杨晓清 1，张莹楠 1，王丽丽 2，刘建志 1
（1.内蒙古农业大学食品科学与工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.兴安职业技术学院，内蒙古 乌兰浩特 137400）
摘 要：以蜜瓜皮废渣中提取的果胶得率为考察指标，采用超声波辅助法，在单因素试验的基础上，利用响应面法研究超声时间、超声功率、料液比对蜜瓜皮果胶提取的主效应和交互作用，并建立了果胶得率与因素间的二次回归模型。结果表明，该模型极显著，预测性强；各因素对蜜瓜皮果胶得率影响的主次顺序依次为料液比、超声时间、超声功率；优化所得的最佳提取工艺条件为超声时间41 min、超声功率300 W、料液比1∶21（g/mL），此条件下果胶得率为1.76%；经傅里叶变换红外光谱分析和理化测定，所提取的果胶半乳糖醛酸含量为76.24%，酯化度为67.31%、是符合GB 25533—2010《食品添加剂果胶》要求的高酯果胶；该蜜瓜皮果胶对凝胶产品的凝胶强度提升率可达到140%，有较好的物理特性。
关键词：响应面分析；蜜瓜皮果胶；超声波提取；物理特性；凝胶强度
蜜瓜营养价值丰富，口感甜美润口，是我国西北地区品质优良、产量巨大的一种经济作物。但其为呼吸跃变型果实，具有采收期集中、不耐贮的特点，而蜜瓜一般弃之不用的皮籽部分占总质量30%～40%左右，因此在销售食用之余，开拓深加工方法、挖掘产品的附加值既可以减少皮渣废弃而造成的浪费、又可以增加产值。
蜜瓜中含有丰富的营养物质，如含有可溶性糖、可溶性蛋白、果酸、花色苷、果胶等物质 ［1］。果胶是一种在食品工业上应用非常广泛的食品添加剂，主要存在于植物细胞的细胞壁中。果胶作为稳定剂和增稠剂，可以应用在果汁、酸奶、饮料粉等产品中，改善产品的口感；作为凝胶剂，应用于果酱、糖果、果冻等产品，形成凝胶的同时，还可以保持风味，增强感官品质，提高产品透明度，改善质构特性 ［2-3］。果胶提取的来源非常广泛，包括橘皮 ［4］、菜籽饼 ［5］、西瓜皮 ［6］、葡萄柚 ［7］、苹果皮 ［8］等，而蜜瓜中的果胶提取罕见报道。目前提取果胶的方法很多，包括超声波辅助提取 ［9］、微波辅助提取 ［10］、离子交换树脂提取 ［11］、酶法提取 ［12］等。而超声波提取可以产生“空化效应”，从而达到破碎细胞、更好提取果胶的优势 ［13］。
我国每年消耗约1 500多吨果胶中，80%依靠国外进口，我国对果胶的需求量同世界平均果胶需求水平相比，仍呈现出高速增长的趋势 ［14］。因此丰富我国的优质果胶资源仍很重要。目前蜜瓜的研究主要集中在培养育种、贮藏与品质、包装与运输等方面，且产品研发集中在蜜瓜果酱、果汁等初级产品，深加工产品不多。而无论在蜜瓜产品的加工业中，还是餐馆、冷饮店，蜜瓜皮都是废弃的固体垃圾。
因此，本研究用超声波辅助的方法，从废弃不用的蜜瓜皮中提取果胶，并用响应面法优化提取工艺。测定所提取的蜜瓜皮果胶的理化性质和凝胶性质，旨在为变废为宝、开发天然果胶新资源的工业化应用提供一定的理论参考。
1.1 材料与试剂
蜜瓜（金红宝），产自内蒙古巴彦淖尔市，是目前产量较大的品种，集中在7—8月份采摘。
商品果胶（苹果） 美国Sigma公司；蔗糖 天津市大茂化学试剂厂；柠檬酸 天津市科盟化工工贸有限公司；卡拉胶 上海致化化学科技有限公司；黄原胶上海士锋生物科技有限公司。
1.2 仪器与设备
HH-2数显电子恒温水浴锅、真空干燥箱 上海福玛实验设备有限公司；TA.XT.Plus物性测试仪 英国Stable Micro System公司；超声波乳化仪 武汉嘉鹏电子有限公司；低速大容量离心机 上海安亭科学仪器厂；万分之一天平 赛多利斯科学仪器有限公司；紫外-可见光分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；傅里叶变换红外光谱仪 日本岛津公司；马弗炉上海一恒科技有限公司。
1.3 方法
1.3.1 超声波提取蜜瓜皮果胶工艺及果胶得率计算
工艺流程：蜜瓜→预处理（蜜瓜洗净后取皮，将蜜瓜皮在90 ℃水浴中加热10 min灭酶，然后用蒸馏水进行多次漂洗，去掉多余糖分。将漂洗过的蜜瓜皮放入烘箱中45 ℃烘干6 h后，用粉碎机将蜜瓜皮粉碎成粉，其粒度应小于100 目）→称量5 g左右的蜜瓜粉→按一定的料液比用盐酸提取→超声波辅助提取一定时间→过滤（弃废渣，取其过滤液）→醇沉（等体积无水乙醇溶液，搅拌，静置3 h，至果胶以絮状析出）→离心（4 500 r/min离心30 min，弃清液）→真空干燥。
果胶得率的计算如下式所示：
1.3.2 单因素试验设计
1.3.2.1 超声时间对果胶得率的影响
分别称取5 g蜜瓜皮粉，按料液比1∶20（g/mL）加入稀盐酸溶液调节pH 2.0，温度55 ℃、超声功率300 W的条件下分别提取20、30、40、50、60 min，比较超声时间对蜜瓜皮中果胶得率的影响，每组试验重复5 次，取平均值。
1.3.2.2 超声功率对果胶得率的影响
分别称取5 g不同成熟度的蜜瓜皮粉，按料液比1∶20加入稀盐酸溶液调节pH 2.0，温度55 ℃、超声时间40 min的条件下，采用超声功率100、200、300、400、500 W进行提取，比较超声功率对蜜瓜皮果胶得率的影响，每组试验重复5 次，取平均值。
1.3.2.3 料液比对果胶得率的影响
分别称取5 g蜜瓜皮粉，按料液比为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30（g/mL），加入稀盐酸溶液调节pH 2.0，温度55 ℃、超声功率300 W条件下提取30 min，比较料液比对蜜瓜果皮中果胶得率的影响，每组试验重复5 次，取平均值。
1.3.3 响应面试验设计
在单因素试验基础上选择对试验结果影响较大的因素水平，用Design-Expert V8.0.6软件，根据Box-Behnken试验设计原理 ［15］采用三因素三水平的设计方案进行试验设计，因素与水平设计见表1。每组试验进行5 次重复，果胶得率取平均值。
表1 响应面试验设计因素与水平
Table 1 Coded and corresponding actual values of the independent variables analyzed by RSM
水平 因素X 1超声时间/min X 2超声功率/W X 3料液比（g/mL）-1 30 200 1∶15 0 40 300 1∶20 1 50 400 1∶25
1.3.4 蜜瓜皮果胶理化指标测定
蜜瓜皮果胶的半乳糖醛酸含量测定采用咔唑硫酸法 ［16］，得到标准曲线y=0.003 7x-0.014 3，R 2=0.991 6，其中y为吸光度；x为质量浓度/（µg/mL）；R 2为相关系数。蜜瓜皮果胶酯化度、pH值的测定依据文献［17-18］的方法。
1.3.5 傅里叶变换红外光谱分析
取果胶标准品和蜜瓜皮果胶样品微量，研磨成粉状，与KBr混合压片制样，采用傅里叶变换红外光谱仪对样品在4 000～400 cm -1区内进行红外光谱分析（400 次）。
1.3.6 蜜瓜皮果胶凝胶特性的测定
1.3.6.1 蜜瓜皮果胶凝胶的制备
称取蔗糖、黄原胶、卡拉胶、蜜瓜皮果胶，质量分数分别为15%、0.1%、0.9%、0.1%，80 ℃加热搅拌至胶完全溶解。料液冷却后，再加入0.1%柠檬酸，搅拌均匀。将调配好的料液保持在85 ℃的水浴中15 min进行杀菌密封 ［19］。4 ℃冷藏静置18 h即成凝胶。同时制备未添加果胶的凝胶及加入等量商品果胶的凝胶样品，进行对照实验。
1.3.6.2 质构特性测试
质构仪测定条件及参数定义参考Texture Analyser X-T21型质构仪使用说明书，选择果胶类型样品的测定条件为：探头P100；测定模式Measure Force in Compression；测定选项Return to the Start；实验速率1.0 mm/s；初始速率1.5 mm/s；测后速率1.0 mm/s；压缩形变量20%；样品直径20 mm；温度20 ℃。测试重复5 次，由质构仪自带软件TA.XT Express分析其性质，并用SPSS 19.0软件进行数据方差分析。
1.3.6.3 凝胶强度测试
凝胶强度质构仪测定条件及参数定义参考美国明胶制造商协会和欧洲明胶制造商测试标准 ［20］。测定条件为：探头P0.5；测定模式Measure Force in Compression；测定选项Return to Start；测前速率1.5 mm/s；测中速率1.0 mm/s；测后速率1.0 mm/s；压缩15%；触发力5×10 -2N。测试数据用SPSS 19.0软件进行方差分析。
2.1 单因素试验结果
图1 单因素试验结果
Fig. 1 Results of single factor experiments
如图1所示，固定其他2 个因素的水平条件下，果胶得率均呈先增大后减小的趋势。在超声功率和料液比保持不变时，果胶得率随超声作用时间延长而逐渐增大，并在40 min时果胶得率最多，随后呈下降趋势。在固定其他2 个因素不变时，果胶得率分别在超声功率300 W、料液比1∶20（g/mL）时达到最大值。
2.2 响应面试验结果
2.2.1 响应面试验设计与结果
表2中，1～12号为析因试验点，13～15号为中心试验点。采用Design-Expert V8.0.6对所得数据进行回归分析，3 个因素经过拟合得到果胶得率Y的回归方程如下：
表2 Box-Behnken响应面试验设计及结果
Table 2 Box-Behnken design with experimental results for response surface analysis
试验号 X 1超声时间 X 2超声功率 X 3料液比 果胶得率/% 1 -1 -1 0 0.92±0.11 2 1 -1 0 0.89±0.11 3 -1 1 0 0.96±0.11 4 1 1 0 1.23±0.12 5 -1 0 -1 0.94±0.11 6 1 0 -1 0.77±0.06 7 -1 0 1 0.87±0.26 8 1 0 1 1.35±0.11 -1 -1 1.09±0.12 10 0 1 -1 0.92±0.11 11 0 -1 1 0.98±0.10 12 0 1 1 1.24±0.09 13 0 0 0 1.70±0.05 14 0 0 0 1.76±0.04 15 0 0 0 1.80±0.06 16 0 0 0 1.90±0.07 17 0 0 0 1.77±0.08 9 0
2.2.2 方差分析
表3 响应面模型方差分析
Table 3 ANOVA for the response surface model
注：P＜0.05，差异显著；P＜0.01，差异极显著。
来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性模型 2.43 9 0.270 45.23 ＜0.000 1 ** X 1超声时间 0.036 1 0.036 6.10 0.042 9 * X 2超声功率 0.026 1 0.026 4.35 0.075 5 X 3料液比 0.064 1 0.064 10.63 0.013 9 * X 1X 2 0.024 1 0.024 3.96 0.087 1 X 1X 3 0.110 1 0.110 18.36 0.003 6 ** X 2X 3 0.047 1 0.047 7.90 0.026 1 * X1 0.580 1 0.580 97.57 ＜0.000 1 **残差 0.042 7 5.98×10 -3失拟项 0.021 3 7.14×10 -3 1.4 0.365 8纯误差 0.020 4 5.11×10 -3总和 2.470 16 0.790 1 0.790 132.48 ＜0.000 1 ** X 2 2 0.530 1 0.530 88.61 ＜0.000 1 ** X3 22
如表3所示，超声时间、料液比的一次项和二次项均显著，超声功率的一次项不显著，二次项显著，交互项X 1X 3、X 2X 3显著。可见试验各因素对蜜瓜皮果胶得率的影响不是简单的线性关系。其中，拟合的果胶得率的模型，差异极显著，P＜0.000 1，且失拟项P=0.365 8＞0.05，差异不显著，建立的蜜瓜皮果胶得率优化的二次回归模型的决定系数R 2=0.961 4，说明试验设计可靠，模型成立，可应用此模型进行果胶提取的分析和预测 ［21-22］。
2.2.3 交互作用对果胶得率影响的响应面分析
如图2所示，3 组图形的3D响应面图均呈抛物状，曲面有最高点，容易出现最大值。比较3 组图可知，料液比方向的响应面曲线较陡，且等高线较密集，因此对蜜瓜皮果胶得率的影响最为显著；依次类推，其次是超声时间，再次是超声功率。各因素对蜜瓜皮果胶得率的影响大小顺序为：料液比＞超声时间＞超声功率。
图2 各因素交互作用对果胶得率影响的响应面和等高线图
Fig. 2 Response surface and contour plots showing the interactive effects of factors on pectin yield
2.2.4 蜜瓜皮果胶提取工艺的优化及验证
通过Design-Expert V8.0.6软件的分析，由响应面预测最优值，得到最佳提取工艺为超声时间41.19 min、超声功率309.01 W、料液比1∶20.82，蜜瓜皮果胶的得率最高，达到1.80%。因为实验条件的限制，为了便于操作，将最佳提取工艺修正为超声时间41 min、超声功率300 W、料液比1∶21，对同一批次蜜瓜粉进行果胶的提取，5 次平行实验测得的蜜瓜果皮中果胶得率平均值为1.76%，与响应面试验预测结果基本一致，说明该提取工艺响应面优化条件试验结果可靠，可重复性好。
2.3 果胶理化特性测定结果
经测定，蜜瓜皮果胶的半乳糖醛酸含量为76.24%，pH值为2.8，符合GB 25533—2010《食品添加剂果胶》 ［18］要求（半乳糖醛酸含量＞65%）。酯化度为67.31%，为高酯果胶（酯化度＞50%）。
2.4 傅里叶变换红外光谱分析
图3 蜜瓜皮果胶样品的红外光谱图
Fig. 3 Fourier transform infrared spectra of pectin standard and pectin extracted from muskmelon rind
如图3所示，蜜瓜皮果胶红外光谱图在4 000～400 cm -1内，和果胶标准品的图形基本相似，具有糖类特征吸收峰。其中3 600～3 000 cm -1附近的吸收宽峰是碳环上的O—H伸缩振动引起的。2 950～2 795 cm -1之间的峰值是由半乳糖醛酸甲酯或碳环上的C—H（CH、CH 2、CH 3）伸缩振动引起。1 635 cm -1处与1 746 cm -1处的吸收峰分别由羧酸盐的羧基（—COO—）不对称伸缩和羧酸酯的羰基基团（—COOR）形成的C=O伸缩振动引起。1 400 cm -1附近出现较弱的吸收由饱和C—H键的弯曲振动吸收引起。1 300～1 000 cm - 1间的吸收峰是由C—O伸缩振动所引起的 ［23］。这些吸收峰均属多糖化合物所特有的特征性吸收峰 ［24］，可以判定所提取的蜜瓜皮果胶样品为果胶。
2.5 质构特性测定结果
制备的蜜瓜皮果胶凝胶样品呈透明胶状，如图4所示，图中标示峰1的最高点表示硬度，弹性=长度2/长度1，内聚性=面积2/面积1，回复性=面积4/面积3，胶黏性=硬度×内聚性，咀嚼性=胶黏性×弹性。为了更详细地了解差异，用质构仪自带软件TA.XT Express计算出具体结果，并用SPSS 19.0进行方差分析，如表4所示。
图4 凝胶样品质构特性测试图
Fig. 4 TPA curve of gel samples
表4 凝胶样品的质构特性
Table 4 Texture characteristics of gel samples
注：同列字母不同表示差异显著（P＜0.05），下同。
凝胶样品 硬度/ 10 -2N 弹性 内聚性 胶黏性/ 10 -2N咀嚼性/ 10 -2N 回复性未添加果胶 53.593±0.547 a 0.925±0.011 a 0.739±0.01.2 a39.569±0.722 a36.615±0.328 a 0.533±0.012 a添加蜜瓜皮果胶 73.428±0.189 c 0.967±0.007 b 0.731±0.007 a 53.602±0.340 b51.823±0.025 b0.523±0.004 ab添加商品果胶 71.070±0.870 b 0.953±0.006 b 0.756±0.006 b 53.971±0.037 b51.437±0.269 b 0.545±0.005 b
由表4可以看出，添加蜜瓜皮果胶的凝胶和添加商品果胶的凝胶的硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性均与未添加果胶的凝胶有显著性差异，随着果胶的添加，样品的硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性都有明显提高，这与Prakash ［25］、陈贺 ［26］等的研究结果一致。添加蜜瓜皮果胶的凝胶咀嚼性略大于添加商品果胶的凝胶。较大的弹性和咀嚼性是果冻质构优良的重要特性 ［27］。
2.6 凝胶强度测试结果
图5 凝胶样品的凝胶强度测试图
Fig. 5 Gel strength curve of gel samples
表5 凝胶样品的凝胶强度
Table 5 Gel strength of gel samples
凝胶样品 凝胶强度/N 凝胶强度提升率/%未添加果胶 0.50±0.01 a添加蜜瓜皮果胶 0.70±0.02 b 140添加商品果胶 0.69±0.02 b 138
图5标示点所对应的数值即表示凝胶强度，经过仪器测量以及质构仪自带分析软件TA.XT Express得出的凝胶强度的具体数值见表5，果胶的添加使凝胶强度有了一定的提升，分别为0.70 N和0.69 N。而未添加果胶的凝胶样品凝胶强度较小，为0.50 N。由方差分析得出，添加果胶与未添加果胶的凝胶样品的凝胶强度有显著差异，而添加蜜瓜皮果胶和添加商品果胶的凝胶之间没有显著性差异。通过凝胶强度提升率可以看出，添加果胶对凝胶强度有明显提升，且本实验所提取的蜜瓜皮果胶对凝胶强度的提升率达到140%，完全能够达到商品果胶的使用效果，体现出蜜瓜皮果胶可成为食品加工用果胶的新资源。
通过超声波辅助提取响应面分析法，优化得出超声波辅助提取蜜瓜皮果胶的最佳工艺条件为超声时间41 min、超声功率300 W、料液比1∶21，得率为1.76%，所提取的蜜瓜皮果胶半乳糖醛酸含量为76.24%，酯化度为67.31%，pH值为2.8，符合GB 25533—2010。质构特性测试结果表明，凝胶产品中添加蜜瓜皮果胶，能有效提升其凝胶产品的质构特性；凝胶强度测试表明，添加蜜瓜皮果胶和添加商品果胶的凝胶之间凝胶强度无显著性差异，且与未添加果胶相比，蜜瓜皮果胶对凝胶产品的凝胶强度提升率达140%。因此，蜜瓜皮渣可成为天然果胶的新资源来源，并实现变废为宝的目的。
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Optimization of Ultrasonic-Assisted Extraction of Pectin from Muskmelon Rind and Its Physical Characteristics
YANG Xiaoqing
1， ZHANG Yingnan
1， WANG Lili
2， LIU Jianzhi
1
（1. College of Food Science and Engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China；2. Xing’an Vocational and Technical College， Ulanhot 137400， China）
Abstract：This study was intended to optimize the process conditions for ultrasonic-assisted extraction of pectin from muskmelon rind by the combined use of one-factor-at-a-time method and response surface methodology. For this purpose，a quadratic regression model was developed indicating the effects of extraction parameters on pectin yield， and the main effects and interactions of ultrasonic irradiation time， ultrasonic power and solid-to-solvent ratio on extraction efficiency were examined. The results showed the model was highly statistically significant and had a good prediction performance. The decreasing order of the effects of the studied variables on pectin yield was as follows： solid-to-solvent ratio ＞ultrasonic irradiation time ＞ ultrasonic power. The optimum extraction conditions that provided the maximum pectin yield （1.76%） were obtained as 41 min； 300 W and 1：21 （g/mL） for ultrasonic irradiation time， power and solid-to-solvent ratio，respectively. Physicochemical analyses and Fourier transform infrared spectroscopic （FTIR） studies revealed that the extracted pectin had a galacturonic acid content of 76.24% and an esterification degree of 67.31% as a high-ester pectin which was in line with the requirements of the national standard. By adding the pectin， the gel strength of gel products could be enhanced by up to 140%， in turn resulting in improved physical characteristics.
Key words：response surface methodology； muskmelon rind pectin； ultrasonic-assisted extraction； physical characteristics；gel strength
DOI：10.7506/spkx1002-6630-201616008
中图分类号：TQ432.7.1
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2016）16-0048-06
引文格式：
杨晓清， 张莹楠， 王丽丽， 等. 响应面试验优化超声波提取蜜瓜皮果胶工艺及其物理特性分析［J］. 食品科学， 2016，37（16）: 48-53. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201616008. http://www.spkx.net.cn
YANG Xiaoqing， ZHANG Yingnan， WANG Lili， et al. Optimization of ultrasonic-assisted extraction of pectin from muskmelon rind and its physical characteristics［J］. Food Science， 2016， 37（16）: 48-53. （in Chinese with English abstract）
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201616008. http://www.spkx.net.cn
收稿日期：2016-01-25
基金项目：内蒙古自然科学基金项目（2013MS1204）；内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY13078）
作者简介：杨晓清（1966—），女，教授，博士，研究方向为农产品物理特性及加工贮运和植物资源再利用。
E-mail：yxqnmg@hotmail.com