響應面優化提取血柚皮果膠的工藝研究

陳健旋

（漳州職業技術學院，食品與生物工程系，農產品深加工及安全福建省高校應用技術工程中心，福建漳州363000）

響應面優化提取血柚皮果膠的工藝研究

陳健旋

（漳州職業技術學院，食品與生物工程系，農產品深加工及安全福建省高校應用技術工程中心，福建漳州363000）

采用響應面法優化了血柚皮果膠的提取工藝，在單因素實驗基礎上，選取檸檬酸濃度、提取溫度、液料比和提取時間為自變量，果膠得率為響應值，根據Box-Behnken實驗設計方法，對提取血柚皮果膠的關鍵因素參數進行了優化，建立了血柚皮果膠得率的數學模型。結果表明：四個因素對血柚皮果膠得率的影響大小依次為提取溫度＞檸檬酸濃度＞液料比＞提取時間；血柚皮果膠提取的最佳工藝參數為：檸檬酸濃度1.5%，提取溫度82℃、液料比32∶1mL/g、提取時間99min。在此條件下，血柚皮果膠得率達18.85%，與預測值僅相差0.32%，驗證了數學模型的有效性。

檸檬酸，血柚皮，果膠，提取

紅肉蜜柚是由琯溪蜜柚基因芽變而成的一種漳州特有的新品種［1］。紅肉蜜柚，因其果肉呈血紅色，故又稱為“血柚”。血柚口感好、顏色鮮，價格比其他普通蜜柚要高好幾倍，因此其種植量也逐年上升，隨著血柚產量的增加，占柚果40%左右的可供利用的血柚皮也逐年增加［2］。血柚皮中含有大量的果膠，且其凝膠強度大，是一種良好的乳化劑和增稠劑，可廣泛應用于食品、醫藥、化工等行業中［3-4］。已有一些文獻［5-7］報道了柚子皮中果膠的提取，有研究［8-9］表明柚子皮中的天然成分含量會因其產地與品種差異而不同。而對血柚皮果膠提取卻鮮見報道，利用檸檬酸對血柚皮果膠的提取也是未見報道。本文以血柚皮果膠得率為指標，以檸檬酸溶液為溶劑對血柚皮果膠進行提取，考察各工藝條件對得率的影響，并通過響應面法對提取工藝進行分析與優化，為血柚皮果膠的開發利用提供科學依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

血柚購于漳州市中閩百匯超市；檸檬酸分析純，天津津北精細化工有限公司；無水乙醇分析純，汕頭西隴化工股份有限公司；蒸餾水實驗室自制；其他試劑均為分析純。

BSA124S電子天平賽多利斯科學儀器有限公司；Q-250B高速多功能粉碎機上海冰都電器有限公司；GZX-9070MBE數顯鼓風干燥箱上海博訊實業有限公司醫療設備廠；RE-52AA旋轉蒸發儀上海亞榮生化儀器廠。

1.2實驗方法

1.2.1原料預處理將血柚剝皮，切成塊狀、洗凈，置于90℃水中煮5min，除去果膠酶，后用50℃溫水漂洗，除去色素、有機酸、可溶性糖及苦味物質，擠干水后，置于50℃烘箱中烘干，用萬能粉碎機粉碎，過80目篩得柚皮粉，保存備用［10］。

1.2.2血柚皮果膠的提取稱取10g的血柚皮粉，按實驗設計設定的工藝參數，進行提取，冷卻，在3000r/min下離心5min，得上清液，并將上清液置于旋轉蒸發儀中濃縮得到果膠提取液。在攪拌的條件下，加入等體積的無水乙醇，靜置，使果膠析出，在3000r/min下離心5min，抽濾得到沉淀，將沉淀置于50℃烘箱中烘干，得到果膠產品［11-12］。

1.3單因素實驗

1.3.1檸檬酸濃度的選擇在液料比30mL/g，提取時間100min，提取溫度80℃的條件下，將檸檬酸濃度分別設定為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，考察檸檬酸濃度對血柚皮果膠得率的影響。

1.3.2提取溫度的選擇在檸檬酸濃度1.5%，液料比30mL/g，提取時間100min的條件下，將提取溫度分別設定為70、75、80、85、90℃，考察提取溫度對血柚皮果膠得率的影響。

1.3.3液料比的選擇在檸檬酸濃度1.5%，提取時間100min，提取溫度80℃的條件下，將液料比分別設定為10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1（mL/g），考察液料比對血柚皮果膠得率的影響。

1.3.4提取時間的選擇在檸檬酸濃度1.5%，液料比30mL/g，提取溫度80℃的條件下，將提取時間分別設定為60、80、100、120、140min，考察提取時間對血柚皮果膠得率的影響。

1.4響應面實驗設計

在單因素工藝的基礎上，采用響應面法對血柚皮果膠的提取工藝進行優化。根據Design-Expert 8.05b軟件，采用Box-Behnken進行實驗設計檸檬酸濃度（A），提取溫度（B），液料比（C），提取時間（D）四因素三水平響面實驗，考察各因素及因素間交互作用對血柚皮果膠得率的影響，建立預測模型，并進行最佳工藝驗證。響應曲面因素與水平的確定見表1。

1.5數據處理

運用Origin 7.5和Design-Expert 8.05b軟件對實驗數據進行分析。

表1　響應面分析因素水平表Table 1　Factors and levels of response surface methodology

2　結果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1檸檬酸濃度對血柚皮果膠得率的影響從圖1中可以看出，果膠得率隨著檸檬酸濃度的增加而不斷地增加，當檸檬酸濃度為1.5%時，果膠得率達到最大，繼續增加檸檬酸的濃度，果膠得率反而下降。這是因為檸檬酸濃度較低時，溶劑中的pH過大，酸性較弱，血柚皮顆粒組織不能被溶劑軟化，果膠無法轉化為水溶性果膠，導致果膠得率較低；當檸檬酸濃度較大時，溶劑的pH較小，酸性較強，果膠水解較為厲害，增加了果膠裂解等副反應的產生［13］，使得果膠得率下降，且酸性較強，會使副反應增加，果膠沉淀物外觀會變差，因此最佳的檸檬酸濃度為1.5%。

圖1　檸檬酸濃度對果膠得率的影響Fig.1　Effect of citric acid concentration on extraction yield of pectin

2.1.2提取溫度對血柚皮果膠得率的影響從圖2中可以看出，果膠得率隨著提取溫度的升高而逐漸增加，當提取溫度為80℃時，果膠得率達到最大，繼續增加提取溫度，果膠得率反而下降。這是因為提取溫度較低時，果膠水解性能差，不能完全水解，使得果膠得率較低，隨著提取溫度的升高，果膠的水解性能增強，促進了果膠在溶劑中的溶解，而使得果膠得率增大，但當溫度過高時，果膠的分子容易不穩定而產生降解［14］，導致果膠得率的下降。因此最佳的提取溫度選擇為80℃。

圖2　提取溫度對果膠得率的影響Fig.2　Effect of temperature on extraction yield of pectin

2.1.3液料比對血柚皮果膠得率的影響從圖3中可以看出，果膠得率隨著液料比的增加而增加，當液料比達到30∶1mL/g時，果膠得率達到最大，繼續增大液料比，果膠得率反而下降。這是因為液料比較低時，溶劑較少，溶劑無法充分浸透血柚皮顆粒，果膠溶出不完全，產率低；隨著液料比的增加，溶劑對血柚皮顆粒的浸透性增加，傳質推動力增大，增加了果膠的溶出量，而使得果膠得率增大［15］；但當液料比過大時，溶劑消耗量增加，會造成濃縮過程果膠的損失，且會增加操作費用和溶劑成本，因此最佳的液料比為30∶1mL/g。

圖3　液料比對果膠得率的影響Fig.3　Effect of liquid to material on extraction yield of pectin

2.1.4提取時間對血柚皮果膠得率的影響由圖4中可以看出，果膠得率隨著提取時間地增加而增加，當提取時間為100min時，果膠得率達到最大，繼續增加提取時間，果膠得率反而下降。這是因為提取時間過短時，不利于果膠的水解，得率較低。隨著提取時間的延長，有利于血柚皮中果膠的水解，果膠得率增大；當提取時間達到100min時，得率達到最大；繼續增加提取時間，容易使得果膠分子的過度水解，造成了得率的下降，因此最佳的提取時間為100min。

圖4　提取時間對果膠得率的影響Fig.4　Effect of time on extraction yield of pectin

2.2響應面實驗結果

2.2.1響應面實驗結果及方差分析在單因素數據的基礎上，根據Box-Benhnken實驗設計原理，采用四因素三水平實驗設計，選取檸檬酸濃度（A）、提取溫度（B）、液料比（C）、提取時間（D）四個因素進行優化實驗，實驗因素和水平設計如表2所示，響應面分析及方差分析見表3。

表2　響應曲面實驗以及響應值Table 2　Experiment design and results of response surface method analysis

對表2數據進行二次多項式回歸擬合，得到回歸方程為：Y=18.74+0.093A+0.12B+0.072C-0.052D+ 0.25AB-0.37AC+0.37AD+0.35BC+0.040BD-0.10CD-0.36A2-0.24B2-0.32C2-0.24D2。

由表3可知，實驗模型的F值為6.43，p值為0.0007，表明該回歸模型達到極顯著水平，該方程的R2為0.8654，表明超過86.5%的實驗數據可應用該模型來擬合，說明該回歸模型可靠性高，方程的失擬項F值為1.29，p=0.4354＞0.05，表示模型的失擬度不顯著，說明該模型的預測值與實驗值能有較好的吻合度，可用該模型對血柚皮果膠得率進行預測與分析。AC、AD、BC、A2、B2、C2對響應值血柚皮果膠得率的影響極顯著（p＜0.01），AB、D2對響應值血柚皮果膠得率的影響顯著（p＜0.05），而A、B、C、D、BD、CD對響應值血柚皮果膠得率的影響均不顯著（p＞0.05）。在所選取的各因素水平范圍內，根據F值和p值可以判斷各工藝條件對血柚皮果膠得率的影響強弱，其中F值越大，說明作用影響越強（或p值越小，作用影響越強），影響因子的主效應主次順序為：提取溫度＞檸檬酸濃度＞液料比＞提取時間。

表3　響應曲面方差分析表Table 3　Variance analysis of regression equation

圖5　各兩因素交互作用對果膠得率的影響Fig.5　The effect of operating parameters on the extraction yield of pectin

2.2.2果膠得率的響應面分析利用Design-Expert 8.05b軟件處理得到所考察的各工藝因素交互作用的響應面圖見圖5。從圖5中可以直觀地反映出各工藝因素及其相互作用對響應值血柚皮果膠得率的影響。從圖5（b）中可以看出，其等高線為橢圓形，說明檸檬酸濃度和液料比交互作用顯著；響應面坡度較為陡峭，響應值隨檸檬酸濃度的變化率大于液料比的變化率，說明二者交互作用中檸檬酸濃度對果膠得率的影響大于液料比。而從圖5（e）中可以看出，其等高線偏圓形，說明提取溫度和提取時間交互作用不太顯著，響應值坡度相對平緩，響應值隨著提取溫度的變化率大于提取時間的變化率，說明二者交互作用中提取溫度對果膠得率影響大于提取時間。結合所有響應面圖分析，檸檬酸濃度和提取時間的交互作用最顯著，檸檬酸濃度和液料比，提取溫度和液料比，檸檬酸濃度和提取溫度，液料比和提取時間，提取溫度和提取時間等的交互作用依次減弱。其中提取溫度和檸檬酸濃度較液料比和提取時間對響應值的影響更大，各具體實驗因素的主次順序為提取溫度＞檸檬酸濃度＞液料比＞提取時間。

2.2.3驗證實驗及最佳提取工藝的確定根據回歸模型，利用Design-Expert 8.05b軟件對實驗結果進行分析，得到了檸檬酸輔助提取血柚皮果膠的最優化條件為：檸檬酸濃度1.53%，提取溫度82.79℃、液料比31.99mL/g、提取時間98.99min，在此條件下，得率可達18.79%。為方便實驗操作，將優化條件修正為：檸檬酸濃度1.5%，提取溫度82℃、液料比32∶1mL/g、提取時間99min，在此條件下重復實驗5次，實際測得得率為18.72%～19.04%，平均值為18.85%，與理論預測值相比，其相對誤差為0.32%，差異不顯著（p=0.4354＞0.05），說明該模型應用于檸檬酸法提取血柚皮果膠具有一定的實際指導意義。

3　結論

以果膠得率為指標，利用響應面分析法中的Box-Behnken實驗設計，對提取工藝條件進行了分析，得到了檸檬酸濃度、提取溫度、液料比、提取時間四個因素的二項式回歸模型。該模型能較好地對血柚皮果膠得率進行預測與分析，得到預測修正最佳工藝條件為：檸檬酸濃度1.5%，提取溫度82℃、液料比32∶1mL/g、提取時間99min，在此條件下進行5次平行實驗，實際得率為18.85%，相對誤差為0.32%，說明該模型對血柚皮果膠的提取條件優化合理可行，為工業化生產血柚皮果膠提供了一定的理論依據。

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Optimization of extraction techniques of pectin from blood pomelo peel by response surface methodology

CHEN Jian-xuan
（Zhangzhou Institute of Technology，Department of Food and Biology Engineering，Applied Technology Engineering Center of Fujian University for Further Processing and Safety of Agricultural Products，Zhangzhou 363000，China）

In order to optimize the process of extraction of pectin from blood pomelo peel.Based on the singlefactor experiments，Box-Benhnken design involving four factors as independent variables was used to set up a second order quadratic equation and the applicability of the model for the yield of pectin as function of citric acid concentration，temperature，liquid to material，time.Each variable and their interactions effects on the yield were studied by using Design-Expert software.The results showed that the effect order of four factors on the yield of pectin was as follows：extraction temperature，citric acid concentration，extraction temperature，liquid to material and extraction time.And the optimal extraction conditions of pectin from blood pomelo peel were：citric acid concentration 1.5%，temperature 82℃，liquid to material 32∶1mL·g-1，time 99min.The yield of pectin could be up to 18.85%，under the optimal extraction condition，the relative error was 0.32%compared to the predictive value，which indicated the feasible model fitted well with the experimental data.

citric acid；blood pomelo peel；pectin；extraction

TS201.1

B

1002-0306（2015）14-0282-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.049

2014－10－20

陳健旋（1964-），女，本科，副教授，研究方向：食品生物技術。

福建省中青年教師教育科研項目（JB14182）。