蓝莓酒渣中果胶提取工艺的研究

鲁红侠，许年历，耿 明，李 玲，徐德聪，邓侠

(1.合肥师范学院 生命科学学院，安徽 合肥 230601；2.合肥第一中学，安徽 合肥 230601)

果胶是一种普遍存在于植物细胞壁中的杂多糖，易溶于水[1-3]，作为一种功能性多糖，逐渐受到食品添加剂等行业的重视。果胶主要存在于各种水果的果皮之中，是一种食品加工厂的副产物，因此，从水果果皮中提取果胶不仅可以变废为宝，资源回收利用，还可以减少环境污染，保护环境。科研人员已从香蕉皮、柚子皮、橘子皮等多种水果果皮中提取果胶，得到了良好的效果，并投入到食品添加剂等行业的使用之中[4-6]，有时还以生产辅料的成分应用于化妆品工业以及医疗行业[7-9]。因此，对我国的果胶资源进行大力开发已显得极为重要，生产出优质的果胶，满足海内外各行业对果胶的需求更是极为迫切。

蓝莓被国际粮农组织列为人类五大健康食品之一，列入世界第三代水果行列，被誉为“浆果之王”[11]。科研人员对蓝莓进行了大量的研究，大多集中在营养成分、栽培技术[12-13]等方面，对蓝莓酒渣中果胶提取的研究却鲜见报道。蓝莓酒渣是由蓝莓果实进行发酵后剩下的残渣，其中果胶含量约占20%。很多利用蓝莓发酵的产业或科研工作者在蓝莓发酵以后直接将蓝莓酒渣丢弃，无疑是一种很大的资源浪费。本研究提出了从蓝莓酒渣中提取果胶的工艺方案，并探究了不同pH值、提取时间、提取温度以及水料比对蓝莓酒渣中果胶得率的影响，通过单因素以及响应面优化实验得出蓝莓酒渣中果胶提取的最佳条件，为综合利用蓝莓酒渣，开发利用生物活性物质提供理论依据，并为工业化生产蓝莓酒渣中的果胶提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

材料：蓝莓酒渣(安徽蓝莓工程技术研究中心提供)

试剂：乙醇、盐酸、六偏磷酸钠等均为分析纯，由上海国药集团化学试剂有限公司提供。

1.2 仪器与设备

PB-10型pH计(赛多利斯科学仪器有限公司)，HB10数显型旋转蒸发仪(德国IKA仪器有限公司)，SHZ-D-III型循环水真空泵(河南百泽仪器有限公司)，DHG-9143BS-III型电热恒温鼓风干燥箱(上海新苗医疗器械制造有限公司)，HH-4型电热数显恒温水浴锅(金坛市杰瑞尔电器有限公司)，BCD-190ZM2型电冰箱(美菱股份有限公司)，FA1104N型电子天平(上海精密科学仪器公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 果胶提取工艺流程

蓝莓酒渣→预处理→水解→过滤→脱色→浓缩→沉淀→抽滤→湿果胶→干燥→干果胶[14-15]

(1)预处理：称取10.000 g蓝莓酒渣，放入烧杯中，向其中加入沸水，水浴加热保温20 min,使果胶酶失活。

(2)水解：将预处理过的蓝莓酒渣放入烧杯中，向其中滴加盐酸并用pH计调节溶液的pH值，然后加入3%的六偏磷酸钠，将烧杯放在恒温水浴锅中提取果胶。

(3)过滤：果胶提取结束后，趁热立即用纱布过滤除去蓝莓残渣。

(4)脱色：将过滤除去蓝莓残渣后的溶液转移到烧杯中，并向其中加入7%的活性炭，进行脱色，脱色时间15 min。

(5)浓缩：将脱色后的液体在50～60 ℃，采用旋转蒸发仪连续真空浓缩。

(6)沉淀：浓缩的溶液和乙醇按1:1加入500 mL烧杯，静置30 min，使果胶沉淀。

(7)抽滤：将静置沉淀后的溶液用循环水真空泵抽滤，使果胶分离，得到湿果胶。

(8)干燥：将湿果胶转移到表面皿中并摊开，放入70 ℃的恒温鼓风干燥箱中进行烘干，得到干果胶。

1.3.2 单因素试验

1.3.2.1 不同pH值对果胶得率的影响

称取每份蓝莓酒渣10.000g，在水料比25:1、提取时间75min、提取温度70℃，以无水乙醇作为沉淀剂的条件下，将溶液的pH值分别调节为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0进行蓝莓酒渣中果胶提取的试验，试验设置3次重复，并计算其得率。

1.3.2.2 不同提取时间对果胶得率的影响

称取每份蓝莓酒渣10.000g，在水料比25:1、提取温度70℃、pH值3.0，以无水乙醇作为沉淀剂的条件下，在提取时间分别为30、45、60、75、90min条件下进行蓝莓酒渣中果胶提取试验，试验设置3次重复，并计算其得率。

1.3.2.3 不同提取温度对果胶得率的影响

称取每份蓝莓酒渣10.000g，在水料比25:1、提取时间75min、pH值3.0，以无水乙醇作为沉淀剂的条件下，在提取温度分别为50、60、70、80、90 ℃条件下进行果胶提取，试验设置3次重复，并计算其得率。

1.3.2.4 不同水料比对果胶得率的影响

称取每份蓝莓酒渣10.000g，在提取时间75min、提取温度70℃、pH值3.0，以无水乙醇作为沉淀剂的条件下，在水料比为10:1、15:1、20:1、25:1、30:1条件下进行果胶提取，试验设置3次重复，并计算其得率。

1.3.3 果胶得率计算

果胶得率表示为：Y = A/B*100%

式中： Y—— 果胶得率，(%)

A—— 提取的干果胶量，g

B——蓝 莓 酒 渣 量，g

1.3.4 响应面试验

根据单因素试验得出的果胶得率趋于最大时，pH值、提取温度、提取时间和水料比四个因素的最佳值，按照4因素3水平，使用软件DX8设计出响应曲面法优化蓝莓酒渣中果胶提取工艺的试验，各因素和水平见表1。

表1 响应曲面法实验设计的因素和水平

2 结果与分析

2.1 pH值对蓝莓酒渣中果胶得率的影响

从图1可以看出：溶液的pH值在1～5范围内时，蓝莓酒渣中的果胶得率随着溶液pH值的增加而缓慢增加，当溶液的pH值为3时，果胶得率最高，后随pH值的升高果胶得率迅速下降。当pH值过低时，果胶在以盐酸为提取液的溶液中易发生电离作用，使果胶分子溶解在水中，导致果胶的得率不高[16-18]；当溶液的pH值大于3.0以后，在高pH溶液的条件下，果胶很不稳定，已经提取出的果胶发生水解作用，导致果胶得率降低。因此对蓝莓酒渣中的果胶进行提取时，pH值不宜过大，也不易过小。实验结果可知，蓝莓酒渣中提取果胶的最适宜pH值为3.0。

图1 不同pH值对蓝莓酒渣中果胶得率的影响

2.2 提取时间对蓝莓酒渣中果胶得率的影响

从图2可以看出：当提取时间设置在30～90min范围内，随着提取时间的延长，蓝莓酒渣中的果胶得率开始缓慢增加，当提取时间为75min时，果胶得率最高，后随时间的延长，果胶得率下降。这是因为提取时间太短，蓝莓酒渣中的果胶没有被完全溶解出来，果胶得率较低，延长提取时间，果胶逐渐溶解，果胶得率增加；当提取时间过长时，已经提取出的果胶会发生水解，而且果胶长时间在酸性环境下，酸也会破坏果胶的分子结构，使果胶得率降低，所以果胶得率也不高，因此，对蓝莓酒渣中的果胶进行提取时，提取时间不宜太长，也不宜太短。由实验结果可知，蓝莓酒渣中提取果胶的最适宜时间是75min。

图2 提取时间对蓝莓酒渣中果胶得率的影响

2.3 提取温度对蓝莓酒渣中果胶得率的影响

从图3可以看出：提取温度在50～90℃范围内，随着提取温度的升高蓝莓酒渣中的果胶得率逐渐升高，当提取温度为70℃时，果胶得率最高，后随着提取温度的升高，蓝莓酒渣中的果胶得率下降。这是由于提取温度低时，酒渣中的果胶不能完全溶解在溶液中，果胶得率低，当温度逐渐升高时，果胶得以充分溶解，果胶得率增加，当温度超过70℃时，果胶得率开始下降，因为高温可以加快果胶的水解速度，而且果胶对热不稳定，高温条件下，果胶得率不高。所以，对蓝莓酒渣中的果胶进行提取时，提取温度不宜太高也不宜太低，由实验结果可知，提取果胶的最适宜温度在70℃。

图3 提取温度对蓝莓酒渣中果胶得率的影响

2.4 水料比对蓝莓酒渣中果胶得率的影响

从图4可以看出：在水料比为10∶1～30∶1范围内时，蓝莓酒渣中的果胶得率随着水料比的增加而增加，当水料比等于25∶1时，果胶得率最高，后随着水料比的增加而降低。这是由于水料比小时，溶液浓度大，蓝莓酒渣中的果胶不能完全转移到溶液中，所以果胶得率低，水料比逐渐增大，溶液浓度逐渐减小，蓝莓酒渣中的果胶可以完全转移出来，使得果胶得率逐渐增加，当水料比大于25∶1时，水料比太大，抽滤所需时间过长，期间果胶会发生水解，而且果胶的浓度减小，很容易随着溶液过滤掉，所以，对蓝莓酒渣中的果胶进行提取时，水料比不宜过小也不宜过大，由实验结果可知，提取果胶的最适宜水料比为25∶1。

图4 水料比对蓝莓酒渣中果胶得率的影响

2.5 响应面法优化果胶提取工艺

2.5.1 响应面优化

在单因素试验的基础上，选取pH值、提取温度(℃)、提取时间(min)和水料比(v/m)为因素，采用软件DX8 进行4因素3水平的试验设计，实验结果如表2。

表2 响应曲面法实验设计表及结果

2.5.2 模型的建立及显著性检验

利用Design-Expert软件对数据进行多元回归拟合，得到蓝莓酒渣中的果胶得率对pH值、提取温度、提取时间和水料比的二次多项回归模型：

果胶得率=2.84+0.07A+0.1B-0.009C-0.06D+0.001AB+0.02AC-0.06AD-0.07BC +0.42BD-0.07CD-0.67A2-0.37B2-0.45C2-0.31D2

回归方程的方差分析及模型显著性分析结果见表3。

由表3可以看出，模型回归极显著(p<0.0001)，失拟项不显著(p=0.1040>0.05)，说明该模型与实际试验拟合很好，对该回归模型进行显著性检验发现，相关系数R2=0.9591，即表明模型可以解释95.91%的蓝莓酒渣中果胶水平的变化，进一步说明回归方程的拟合程度较好。此外，从表中可以看出，A、B、D、A2、B2、C2、D2对果胶的得率有显著影响，其中提取温度的影响最大，然后依次是pH值和水料比。在所有的影响因素中，一次项和二次项对果胶得率的影响巨大，交互作用项的影响则很不明显，说明在蓝莓酒渣中果胶的提取实验中，各因素之间不存在显著的交互作用。

2.5.3 响应面分析与验证

各因素之间的交互作用等高线和响应面图如图5～10所示。

表3 各实验因素的方差分析

图5 pH和温度对果胶得率影响的等高线和响应面

由图5可知，当温度从60℃增加到80℃的过程中，随着pH值的逐渐增加，蓝莓酒渣中的果胶得率增加，当pH值达到3.0左右时果胶得率达到最大，然后随着pH的继续增大，果胶得率又开始下降。同理，在pH在2～4范围内，随着提取温度的升高，蓝莓酒渣中的果胶得率增加，当温度达到70℃时，果胶得率最大，然后温度继续升高，果胶得率开始下降。

由图6可知，水料比在20:1～30:1的范围内，果胶得率随着pH的增加而增大，pH增加到3.0时，果胶得率达到峰值，随后pH继续增加，果胶得率反而下降。同理，在pH为2～4范围内时，果胶得率随着水料比的增加而增大，当水料比为25:1时，果胶得率最大，随后，水料比继续增加，果胶得率开始降低。

由图7可知，水料比在20:1～30:1的范围内，随着提取温度的升高，果胶得率迅速增加，当温度到达70℃时，果胶得率达到最大，随后温度继续增加，果胶得率开始下降。同理，温度在60～80 ℃范围内，随着水料比的增加，果胶得率增加，当水料比为25:1时，果胶得率最大，随后水料比继续增大，果胶得率开始下降。

图6 pH和水料比对果胶得率影响的等高线和响应面

图7 温度和水料比对果胶得率影响的等高线和响应面

图8 pH和时间对果胶得率影响的等高线和响应面

由图8可知，在提取时间60～90min范围内，随着pH的增加，果胶得率增加，pH值增加到3.0时，果胶得率达到最大，随后pH继续增大，果胶得率开始下降。同理，在pH2～4范围内时，随着时间的延长，果胶得率增加，当时间达到75min时，果胶得率最大，随后时间继续延长，果胶得率开始下降。

由图9可知，提取时间在60～90min范围内，随着提取温度的升高，果胶得率增加，温度达到70℃时，果胶得率最大，随后温度继续增加，果胶得率开始下降。同理，提取温度在60～80℃范围内，随着提取时间的延长，果胶得率逐渐增加，时间达到75min时，果胶得率最大，提取时间继续延长，果胶得率开始下降。

图9 温度和时间对果胶得率影响的等高线和响应面

图10 时间和水料比对果胶得率影响的等高线和响应面

由图10可看出，在水料比20∶1～30∶1的范围内，随着提取时间的延长，果胶得率缓慢的增加，当时间增加到75min时，果胶得率最大，随着时间继续增加，果胶得率开始下降。同理，在提取时间为60～90min范围内时，随着水料比的增加，果胶得率增加，水料比为25∶1时，果胶得率最大，水料比继续增加，果胶得率开始下降。

3 结论

本研究在单因素试验的基础上，通过响应面分析法确定蓝莓酒渣中果胶的最佳提取工艺。研究结果表明最佳提取工艺为：在溶液pH值3.0，提取温度70℃、提取时间75min、水料比25∶1的条件下，蓝莓酒渣中果胶得率为2.68%，与理论预测值2.7%接近，说明本实验的提取工艺合理可行，为综合利用蓝莓酒渣开发利用生物活性物质提供依据，并为工业化生产蓝莓酒渣中的果胶提供实践指导，同时避免了直接将蓝莓酒渣丢弃造成的浪费及环境污染。