF具有更强的生理功能而成为研究报道的热点。有关柑橘皮渣SDF的提取方法主要有直接水提法［3］、酶解法［4］、发酵法［5］和化学提取法［6］。直接水提法工艺简单，但提取率不高；酶解法消耗低、无污染，但成本高、可控性差；发酵法安全、成本低，但对菌种要求比较高；化学法主要是利用酸、碱等提取膳食纤维，制备成本较低，在工业上广泛使用。目前采用酸法提取柑橘皮渣膳食纤维的“酸”主要有盐酸、磷酸、硝酸和冰乙酸等，但这些“酸”提取SDF不仅得率不高，而且还影响SDF的功能性应用；而柠檬酸本身是一种食品添加剂，可有效弥补上述“酸”的不足。鉴于目前尚未见到柠檬酸提取柑橘皮渣SDF的相关报道，本文以柑橘皮渣为原料，柠檬酸溶液为提取溶剂，首先采用单因素实验法研究柠檬酸质量分数、料液比、加热温度、振荡时间等因素对柑橘皮渣SDF提取率的影响，然后再运用响应面Box-Beken中心设计法优化柠檬酸提取柑橘皮渣SDF的工艺，旨在为开发利用柑橘皮渣中的膳食纤维提供有益的参考。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

柑橘皮渣采自重庆派森百橙汁有限公司；柠檬酸（分析纯）、2-（N-吗啉代）乙烷磺酸、酸洗硅藻土、α-淀粉酶（酶活力≥4000U/g）、淀粉葡萄糖苷酶（酶活性≥10万U/mL）、蛋白酶（酶活力≥400U/mg）

阿拉丁试剂（中国）有限公司；95%乙醇、乙酸、石油醚、丙酮（以上均为分析纯） 成都科龙化工试剂厂；三羟基氨基甲烷北京鼎国生物技术责任公司。

HH-6恒温水浴振荡器、DZ-88.350真空干燥箱上海跃进医疗器械厂；ZX98H旋转蒸发器上海亚荣生化仪器；2001K马弗炉天津华北实验仪器；SHZ-D（III）循环水多用真空泵巩市义予华仪器有限责任公司；JA3003电子分析天平上海舜宇恒平科学仪器有限公司；milli-Q超纯水系统美国milli pore公司；D-37520台式冷冻高速离心机美国KENDRO公司。

1.2实验方法

1.2.1柑橘皮渣成分测定脂肪、蛋白质、灰分、膳食纤维分别参照GB/T 14772-2008食品中粗脂肪的测定；GB 5009.5-2010食品中蛋白质的测定；GB 5009.4-2010食品中灰分的测定；GB/T 5009.88-2008食品中膳食纤维的测定。

1.2.2柑橘皮渣SDF的提取将干燥的柑橘皮渣粉碎，过40目筛备用。称取2.0g柑橘皮渣粉末于烧杯中，加入一定质量分数的柠檬酸溶液，水浴加热到一定温度，振荡一定时间后取出，在6000r/min离心10min，上清液抽滤，滤液以4倍体积的95%乙醇沉淀，静置2h，用烘干且恒重的定量中速滤纸抽滤。将过滤后的滤纸置于105℃烘干至恒重，按下式计算得率。

式中，m为称取的柑橘皮渣粉末质量，m1为烘干至恒重的滤纸质量，m2为过滤后烘干至恒重的滤纸质量。

1.2.3影响柑橘皮渣SDF得率的单因素实验

1.2.3.1柠檬酸质量分数对SDF得率的影响在柑橘皮渣粉末与柠檬酸料液比为1∶12g/mL、加热温度为70℃、振荡时间为70min下，分别选取柠檬酸质量分数（柠檬酸质量g/水质量g）为1%、2%、3%、4%、5%，按照1.2.2方法进行实验。

1.2.3.2料液比对SDF得率的影响在柠檬酸质量分数为3%、加热温度为70℃、振荡时间为70min下，分别选取料液比为1∶8、1∶12、1∶16、1∶20、1∶24g/mL，按照1.2.2方法进行实验。

1.2.3.3振荡时间对SDF的影响在柠檬酸质量分数为3%、料液比为1∶20、加热温度为70℃下，分别选取振荡时间为50、60、70、80、90min，按照1.2.2方法进行实验。

1.2.3.4加热温度对SDF提取的影响在柠檬酸质量分数为3%、料液比为1∶20、振荡时间为70min下，分别选取加热温度为50、60、70、80、90℃，按照1.2.2方法进行实验。

1.2.4响应面中心实验设计采用Design-Expert 8.0.6软件，用Box-behnken中心组合实验设计原理，在单因素实验的基础上，以柠檬酸的质量分数（X1）、料液比（X2）、振荡时间（X3）和加热温度（X4）4个因素为自变量，SDF得率为响应值，用4因素3水平的响应曲面进行实验设计，实验因素水平设计见表1。

表1　响应面分析因素及水平编码Table 1　Factors and levels of code in response surface nanlysis

1.2.5实验数据处理用Origin 8.5.1和Design-Expert 8.0.6软件进行实验数据的图表和数据分析，用Box-Behnken中心组合进行提取工艺优化。

2　结果与讨论

2.1柑橘皮渣的成分分析

对干燥粉碎的柑橘皮渣粉末进行成分分析，结果见表2。

表2　柑橘皮渣的成分Table 2　Composition of citrus peel slag

由表2可知，柑橘皮渣中SDF含量占11.28%，比芒果皮［7］、蔬菜、豆类等高，是较好的制备SDF的原料，且脂肪等常规成分含量较低，不需进行脱脂处理。

2.2柑橘皮渣中SDF提取工艺单因素实验

2.2.1柠檬酸质量分数对SDF得率的影响按1.2.3.1方法进行实验的结果见图1。

图1　柠檬酸质量分数对SDF的影响Fig.1　Effect of the mass fraction of citric acid on SDF yield

从图1可知，其他条件一定时，SDF得率随着柠檬酸质量分数的增加呈现先增加后下降的变化趋势；当柠檬酸质量分数为3%时，SDF得率最大，达13.30%，高于表2的测定值。究其原因，一是原果胶在酸性条件下加热水解而变成水溶性果胶［8］，使得SDF得率高于GB/T 5009.88-2008中酶解法测定的SDF含量。二是当柠檬酸质量分数较小时，SDF不能被充分提取；但当柠檬酸质量分数较大时，柑橘皮渣中一些其他成分将阻碍SDF析出［9］。因此实验选择2%～4%为柠檬酸质量分数的响应面因素水平。

2.2.2料液比对SDF得率的影响按1.2.3.2方法进行实验的结果见图2。

图2　料液比对SDF的影响Fig.2　Effect of material-to-liquid on SDF yield

从图2可知，其他条件一定时，SDF得率随着料液比增加呈现先升高后平缓的变化趋势；当料液比为1∶20g/mL时，达到最大值，为18.34%；当料液比大于1∶20g/mL时，SDF得率变化不大。这是因为随着提取液体积的增加，柑橘皮渣粉末在提取剂中分散程度增大，原料与提取剂的接触面积也增大，即提取剂中SDF浓度与柑橘皮渣边界层的浓度差增大，SDF由柑橘皮渣向提取液扩散速率变快，当料液比为1∶20g/mL时达到平衡，SDF得率达到最大值［10］。因此选择1∶16～1∶24g/mL为料液比的响应面因素水平。

2.2.3振荡时间对SDF得率的影响按1.2.3.3方法进行实验的结果见图3。

图3　振荡时间对SDF的影响Fig.3　Effect of oscillation time on SDF yield

从图3可知，其他条件一定时，SDF得率随着水浴振荡时间的延长呈现先增加后降低的变化趋势；当水浴振荡时间为70min时，SDF得率最大，达18.98%。这可能是由于加热时间大于70min后，提取液中水分蒸发，体积变小，浓度变大，不利于SDF的溶解［11］。因此选择60～80min为水浴加热振荡时间的响应面因素水平。2.2.4加热温度对SDF得率的影响按1.2.3.4方法进行实验的结果见图4。

图4　加热温度对SDF的影响Fig.4　Effect of temperature on SDF yield

从图4可知，其他条件一定时，SDF得率随着温度的升高呈现先增加后降低的变化趋势；当温度升高到70℃时，SDF得率最大，达19.45%。这可能是由于温度小于70℃时，随着温度的升高，水分子运动加快，同时其他物质分子的振动和转动也加快，使得SDF成分脱离IDF成分的束缚而被溶解分离出来，SDF得率提高［12］；当温度高于70℃时，SDF中的多糖分子容易被柠檬酸水解为小分子糖，使其不易于被95%的乙醇沉淀。因此选择60～80℃为加热温度的响应面因素水平。

2.3响应面法优化SDF提取工艺条件

2.3.1响应面实验结果在单因素实验结果下，以柠檬酸的质量分数、料液比、振荡时间和加热温度4个因素为自变量，SDF得率为响应值［13-14］，实验设计及结果见表3。

用Design-Expert 8.0.6软件，选择Box-Behnken模型，对表3中实验数据进行多元回归拟合，得到拟合方程：

对该模型进行方差分析，结果见表4，模型的F值为20.91（p＜0.0001），表明该模型极为显著，失拟项p= 0.0651＞0.05，表明失拟项差异不显著，该方程对实验的拟合程度好。模型的复相关系数R2=0.9544，表明该模型能解释95.44%的响应变化值，该模型的拟合程度好，可以用来分析和预测柑橘皮渣SDF提取工艺的结果。从表4可知，模型中一次项、二次项中X1、X2、对Y值影响高度显著，X3和X1X3对Y值影响极显著，X1X2和X1X4对Y值影响显著，其他变量的影响均不显著（p＞0.05）。

2.3.2响应面结果分析为考察交互项对SDF得率的影响，固定柠檬酸的质量分数3%，料液比1∶20（g/mL），时间70min，温度70℃中的两个因素的取值，变化另外两个因素的取值，利用Design-Expert 8.0.6软件分析，所得的响应曲面图见图5。

从图5（a）可知，料液比一定时，随着柠檬酸质量分数的增加，SDF得率呈现先增加后降低的变化趋势，柠檬酸的质量分数在2%～3%时SDF得率的增加幅度比3%～4%时的下降幅度大，与单因素实验结果相同；但柠檬酸质量分数一定时，随着料液比的增加SDF得率略有增加，料液比在1∶16～1∶20时增加的幅度比1∶20～1∶24时小，与单因素实验结果不同。表明柠檬酸质量分数与料液比两个因素的交互作用对SDF得率的影响显著，与方差分析结果一致。

表3　SDF提取工艺的响应面实验设计及结果Table 3　Experimental design and results for response surface analysis

从图5（b）可知，振荡时间一定时，随着柠檬酸质量分数的增加，SDF得率呈现先增加后变化不大的趋势，与单因素实验结果不同；柠檬酸质量一定时，随着提取时间的延长SDF得率呈现先增加后降低变化趋势，增加的趋势比降低的趋势大，在70min时达到最大值。表明柠檬酸质量分数与振荡时间两个因素的交互作用对SDF的得率有显著影响，与方差分析结果一致。

从图5（c）可知，加热温度一定时，随着柠檬酸质量分数的增加，SDF得率的变化趋势与单因素实验一致；柠檬酸质量分数一定时，随着温度的升高，SDF得率呈现先增加后降低变化趋势，增加与下降的趋势基本一致，在70℃时达到最大值，与单因素实验不一样。表明柠檬酸质量分数与加热温度两个因素的交互作用对SDF得率影响显著，与方差分析结果一致。2.3.3响应曲面工艺优化与验证经软件分析优化，得到柑橘皮渣SDF的最佳提取工艺条件为柠檬酸质量分数3.38%、料液比1∶24、加热温度71.6℃、振荡时间68.6min，在此工艺条件下计算SDF的理论得率为21.6%。对理论优化组合进行校正：柠檬酸质量分数3.38%、料液比1∶24、加热温度72℃、振荡时间69min，重复进行3次验证实验，SDF平均得率为21.10%± 0.16%，与预测值接近，表明该模型能很好地预测柠檬酸提取柑橘皮渣粉末水溶性膳食纤维的情况。此外，本文还采用GB/T 5009.88-2008方法测定了该提取物中SDF的含量，为65.01%±0.20%，而采用柠檬酸法提取的SDF与采用酶解法提取的SDF究竟有何差异，有待今后进一步研究。

表4　回归模型方差分析Table 4　Variance analysis for the built regression model

3　结论

在单因素实验的基础上，用Box-Behnken建立回归模型并对其进行方差分析，得出该回归模型显著，拟合程度好，有实际意义。采用响应面法优化柠檬酸提取柑橘皮渣水溶性膳食纤维的最佳工艺条件为柠檬酸质量分数3.38%、料液比1∶24、加热温度72℃，振荡时间69min。重复3次验证实验，得SDF得率为21.10% ±0.16%，与预测值接近，表明该模型能很好地预测柠檬酸提取柑橘皮渣粉末水溶性膳食纤维的情况。

图5　两因素交互作用的响应面图Fig.5　Response surface showing the interactive effects of four process parameters on extraction yield of SDF

［1］汪秋安，单杨.柑桔类果皮资源的综合利用研究［J］.再生资源研究，1999（5）：28-30.

Study on optimization of water-soluble dietary fiber extraction process from citrus residues with citric acid

PENG Ya1，PENG Rong1，YIN Zhong-yi2，ZHENG Xu-xu1，2，*
（1.Environmental and Biological Engineering Institute of Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China；2.Research Center of Medical Chemistry&Chemical Biology of Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

Citrus residues was treated with citric acid to extract soluble dietary fiber（SDF）and the yield of soluble dietary fiber was used to be an indicator.On the basis of single-factor experiments，response surface analysis based on Box-Behnken experimental design were carried out to optimize the extraction process of soluble dietary fiber.As indicated by variance analysis and interaction analysis，the optimal extraction parameters were found as follows：mass fraction of citric acid 3.38%；material-to-liquid 1∶24；oscillation time 69min；temperature 72℃.Under the optimized conditions，the actual yield of soluble dietary fiber was 21.10%±0.16%.It could be well fitted with model and was reliable and applicable for actual prediction.

response surface methodology；citrus residues；citric acid；soluble dietary fiber

TS255.1

B

1002-0306（2015）02-0243-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.044

2014－05－22

彭娅（1990-），女，硕士研究生，主要从事环境生物工程方面的研究。

郑旭煦（1964-），女，博士研究生，教授，主要从事生物资源与天然药物方面的研究。

重庆市高校优秀成果转化资助重点项目（KJZH11212）。