苹果渣果胶提取工艺优化及碱法降酯效果评价

曲昊杨，朱文学*，刘 琛，张金迪，吴建业

（河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471003）

摘 要：以苹果渣为原料，分别采用正交试验和响应面分析的方法，优化提取低酯果胶的工艺条件。结果表明，提取果胶的最佳条件为提取温度95 ℃、提取时间120 min、料液比1∶20（g/mL）、提取水解体系pH 1.5，该条件下高酯果胶得率为6.07%，且4 个因素对高酯果胶得率的影响强弱为料液比＞提取体系pH值＞提取温度＞提取时间。碱法脱酯降甲酯度的最佳条件为处理温度15 ℃、处理时间25.33 min、体系pH 9.87，在此条件下，低酯果胶的得率为5.14%，3 个因素对低酯果胶得率的影响强弱为处理体系pH值＞处理时间＞处理温度。碱法降甲酯度效果的最佳条件为处理温度15 ℃、处理时间30.64 min、处理体系pH 10.14。在此条件下，果胶酯化度为38.26%，3 个因素对果胶酯化度的影响强弱为处理体系pH值＞处理温度＞处理时间。

关键词：果胶；正交试验；响应面试验；提取；碱法降酯

Pectin from Apple Pomace: Optimization of Extraction Process and Alkali Deesterification

QU Hao-yang, ZHU Wen-xue*, LIU Chen, ZHANG Jin-di, WU Jian-ye

(College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Abstract: Low methoxy pectin (LMP) was prepared from apple pomace through pectin extraction and alkali deesterification in this study. The extraction and alkalization processes were optimized by using orthogonal array design and response surface methodology, respectively. The extraction yield of high methoxy pectin (HMP) was 6.07% under the optimal experimental conditions of 95 ℃, 120 min, 1:20 (g/mL) and 5 for temperature, extraction time, solid-to-solvent ratio and pH, respectively. The significance of the four extraction parameters in affecting the extraction process was ranked in decreasing order as follows: solid-to-solvent ratio ＞ pH ＞ temperature ＞ time. The optimal deesterification conditions that provided maximum LMP yield (5.14%) were found to be alkalization at pH 9.87 for 25.33 min at 15 ℃, and the influence of the reaction conditions on LMP yield was in decreasing order: pH ＞ time ＞ temperature. In contrast, the optimal alkalization temperature, time and pH for achieving minimum degree of esterification (38.26%) for deesterified pectin were 15 ℃, 30.64 min
and 10.14, respectively, and the degree of esterification was affected in decreasing order by pH, temperature and time.

Key words: pectin; orthogonal array design; response surface methodology; extraction; alkalideesterification

中图分类号：TS202.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）14-0087-06

doi:10.7506/spkx1002-6630-201414017

我国是全球最大的苹果汁生产国[1]，苹果渣作为果汁生产中主要的下脚料，占加工量的20%～25%[2]，且苹果渣中果胶含量丰富，约为15%，具有很高的利用价值[3-4]。果胶是天然的食品添加剂，不仅可以作为稳定剂、乳化剂和增稠剂，而且还具有降血糖、降血脂及降胆固醇的作用，因此对苹果渣的开发利用具有重要的意义[5]。根据其分子链中半乳糖醛酸甲酯化比例的高低，果胶可分为低酯果胶（酯化度小于50%）和高酯果胶（酯化度大于50%）[6]。其中，高酯果胶由于受分子结构的影响，在发挥其凝胶作用和增稠作用时必须与高浓度的糖或其他盐类成分等可溶性固形物相配合，同时需要一定的体系酸度条件，从而在很大程度上限制了其应用范围[7-8]；与高酯果胶不同，低酯果胶在应用中不受pH值和可溶性固形物含量的限制，更符合目前低糖低热量的消费需求，其应用前景比高酯果胶更为广阔[9-10]。然而，低酯果胶的研究主要集中在其凝胶性能等性质研究上[11-13]。由于产量和工艺条件复杂程度的限制，有关从原料中直接提取低酯果胶的研究报告很少见。本研究以工业生产果汁后剩余的苹果废渣为原料，在提取出高酯果胶后对其进行降酯处理[14]，从而在提取流程后直接性得到低酯果胶，确定了关键的工艺参数，合理的利用了工业废料，不仅为低酯果胶的工业生产提供了参考，且具有很高的实用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苹果渣由海升果汁公司灵宝分公司提供。

盐酸、浓硫酸、柠檬酸（分析纯） 西安化学试剂厂；氢氧化钠（分析纯） 天津开发区海光化学制药厂；无水乙醇（分析纯） 西安三浦精细化工厂；咔唑 天津市德恩化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

RE-52旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；HH-S6数显恒温水浴锅 金坛市医疗仪器厂；DHG-9146A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏试验设备有限公司；211型pH计 上海天达仪器有限公司；UV-2000紫外-可见分光光度计 上海尤尼柯有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理[15]

果渣在30～40 ℃条件下浸泡洗涤，洗去灰尘沙土和其他杂质后70 ℃烘干，粉碎过60 目筛。

1.3.2 果胶提取条件单因素试验

以提取温度、提取时间、提取pH值、料液比为单因素试验条件，固定其中3 个条件，分别考察提取pH值（1～3）、料液比（1∶30～1∶10，g/mL）、提取温度（75～95 ℃）、提取时间（30～150 min）对果胶得率的影响，每个单因素试验重复3 次取平均值。

1.3.3 正交试验设计[16]

在单因素试验基础上，以提取温度、提取时间、料液比和提取体系pH值为4 个因素，按L9（34）进行正交试验，每个试验组重复3 次，最后以果胶得率确定最佳提取工艺条件，并进行验证实验。

1.3.4 碱法降酯条件单因素试验

在以上最佳条件下提取出果胶-盐酸混合液中直接加入1 mol/L的NaOH溶液。以处理温度、处理时间、处理pH值为单因素条件，固定其中两个条件分别考察处理pH值（9～13）、处理温度（5～25 ℃）、处理时间（15～75 min）对果胶得率的影响，每个单因素试验重复3 次取平均值绘制单因素影响变化曲线。

1.3.5 响应面试验设计

根据单因素试验结果和Box-Behnken试验设计原理[17]，选取处理pH值、处理温度、处理时间3 个因素，设定3 水平，以果胶得率和酯化度两个指标为响应值进行响应面设计试验。

1.3.6 沉淀

用与提取液等体积的95%乙醇溶液沉淀果胶15 min，然后用75%乙醇溶液反复洗涤，经过滤后置于热风干燥箱中75 ℃烘干，粉碎备用。

1.3.7 果胶得率及酯化度的计算

果胶酯化度：按照QB 2484—2000《食品添加剂：果胶》中的方法测定[18]；果胶的半乳糖醛酸含量：用咔唑比色法测定[19]；果胶得率的计算：采用质量法，即干燥后果胶中半乳糖醛酸的质量占苹果皮渣质量的百分比，计算公式如下：

式中：m1为干燥后果胶的质量/g；m0为干燥苹果渣的质量/g；G为半乳糖醛酸占比/%。

2 结果与分析

2.1 果胶提取工艺条件优化

2.1.1 提取工艺条件的选择

图 1 提取温度（A）、提取时间（B）、料液比（C）和
提取体系pH值（D）对果胶提取效果的影响

Fig.1 Effect of extraction conditions on the extraction efficiency of pectin

在果胶的提取工艺中，以提取温度、提取时间、提取pH值、料液比等条件影响最大。通过对这4 种单因素条件的分析后得知，果胶得率首先会随着温度的升高而逐渐增高，到达85 ℃时提取效率达到一个稳定区间，温度继续升高提取效率不会有明显增加（图1A），其原因是由于温度过高导致部分果胶分子结构遭到破坏，从而导致提取的果胶在增多，但同时也有部分分解，从而形成了一个平衡。随着提取时间的延长，果胶得率明显增加，至90 min时得率达到最高（图1B），然而随着时间的进一步延长，由于反应体系中的水分蒸发发过多，导致反应环境中提取pH值发生变化，使果胶得率下降。由图1C可知，料液比达到1∶20（g/mL），提取效率为最佳，此后随着提取液用量的增大，果胶得率逐渐下降，可能是由于提取液用量增加后，体系中酸液所占比例的增加，使提取过程中挥发导致的体系pH值不平衡更为明显。此外，果胶得率随着体系pH值的增高而逐渐升高，提取pH值为1.5时提取效果最佳。随后果胶得率则出现缓慢下降（图1D）。

2.1.2 正交试验结果及分析

根据单因素试验结果，以果胶得率为参考指标，对提取温度（A）、提取时间（B）、料液比（C）和提取提取体系pH值（D）设计L9（34）正交试验，见表1。由试验结果和极差分析可知，最优组合为A3B3C3D1，即提取温度95 ℃、提取时间120 min、料液比1∶20（g/mL）、pH 1.5。试验因素对果胶得率的影响大小关系是：料液比＞提取体系pH值＞提取温度＞提取时间。

表 1 果胶提取正交试验设计及结果

Table 1 Design and results of orthogonal array design for pectin extraction

经过方差分析（表2），料液比和提取体系pH值对果胶得率的影响极显著，提取温度对果胶得率的影响显著，而提取时间对果胶得率的影响不显著，根据P值结果同样可以反映出因素之间的对果胶得率影响大小的关系，即料液比＞提取体系pH值＞提取温度＞提取时间。

表 2 方差分析

Table 2 Analysis of variance (ANOVA) for pectin yield with extraction conditionse

注：**.差异极显著，P＜0.01；*.差异显著，P＜0.05。下同。

2.1.3 验证实验

根据正交试验得到的最优组合进行验证实验，果胶平均得率为6.07%，优于正交试验中任何一组的平均值，且果胶酯化度为64.1%，大于50%。

2.2 果胶降酯条件的优化

2.2.1 碱法降酯单因素试验结果及分析

由于选择了果胶得率和果胶酯化度两个响应值，故单因素试验只能选择一个指标的变化趋势作为选取因素水平的标准，本试验选择果胶得率为单因素试验标准。

图 2 处理温度（A）、处理时间（B）、处理体系pH值（C）对
果胶提取效果的影响

Fig.2 Effect of alkalization conditions on pectin yield

图2A表明，随着处理温度的升高，果胶得率没有显著的升高，当处理温度为10 ℃时处理效果最好，处理温度再升高，果胶得率会随之下降，其原因可能是在低温环境下有利于果胶在碱液中进行脱酯反应，当温度高于10 ℃后反应脱酯反应进行缓慢，而β消去反应活跃，破坏果胶分子结构[20]。图2B表明，处理时间在30 min以内时果胶得率可以保持稳定，超过30 min后果胶得率随着处理时间的延长而下降，可能是因为果胶在碱性环境下的降酯反应和β消去反应时同时进行的，随着处理时间的延长，高酯果胶被逐步降酯，降酯速度越来越慢，而β消去反应却在一直进行，导致果胶得率的下降。由图2C可以看出，随着处理体系pH值的增大，果胶得率随之增加，当处理体系pH值为10时处理所得的果胶得率为最佳，随着pH值的继续增加，果胶得率降低，可能原因是降酯体系碱性较弱时，有利于果胶的脱酯反应，当碱性增强时，脱脂反应进行不顺利，而果胶的分子结构在此环境中遭到破坏。

2.2.2 碱法降酯响应面试验结果及分析

2.2.2.1 果胶得率

表 3 碱法降酯响应面分析方案及试验结果

Table 3 Experimental design and results for response surface analysis for pectin deesterfication

根据表3的结果，运用Design-Expert 8.0.6软件对表4中的试验数据进行多元拟合回归，得到回归方程：果胶得率/%=－57.04－0.2A＋0.13B＋12.69C－2.63×10－3AB＋0.05AC＋3×10－3BC－9.74×
10－3A2－2.3×10－3B2－0.68×10－3C2。该模型显著（P＜0.05），模型的R2=0.959 7，调整复相关系数R2Adj=0.907 8，模型失拟项P=0.099 0＞0.05，不显著，说明该模型显著，本试验所得的二次回归方程能很好的对响应值进行预测，拟合度好。

表 4 果胶得率回归统计分析表

Table 4 ANOVA for pectin yield with alkalization conditions

从表4可以看出，一次项C，交互项AC，二次项A2、B2、C2表现显著；一次项A、B，交互项AB、BC表现为不显著。比较各因素的F值，可以得出各因素对果胶得率的影响大小顺序：C＞B＞A，即处理体系pH值＞处理时间＞处理温度。

固定水平：处理体系pH值为10。

a.处理温度与处理时间

固定水平：处理时间为30 min。

b.处理温度与体系pH值

固定水平：处理温度为10 ℃。

c.处理时间与体系pH值

图 3 两因素交互作用对果胶得率影响的响应面图

Fig.3 Response surface plots for the effects of process parameters on the extraction efficiency of pectin

利用Design-Expert 8.0.6软件对表3、4的数据进行二次回归多元拟合，所得到的的响应面图（图3）。图3直观地反映了3 个因素之间的交互作用，从响应面的最高点可以看出，在所选范围内存在极值。从响应面曲面坡度的大小和等高线可以看出因素间交互作用的强弱和因素对响应值的影响程度。以图3a为例，在pH值为10的条件下，果胶得率随着提取温度的升高先增加随后减少，果胶得率与提取时间之间的关系与之相同。其他响应面图形依此分析，所得结果与单因素试验结果基本一致。用Design-Expert 8.0.6软件分析得到的提取低酯果胶的最佳工艺条件为：处理温度15 ℃、处理时间25.33 min、pH 9.87。在此条件下提取低酯果胶，果胶得率达到5.14%，与理论预测值非常接近，因此该方程能较真实地反映出各因素对果胶得率的影响。在接近最佳工艺的条件下对经过降酯得到的果胶进行验证实验，得到酯化度为43.2%，果胶得率为5.14%。

对比两次验证实验可以发现，通过加碱降酯，果胶酯化度有明显下降。由于β消去反应与降酯反应在同时进行，果胶得率受到了一定程度的影响，在响应面试验得到的低酯果胶最佳处理条件下，这个降酯-消去联合体系在保证果胶得率的情况下同时降低了果胶的酯化度（低于50%），保证了整个提取工艺的实用价值。

2.2.2.2 酯化度

表 5 酯化度回归统计分析表

Table 5 ANOVA for the degree of esterification of alkalized pectin with alkalization conditions

根据表3的结果，运用Design-Expert 8.0.6软件对表5中的试验数据进行多元拟合回归，得到回归方程：酯化度/%=158.76＋0.79A－0.62B－21.35C－0.01AB＋0.01AC＋0.03BC－0.01A2＋6.6×10－3B2＋0.94C2。该模型显著（P＜0.05），模型的R2=0.932 5，调整复相关系数R2Adj=0.845 7，模型失拟项P=0.572 6＞0.05，不显著，说明该模型显著，试验所得的二次回归方程能很好地对响应值进行预测，拟合度好。从表5可以看出，一次项A、B、C，二次项B2表现显著；交互项AB、AC、BC，二次项A2、C2表现为不显著。比较各因素的F值，可以得出各因素对果胶酯化度的影响大小顺序：C＞A＞B，即反应体系pH值＞处理温度＞处理时间。

固定水平：处理体系pH值为10。

a.处理温度与处理时间

固定水平：处理时间为30 min。

b.处理温度与体系pH值

固定水平：处理温度为10 ℃。

c.处理时间与体系pH值

图 4 两因素交互作用对酯化度影响的响应面图

Fig.4 Response surface plots for the effects of process parameters on the degree of esterification of alkalized pectin

利用Design-Expert 8.0.6软件对表7的数据进行二次回归多元拟合，所得到的的响应面图（图4）。图4直观地反映了3 个因素之间的交互作用，由于在3 个因素作用下果胶酯化度并没有完全出现极值，所以图4采用平面效果图使结果容易分析出来。从响应面等高线的分布规律和间隔距离可以看出因素间交互作用的强弱和因素对响应值的影响程度。以图4a为例，在处理体系pH值为10的条件下，酯化度随着温度的升高而增加，但酯化度随时间的延长先减少，在20～30 min最低，而后又逐渐升高。温度对酯化度的影响效果要优于时间，因为在横轴方向酯化度等高线的跨越幅度更大，而时间所代表的纵轴方向跨度小。等高线成不规则分布，说明两因素的交互作用明显但是规律性还体现不出来。用Design-Expert 8.0.6软件分析得到的降低果胶酯化度的最佳工艺条件为：处理温度15 ℃、处理时间31.64 min、处理体系pH 10.14。在此条件下提取低酯果胶，果胶酯化度降低到38.26%，与理论预测值非常接近，因此该方程能较真实地反映出各因素对果胶酯化度的影响。在接近最佳工艺的条件下对经过降酯得到的果胶得率及酯化度进行测定。经验证实验，在最佳条件下酯化度能下降到38.26%，同时果胶的得率也会下降至4.56%。对比碱法降酯试验的两个响应值，果胶得率和酯化度的最佳条件可近似总结为：处理温度15 ℃、处理时间25～30 min、处理体系pH 10。在处理温度和处理体系pH值处在最佳条件时，时间达到25 min时果胶得率最大，随着时间的延长，果胶的酯化度随之下降，当处理时间达到30 min时果胶的酯化度被降到最低。

3 结论与讨论

综合正交试验与响应面试验的结果，得到利用苹果渣提取低酯果胶的最佳工艺条件，1）提取条件为提取温度95 ℃、提取时间90 min、料液比1∶20（g/mL）、提取体系pH 1.5；2）提取低酯果胶的最佳条件为处理温度15 ℃、处理时间25.33 min、处理体系pH 9.87，在此条件下提取低酯果胶得率为5.14%；3）降低果胶酯化度的最佳条件为处理温度15 ℃、处理时间31.64 min、处理体系pH 10.14，在此条件下果胶酯化度降低到38.26%。

在实验室条件下，提取总量小，提取、降酯过程易造成果胶的损失，在工业生产环境中果胶的最终得率可能有所提高；实验采用连贯提取降酯，在初步提取的果胶酸液混合物中直接加入碱液来调整pH值，省去了浓缩、干燥再溶解降酯的过程，但这种方法对碱液的用量有很高的需求，工业生产中可用一些强碱弱酸盐如亚硫酸钠代替氢氧化钠，同时亚硫酸钠也能降低干燥过程中果胶多糖美拉德反应（非酶褐变）的作用[21]。国内有关果渣、果皮提取果胶的研究中多为湿果渣[22]或苹果剥皮后粉碎成皮渣[23]，果胶得率可达到8%以上，但是本实验采用的果胶得率计算方法是求出提取物质中实际的半乳糖醛酸含量，计算的是真实果胶含量，更具有科研价值。本实验原料为工业生产果汁产生的废渣，其中含有桔梗、苹果籽等杂质[24]，粉碎后混在果渣中影响果胶得率。如果可以和果汁生产联合起来，榨汁后的果渣直接用来提取，可减少烘干过程损失的果胶，进一步提高果胶得率；但同时湿果渣对料液比的要求会发生变化，具体情况需做针对性的实验才能得到结论。国内外关于果胶降酯的研究中，普遍采用碱法降酯，根据初始酯化度、物料种类的不同，降酯的程度也不同，在保证果胶得率的情况下一般酯化度能下降到40%左右[25]。从本实验得出的降酯最佳工艺中可以看出，15 ℃和pH 10是果胶降酯的必要条件，处理时间的长短直接影响了低酯果胶的得率和酯化度，在生产实践中可根据具体需求来单独改变时间因素来达到预期效果。实验所得果胶除酯化度之外的性质有待分析，而且在降酯条件与酯化度的数学关系可以作为下一步的研究重点，以期建立数学模型，精确控制提取果胶的酯化度。

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