响应面设计一微波法提取沙溪蜜柚皮残渣中的果胶

张馨文１，黄 艺１，陈文龙１，王维淑１，阮尚全１，２

（１．内江师范学院化学化工学院，四川 内江 ６４１１１２；２．四川省高等学校果类废弃物资源化重点实验室，四川 内江 ６４１１１２）

摘要：以提取黄酮后的沙溪蜜柚果皮残渣为原料，考察了ｐＨ、微波功率、料液比及提取时间对果胶得率的影响，通过Ｂｏｘ－Ｂｅｈｎｋｅｎ中心组合设计及响应面分析法，确定了提取最佳工艺条件为ｐＨ １．０、微波功率２５０ Ｗ、料液比为１∶３５（ｇ∶ｍＬ）、提取时间为２．５ ｍｉｎ，在此试验条件下果胶得率达到２６．３６％，与模型预测值２６．２３％的相对误差为０．５０％，表明该试验模型可以较好地预测提取结果。所得产品半乳糖醛酸含量为７６．９０％，含水率为１０．３０％，说明该方法可用于提取沙溪蜜柚果皮残渣中的果胶。

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关键词 ：柚皮残渣；微波；果胶；响应面设计

中图分类号：Ｓ６６６．３；ＴＱ４３２．７＋１ 文献标识码：Ａ 文章编号：０４３９－８１１４（２０１５）０４－０９３１－０４

ＤＯＩ：１０．１４０８８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ０４３９－８１１４．２０１５．０４．０４０

收稿日期：２０１４－０７－２５

基金项目：地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（２０１３１０６４０００７）；四川省教育厅自然科学基金资助重点项目（１３ＺＡ０００４）

作者简介：张馨文（１９９１－），女，四川南充人，在读本科生，研究方向为天然产物分离分析，（电话）１８２８０９３２９４４（电子信箱）１３５８４４６３２４＠ｑｑ．ｃｏｍ；

通信作者，阮尚全（１９６３－），男，四川内江人，高级实验师，主要从事天然产物分离及应用研究，（电话）１３６９６０６７７１９（电子信箱）ｒｓｑ２００９ｎｊ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。

中国是柑橘生产大国，在水果食用尤其是加工的过程中，产生大量的果皮、果渣、果核、果子等废弃物，是有重要经济价值的物质资源，从其中提取分离皮甙、黄酮、果胶、香精油、色素等天然成分已受到广泛关注［１－３］。果胶类物质广泛存在于植物中，与纤维素和半纤维素交联在一起，主要存在于细胞壁的水溶性膳食纤维，因其具有良好的凝胶、乳化、增稠、稳定等特性而在食品、轻工、医药、环境等领域广泛应用，被ＦＡＯ／ＷＨＯ联合委员会推荐为公认安全的食品添加剂［４－７］。目前提取果胶的方法主要有酸萃取法、碱萃取法、酶法、离子交换法、表面活性剂增效法、微生物法、微波法、超声波法以及各种技术的联合使用等［８－１３］。果胶的沉淀方法主要有醇沉淀法［１４］和盐析法［１５］。沙溪蜜柚是四川省内江资中县新天地绿色开发有限公司培育品种，维生素Ｃ含量为３５～６８ ｍｇ／１００ ｍg，富含维生素Ｂ１、Ｂ２和磷、铁、镁、锌、钠、硒、氨基酸、胡萝卜素、玉米黄质等，年产量超过１ ５００ ｔ。蜜柚单果重１．２５～５．００ ｋｇ，果皮厚０．９５ ｃｍ左右，可食率６３％～７２％，食用和榨汁后果皮渣废弃物由于缺乏相应的技术研究，果皮一般通过丢弃或填埋处理，造成很大的资源浪费和环境压力，其果皮渣中大量的活性物质具有进一步开发的价值。试验以蜜柚皮提取黄酮后的残渣为原料［１６］，采用微波法提取了其中的果胶，建立了提取的数学回归模型，为综合利用沙溪蜜柚资源提供了理论依据。

１ 材料与方法

１．１ 材料

沙溪蜜柚采自四川资中县，洗净取皮，按文献［１６］提取总黄酮，残渣烘干粉碎备用。准确称取２．０００ ｇ的残渣粉于提取瓶中，加入一定量去离子水，调节ｐＨ，在一定微波功率下提取一定时间后，于循环水真空泵上抽滤分离滤液和残渣，滤液浓缩后加入适量乙醇沉析，所得果胶于真空干燥箱中烘干，即得果胶产品。按文献［１７］测定产品含水率，按文献［１８］测定总半乳糖醛酸含量。

１．２ 主要仪器与试剂

ＵWａｖｅ－１０００型微波－紫外－超声波三位一体合成萃取反应仪（上海新仪）；ＤＦＴ－１００型中药粉碎机（温岭）；电子分析天平（赛多利斯）；Ｓｔａｒｔｅｒ ３Ｃ实验室ｐＨ计（上海奥豪斯）；ＳＨＢ－Ｂ９５型循环水真空泵（郑州长城）；真空干燥箱（上海精宏）。无水乙醇（ＡＲ）、ＨＣｌ（ＡＲ）。

１．３ 单因素试验

准确称取２．０００ ｇ提取黄酮后的蜜柚皮残渣烘干粉，考察料液比（ｇ∶ｍＬ，下同）、ｐＨ、微波功率、微波提取时间对果胶得率的影响。

２ 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 pH对果胶得率的影响 在料液比１∶２０、微波功率２５０ Ｗ、微波提取时间２.0 ｍｉｎ时，考察ｐＨ分别为１．０、１．５、２．０、２．５、３．０对果胶得率的影响（图１）。由图１可知，在ｐＨ低于２．０时，果胶得率随ｐＨ增大而增加，ｐＨ为２．０时最大，之后随ｐＨ的增大而降低。因此确定ｐＨ为２．０最佳。

２．1.２ 微波功率对果胶得率的影响 在料液比１∶２０、ｐＨ ２．０、微波提取时间２.0 ｍｉｎ时，考察微波功率分别为１５０、２００、２５０、３００、３５０ Ｗ对果胶得率的影响（图２）。由图２可知，随着微波辐射功率的提高，柚皮细胞的破碎程度会增大，同时萃取液的温度提高，促使柚皮中的果胶更快地溶出。但功率过高时，柚皮中的果胶水解也加剧，使得果胶降解加快而得率下降。因此确定最佳功率为２００ Ｗ。

2.1.3 料液比对果胶得率的影响 在ｐＨ ２．０、微波功率２００ Ｗ、微波提取时间２.0 ｍｉｎ时，考察料液比分别为１∶１０、１∶１５、１∶２０、１∶２５、１∶３０、１∶３５、１∶４０对果胶得率的影响（图３）。由图３可知，料液比过大不利于果胶转移到液相中，提取后的物料黏度较大，不易过滤，果胶残留较多，不能提取完全，得率偏低；料液比过小，果胶在提取液中浓度小，滤液浓缩时间较长，乙醇消耗量大，醇沉效果不理想，因此确定最佳料液比为１∶２５。

２．1.４ 微波提取时间对果胶得率的影响 在料液比１∶２５，ｐＨ ２．０，微波功率２００ Ｗ时，考察微波提取时间分别为１．０、１．５、２．０、３．０、３．５ ｍｉｎ对果胶得率的影响（图４）。由图４可知，随着微波作用时间增加，果胶溶出量增加，得率增加；当提取时间为２．５ ｍｉｎ时，果胶得率达到最大值。之后随着微波作用时间延长果胶得率降低。可能是在微波的作用下系统内温度升高，细胞壁破裂，果胶溶出量增加。但微波作用时间过长以及长时间高温，会使果胶降解，从而降低得率。因此确定最佳微波时间为２．５ ｍｉｎ。

２．２ 响应面试验结果

２．２．１ 试验结果及方差分析 结合单因素试验结果，固定微波时间为２．５ ｍｉｎ，以提取ｐＨ（Ａ）、微波功率（Ｂ）、料液比（Ｃ）３个因素为自变量，果胶得率（Ｒ１）为响应值进行试验设计，因素与水平见表１，试验结果见表２。应用响应面设计软件对得率与提取参数之间的关系进行了拟合分析得到二次多项回归模型为：Ｒ１＝１７．６０－６．２９Ａ＋０．６６Ｂ＋２．２７Ｃ－０．７７ＡＢ＋０．４５ＡＣ＋０．６８ＢＣ－３．０７Ａ２＋０．６０Ｂ２＋０．８８Ｃ２。

试验通过Ｄｅｓｉｇｎ－Ｅｘｐｅｒｔ ８．０．６软件分析，Ｒ２＝０．９２０ ０，说明模型值与试验值吻合好，方程回归效果较好。校正系数Ｒ２Ａｄｊ＝０．８１７ ２，说明８１．７２％的响应值的变化可以由建立的模型解释，柚皮残渣中果胶的得率变化规律具有统计学意义，可以用以优化其中果胶提取的工艺。由表３还可知，Ａ因素影响极显著（Ｐ＜０．０１），Ｃ、Ａ２显著（Ｐ＜０．０５），其余项不显著，模型极显著（Ｐ＜０．０１），失拟项不显著（Ｐ＞０．０５）。从Ｆ值可以看出各因素对沙溪蜜柚柚皮残渣中果胶得率的影响主效关系为ｐＨ＞料液比＞微波功率。

２．２．２ 响应曲面分析 试验所得到的二次回归方程的响应曲面如图５至图７所示。由图５可知，ｐＨ对果胶得率的影响显著，当微波功率不变时，随着ｐＨ的减小，响应曲面陡增，果胶得率显著增大。在ｐＨ一定时，随着微波功率的增大，响应曲面变化平坦，果胶得率增幅变化不大，两者交互作用下ｐＨ的影响占主导地位。由图６可知，酸度较高使得果胶和纤维素结合的复合结构水解，果胶溶出，提高果胶得率，其影响较料液比使曲面更为陡峭，即在料液比一定时随着酸度的增大，果胶得率显著增大，ｐＨ对果胶得率的影响较料液比更显著。由图７可知，在ｐＨ一定时，降低料液比及提高微波功率都有利于果胶的提取，且这２个因素对果胶的影响程度相近。

２．２．３ 验证试验 经软件分析得到，当微波作用时间为２．５ ｍｉｎ时，最佳提取条件为ｐＨ １．０、微波功率２５０ Ｗ、料液比为１∶３５，预测果胶得率为２６．２３％。该条件下进行５个平行验证试验，结果为（２６．３６±０．３３）％，与预测值吻合程度较好，相对误差０．５０％。所得产品含水率为１０．３０％，总半乳糖醛酸含量为７６．９０％，表明试验设计合理，从而证明了此模型合理可靠，有实际应用价值。

３ 结论

利用微波辐射在沙溪蜜柚皮提取黄酮后的残渣中提取了果胶。通过单因素考察以及Ｂｏｘ－Ｂｅｈｎｋｅｎ中心组合设计，建立了提取的试验模型。当提取时间２．５ ｍｉｎ时，最佳提取条件微波功率２５０ Ｗ、ｐＨ １．０、料液比为１∶３５，此时果胶得率可以达到２６．３６％，与模型预测值２６．２３％的相对误差为０．５０％。研究结果说明该工艺模型可用于沙溪蜜柚皮提取黄酮后的残渣中果胶提取的预测，为开发和综合利用沙溪蜜柚果皮渣提供了一个较好的处理方案，减轻了环境的压力，同时也增加了沙溪蜜柚的综合效益，为工业利用沙溪蜜柚废弃物提供了理论依据。

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（责任编辑 龙小玲）