超聲輔助提取柑桔鮮皮渣果膠的工藝研究

馬亞琴，吳厚玖，周志欽，孫志高，王 華

(1.西南大學柑桔研究所，國家柑桔工程技術研究中心，重慶400712; 2.西南大學園藝園林學院，重慶400712)

超聲輔助提取柑桔鮮皮渣果膠的工藝研究

馬亞琴1，2，吳厚玖1，*，周志欽2，孫志高1，王 華1

(1.西南大學柑桔研究所，國家柑桔工程技術研究中心，重慶400712; 2.西南大學園藝園林學院，重慶400712)

以水為提取溶劑，研究了超聲輔助提取柑桔鮮皮渣中果膠的工藝條件。與常規(guī)的浸泡提取方法比較，在酸度和物料比相同的條件下，在80℃超聲處理40min柑桔鮮皮渣中的果膠，比在90℃浸泡水解1h其果膠得率提高了82.3%。在單因素實驗基礎上，利用二次旋轉組合實驗設計及響應面分析法，評價了超聲功率、超聲時間和提取溫度對果膠得率的影響，并建立了數學回歸模型。方差分析結果表明:一次項、二次項對果膠得率的影響均達到顯著水平;交互項X1X2的影響極顯著，X1X3、X2X3不顯著。通過響應面分析法得出最佳超聲提取條件:超聲功率177W，提取溫度71℃，超聲時間49min，模型預測果膠得率為3.34%。在此超聲條件下，果膠實際得率為3.32%。

甜橙皮渣，果膠，超聲提取，響應面法

果膠是存在于高等植物細胞壁中的一種結構多糖，其主鏈由α—1，4糖苷鍵連接起來的半乳糖醛酸鏈所構成。在一定的條件下，果膠形成凝膠，而這種特性也經常被應用在果醬、果凍以及糖果等產品中［1］。果膠作為一種天然的食品添加劑可無限量的添加到食品中［2］。商業(yè)果膠通常是以柑橘皮和蘋果渣為原料，在高溫下酸解制得［3］。選擇合適的提取方法以及提取因子都會影響果膠的提取率和品質。一般而言，傳統(tǒng)的提取方法是在酸溶液中90℃至少處理1h制得果膠［4－5］，由于長時間的加熱會導致果膠發(fā)生熱降解［6］。Panchev［7］等應用超聲輔助提取蘋果果膠的研究表明，超聲提取較傳統(tǒng)加熱法能有效地提高果膠的提取率，田玉霞［8］等對蘋果果膠的研究也表明超聲波對果膠的提取具有強化作用，同時果膠的性質也不發(fā)生改變。應用超聲波輔助提取橘皮果膠類化合物，結果表明超聲處理能有效提高提取率［9］。超聲輔助提取技術廣泛的應用于提取各種植物活性成分的研究，已被證明是一種快速、高效、環(huán)保的提取方法。其研究內容涉及黃酮、多酚、花色苷、果膠、多糖、蛋白質、油脂、酒石酸、芳香成分以及其他功能性成分［10－12］。超聲輔助提取是利用空化效應破壞植物細胞組織結構而使得細胞內含物易于釋放，進而加速提取的過程［11，13］。但是，有關超聲提取甜橙鮮皮渣中果膠的研究目前尚未見報道。本研究的目的是優(yōu)化超聲提取柑桔鮮皮渣果膠的條件。并且利用響應面法的實驗設計研究超聲功率、超聲時間以及提取溫度對柑桔鮮皮渣中果膠得率的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甜橙皮渣 中國農業(yè)科學院柑桔研究所，中試車間FMC榨汁后的皮渣;半乳糖醛酸 sigma公司;咔唑試劑 上海展云化工有限公司;濃硫酸(95%～98%)，鹽酸(36%～38%)。

391 FMC全果榨汁機 美國FMC公司;超聲波儀 昆山市超聲儀器有限公司;TU－190雙光束紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;DZKW－4電子恒溫水浴鍋 北京中心偉業(yè)儀器有限公司;PHS－3CT酸度計 上海大普儀器有限公司。

1.2 果膠分析測定方法

1.2.1 果膠提取工藝路線 柑桔鮮皮渣→切碎→高溫快速滅酶→過濾→清水漂洗濾渣→酸水解→超聲提取

1.2.2 操作方法 將柑桔鮮皮渣切成1cm2大小的碎塊，95℃水中漂燙5min左右，再用清水快速沖洗數次，除去小分子糖類和部分色素。用0.5mol/L的鹽酸調節(jié)pH至1.5，在一定提取溫度、超聲時間、超聲功率的條件下超聲處理，過濾，濾液備用待測。

1.2.3 半乳糖醛酸含量的測定 標準曲線:以D－半乳糖醛酸為標準品繪制標準曲線，其標準品經105℃干燥至恒重，配成不同質量濃度的D－半乳糖醛酸溶液，采用咔唑－硫酸分光光度法在531nm處測定最大吸收值。繪制標準曲線方程為:y=3.9536x+0.0075。式中，y為吸光值;x為D－半乳糖醛酸的含量，R2= 0.9995。

1.3 實驗方法

1.3.1 單因素實驗 浸泡提取:稱取2.000g甜橙鮮皮渣，在pH為1.5，料液比為1∶30的條件下，在提取溫度為60、70、80、90、95℃五個水平下浸泡酸解提取1h。

超聲提取:稱取2.000g甜橙鮮皮渣，根據前期的研究基礎，按1∶30(g∶mL)的料液比加入自來水，并調pH至1.5。分別研究了在超聲功率 80、100、120、140、160、180、200W七個水平;在超聲時間10、20、40、60、80、100min六個水平;提取溫度20、40、60、80、90℃五個水平的單因素實驗條件下，測定提取液中果膠得率，確定各因素的最佳范圍。

1.3.2 響應面實驗 基于單因素實驗結果，選擇提取溫度、超聲時間、超聲功率為影響因素，并以X1、X2、X3分別表示三因素的真實值，以－1、0、1分別表示各因素的3個水平。采用三因素三水平的 Box－Behnken Design(BBD)實驗設計，研究響應值以及最佳變量的組合。實驗因素水平及編碼見表1。整個實驗設計在中心點共有17次實驗、5個重復，實驗隨機完成。

表1 實驗因素水平及編碼Table 1 Factors and levels in the Box－Behnken experiments design

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

在1∶30(g∶mL)的料液比、pH=1.5的條件下，分別研究了超聲功率、超聲時間、提取溫度對果膠得率的影響。由圖1可知，果膠得率隨著超聲功率的增加而增加。在20℃超聲處理10min，當超聲功率從80W增加到180W時，果膠得率增加了35.2%，當超聲功率增加到200W時，果膠得率增加了59.5%。Sivakumar［14］等從櫻桃李殼中提取單寧酸的研究發(fā)現，超聲功率從20W增加到100W，其單寧酸含量可增加3～5倍。在超聲應用分類上，聲場中產生的能量的大小是衡量超聲功率最重要的標準。以前的研究表明，超聲功率會隨著超聲波傳播距離的增加而發(fā)生衰減［15］，造成提取效率的降低［16］，而超聲功率的這一特性限制了超聲波技術在工業(yè)化生產中的應用。在本研究的實驗條件下，超聲功率最大可調到200W，可以認為在超聲功率200W時果膠得率達到最大。故選擇超聲功率200W為宜。

圖1 超聲功率對果膠得率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on pectin yield

由圖2可知，在20℃、超聲功率為200W的條件下，果膠得率隨超聲時間的延長而增加，超聲處理40min果膠得率達到最大。繼續(xù)延長超聲時間果膠得率呈緩慢下降趨勢，當超聲處理100min，果膠得率大幅度降低，可能是長時間超聲處理導致半乳糖醛酸降解所引起的。故選擇超聲時間40min為宜。

超聲溫度對果膠得率有顯著的影響見圖3。在超聲功率為200W、超聲處理40min的條件下，隨著提取溫度的升高果膠得率呈增加趨勢，當溫度增加到80℃時，果膠得率最大，之后繼續(xù)升溫果膠得率反而下降。可能在超聲條件下，高溫易造成半乳糖醛酸的降解。故選擇超聲溫度80℃為宜。

圖4是利用常規(guī)的浸泡方法提取柑桔鮮皮渣中的果膠。在pH1.5，料液比為1∶30的條件下酸解1h，由圖4可以看出，在90℃果膠得率達到最大。與圖3比較，在酸度和料液比相同的條件下，在80℃超聲處理40min比在90℃浸泡酸解1h其果膠得率提高了82.3%。這說明超聲輔助提取較常規(guī)的浸泡提取具有低溫、快速、高效等提取優(yōu)勢。

圖2 超聲時間對果膠得率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on pectin yield

圖3 超聲提取溫度對果膠得率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic extraction temperature on pectin yield

圖4 浸泡溫度對果膠得率的影響Fig.4 Effect of maceration extraction temperature on pectin yield

2.2 響應面實驗

基于單因素的實驗結果，根據Box－Benhmken中心組合實驗設計原理，以超聲功率、超聲時間、提取溫度為因素，設計了三因素三水平的二次回歸旋轉正交實驗，實驗設計方案和果膠得率見表2。

利用Design Expert軟件對表2中的數據進行多元回歸擬合，得到果膠得率對以上三個因素的二次多項回歸模型為:

對該模型進行方差分析，由表3可知，P值小于0.0001，表明回歸模型極顯著。該模型的失擬項為0.0552，沒有顯著性差異，相關系數R2值為0.9606，表明該模型擬合結果好，不存在失擬因素，可用于分析和預測柑桔鮮皮渣中提取果膠的結果。

表4表明，回歸系數顯著性檢驗結果，各因素對提取得率的影響程度大小依次為超聲時間、提取溫度、超聲功率。該模型的一次項均達到顯著水平;交互項X1X2顯著，X1X3、X2X3不顯著，二次項均表現為極顯著。結果表明各因素對果膠得率的影響不是簡單的線性關系。

表2 響應面實驗設計及結果Table 2 Box－Behnken experimental design matrix and experimental results

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for developed regression model

表4 回歸模型顯著性檢驗Table 4 Significance test for each term of developed regression model

利用Design－Expert軟件作不同因子對響應值的響應曲面圖，各因子及其交互作用對果膠得率的影響可以通過響應曲面的變化得到直觀反映(如圖5所示)。各圖表示X1、X2、X3中任意兩個變量取零水平時，其余兩個變量對果膠得率的影響。由圖5－A可知，超聲時間和提取溫度對果膠得率均有顯著影響。隨著超聲時間的變化，響應面變化比較陡峭，但是，提取溫度較超聲時間的變化引起響應面曲面的變化相對比較平坦。說明兩者的交互作用中超聲時間相對于提取溫度而言居于主要方面;由圖5－B可知在一定范圍超聲功率和溫度的增加，果膠得率呈增加趨勢，當溫度達到75℃左右，超聲功率達到185W左右，隨著超聲功率的繼續(xù)增加和溫度的升高，可能導致半乳糖醛酸分子結構的破壞，使得果膠得率下降;圖5－C顯示了超聲功率和超聲時間對果膠得率的交互作用，隨著超聲功率的變化，響應面變化較為平緩，而隨超聲時間的延長，響應面變化較為陡峭。

圖5 超聲時間、溫度和超聲功率對果膠得率影響的響應面圖Fig.5 Response surfaces graph of the effects of ultrasonic time，ultrasonic power and temperature and ultrasonic power on pectin yield

利用Design－Expert軟件分析，由響應面數據得出最佳工藝條件為:超聲功率177W、提取溫度71℃、超聲時間49min，提取3次，模型預測果膠得率為3.34%。為了驗證模型的可靠性，在最佳超聲條件下進行3次重復實驗，果膠的平均得率為3.32%。

3 結論

本研究利用超聲輔助提取柑桔鮮皮渣中的果膠。結果表明:超聲時間、超聲功率和提取溫度對果膠得率的影響均達到顯著的水平。3因素對響應值結果影響的主次關系依次為超聲時間＞提取溫度＞超聲功率。并與常規(guī)的浸泡提取方法比較，表明超聲輔助提取具有低溫、快速、高效等優(yōu)勢。運用響應面分析的方法優(yōu)化得到提取柑桔鮮皮渣中果膠的最佳超聲條件為:超聲功率177W、提取溫度71℃、超聲時間49min，果膠得率預測值為3.34%。對預測結果進行實驗驗證，在最佳超聲條件下，果膠得率為3.32%，與預測值基本吻合。

［1］Thakur B R，Singh R K，Handa A K.Chemistry and uses of pectin［J］.Crit Rev Food Sci Nutr，1997，37(1):47－73.

［2］Schaafsma G.Health claims，options for dietary fibre［M］Dietary fibre，Press:Wageningen Academic Publishers，2004:，27－38.

［3］Whistler，R L，BeMiller，J N Pectins.Carbohydrate chemistry for food scientists［M］.Press:Eagan，1997:203－210.

［4］RosJM，ScholsH A，VoragenA G J.Extraction，characterisation，and enzymatic degradation of lemon peel pectins［J］.Carbohydrate Research，1996，282(2):271－284.

［5］Iglesias M T，Lozano J E.Extraction and characterization of sunflower pectin［J］.Journal of Food Engineering，2004，62(3): 215－223.

［6］張鳳仙，劉梅芳.西番蓮果皮中果膠提取工藝研究［J］.天然產物研究與開發(fā)，1997，9(3):70－73.

［7］Panchev I N，Kirtchev N A，Kratchanov C.Improving pectin technology II.Extracting using ultrasonic treatment［J］. International Journal of Food Science and Technology，1988，23 (4):337－341.

［8］田玉霞，仇農學，鄧紅，等.蘋果渣中果膠的超聲波輔助提取及特性研究［J］.陜西師范大學學報:自然科學版，2009，37 (5):100－104.

［9］耿敬章，劉軍海，刁宇清，等.響應面法優(yōu)化超聲波輔助提取橘皮中果膠類化合物［J］.食品工業(yè)科技，2009，30(12): 250－253.

［10］Vinatoru M.An overview of the ultrasonically assisted extraction of bioactive principles from herbs［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2001，8(3):303－313.

［11］Toma M，Vinatoru M，Paniwnyk L，et al.Investigation of the effects of ultrasound on vegetal tissues during solvent extraction［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2001，8(2):137－142.

［12］Wang L J，Weller C L.Recent advances in extraction of nutraceuticals from plants［J］.Trends in Food Science＆Technology，2006，17(6):300－312.

［13］Vinatoru M，Maricela T，Radu O，et al.The use of ultrasound for the extraction of bioactive principles from plant materials［J］. Ultrasonics Sonochemistry，1997，4(2):135－139.

［14］Sivakumar V，Ravi Verma V，Rao P G，et al.Studies on the use of power ultrasound in solid－liquid myrobalan extraction process［J］.Journal of Cleaner Production，2007，15(18):1813－1818.

［15］Kanthale P M，Gogate P R，Pandit A B，et al.Mapping of an ultrasonic horn:link primary and secondary effects of ultrasound［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2003，10(6):331－335.

［16］Trabelsi F，Ait－lyazidi H，Berlan J，et al.Electrochemical determination of the active zones in a high－frequency ultrasonic reactor［J］.Ultrasonics Sonochemistry，1996，3(2):125－130.

Ultrasonic assisted extraction pectin from fresh sweet orange residue

MA Ya－qin1，2，WU Hou－jiu1，*，ZHOU Zhi－qin2，SUN Zhi－gao1，WANG Hua1
(1.Citrus Research Institute，Southwest University，National Citrus Engineering Research Center，Chongqing 400712，China; 2.College of Horticulture and Landscape Architecture，Southwest University，Chongqing 400712，China)

Ultrasound assisted－extraction(UAE)was used to extraction pectin from sweet orange residue with water as extraction solvent.Comparison with maceration extraction method，under the same pH and ratio of sample and solvent conditions，pectin yields of extracts from citrus fresh peel by UAE at 80℃ for 40min was increased by 82.3%than maceration extraction at 90℃ for 1h.On the basis of single factor experiments，quadratic rotational combination design combined with response surface methodology(RSM)was used to evaluate the effects of ultrasonic power and treatment time，temperature on pectin yield，and mathematical regression models were established.Analysis of variance showed that the effects of linear and quadratic terms on pectin yields were significant;X1X2of interactive term was also significant，however，X1X3and X2X3were insignificant.The optimal ultrasonic conditions in range under study by RSM for the highest yields of pectin was determined as:ultrasonic power of 177W，extraction temperature of 71℃，ultrasonic time of 49min.The predicted yield of pectin by RSM was 3.34%，closed to the practical yield of pectin of 3.32%.

sweet orange peels;pectin;ultrasonic extraction;response surface methodology

TS255.1

B

1002－0306(2012)08－0287－04

2011－06－27 *通訊聯系人

馬亞琴(1978－)，女，博士，副研究員，研究方向:食品科學。

柑桔學重慶市市級重點實驗室開放基金(CKLC200805);重慶市自然科學基金(cstc2011jjA80030)。