山楂殘次果果膠提取工藝的優化

劉月英 李桂琴 劉煥云 楊 亮 彭 輝

（河北經貿大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050061）

山楂殘次果果膠提取工藝的優化

劉月英 李桂琴 劉煥云 楊 亮 彭 輝

（河北經貿大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050061）

利用微波－鹽酸－鹽析法對山楂殘次果果膠的提取工藝進行研究。采用單因素試驗研究鹽酸濃度、液料比、微波比功率、微波時間、鹽析條件對果膠得率的影響，在單因素試驗基礎上，根據中心組合（Box－Behnken）試驗設計原理設計3因素3水平的響應面分析法，依據回歸分析各影響因素，建立二次多項式回歸方程的預測模型。以果膠得率為響應值作響應面和等高線，得出山楂殘次果果膠提取的最佳工藝條件為鹽酸濃度0.10mol／L，微波比功率167W／g，液料比16∶1（V∶m），飽和硫酸鋁溶液用量7mL，微波時間50s，在優化條件下果膠得率為6.17%。

山楂殘次果；果膠；微波－鹽酸－鹽析法

果膠以其良好的膠凝、增稠、穩定、懸浮、乳化等性能，廣泛應用于食品、醫藥、日化、紡織、印染、煙草、冶金等諸多領域［1－5］。全世界果膠的年需求量近2萬t，且在相當長的時間內仍以每年15%左右的速度增長［6］；據不完全統計［7］，中國果膠每年的需求量約在1 500t以上，其中80%依靠進口。

目前工業生產果膠普遍采用酸法提取，如蘋果、柑橘、甜菜等果膠的生產［8］，其加熱方式則多采用常規水浴加熱［9－11］。近年來，利用微波法從柚皮、蘋果渣、柑橘皮、西番蓮果皮等眾多原料中提取果膠的技術得到廣泛關注［12－14］。微波提取具有設備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、選擇性強、重現性好、節省時間、節省溶劑、節能、污染小等特點，被廣泛用于天然活性成分的浸提過程，并迅速朝著工業化方向發展［15］。用鹽析法代替乙醇沉淀法，可以大大減少乙醇用量，降低生產成本，減少能源消耗。

山楂屬于薔薇科山楂屬植物，是中國北方地區重要的栽培果樹之一，果實產量僅次于蘋果、梨、桃，位居第四。由于山楂果實獨特的風味，鮮食量較為有限，在貯藏和加工罐頭、果醬、果汁、果丹皮等產品過程中會產生5%～10%原料重的殘次果，目前主要是作為工業廢料丟棄，不僅浪費資源而且還會導致環境的污染。山楂果實中果膠含量可高達6.4%，因此，采用提取效率較高的微波－鹽酸－鹽析法，以山楂殘次果為原料，研究提取其果膠的工藝條件，不僅可以實現山楂果實綜合利用及深加工增值技術，同時可減少環境污染，具有較高的經濟價值和社會意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山楂：大金星，承德市興隆縣，市售；

咔唑、無水乙醇、乙醚、鹽酸、氨水、硫酸鋁、苯酚、硫酸、氫氧化鉀等試劑：均為國產分析純；

配制用水：二次蒸餾水。

1.2 主要儀器

數顯恒溫水浴鍋：HH－2型，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；

微波爐：WD800B型，佛山市順德區格蘭仕微波爐電器有限公司；

離心沉淀機：LXJ－2型，上海分析儀器廠；

精密酸度計：PHS－4CT型，上海大普儀器有限公司；

旋轉蒸發器：RE52－AAB型，溫州奧利生物醫學儀器廠；

電熱鼓風干燥箱：DHG72－1型，湖北省黃石市醫療器械廠；

電子天平：BSA224S型，北京賽多利斯儀器系統有限公司；

循環水多用真空泵：SHB－3，鄭州杜甫儀器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 果膠提取的工藝流程

1.3.2 操作要點

（1）原料的預處理：對有干痂、機械傷、病蟲害等的山楂果實，流水清洗瀝干水分后用不銹鋼刀挖去傷害部位，外觀嚴重皺縮的山楂果實流水清洗瀝干水分，切成約3mm×3mm的小塊，放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，于70℃干燥48h后放入研缽中研細，并使之通過60目篩，收集于塑料自封袋中備用。

（2）果膠的提取：稱取適量樣品于燒杯中，加入熱的70%乙醇，充分攪拌以提取糖類，過濾。反復操作至濾液用苯酚－硫酸法檢驗不呈糖的反應。殘渣用無水乙醇洗滌，再用乙醚洗滌，風干乙醚。

用試驗設計的濃度和用量加熱至沸騰的鹽酸將漏斗中殘渣移入250mL錐形瓶中，充分混合后，瓶口覆蓋保鮮膜，在設計的微波比功率下提取至設計時間，趁熱抽濾，收集濾液；濾渣經再次提取后合并濾液，向濾液中加入其質量0.06% 的活性炭，室溫下振蕩40min脫色，過濾后將濾液濃縮至樣品重的8倍，得無色果膠粗提液。

（3）鹽析：吸取10mL果膠粗提液于200mL燒杯中，邊攪拌邊加稀氨水，調pH值為3.7～3.8后，攪拌30min，慢慢加入設計量的飽和硫酸鋁溶液，并調pH值為7.0，間歇攪動后靜置60min，抽濾得顆粒狀果膠鹽，水洗3遍。邊攪拌邊加稀鹽酸，維持pH值2.7～2.8，轉溶30min后，用無水乙醇沉淀，得無色凝膠，干燥后即為果膠成品。

1.3.3 單因素試驗 將鹽酸濃度、微波比功率、微波時間、液料比和飽和硫酸鋁用量作為影響山楂殘次果果膠提取的單因素。每組進行平行試驗，以果膠得率評價提取效果。

1.3.4 響應面優化 采用軟件 Design－Expert中的Box－Behnken試驗設計原理，綜合單因素試驗結果，設計3因素3水平試驗。

1.3.5 果膠得率計算 按式（1）計算：

2 結果及分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 鹽酸濃度的選擇 鹽酸濃度對殘次果果膠提取的影響結果見圖1。

圖1 鹽酸濃度對果膠得率的影響Figure 1 Effect of hydrochloric acid concentration on the pectin yield rate

由圖1可知，采用0.01，0.02，0.05mol／L鹽酸提取時，果膠得率小于采用0.10mol／L的，當鹽酸濃度為0.15mol／L時果膠得率略有下降，這可能是由于鹽酸濃度的增高加強了果膠得水解。因此本試驗條件下0.10mol／L為較佳提取濃度。

2.1.2 液料比的選擇 液料比對殘次果果膠提取的影響結果見圖2。由圖2可知，隨著液料比由5∶1，10∶1（V∶m）增大到15∶1（V∶m），果膠得率由1.47%隨之增大到5.58%，繼續增大液料比至20∶1和25∶1（V∶m），果膠得率均會有所降低，因此確定15∶1（V∶m）為本試驗條件下的較佳液料比。

圖2 液料比對果膠得率的影響Figure 2 Effect of liquid－materialratio on the pectin yield rate

2.1.3 微波比功率的選擇 由于微波功率的作用與試驗原料數量關系很大，因此本試驗選用微波比功率作為一影響因素進行研究。由圖3可知，果膠得率在微波比功率160W／g時最高。微波比功率較低時，原果膠水解不完全，而過高則會造成果膠分子鏈發生降解，使果膠得率下降。故試驗條件下，160W／g為最佳。

圖3 微波比功率對果膠得率的影響Figure 3 Effect of microwave output power on the pectin yield rate

2.1.4 微波時間的選擇 由圖4可知，當微波加熱時間為50s時，果膠得率達到5.61%的最高值，高于或低于該時間，得率均有所降低。這是因為萃取時間短時，原果膠水解不完全，而時間過長，則會造成果膠分子鏈發生降解，從而使果膠得率下降，故50s為最佳微波時間。

圖4 微波時間對果膠得率的影響Figure 4 Effect of microwave time on the pectin yield rate

2.1.5 硫酸鋁用量的選擇 飽和硫酸鋁溶液用量對果膠提取的影響結果見圖5。

圖5 飽和硫酸鋁溶液用量對果膠得率的影響Figure 5 Effect of volume of saturated aluminum sulfate on the pectin yield rate

由圖5可知，飽和硫酸鋁溶液用量為3.00～6.00mL時，果膠得率隨著飽和硫酸鋁溶液用量的增大而迅速增大，當用量達6.00mL以上時果膠得率增長極為緩慢。這是因為用量少時果膠沉淀不完全，致使得率較低，當用量達6.00mL時，提取液中的果膠可以全部鹽析出來，再增加用量得率幾乎不發生變化。

2.2 響應面法優化果膠提取工藝條件

2.2.1 響應面優化 Box－Behnken試驗設計因素與水平見表1，響應面分析方案與結果見表2。

表1 Box－Behnken試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of Box－Behnken design

表2 響應面優化果膠提取試驗方案與結果Table 2 Response surface methodology design and results of pectin yield rate

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗 利用Design－Expert軟件對數據進行多元回歸擬合，得到山楂殘次果果膠得率對微波比功率、液料比和飽和硫酸鋁溶液用量的二次多項回歸模型：

響應面二次回歸方程方差分析見表3。由表3可知，微波比功率、液料比、飽和硫酸鋁溶液用量、微波比功率二次、液料比二次均達到極顯著水平，飽和硫酸鋁溶液用量二次達顯著水平。整體模型達極顯著水平（P＜0.01），失擬項不顯著（P＜0.05），表明該模型對試驗擬合較好，可以對試驗范圍內不同條件下的果膠得率進行預測。另外，該模型的變異系數（C.V）為1.00%，重復性較好。

表3 響應面二次回歸方差分析 Table 3 ANOVA for response surface quadratic model

2.2.3 提取工藝的響應面分析與優化 用Design－Expert軟件，根據回歸方程分析作響應面和等高線圖見圖6～8。

由圖6～8可知，在試驗所設水平條件下，山楂殘次果果膠得率隨著微波比功率、液料比和飽和硫酸鋁溶液用量的增大均呈現先增高后降低的趨勢，說明響應面法所選取的水平較為合理，同時三者對果膠提取影響的交互作用均呈拋物面形，表明擬合面有真實最大值。

2.2.4 最佳工藝條件的確定及驗證實驗 應用Design－Expert軟件并結合二次回歸的數學模型分析結果，果膠提取的最優條件為微波比功率166.55W／g，液料比15.91∶1（V∶m），飽和硫酸鋁溶液用量6.96mL，在此條件下理論預測值為6.205 53。將單因素試驗所得最佳條件和響應面二次回歸所得最佳條件進行驗證實驗，每個處理進行3次平行試驗。結果見表4。

根據試驗具體情況，結合實際操作的可行性，將最佳工藝確定為微波比功率167W／g，液料比16∶1（V∶m），飽和硫酸鋁溶液用量7mL，進行3次平行試驗，果膠得率為6.17%，說明該模型可以較好地反映山楂殘次果果膠提取的工藝條件，從而證明響應面分析法優化山楂殘次果果膠提取條件的可行性。

圖6 微波比功率和料液比對果膠得率影響的響應面和等高線Figure 6 Response surface and contour of Y＝ f（ AB）

圖7 微波比功率和飽和硫酸鋁溶液用量對果膠得率影響的響應面和等高線Figure 7 Response surface and contour of Y＝ f（ AC）

圖8 飽和硫酸鋁溶液用量和液料比對果膠得率影響的響應面和等高線Figure 8 Response surface and contour of Y＝ f（ BC）

表4 驗證實驗結果Table 4 Results of validation experiments

3 結論

響應面法優化山楂殘次果果膠提取工藝最佳提取條件為鹽酸濃度0.10mol／L，微波比功率167W／g，液料比16∶1（V∶m），飽和硫酸鋁溶液用量7mL，微波時間50s，在此條件下果膠得率為6.17%。從殘次果中提取果膠，果膠得率比從新鮮山楂果中提取的較低，可能是由于殘次果中果膠被部分降解的緣故。

從山楂殘次果中提取果膠，不僅擴展了提取果膠的新資源，而且可以使大量的殘次果得以充分且高附加值地利用，對山楂的綜合利用和高效增值均具有十分重要的意義。

本試驗僅僅對山楂殘次果中果膠的提取工藝條件進行了研究和優化，而對提取出的果膠的組成、性質和功能，以及與從新鮮山楂果實中提取的果膠有何不同等未作進一步探討，可將此作為以后的研究內容。

1 彭凱，張燕，王似錦，等.微波干燥預處理對蘋果渣提取果膠的影響［J］.農業工程學報，2008，24（7）：222～226.

2 任吉君，王艷，孫秀華，等.鹽析法提取紅秋葵果膠的研究［J］.食品科學，2006，27（12）：402～404.

3 岳賢田.微波輔助提取橘子皮中果膠的工藝研究［J］.安徽農業科學，2010，38（14）：7 525～7 526.

4 于銘章.果膠對山楂加工的影響［J］.河北林果研究，2009，24（3）：309～310，323.

5 Marshall L Fishman，Hoa K Chau，Peter Hoagland，et a1.Characterization of pectin，flash－extracted from orange albedo by microwave heating，under pressure［J］.Carbohydrate Research，1999（4）：126～138.

6 田三德，任紅濤.果膠生產技術工藝現狀及發展前景［J］.食品科技，2003（1）：53～55.

7 于海蓮，張利.梨渣中果膠的提取工藝［J］.食品研究與開發，2010，31（9）：105～106.

8 張學杰，郭科，蘇艷玲.果膠研究新進展［J］.中國食品學報，2010，10（1）：167～174.

9 張銳，孫美榕.十二烷基伯胺乙酸鹽鹽析法提取柚子皮果膠多糖的研究［J］.食品工業科技，2006，27（5）：120～122.

10 汪海波，汪芳安，潘從道.柑橘皮果膠的改進提取工藝研究［J］.食品科學，2007，28（2）：136～141.

11 周艷紅，金征宇.大豆皮果膠多糖的提取工藝研究［J］.食品工業科技，2004，25（3）：76～78.

12 劉煥云，李慧荔，頓博影.微波加熱法提取柚果皮果膠的工藝［J］.農業工程學報，2008，24（8）：302～304.

13 龔盛昭，楊卓如.微波協同提取柚皮果膠的條件優化研究［J］.林產化學與工業，2004，24（4）：87～90.

14 Kratchanova M，Panlova E，Panchev I.The effect of microwave heating of fresh orange peels on the fruit tissue and quality of extracted pectin［J］.Carbobydrate Polymers，2004，56：181～185.

15 徐懷德.天然產物提取工藝學［M］.北京：中國輕工業出版社，2006：48～51.

Study on optimization of extraction technology for pectin from substandard haw fruit by response surface methodology

LIU Yue－ying LI Gui－qin LIU Huan－yun YANG Liang PENG Hui

（College of Biological Science and Engineering，Hebei University of Economics and Business，Shijiazhuang，Hebei050061，China）

Pectin was extracted from substandard hawthorn fruit with microwave－hydrochloric acid－salting out.The single－factor tests were used to investigate the effects of hydrochloric acid concentration，liquid－material ratio，microwave output power per gram，microwave extraction irradiation time，condition of salting－out on the yield rate of pectin.The response surface method with 3factors at 3levels，which was based on single－factor tests，was designed to analyze the all of affecting factors，and a quadratic polynomial regression equation of the forecasting model was set up according to the principle of Box－Behnken experiment.The yield rate of pectin from substandard hawthorn being taken as the value for the response surface method and contour，the optimum extraction condition condition was confirmed as follows：the hydrochloric acid concentration，0.10mol／L；the microwave output power per gram，167W／g；the microwave time，50s；the volume of saturated aluminum sulfate，7ml；and the liquid－material ratio，16∶1，under which condition，the yield rate of pectin was 6.17%.

substandard hawthorn fruit；pectin；microwave－hydrochloric acid－salting out

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.063

河北省科技支撐計劃項目（編號：10220923）

劉月英（1970－），女，河北經貿大學講師。E－mail：liuyueying07＠126.com

2011－11－10