火龙果皮中果胶的提取工艺优化及理化性质分析

沈锐，赵壮志，*，李磊，谢青松，税春玲

（1.重庆市永川食品药品检验所，重庆402160；2.重庆医科大学附属永川医院，重庆402160）

火龙果，仙人掌科量天尺属植物。种子卵形，黑色，种脐小，果肉有白色、红色和黄色。火龙果营养丰富、功能独特，富含植物性白蛋白、花青素、维生素和水溶性膳食纤维。火龙果夏秋成熟，味甜，多汁，果皮丰厚，果皮中果胶含量能达到30%以上，是果胶提取比较好的一种原材料。采取酸提醇沉法提取，是一种比较简单、高效、提取到的果胶品质好的提取方法[1]。近几年，有关火龙果皮果胶提取工艺优化的研究已有不少，但关于细化到响应面研究还比较少，当然目前关于两种优化方法的选择存在分歧，对比两种试验设计方法对火龙果皮中果胶提取，具有很好的参考价值[2-3]。

果胶作为一种食用级添加剂在轻工业中的运用越来越广泛，世界范围内果胶的年需求量也在每年以10%左右的增长率稳步增长中。果胶生产工艺在发达国家已经非常先进，除采用酸法、碱法、微波法提取外，近年来采取的酶分解法也在行业内发起了新一轮的技术革新。以丹麦、法国、美国为首的果胶生产企业承担了世界超过80%的果胶生产量，除满足本国需求外，出口亚洲国家是他们获取利润的主要方式[4]。亚洲以中国和日本对果胶的需求量最大，在中国提取果胶主要以苹果渣提取为主，生产效能偏低，国内果胶超80%靠进口，日本国内果胶则全部依赖进口[5]。中国国产果胶的质量和产量是现今国内许多轻工业企业所关心的，开发果胶生产新工艺，利用我国丰富的果胶资源，提高生产率和质量已经越来越为迫切。特别是一些水果生产企业，将剩余的水果皮废料生产果胶作为副产物，这样一举两得即提高了企业的效益又增加了果胶的产量[6-7]。

1 材料和方法

1.1 材料和设备

火龙果：铜梁红皮红心火龙果；无水乙醇、盐酸、硫酸、氢氧化钠（均为分析纯）：成都科龙试剂。

GRX-9076A电热恒温鼓风干燥箱、SHZ-B恒温水浴锅：上海龙跃仪器设备有限公司；TE216-L精密天平：德国赛多利斯；PHS-3C酸度计：上海佑科仪器仪表有限公司；MDJ-A01Y1食品粉碎机：广东小熊电器有限公司；TG16-WS离心机：湘仪离心机仪器有限公司；LT-15-11-330马弗炉：德国纳博热工业炉有限公司；T50自动电位滴定仪、FE20酸度计：梅特勒-托利多公司；ICE3000原子吸收分光光度计：赛默飞世尔科技有限公司；K-350水蒸气蒸馏仪：瑞士步琦有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 果胶提取流程

取火龙果外皮，煮沸灭酶，再用去离子水漂洗3次至漂洗液无色，然后置于55℃烘箱中烘干，将烘干后的产品置食品粉碎机中粉碎过80目筛，得到果皮备用。调节pH值（用盐酸调节pH值在3.0～5.0范围）。恒温浸提，浸提时间控制在80 min～160 min，温度控制在40℃～60℃。用离心机进行固液分离，速度在3 000 r/min，时间5 min，收集上清液。待转移出上清液后，在不断搅拌下加入1.5倍体积的无水乙醇。将果胶醇沉溶液置于25℃室温中静置1 h，离心分离，收集离心沉淀，于55℃条件下干燥至恒重。

1.2.2 果胶提取率计算

火龙果皮果胶提取率的测定采用重量法，果胶提取计算公式

式中：p为果胶提取率，%；m为提取得到的果胶得质量，g；W为样品火龙果皮的质量，g。

1.2.3 单因素试验设计

1.2.3.1 液料比对果胶得率的影响

取备用果皮粉5.0 g，分别以液料比30∶1、35∶1、40 ∶1、45 ∶1、50 ∶1（mL/g）的量，加入经盐酸调节 pH 值为4.0的去离子水，离心醇沉提取，浸提温度50℃，提取时间120 min，乙醇终浓度60%，沉淀时间60 min。然后经过离心、洗涤、干燥计算果胶得率，确定适宜液料比。

1.2.3.2 pH值对果胶得率的影响

取备用果皮粉5.0 g，加去离子水使液料比为40∶1（mL/g），加盐酸调节提取液pH值分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0，离心醇沉提取，浸提温度 50 ℃，提取时间120 min，乙醇终浓度60%，沉淀时间60 min。然后经过离心、洗涤、烘干至质量恒定，计算果胶得率，确定适宜pH值。

1.2.3.3 浸提温度对果胶得率的影响

取备用果皮粉5.0 g，加去离子水使液料比为40∶1（mL/g），加盐酸调节提取液pH值为4.0，离心醇沉提取，浸提温度分别为 40、45、50、55、60 ℃，提取时间120 min，乙醇终浓度60%，沉淀时间60 min。然后经过离心、洗涤、烘干至质量恒定，计算果胶得率，确定适宜浸提温度。

1.2.3.4 提取时间对果胶提取率的影响

取备用果皮粉5.0 g，加去离子水使液料比为40∶1（mL/g），加盐酸调节提取液pH值分别为4.0，离心醇沉提取，浸提温度为50℃，提取时间分别为80、100、120、140、160 min，乙醇终浓度 60%，沉淀时间 60 min。然后经过离心、洗涤、烘干至质量恒定，计算果胶得率，确定适宜提取时间。

1.2.4 正交试验

在单因素试验分析基础上，以果胶得率作为评价指标，进行四因素三水平的正交试验，优化果胶提取工艺，正交试验设计见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.5 响应面试验

在单因素试验分析基础上，以果胶得率作为评价指标，采用Box-Behnken设计四因素三水平的响应面试验，优化果胶提取工艺，响应面试验设计见表2。

表2 响应面分析因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface methodology

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 液料比对火龙果果皮果胶得率的影响液料比对果胶得率的影响见图1。

图1 液料比对果胶得率的影响Fig.1 Effects of the liquid material ratio on extraction yield of pectin

由图1可知，随着液料比的增大，果胶提取率在增加，当液料比 40∶1（mL/g）以后，果胶率达到顶点，之后缓缓下降。这可能是当提取液用量太小的时候，不能完全溶解物料和提取物，同时提取液黏度较大，影响后续过滤操作；而当提取液量太大，果胶在溶液中浓度太稀，使得醇沉时无法充分析出，导致果胶提取率较低。因此，液料比选择40∶1（mL/g）为宜。

2.1.2 pH值对果胶提取率的影响

pH值对果胶提取率的影响见图2。

图2 pH值对果胶提取率的影响Fig.2 Effects of pH on extraction yield of pectin

由图2可知，pH值过低时，溶液极性较强，对果胶分子甙键和酯键断裂，果胶发生解聚。随pH值上升，酸性条件下，果胶转化为水溶性果胶，果胶提取率上升，但是pH值进一步上升，果胶转化为果胶酸，稳定性下降，得率降低。综合以上，选择pH值为4.0。

2.1.3 浸提温度对果胶提取率的影响

浸提温度对果胶提取率的影响见图3。

由图3可知，随着浸提热处理中，果胶会发生脱甲基和β消除两种非酶反应，原果胶水解成可溶果胶，但是随着温度的升高，β消除反应速率不断升高，果胶降解，果胶得率下降。综合以上，选择浸提温度50℃为宜。

图3 提取温度对果胶提取率的影响Fig.3 Effects of extraction temperature on extraction yield of pectin

2.1.4 提取时间对果胶提取率的影响

提取时间对果胶提取率的影响见图4。

图4 提取时间对果胶提取率的影响Fig.4 Effects of extraction time on extraction yield of pectin

由图4可知，随着提取时间的增大，果胶质得到充分的水解，溶解为水溶性果胶，随着提取时间过长，在酸性条件下，果胶降解，产率降低。综合以上，选择提取时间为120 min为宜。

2.2 正交试验结果

为确定果胶提取最佳工艺参数，在单因素的试验结果基础上，选取四因素三水平L9（34）设计正交试验表，正交试验方案和结果见表3，以果胶的得率作为评价指标，对试验结果进行分析，确定火龙果果胶最佳工艺条件。

续表3 正交试验结果Continue table 3 Experimental design and result of orthogonal method

由极差R分析可知，各因素影响主次顺序为C＞A＞D＞B最佳工艺组合为A2B2C1D2，即火龙果皮果胶提取工艺的最佳条件为：液料比 40 ∶1（mL/g）、pH4.0、提取时间100 min、提取温度50℃。分别用正交试验最佳工艺条件进行6组试验，果胶的提取率平均提取率为33.04%。从正交结果可知，提取时间对结果影响较大。

2.3 响应面试验结果

2.3.1 响应面试验结果

响应面试验结果见表4，用Design-Expert 8.0.6对表中数据进行分析，得到回归模型方程（2），方差分析见表5。

续表4 响应面法的试验设计与结果Continue table 4 Experiment design and results of response surface method analysis

表5 回归模型方差分析表Table 5 Variance analysis of regression model

由表 5 可知，失拟项 F=4.84，p=0.071 1＞0.05，差异不显著，模型拟合较好；模型 F=105.26，p＜0.000 1，达到极显著，回归方差模型高度显著的，说明试验误差小，可以用此模型对果胶工艺进行分析和预测。影响方程的因素中B和BC差异不显著，CD差异显著，其余各因素及各因素交互作用的p值均小于0.01，差异均为极显著。根据各因素F值的大小可知，各因素主效应关系为：C（提取时间）＞A（液料比）＞D（提取温度）＞B（pH）。

2.3.2 交互作用分析

各因素交互作用对果胶提取率影响的响应曲面图见图5。

图5 各因素交互作用对果胶提取率影响的响应曲面图Fig.5 Three-dimension response surface plot of the combined effects of each factor on the extraction rate of pectin

响应面3D图和等高线图直观的展示了每个因素对预测值的影响，以及各因变量之间的交互作用。如等高线图中为椭圆，则说明两个因变量之间相互影响显著，而圆形则相反，说明两因变量独立变化，交互作用不明显。图5直观的反应了4个因素之间的交互关系，从响应面的最高点可以看出，在所选范围存在极值。因素间交互作用强弱可以通过对响应面曲面坡度的陡度和等高线观察得出，同时可以看出因素对响应值的影响大小。将其中任意两个因素固定在零水平，观察另外两个因素对响应值的影响。以图5（a）为例，固定提取时间和提取温度，当液料比处于低水平的时候，果胶提取率随溶液pH值的增大先增大后下降，当液料比处于高水平的时候，果胶提取率随溶液pH值的增大先缓缓增大后缓缓下降，当处于溶液pH值低水平的时候，果胶提取率随液料比的增大而下降，当溶液pH值处于高水平的时候，果胶提取率随液料比的增大先增大后下降。由此类推可知图5中（b）（c）（d）（e）（f）两因素影响作用，等高线为椭圆知 AB、AC、AD、BD、CD两两交互作用显著，而（d）图等高线接近于圆形，说明BC交互作用不显著，由此可看出与方差分析具有一致性。

响应面试验结果，根据所得到的模型，运用Design-Expert 8.0.6软件对模型进行分析，预测出酸醇沉提取法最佳工艺条件为：液料比38.93∶1（mL/g），溶液pH 4.07，提取时间105.06 min，提取温度50.84℃，预测最佳提取率为36.01%。综合考虑正交和响应面试验结果，结合实际操作的便利，将最佳工艺条件调整为：液料比 39 ∶1（mL/g），，溶液 pH4.0，提取时间 105 min，提取温度51℃。在最佳工艺条件下进行6次平行实验，果胶提取率平均值为35.41%，与理论预测值基本吻合，说明了回归方程的预测值与试验值之间具有较好的拟合度。

2.4 正交试验和响应面试验优化效果比较

通过两种方法用于优化火龙果皮中果胶提取的结果可以看出，正交试验法是从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验并进行极差分析，以获得最优的因素组合，它是一种快速经济的试验设计方法，具有简单易行的特点，但是不可能像全面试验一样对各因素效应、交互作用进行一一分析，当有交互作用存在时，可能出现交互作用混杂，因此它不能在整个区域上找到因素和响应值之间的一个明确的函数表达式（即回归方程），也就无法找到整个区域上因素的最佳组合和响应值的最优值。而响应面法则是给出两个极值，通过爬坡试验等获得其范围内最优的条件组合，并且能够反映各因素之间的交互作用，与正交试验法相比更加精确和直观。响应面法虽然试验次数较多，但能够在整个区域上进行连续的分析，找出最合适的条件，试验精度较高。

2.5 火龙果皮果胶理化性质

表6所有项目均参照国家强制标准GB 25533-2010《食品添加剂果胶》中涉及的方法对提取的样品进行检验[8-9]。

表6 果胶制品质量特征Table 6 Quality characteristics of pectin products

从表6可以看到该品各项指标高于果胶标准，特别是总半乳糖醛酸含量为97.11%，证明果胶纯度较好。

3 结论

以火龙果皮为果胶提取原料，采用以酸提取为基础结合加热提取，最后乙醇沉淀的方法提取果胶，通过单因素、正交、响应面综合分析。试验结果为正交试验结果，根据所得到的模型，运用正交计算表对模型进行分析，预测出酸醇沉提取法最佳工艺条件为：液料比 40 ∶1（mL/g）、pH4.0、提取时间 100 min、温度 50 ℃。用正交试验最佳工艺条件进行6组试验，果胶的提取率平均提取率为33.04%。

两种试验设计方法得出的最佳工艺条件，进行的6次平行试验，响应面提取率更高，增加了7.1%的提取率，仅仅从提取率看，响应面优势明显，提取率明显增加。

参考文献：

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[4]王云帆,张磊,林文启.重庆奉节脐橙果皮中果胶提取工艺优化研究[J].食品工业,2012(5)：7-10

[5]韩鹏,黄雨欣,李雪梅,等.植物蛋白酶提取柠檬皮果胶[J].食品研究与开发,2015,36(4)：54-57

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[8]中华人民共和国卫生部.GB 25533-2010食品添加剂果胶[S].北京：中国标准出版社,2011

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