響應曲面法優化伽師瓜皮果膠的微波輔助提取工藝

帕爾哈提·柔孜，劉姍姍，楊海燕，波拉提·馬卡比力，祿 璐

(1 新疆農業大學食品科學與藥學學院，烏魯木齊 830052;2新疆維吾爾自治區藥物研究所/新疆維吾爾自治區哈薩克醫藥研究所，烏魯木齊 830004)

新疆伽師瓜屬于葫蘆科(Cucurbitaceae)黃瓜屬(Cucumis L.)甜瓜亞屬(Melo Jeffrey)［1，2］。(維文譯名為卡拉庫賽)(Cucurbitaceae Melo var.saccharinus Naud)屬晚熟厚皮甜瓜［3］，伽師瓜是以地域命名的名優特級產品，據考證已有1 500 余年的種植歷史，當地獨特的地域特征和特殊的光熱水土資源條件下蘊育的特殊果品之一。伽師瓜富含碳水化合物、多種維生素和膳食纖維，食用后具有清痰化瘀、滋肝潤肺、促進消化、增進食欲和抑制肥胖等功效［4，5］，具有果皮光滑墨綠、果肉厚質地細膩、中級晚熟、果肉糖分梯度變化小，含糖量高，貯運性好，品質佳等多個優點，在國內外瓜果批零市場上也享有較高的美譽［6，7］。伽師瓜在20 世紀末開始參與國內各大特色農產品博覽會，加快品牌創建、保護與營銷步伐，展現了前所未有的強勁發展勢頭［8，9］。據統計［10，11］，2011—2013年全疆伽師瓜種植面積分別為57.78、63.12、66.13千hm2，其總產量分別為193.06、213.35、239.46 萬t。伽師縣不斷擴大伽師瓜種植規模并投入大量的扶持資金使資源優勢發揮帶頭作用，將伽師瓜產業發展逐漸作為農業增強、農民增收，進而帶動縣域經濟繼續增大的支柱性產業。

由于缺少針對伽師瓜的采后專門性研究，伽師瓜的貯藏保鮮和加工技術仍然延用傳統的方法，每年腐爛廢棄問題很嚴重。瓜農、瓜商及消費者對于伽師瓜皮的利用價值缺乏認識，同時伽師瓜皮因營養成分研究報道鮮見，大部分被用來喂養牲畜或棄去。加之，缺乏研究與生產未能充分結合，大多被當作廢物處理，造成極大的浪費。故利用加工副產物—伽師瓜皮做果膠，不僅能滿足人們的消費需求，而且能提高伽師瓜的綜合利用率及其商品價值，有利于進一步發揮特色支柱產業的優勢，故將伽師瓜皮加工成果膠是有效的解決伽師瓜產業化問題的關鍵性途徑之一。微波提取技術是最近發展較快的一種綠色提取分離技術，與以前所用的傳統提取技術相比，縮短了提取時間，提高了提取效率，為重要成分的提取提供了一種快速、高產的新方法［12，13］。因其得到越來越多國內外天然產物活性成分提取相關領域研究人員的關注。本試驗通過響應面法優化微波輔助法提取干燥后的伽師瓜皮粉中的果膠，并確定最佳的工藝及其參數，為高效地提取果膠提供技術參考及新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

伽師瓜于2014年8月10 日從伽師縣一鄉采摘。采摘5d 后帶回實驗室備用。鹽酸、乙醇等均為分析純。

1.2 儀器

XP1203S 型精密天平(北京京海佳業科貿有限公司);WD900ASL23-2 型格蘭仕微波爐(順德市格蘭仕實業有限公司);HR1724 型粉碎機(珠海經濟特區飛利浦家庭電器有限公司);S20K 型pH 計(梅特勒—托利多儀器有限公司);DHG-9140A 型電熱恒熱鼓風干燥箱(上海一恒科技有限公司)。

1.3 實驗方法與設計

1.3.1 工藝流程

伽師瓜皮→預處理(取皮)→伽師瓜皮→干燥(晾曬+烘箱)→粉碎(通過40 目篩)→萃取(鹽酸)→加熱(微波)→過濾→濃縮(減壓濃縮)→沉降(乙醇)→離心(10 000r/min)→干燥→果膠。

伽師瓜皮經過3d 晾曬，然后在65℃烘箱中存放24h，處理后的瓜皮用粉碎機粉碎，分別稱量1g 樣品放入盛有不同pH 值的鹽酸的燒杯中，接著放入微波爐中進行萃取，微波輔助法萃取后過濾，所得樣品溶液濃縮至10mL，并加入2 倍于濃縮后溶液體積的無水乙醇后放入60℃的水浴鍋中進行2h 的沉淀。隨后將沉淀后的樣品在10 000r/min 的離心機中離心5min，再放置65℃烘箱中干燥12h 后稱量所得果膠重量，最后算出提取率。

1.3.2 操作要點

(1)干燥:將伽師瓜皮切成條狀，在陽光充足的地方晾曬3 天，再將晾曬后的瓜皮放入65℃的烘箱中烘烤24h。(2)粉碎:將干燥處理后干脆的伽師瓜皮放入粉碎機中粉碎30s，過40 目篩。(3)減壓濃縮:用旋轉蒸發儀將果膠粗提液在60～70℃下濃縮到10mL。(4)乙醇沉降:待濃縮液冷卻后，加入2 倍濃縮后溶液體積的無水乙醇，放入60℃的水浴鍋中沉淀2h。(5)離心:將醇沉后的樣品去掉上清液進行5min 的離心。(6)干燥:離心后小心倒出離心管中的液體，將存有果膠的離心管的燒杯放入60℃的烘箱中干燥12h［14-15］。

1.3.3 微波法提取伽師瓜皮果膠單因素試驗

(1)不同微波時間對伽師瓜皮果膠提取率的影響:在提取液pH 值為3.0、料液比1∶50 的條件下，研究不同時間(10、30、50、70、90s)時對伽師瓜皮果膠提取率的影響。

(2)不同pH 值對伽師瓜皮果膠提取率的影響:在料液比1∶50、微波加熱時間為70s 的條件下，研究不同提取鹽酸萃取液pH 值分別為(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0)時對伽師瓜皮果膠提取率的影響。

(3)不同料液比對伽師瓜皮果膠提取率的影響:在提取液pH 值為3.5、微波加熱時間為70s 的條件下，研究不同料液比(1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60g/mL)時對伽師瓜皮果膠提取率的影響。

1.3.4 響應面分析

為了使工藝更加優化，在上述單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken 試驗設計原則，選擇微波加熱時間、pH 值、料液比3 個因素對瓜皮果膠提取率的影響因素，以果膠的提取率為響應值，設計三因素三水平試驗進行響應面分析，試驗設計的因素與水平見表1。

表1 響應面試驗設計因素與水平

1.3.5 果膠提取率的計算

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 微波加熱時間對伽師瓜皮果膠提取率的影響

由圖1 可見，當加熱時間延長到70s 左右時，伽師瓜皮果膠的提取率上升趨勢最顯著。反應初始到70s 的范圍內，提取率與時間增長趨勢呈正相關，時間超過這個最佳點后，反而果膠的提取率降低的趨勢比較明顯，因為加熱時間的長短會導致樣品的酸堿性強弱及溫度差異變化，改變果膠類物質溶解特性，從而導致提取率降低，故最佳的加熱時間為70s。

圖1 微波加熱時間對伽師瓜皮果膠提取率的影響

2.1.2 pH 值對伽師瓜皮果膠提取率的影響

由圖2 可見，當提取液的pH 值3.5 左右時，伽師瓜皮果膠提取率呈最高值，隨后逐步下降。這可能是由于pH 值達到一定的比例后果膠基本溶解到提取液中，pH 值過低或者過高會引起樣品中原果膠的水解反應的強弱，使脫酯降解速度加快，引起果膠質轉液至提取液相的過程緩慢，導致提取率降低，故提取液最佳的pH值為3.5。

圖2 pH 值對伽師瓜皮果膠提取率的影響

2.1.3 料液比對伽師瓜皮果膠提取率的影響

由圖3 可知，當料液比在1∶40 左右時，伽師瓜皮果膠的提取率增長趨勢最顯著，隨后逐漸降低。這可能是由于反應初始時，料液比過小會引起反應不完全，萃取體系滲透壓過高，則果膠沒有全部能溶解到提取液中，引起過濾難度增加、殘留物含量增多，從而降低提取率;反之，由于料液比越大過濾速度越快，會增長濃縮需要時間及增大沉淀消耗量，導致提取率下降及影響果膠的特，故最佳的料液比選1∶40 為宜。

圖3 料液比對伽師瓜果膠提取率的影響

2.2 響應面優化酸法結合微波提取果膠工藝結果分析

2.2.1 響應面試驗結果與分析

通過Design Expert 8.0.6 響應面統計軟件響應面統計軟件對果膠提取率為響應值的回歸模型實驗進行分析，試驗結果見表2、方差分析結果見表3。

表2 響應面試驗方案及結果

由表2 可知，伽師瓜皮果膠提取率預測模型:Y=+4.85－0.030A－0.022B－7.500E－003C+1.000E－0.02AB+0.080AC－0.040BC－116A2－0.078B2－0.90C2。

表3 中心旋轉組合設計方差分析

由表2、表3 可看出，該模型回歸方程的效果極顯著(P＜0.05)，失擬項不顯著。響應面試驗中時間等3個因素對伽師瓜皮果膠提取率作用的大小主次順序為:加熱時間＞pH 值＞料液比。其中微波處理時間(A2)和料液比(C2)的二次項極顯著，則其他交互項不顯著。在α=0.05 顯著水平下剔除不顯著項后對原模型進行優化可確定提取率:Y=－27.133 25 +0.386 05A +2.389 00B+0.721 65C +1.000 00E－003AB +4.000 00E－004AC－8.000 00E－003BC－2.907 50E－003A2－0.312 00B2－9.0300E－003C2。說明該模型擬合度適宜，因此微波輔助提取伽師瓜皮果膠分析和預測能達到理想的效果。

2.2.2 交互作用對伽師瓜皮提取率的影響

根據回歸分析結果，做出相應的響應面分析圖，見圖4—6。

圖4 pH 值與時間對伽師果皮果膠提取率的影響

圖5 料液比與時間對伽師果皮果膠提取率的影響

圖6 pH 值與料液比對伽師果皮果膠提取率的影響

由圖5 可見，時間的交互項較pH 值顯著。由圖6可知，時間的變化程度及等高線變化數量高于料液比，響應值對其比較敏感;由圖7 可知，料液比的影響較pH 值顯著。

2.2.3 提取條件優化及驗證

經響應面優化伽師瓜皮果膠酸法結合微波提取試驗，得出最優提取參數為:料液比為1∶39.99、加熱時間為69.73s，提取液pH 值為3.43。根據試驗條件及考慮到實際操作中的便利，將工藝參數加以修正為:料液比為1∶40、加熱時間為70s、提取液pH 值為3.5。在此條件下，進行3 次平行實驗進行驗證，果膠提取率為4.83%，超過軟件模型預測值4.85%，并誤差低于1%。說明本模型在伽師瓜皮果膠提取試驗中是可靠的。

3 結論

利用響應面法確定微波輔助提取伽師瓜皮果膠的最佳提取條件是:pH 值3.5、料液比1∶40、微波加熱時間70s 下，伽師瓜皮果膠提取率達4.83%。經過比較分析了3 個因素對伽師瓜皮果膠的提取效果的影響，作用大小依次順序:微波加熱時間＞pH 值＞料液比。經微波處理后果膠的提取率得以提高，且果膠質量好、節約能耗、提取時間短，對進一步開發利用伽師瓜皮及其綜合利用具有指導意義。

［1］中國農業科學院鄭州果樹研究所.中國西瓜甜瓜［M］.北京:中國農業出版社，2001:549-553.

［2］林德佩.甜瓜種下分類專論［J］.中國瓜菜，2012，5:42-46.

［3］吳海華.全立架露地栽培伽師瓜水肥調控技術研究［D］.烏魯木齊:新疆農業大學，2013.

［4］張陽，張潤光，張有林，等.氣調貯藏對新疆伽師瓜采后生理及貯藏品質的影響［J］.農業工程學報，2011，27(1):383-388.

［5］阿不都熱依木·卡地爾.《中華本草》(維吾爾藥卷)［M］.上海:上海科技出版社，2005:346.

［6］譚政，唐忠建.不同溫度及不同貯藏期對伽師瓜果實品質的影響［J］.北方園藝，2013，21:150-152.

［7］羅國亮，王輝霞.喀什地區伽師瓜產業發展現狀及措施建議［J］.中國園藝文摘，2013，11:51-52.

［8］劉明軒，曾祥甫.新疆珍品伽師瓜［J］.中國經貿，2001，1:62.

［9］王雪.以瓜為媒伽師旅游闊步發展［J］.大陸橋視野，2010，3:88.

［10］新疆維吾爾自治區統計局.新疆統計年鑒［M］.北京:中國統計出版社，2013:377-387.

［11］新疆維吾爾自治區統計局.新疆統計年鑒［M］.北京:中國統計出版社，2014:343-355.

［12］孫德武，王德成，林險峰，等.微波輻射萃取法提取桔皮中的果膠［J］.吉林師范大學學報(自然科學版)，2008，3:113-114.

［13］Kratchanova，M.，Panlova，E.，Panchev，I.The effect of microwave heating of fresh orange peels onthe fruit tissue and quality of extracted pectin ［J］.Carbohydr Polymers，2004，56:181-185.

［14］劉玲，葉博，紀淑娟.西瓜中果膠不同提取工藝的比較研究［J］.食品工業科技，2007，(7):150-153.

［15］任小青，史艷艷.西瓜皮中果膠的提取工藝［J］.食品研究與開發，2009，30(4):85-87.