響應面法優化乳酸輔助提取菠蘿皮果膠的工藝研究

鄭振峰，施偉梅，曾 勤

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響應面法優化乳酸輔助提取菠蘿皮果膠的工藝研究

鄭振峰1,3，施偉梅2，*曾 勤1,3

（1. 漳州職業技術學院食品與生物工程系，福建，漳州363000；2. 贛南醫學院藥學院，江西，贛州 341000）3.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）

為優化乳酸輔助提取菠蘿皮果膠的工藝，在單因素實驗的基礎上，利用響應面法建立了菠蘿皮果膠提取工藝的二次響應面方程。實驗證實提取時間、乳酸濃度、液料比、提取溫度對菠蘿皮果膠提取率有不同的影響。結果表明，在實驗范圍內，各工藝條件對菠蘿皮果膠提取率的影響大小順序為：提取溫度> 乳酸濃度> 提取時間> 液料比。菠蘿皮果膠提取的最佳工藝參數：提取時間96 min，乳酸濃度8.25%，液料比25 mL·g-1，提取溫度74 ℃，在此條件下，菠蘿皮果膠提取率達8.47%，與預測值相對誤差為0.58%，驗證了該模型的有效性，表明該提取工藝條件合理可行。

菠蘿皮；果膠；乳酸；提取

菠蘿（學名：Ananas comosus），又名鳳梨，它是重要的水果之一，在我國福建、海南、廣東、廣西等地均有大面積種植[1]。目前，菠蘿以鮮銷為主，然而成熟的菠蘿貨架壽命短，不耐藏。為提高菠蘿的貨架壽命及附加產值，有人已將菠蘿加工成罐頭、果醬、蜜餞等產品[2]。漳州是我國的罐頭之鄉，每年在菠蘿罐頭加工過程中都會產生數以萬噸計菠蘿皮，由于技術的壁壘，菠蘿皮沒有得到有效的增值利用而造成極大的資源浪費和環境污染[3-4]。

果膠是植物細胞壁特有的物質，是一種天然多糖類高分子化合物，在食品、醫藥、化工等領域均有廣泛的應用[5-6]。菠蘿皮中含有豐富的果膠，已有一些文獻對菠蘿皮果膠的提取工藝進行了報道[7-8]。

乳酸是一種有機酸，具有很強的抑菌保鮮作用，因此利用乳酸提取后的果膠在抑菌、色澤、保質期等方面具有其它提取方法所沒有的品質[9]，但尚未有利用乳酸輔助菠蘿皮果膠進行提取的報道。本研究采用乳酸輔助對菠蘿皮果膠進行提取，并利用響應面法對提取工藝進行優化，以期得到一種可用于菠蘿皮果膠提取的工藝，為菠蘿皮的深開發利用提供理論基礎和科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菠蘿，購于漳州菜市場；乳酸，食品級，廣州智業化工有限公司；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。

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

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理

將菠蘿去皮，并將菠蘿皮切成塊狀、洗凈，將所得菠蘿皮置于90 ℃水中煮5 min，除去果膠酶，后用50 ℃溫水漂洗，除去可溶性糖、色素、有機酸等，晾干后，置于50 ℃烘箱中烘干，粉碎，過80目篩，保存備用。

1.2.1 菠蘿皮果膠的提取

稱取10 g的菠蘿皮粉，按設定的實驗工藝進行提取，提取完后，冷卻，離心，得上清液，并用旋轉蒸發儀將上清液濃縮，得到果膠提取液。邊攪拌邊加入等體積的無水乙醇，靜置，使果膠析出，抽濾得到沉淀，將沉淀置于50 ℃烘箱中烘干，得到果膠產品。菠蘿皮果膠提取率由下式計算[10]：

1.3 單因試驗

準確稱取菠蘿皮粉末10 g，在其他條件相同的條件下，分別采用不同的提取時間、乳酸濃度、液料比、提取溫度進行提取，以菠蘿皮果膠提取率為指標，考察各因素對提取率的影響。

1.4 響應面試驗設計

在單因素實驗的基礎上，利用Design-Expert 8.05b軟件，采用Box-Behnken中心組合原理，選取提取時間（A）、乳酸濃度（B）、液料比（C）、提取溫度（D）4個因素，以菠蘿皮果膠提取率為響應值，采用4因素3水平的響應面法進行優化，得到二次模擬回歸方程，以確定乳酸輔助菠蘿皮果膠的最佳工藝條件并進行驗證。因素與水平見表1。

表1 響應面分析因素與水平表

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 提取時間對果膠提取率的影響

固定乳酸濃度8%，液料比25 mL·g-1，提取溫度75℃的條件下，考察提取時間對菠蘿皮果膠提取率的影響，其結果如圖1所示。

由圖1中可以看出，果膠提取率隨著提取時間的延長而增加，但當提取時間超過90 min時，果膠提取率隨著時間的延長又開始下降，這是因為提取時間過短時，果膠不能充分水解成可溶性果膠，提取率較低，繼續延長提取時間，有利于果膠充分地水解，而使得果膠提取率增大，但提取時間過長時，容易造成部分果膠分子的裂解[11]而造成了果膠提取率的下降，因此最佳的提取時間應為90 min。

圖1 提取時間對果膠提取率的影響

2.1.2 乳酸濃度對果膠提取率的影響

固定提取時間90 min，液料比25 mL·g-1，提取溫度75 ℃的條件下，考察乳酸濃度對菠蘿皮果膠提取率的影響，其結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，果膠提取率隨著乳酸濃度的增加而增大，當乳酸濃度超過8%時，繼續增大乳酸的濃度，果膠提取率反而下降，這是因為乳酸濃度較低時，溶液中酸性較低，菠蘿皮中的果膠水解很慢，甚至無法轉化為水溶性果膠而使得果膠提取率較低，但當乳酸濃度較大時，溶液酸性較強，酸會促使果膠分子中甙鍵及酯鍵的水解，造成了果膠的脫酯裂解[12]，從而導致果膠提取率下降，因此最佳的乳酸濃度應選擇為8%。

圖2 乳酸濃度對果膠提取率的影響

2.1.3 液料比對果膠提取率的影響

固定提取時間90 min，乳酸濃度8%，提取溫度75 ℃的條件下，考察液料比對菠蘿皮果膠提取率的影響，其結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，果膠提取率隨著液料比的增加而增大，當液料比超過25 mL·g-1時，繼續增大液料比，果膠提取率反而下降。這是因為液料比較小時，溶劑較少，粘度大，果膠分子擴散速度較慢，果膠無法充分溶出而產率低[13]。但當液料比過大時，溶劑用量過大，會加大濃縮與沉淀過程的操作成本，且容易造成果膠的損失，因此最佳的液料比應選拔為25 mL·g-1。

圖3 液料比對果膠提取率的影響

2.2.4 提取溫度對果膠提取率的影響

固定提取時間90 min，乳酸濃度8 %，液料比25 mL·g-1的條件下，考察提取溫度對菠蘿皮果膠提取率的影響，其結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，果膠提取率隨著提取溫度的升高而增大，當提取溫度超過75℃時，繼續增加提取溫度，果膠提取率反而下降。這是因為隨著提取溫度的升高，體系粘度下降，促進了菠蘿皮中原果膠更快地溶出并水解為可溶性果膠，而使得提取率增加，但當溫度超過75℃時，體系溫度過高，部分耐熱性較差的果膠分子會發生水解而降解[14-15]，從而造成果膠提取率下降。因此，最佳的提取溫度應選擇為75℃。

圖4 提取溫度對果膠提取率的影響

2.2 響應面實驗結果與數據分析

2.2.1 回歸模型結果及方差分析

根據Box-Behnken中心組合設計原理，以果膠提取率為響應值，選取提取時間（A）、乳酸濃度（B）、液料比（C）、提取溫度（D）四個因素進行實驗設計，共29個方案，具體實驗方案和水平如表2所示，方差分析見表3。

表2 響應面分析方案及結果

表3 回歸模型方差分析

注： *表示差異顯著（<0.05）；**表示差異極顯著（<0.01）。

用Design Expert 8.05b軟件對表2數據進行回歸分析，得到二次多項式回歸方程為：Y = 8.47 + 0.16A + 0.19B + 0.041C-0.32D + 0.11AB-0.028AC-0.065AD+0.40BC-0.60BD-0.035CD-0.41A2-1.2B2- 0.99C2-1.65D2。由表3可以看出，該回歸模型的F值為30.90，< 0.0001，說明該回歸模型高度顯著，與實驗擬合好，誤差小，方法可靠；R2為0.9687，說明超過96.8%的實驗數據可應用該模型來擬合。方程的失擬項F值為3.71，為0.1088 > 0.05，說明該模型的失擬度不顯著，預測值與實驗值能有較好的吻合度，可用該模型對菠蘿皮果膠的提取進行預測與分析。一次項D，交互項BC、BD，二次項A2、B2、C2、D2對響應值影響極顯著（< 0.01），一次項A、B對響應值影響顯著（< 0.05），而一次項C，交互項AB、AC、AD、CD對響應值影響均不顯著（> 0.05）。在所選取的各因素水平范圍內，對菠蘿皮果膠提取率影響的大小順序為：提取溫度> 乳酸濃度> 提取時間> 液料比，即提取溫度對菠蘿皮果膠提取率的影響最為顯著。

2.2.2 響應面交互作用分析與優化

響應面方法的圖形是響應值Y與對應因素提取時間（A）、乳酸濃度（B）、液料比（C）、提取溫度（D）構成的三維空間等高圖，可以直觀反映出各因素及因素間相互作用對響應值的影響[16]。響應面結果圖見圖5~10。

響應面圖表現為曲線平滑，則說明該因素對果膠提取率影響不顯著；曲線越陡，則說明影響越顯著。因此，從圖5~10中可以看出，提取溫度對菠蘿皮果膠提取的影響最顯著，乳酸濃度次之，最后為提取時間和液料比；提取時間與乳酸濃度交互作用不顯著、提取時間與液料比交互作用不顯著、提取時間與提取溫度交互作用不顯著、乳酸濃度與液料比交互作用顯著、乳酸濃度與提取溫度交互作用顯著、液料比與提取溫度交互作用不顯著，與表3中交互項的F值及P值的分析結果相一致。

圖5 提取時間與乳酸濃度對果膠提取率的影響

圖6 提取時間與液料比對果膠提取率的影響

圖7 提取時間與提取溫度對果膠提取率的影響

圖8 乳酸濃度與液料比對果膠提取率的影響

圖9 乳酸濃度與提取溫度對果膠提取率的影響

圖10 液料比與提取溫度對果膠提取率的影響

2.2.3 驗證實驗

回歸模型預測的乳酸輔助提取菠蘿皮果膠的最佳工藝條件為：提取時間96.47 min，乳酸濃度8.25 %，液料比25.23 mL·g-1，提取溫度74.38 ℃，在此條件下菠蘿皮果膠提取率可達8.52 %，考慮到實際操作的便利性，將工藝條件修正為提取時間96 min，乳酸濃度8.25%，液料比25 mL·g-1，提取溫度74 ℃。在此條件下，進行五次平行驗證實驗，測得提取率8.45%~8.51%，平均值為8.47%，與預測值相比，其相對誤差為0.58%，驗證了該模型的有效性，說明利用響應面法對乳酸輔助提取菠蘿皮果膠的工藝優化具有一定的現實指導意義。

3 結論

以果膠提取率為指標，采用Box-Behnken中心組合實驗設計，通過響應面分析法得到了提取時間、乳酸濃度、液料比、提取溫度四個因素的二項式回歸模型。通過分析得到了乳酸輔助提取菠蘿皮果膠的最佳工藝條件為：提取時間96 min，乳酸濃度8.25%，液料比25 mL·g-1，提取溫度74 ℃，在此條件下進行5次平行驗證實驗，平均提取率為8.47%，與預測值相對誤差為0.58%，驗證了該模型的有效性，說明該模型對菠蘿皮果膠提取條件的優化合理可行，為菠蘿皮的開發與利用提供了的理論依據。

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OPTIMIZATION OF LACTIC ACID-ASSISTED EXTRACTION CONDITIONS OF PECTIN FROM PINEAPPLE PEEL BY RESPONSE SURFACE METHOD

ZHENG Zhen-feng1,3, SHI Wei-mei2,*ZENG Qin1,3

(1.Zhangzhou Institute of Technology, Department of Food and Biology Engineering, Zhangzhou, Fujian 363000, China; 2. College of Pharmacy, Gannan Medical University, Ganzhou, Jiangxi 341000, China)3. Applied Technology Engineering Center of Fujian University for Further Processing and Safety of Agricultural Products, Zhangzhou, Fujian 363000, China）

To well-utilized pineapple peel pectin, lactic acid-assisted extraction was applied for its extraction from pineapple peel. The single factor experiment and response surface method were used to optimize the effect of processing parameters on extraction yield of pectin such as time, lactic acid concentration, ratio of liquid to material and temperature, the different factors had different effects on the extraction yield of pectin. The results showed that the effect order of four factors on the pectin yield was as follows: temperature, lactic acid concentration, time and ratio of liquid to material. And the optimal extraction conditions of pectin from pineapple peel were: time 96 min, lactic acid concentration 8.25%, ratio of liquid to material 25 mL·g-1, temperature 74 ℃. The yield of pectin could be up to 8.47% under the optimal extraction condition, the relative error was 0.58% compared with the predictive value, which illustrated the feasible model fitted well with the experimental data. It showed that the conditions were reasonable and feasible.

pineapple peel; pectin; lactic acid; extraction

1674-8085(2015)04-0021-06

O 636.1+3/TS255.36

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.04.005

2015-04-11；修改日期：2015-05-23

福建省教育廳科技計劃項目（JA13389）；漳州職業技術學院科研計劃項目(ZZY1414)和科技公共服務平臺建設項目(ZZ2014078)

鄭振峰(1964-)，男，福建德化人，副教授，主要從事應用化學研究(E-mail:1171194487@qq.com);

施偉梅(1985-)，女，福建東山人，講師，碩士，主要從事天然產物化學及藥物監測(E-mail:maisi540@163.com);

*曾 勤(1964-)，女，福建廈門人，高級工程師，主要從事天然產物化學工藝研究(E-mail:1665241798@qq.com).