火龍果皮中果膠的提取工藝優化及理化性質分析

沈銳，趙壯志，*，李磊，謝青松，稅春玲

（1.重慶市永川食品藥品檢驗所，重慶402160；2.重慶醫科大學附屬永川醫院，重慶402160）

火龍果，仙人掌科量天尺屬植物。種子卵形，黑色，種臍小，果肉有白色、紅色和黃色?；瘕埞麪I養豐富、功能獨特，富含植物性白蛋白、花青素、維生素和水溶性膳食纖維?；瘕埞那锍墒?，味甜，多汁，果皮豐厚，果皮中果膠含量能達到30%以上，是果膠提取比較好的一種原材料。采取酸提醇沉法提取，是一種比較簡單、高效、提取到的果膠品質好的提取方法[1]。近幾年，有關火龍果皮果膠提取工藝優化的研究已有不少，但關于細化到響應面研究還比較少，當然目前關于兩種優化方法的選擇存在分歧，對比兩種試驗設計方法對火龍果皮中果膠提取，具有很好的參考價值[2-3]。

果膠作為一種食用級添加劑在輕工業中的運用越來越廣泛，世界范圍內果膠的年需求量也在每年以10%左右的增長率穩步增長中。果膠生產工藝在發達國家已經非常先進，除采用酸法、堿法、微波法提取外，近年來采取的酶分解法也在行業內發起了新一輪的技術革新。以丹麥、法國、美國為首的果膠生產企業承擔了世界超過80%的果膠生產量，除滿足本國需求外，出口亞洲國家是他們獲取利潤的主要方式[4]。亞洲以中國和日本對果膠的需求量最大，在中國提取果膠主要以蘋果渣提取為主，生產效能偏低，國內果膠超80%靠進口，日本國內果膠則全部依賴進口[5]。中國國產果膠的質量和產量是現今國內許多輕工業企業所關心的，開發果膠生產新工藝，利用我國豐富的果膠資源，提高生產率和質量已經越來越為迫切。特別是一些水果生產企業，將剩余的水果皮廢料生產果膠作為副產物，這樣一舉兩得即提高了企業的效益又增加了果膠的產量[6-7]。

1 材料和方法

1.1 材料和設備

火龍果：銅梁紅皮紅心火龍果；無水乙醇、鹽酸、硫酸、氫氧化鈉（均為分析純）：成都科龍試劑。

GRX-9076A電熱恒溫鼓風干燥箱、SHZ-B恒溫水浴鍋：上海龍躍儀器設備有限公司；TE216-L精密天平：德國賽多利斯；PHS-3C酸度計：上海佑科儀器儀表有限公司；MDJ-A01Y1食品粉碎機：廣東小熊電器有限公司；TG16-WS離心機：湘儀離心機儀器有限公司；LT-15-11-330馬弗爐：德國納博熱工業爐有限公司；T50自動電位滴定儀、FE20酸度計：梅特勒-托利多公司；ICE3000原子吸收分光光度計：賽默飛世爾科技有限公司；K-350水蒸氣蒸餾儀：瑞士步琦有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 果膠提取流程

取火龍果外皮，煮沸滅酶，再用去離子水漂洗3次至漂洗液無色，然后置于55℃烘箱中烘干，將烘干后的產品置食品粉碎機中粉碎過80目篩，得到果皮備用。調節pH值（用鹽酸調節pH值在3.0～5.0范圍）。恒溫浸提，浸提時間控制在80 min～160 min，溫度控制在40℃～60℃。用離心機進行固液分離，速度在3 000 r/min，時間5 min，收集上清液。待轉移出上清液后，在不斷攪拌下加入1.5倍體積的無水乙醇。將果膠醇沉溶液置于25℃室溫中靜置1 h，離心分離，收集離心沉淀，于55℃條件下干燥至恒重。

1.2.2 果膠提取率計算

火龍果皮果膠提取率的測定采用重量法，果膠提取計算公式

式中：p為果膠提取率，%；m為提取得到的果膠得質量，g；W為樣品火龍果皮的質量，g。

1.2.3 單因素試驗設計

1.2.3.1 液料比對果膠得率的影響

取備用果皮粉5.0 g，分別以液料比30∶1、35∶1、40 ∶1、45 ∶1、50 ∶1（mL/g）的量，加入經鹽酸調節 pH 值為4.0的去離子水，離心醇沉提取，浸提溫度50℃，提取時間120 min，乙醇終濃度60%，沉淀時間60 min。然后經過離心、洗滌、干燥計算果膠得率，確定適宜液料比。

1.2.3.2 pH值對果膠得率的影響

取備用果皮粉5.0 g，加去離子水使液料比為40∶1（mL/g），加鹽酸調節提取液pH值分別為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0，離心醇沉提取，浸提溫度 50 ℃，提取時間120 min，乙醇終濃度60%，沉淀時間60 min。然后經過離心、洗滌、烘干至質量恒定，計算果膠得率，確定適宜pH值。

1.2.3.3 浸提溫度對果膠得率的影響

取備用果皮粉5.0 g，加去離子水使液料比為40∶1（mL/g），加鹽酸調節提取液pH值為4.0，離心醇沉提取，浸提溫度分別為 40、45、50、55、60 ℃，提取時間120 min，乙醇終濃度60%，沉淀時間60 min。然后經過離心、洗滌、烘干至質量恒定，計算果膠得率，確定適宜浸提溫度。

1.2.3.4 提取時間對果膠提取率的影響

取備用果皮粉5.0 g，加去離子水使液料比為40∶1（mL/g），加鹽酸調節提取液pH值分別為4.0，離心醇沉提取，浸提溫度為50℃，提取時間分別為80、100、120、140、160 min，乙醇終濃度 60%，沉淀時間 60 min。然后經過離心、洗滌、烘干至質量恒定，計算果膠得率，確定適宜提取時間。

1.2.4 正交試驗

在單因素試驗分析基礎上，以果膠得率作為評價指標，進行四因素三水平的正交試驗，優化果膠提取工藝，正交試驗設計見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.5 響應面試驗

在單因素試驗分析基礎上，以果膠得率作為評價指標，采用Box-Behnken設計四因素三水平的響應面試驗，優化果膠提取工藝，響應面試驗設計見表2。

表2 響應面分析因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface methodology

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 液料比對火龍果果皮果膠得率的影響液料比對果膠得率的影響見圖1。

圖1 液料比對果膠得率的影響Fig.1 Effects of the liquid material ratio on extraction yield of pectin

由圖1可知，隨著液料比的增大，果膠提取率在增加，當液料比 40∶1（mL/g）以后，果膠率達到頂點，之后緩緩下降。這可能是當提取液用量太小的時候，不能完全溶解物料和提取物，同時提取液黏度較大，影響后續過濾操作；而當提取液量太大，果膠在溶液中濃度太稀，使得醇沉時無法充分析出，導致果膠提取率較低。因此，液料比選擇40∶1（mL/g）為宜。

2.1.2 pH值對果膠提取率的影響

pH值對果膠提取率的影響見圖2。

圖2 pH值對果膠提取率的影響Fig.2 Effects of pH on extraction yield of pectin

由圖2可知，pH值過低時，溶液極性較強，對果膠分子甙鍵和酯鍵斷裂，果膠發生解聚。隨pH值上升，酸性條件下，果膠轉化為水溶性果膠，果膠提取率上升，但是pH值進一步上升，果膠轉化為果膠酸，穩定性下降，得率降低。綜合以上，選擇pH值為4.0。

2.1.3 浸提溫度對果膠提取率的影響

浸提溫度對果膠提取率的影響見圖3。

由圖3可知，隨著浸提熱處理中，果膠會發生脫甲基和β消除兩種非酶反應，原果膠水解成可溶果膠，但是隨著溫度的升高，β消除反應速率不斷升高，果膠降解，果膠得率下降。綜合以上，選擇浸提溫度50℃為宜。

圖3 提取溫度對果膠提取率的影響Fig.3 Effects of extraction temperature on extraction yield of pectin

2.1.4 提取時間對果膠提取率的影響

提取時間對果膠提取率的影響見圖4。

圖4 提取時間對果膠提取率的影響Fig.4 Effects of extraction time on extraction yield of pectin

由圖4可知，隨著提取時間的增大，果膠質得到充分的水解，溶解為水溶性果膠，隨著提取時間過長，在酸性條件下，果膠降解，產率降低。綜合以上，選擇提取時間為120 min為宜。

2.2 正交試驗結果

為確定果膠提取最佳工藝參數，在單因素的試驗結果基礎上，選取四因素三水平L9（34）設計正交試驗表，正交試驗方案和結果見表3，以果膠的得率作為評價指標，對試驗結果進行分析，確定火龍果果膠最佳工藝條件。

續表3 正交試驗結果Continue table 3 Experimental design and result of orthogonal method

由極差R分析可知，各因素影響主次順序為C＞A＞D＞B最佳工藝組合為A2B2C1D2，即火龍果皮果膠提取工藝的最佳條件為：液料比 40 ∶1（mL/g）、pH4.0、提取時間100 min、提取溫度50℃。分別用正交試驗最佳工藝條件進行6組試驗，果膠的提取率平均提取率為33.04%。從正交結果可知，提取時間對結果影響較大。

2.3 響應面試驗結果

2.3.1 響應面試驗結果

響應面試驗結果見表4，用Design-Expert 8.0.6對表中數據進行分析，得到回歸模型方程（2），方差分析見表5。

續表4 響應面法的試驗設計與結果Continue table 4 Experiment design and results of response surface method analysis

表5 回歸模型方差分析表Table 5 Variance analysis of regression model

由表 5 可知，失擬項 F=4.84，p=0.071 1＞0.05，差異不顯著，模型擬合較好；模型 F=105.26，p＜0.000 1，達到極顯著，回歸方差模型高度顯著的，說明試驗誤差小，可以用此模型對果膠工藝進行分析和預測。影響方程的因素中B和BC差異不顯著，CD差異顯著，其余各因素及各因素交互作用的p值均小于0.01，差異均為極顯著。根據各因素F值的大小可知，各因素主效應關系為：C（提取時間）＞A（液料比）＞D（提取溫度）＞B（pH）。

2.3.2 交互作用分析

各因素交互作用對果膠提取率影響的響應曲面圖見圖5。

圖5 各因素交互作用對果膠提取率影響的響應曲面圖Fig.5 Three-dimension response surface plot of the combined effects of each factor on the extraction rate of pectin

響應面3D圖和等高線圖直觀的展示了每個因素對預測值的影響，以及各因變量之間的交互作用。如等高線圖中為橢圓，則說明兩個因變量之間相互影響顯著，而圓形則相反，說明兩因變量獨立變化，交互作用不明顯。圖5直觀的反應了4個因素之間的交互關系，從響應面的最高點可以看出，在所選范圍存在極值。因素間交互作用強弱可以通過對響應面曲面坡度的陡度和等高線觀察得出，同時可以看出因素對響應值的影響大小。將其中任意兩個因素固定在零水平，觀察另外兩個因素對響應值的影響。以圖5（a）為例，固定提取時間和提取溫度，當液料比處于低水平的時候，果膠提取率隨溶液pH值的增大先增大后下降，當液料比處于高水平的時候，果膠提取率隨溶液pH值的增大先緩緩增大后緩緩下降，當處于溶液pH值低水平的時候，果膠提取率隨液料比的增大而下降，當溶液pH值處于高水平的時候，果膠提取率隨液料比的增大先增大后下降。由此類推可知圖5中（b）（c）（d）（e）（f）兩因素影響作用，等高線為橢圓知 AB、AC、AD、BD、CD兩兩交互作用顯著，而（d）圖等高線接近于圓形，說明BC交互作用不顯著，由此可看出與方差分析具有一致性。

響應面試驗結果，根據所得到的模型，運用Design-Expert 8.0.6軟件對模型進行分析，預測出酸醇沉提取法最佳工藝條件為：液料比38.93∶1（mL/g），溶液pH 4.07，提取時間105.06 min，提取溫度50.84℃，預測最佳提取率為36.01%。綜合考慮正交和響應面試驗結果，結合實際操作的便利，將最佳工藝條件調整為：液料比 39 ∶1（mL/g），，溶液 pH4.0，提取時間 105 min，提取溫度51℃。在最佳工藝條件下進行6次平行實驗，果膠提取率平均值為35.41%，與理論預測值基本吻合，說明了回歸方程的預測值與試驗值之間具有較好的擬合度。

2.4 正交試驗和響應面試驗優化效果比較

通過兩種方法用于優化火龍果皮中果膠提取的結果可以看出，正交試驗法是從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗并進行極差分析，以獲得最優的因素組合，它是一種快速經濟的試驗設計方法，具有簡單易行的特點，但是不可能像全面試驗一樣對各因素效應、交互作用進行一一分析，當有交互作用存在時，可能出現交互作用混雜，因此它不能在整個區域上找到因素和響應值之間的一個明確的函數表達式（即回歸方程），也就無法找到整個區域上因素的最佳組合和響應值的最優值。而響應面法則是給出兩個極值，通過爬坡試驗等獲得其范圍內最優的條件組合，并且能夠反映各因素之間的交互作用，與正交試驗法相比更加精確和直觀。響應面法雖然試驗次數較多，但能夠在整個區域上進行連續的分析，找出最合適的條件，試驗精度較高。

2.5 火龍果皮果膠理化性質

表6所有項目均參照國家強制標準GB 25533-2010《食品添加劑果膠》中涉及的方法對提取的樣品進行檢驗[8-9]。

表6 果膠制品質量特征Table 6 Quality characteristics of pectin products

從表6可以看到該品各項指標高于果膠標準，特別是總半乳糖醛酸含量為97.11%，證明果膠純度較好。

3 結論

以火龍果皮為果膠提取原料，采用以酸提取為基礎結合加熱提取，最后乙醇沉淀的方法提取果膠，通過單因素、正交、響應面綜合分析。試驗結果為正交試驗結果，根據所得到的模型，運用正交計算表對模型進行分析，預測出酸醇沉提取法最佳工藝條件為：液料比 40 ∶1（mL/g）、pH4.0、提取時間 100 min、溫度 50 ℃。用正交試驗最佳工藝條件進行6組試驗，果膠的提取率平均提取率為33.04%。

兩種試驗設計方法得出的最佳工藝條件，進行的6次平行試驗，響應面提取率更高，增加了7.1%的提取率，僅僅從提取率看，響應面優勢明顯，提取率明顯增加。

參考文獻：

[1]Kalapathy U,Proctor A.Effect of acid extraction alcohol precipitation on the yield and purity of soy hull pectin[J].Food Chemistry,2001,73(4)：393-396

[2]TangPY,WongCJ,WooK K.Optimization of pectin extraction from peel of dragon fruit(Hylocereus polyrhizus)[J].Asian Journal of Biological Sciences,2011,4(2)：189-195

[3]K K Woo,Y Y Chong,S K Li Hong et al.Pectin Extraction and characterization from red dragon fruit[J].Journal of Biological Sciences,2010,10(7)：631-636

[4]王云帆,張磊,林文啟.重慶奉節臍橙果皮中果膠提取工藝優化研究[J].食品工業,2012(5)：7-10

[5]韓鵬,黃雨欣,李雪梅,等.植物蛋白酶提取檸檬皮果膠[J].食品研究與開發,2015,36(4)：54-57

[6]宋賢良,張星啟,蔡純,等.菠蘿蜜皮果膠酸提醇沉工藝優化及其結構分析[J].南方農業學報,2015,46(4)：664-668

[7]Norazelina Sah Mahd,wasmail,Nazaruddin Ramli.Extraction and characterization of pectin from dragon fruit using various extraction conditions[J].Sains Malaysiana,2012,41(1)：41-45

[8]中華人民共和國衛生部.GB 25533-2010食品添加劑果膠[S].北京：中國標準出版社,2011

[9]Ruzainah Ali Jaafar,Ahmad Ridhwan Bin Abdul Rahman,Nor Zaini Che Mahmod,et al.Proximate analysis of dragon fruit(Hylecereus polyhizus)[J].American Journal of Applied Sciences,2009,6(7)：1341-1346