图1 QBS-80型汽爆工艺试验台简易图
Fig. 1 Schematics of model QBS-80 steam explosion system
孙俊良1，杜寒梅1，梁新红1,*，焦中高2，冉军舰1，何鸿举1，朱明明1
（1.河南科技学院食品学院，河南 新乡 453003；2.中国农业科学院郑州果树研究所，河南 郑州 450009）
摘 要：采用Na2CO3预浸-蒸汽爆破技术提高苹果渣中果胶提取得率。在单因素试验基础上采用响应面法确定Na2CO3预浸质量分数和蒸汽爆破最佳工艺参数。结果表明：响应面法优化蒸汽爆破技术提高苹果渣中果胶得率的最佳工艺为Na2CO3质量分数6%、蒸汽爆破压力0.6 MPa、蒸汽爆破维压时间174 s，此时果胶得率达21.42%，与未蒸汽爆破相比果胶得率提高10.96%，酯化度提高12.25%，乳化活性提高20.47 m2/g，乳化稳定性提高36.37 min，扫描电镜显示蒸汽爆破前的苹果渣和果胶表面光滑结构完整，经蒸汽爆破后均变为疏松。蒸汽爆破技术提高了果胶的得率、酯化度、乳化活性、乳化稳定性，为果胶生产提供了理论及实践依据。
关键词：蒸汽爆破；果胶；提取工艺；响应面
我国是苹果种植大国，除鲜食外其余大部分用于果汁加工，果汁加工过程中产生的果渣占苹果总质量的10%～15%[1]。目前，大量的果渣得不到合理利用，既为生产带来负担又造成了环境污染。
苹果果胶是一种相对分子质量在1～40万之间的多糖聚合物，主要成分是半乳糖醛酸，另外还包括D-半乳糖、L-鼠李糖和L-阿拉伯糖等。苹果果胶是一种天然食品添加剂，在食品上应用广泛，多作为凝胶剂、增稠剂、稳定剂、悬浮剂、乳化剂、增香增效剂等[2-3]。苹果果胶作为一种水溶性膳食纤维，不仅能预防肥胖[4]，还有助于防三高、防癌和抗癌[5]。目前，我国对苹果果胶的需求日益增长，但商品苹果果胶的来源十分有限。据研究表明，干苹果渣中含有10%～25%的果胶，从苹果渣中提取果胶不仅能增加经济效益，还能减少环境污染。
蒸汽爆破是1928年由Mason发展起来的[6-7]，近年来在食品加工副产物的再利用领域中成为研究热点[8-11]。如Wang Wei等[12]用蒸汽爆破预处理技术提取秸秆中木糖醇，经蒸汽爆破处理后发酵木糖醇质量浓度达到35.6 g/L，生产率达到0.94 g/（L·h），比未经蒸汽爆破处理的分别提高了18.3%和37.5%；石敏等[13]应用其作为预处理方法提取灵芝有效成分，多糖提取率是未处理的10 倍，三萜提取率为原来的1.95 倍；李光磊等[14]研究了蒸汽爆破处理对籼米淀粉的影响，结果显示蒸汽爆破可有效降解籼米淀粉分子链聚合度，增加淀粉结晶度。由此可见，蒸汽爆破在植物纤维的高效分离和生物质副产物处理等领域有显著的效果，但蒸汽爆破技术在处理苹果渣上鲜有报道，因此蒸汽爆破技术应在苹果渣再利用领域得到关注和应用。
本实验采用河南鹤壁正道重型机械厂研发的QBS-80型汽爆工艺试验台，简易原理如图1 所示，共由3部分组成：高压蒸汽装置、反应装置、物料接收装置。高压蒸汽由蒸汽管道进入汽缸，物料经进料口进入物料仓，蒸汽与物料在高温高压环境下维压一定时间，阀门打开时物料在瞬间膨胀，内能转化为机械能，达到爆破效果。总体而言蒸汽爆破对生物质原料的预处理效果显著，且对环境污染小[15]，是一种高效、绿色、低成本预处理技术[16]。
图1 QBS-80型汽爆工艺试验台简易图
Fig. 1 Schematics of model QBS-80 steam explosion system
本研究采用响应面法优化蒸汽爆技术提取苹果果胶工艺，优化Na2CO3质量分数、蒸汽爆破压力和维压时间等工艺参数；另外，对蒸汽爆破处理前后的果胶得率、酯化度、乳化活性、乳化稳定性以及微观结构进行比较分析。研究结果将为提高苹果加工副产物附加值及果胶工业化生产提供参考和依据。
1.1 材料与试剂
苹果渣 国投中鲁果汁股份有限公司。
无水乙醇、NaOH、盐酸、锌粉、KBr、浓硫酸、酚酞等均为国产分析试剂。
1.2 仪器与设备
QBS-80型汽爆工艺试验台 河南鹤壁正道重型机械厂；3-30K离心机 德国Sigma公司；ALPHA 2-4 LSC真空冷冻干燥箱 德国Christ公司；S-570型扫描电镜 日本日立公司。
1.3 方法
1.3.1 苹果果胶提取
苹果果胶采用酸法提取[17-19]。工艺流程：苹果渣→蒸汽爆破→粉碎→过筛→酸法浸提（料液比1∶30加入0.1 mol/L HCl溶液在95 ℃水浴2 h）→过滤→收集滤液（调pH 3.5）→2 倍体积乙醇沉析→24 h后离心→真空冷冻干燥→成品。果胶得率计算如式（1）所示：
式中：m1为果胶质量/g；m2为苹果渣质量/g 。
1.3.2 单因素试验
1.3.2.1 Na2CO3质量分数对果胶提取得率的影响
称取5 份400 g苹果渣分别添加质量分数为2%、4%、6%、8%、10%的Na2CO3溶液浸泡，然后将苹果渣放入蒸汽爆破试验台的高压罐内，以饱和水蒸气为介质在0.6 MPa维压120 s，迅速打开高温高压阀将物料释放到储料罐，集中收集储料罐内的苹果渣，干燥后提取果胶，考察不同质量分数Na2CO3对果胶得率影响。
1.3.2.2 蒸汽爆破压力对苹果果胶提取的影响
称取5 份400 g苹果渣，用6% Na2CO3溶液浸泡，将浸泡后的苹果渣放入蒸汽爆破试验台的高压罐内，以饱和水蒸气为介质，分别在蒸汽压力为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa条件下维压120 s，迅速打开高温高压阀将物料释放到储料罐，集中收集储料罐内的苹果渣，干燥后提取果胶，考察蒸汽爆破压力对果胶得率影响。
1.3.2.3 蒸汽爆破维压时间对苹果果胶提取的影响
称取5 份400 g苹果渣，用6% Na2CO3溶液进行浸泡，分别在蒸汽压力为0.6 MPa维压60、120、180、240、 300 s后爆破。干燥后提取果胶，考察维压时间对果胶得率影响。
1.3.3 响应面试验设计
响应面分析法[20-21]是采用多元二次回归方程拟合因素与响应值间的函数关系，通过回归方程分析得到最佳的工艺参数。如表1所示，本实验考察Na2CO3质量分数、蒸汽爆破压力、蒸汽爆破维压时间对果胶得率的影响，依据回归分析确定各工艺条件的影响因素，以果胶得率为响应值作响应面与等值线图，分析优化最佳提取条件。
表1 响应面试验设计因素和水平Table 1 Factors and their levels used in response surface analysis
1.3.4 果胶酯化度、乳化活性、乳化稳定性的测定
酯化度的测定参照Pinheiro等[22]的方法，略有修改。称0.2 g果胶，用少量乙醇湿润，加20 mL蒸馏水搅拌溶解，加1 滴酚酞，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定，至滴定终点所消耗NaOH溶液体积记为V1。再向溶液中加10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液，室温搅拌反应2 h。向溶液中加入10 mL 0.1 mol/L HCl溶液，混合液用0.1 mol/L NaOH溶液滴定，至滴定终点所消耗NaOH溶液体积记为V2，果胶酯化度计算公式（2）如下：
乳化活性、乳化稳定性的测定参照文献[23-24]的方法，略有修改。将0.2 g果胶溶解于8 mL蒸馏水中，加入2 mL橄榄油均质化1 min制成乳化液。分别在0 min和 10 min时从底部吸收1 mL稀释250 倍。以0.1%十二烷基硫酸钠溶液为空白，在500 nm波长处测定吸光度。果胶乳化活性、乳化稳定性按式（3）、（4）进行计算：
式中：A0和A10为0 min和10 min时乳化液的吸光度；V为稀释倍数；L为比色皿的宽度/mm；φ为分散相体积分数/%；C为果胶溶液的质量分数/%。
1.3.5 苹果渣及果胶扫描电镜观察
对蒸汽爆破前后苹果渣、果胶做扫描电镜分析。样品真空冷冻干燥后粘台，真空喷金，观察样品纵向表面和横截面形状并拍照。
1.4 统计分析
实验均为3 次重复，实验数据以
表示。采用Design-Expert 8.0进行数据统计分析，用Origin 8.0作图。
2.1 单因素试验结果
2.1.1 Na2CO3质量分数对果胶得率的影响
质量分数对果胶得率的影响
Fig. 2 Effect of Na2CO3concentration on the yield of apple pectin
图2 Na2CO3
由图2可知，随着Na2CO3质量分数的增加果胶得率逐渐增加，在质量分数为6%时达到最高值（21.25±0.27）%，这可能是由于Na2CO3对苹果渣进行预处理能够软化纤维素、木质素、半纤维素，使维压过程中水蒸气可以充分进入苹果渣组织内部，进而增加爆破效果。半纤维素降解产生酸性基团，添加Na2CO3可以中和酸性基团使预处理pH值上升，随着Na2CO3用量增大，预处理从酸性环境逐渐过渡到碱性环境，当预处理条件剧烈时，木质素中的阿拉伯糖、木聚糖发生降解[8]，故随着Na2CO3质量分数的继续增加，得率下降。预处理pH值的改变可能是影响果胶得率的原因，因此Na2CO3的最佳质量分数为6%。
2.1.2 蒸汽爆破压力对果胶得率的影响
图3 蒸汽爆破压力对果胶得率的影响
Fig. 3 Effect of steam explosion pressure on the yield of apple pectin
由图3可知，压力由0.2 MPa升至0.6 MPa时果胶得率逐渐增加，并在0.6 MPa时达到最大值（20.36±0.21）%。随着压力继续增加得率逐渐下降。这可能是因为细胞结构在高温高压蒸汽下纤维素聚合度下降，半纤维素部分降解，木素软化，细胞横向连结强度下降，当骤然减压时苹果渣孔隙中的蒸汽急剧膨胀产生的“爆破”效果剥离木质素[25]，并将苹果渣细胞组织撕裂为细小纤维，使提取溶剂充分浸入，有利于果胶醇沉。但当压力高时易出现炭化现象，因此得率降低。因此最佳蒸汽爆破压力为0.6 MPa。
2.1.3 蒸汽爆破维压时间对果胶得率的影响
由图4可知，在压力0.6 MPa、Na2CO3质量分数6%时果胶得率随时间延长而增加，在180 s时达到最大值（21.97±0.27）%。随着维压时间继续延长，得率逐渐下降。这可能是由于蒸汽爆破过程中苹果渣在高温高压下细胞壁结构发生断裂和分解，细胞器内物质降解和转化，大分子聚合物被瞬时压力爆破为小分子，使糖类物质溶出并聚合成半乳糖醛酸[25]，故得率提高。维压时间过长时，可能会使果胶发生焦糖化反应而使得率降低。因此最佳蒸汽爆破维压时间为180 s。
图4 蒸汽爆破维压时间对果胶得率的影响
Fig. 4 Effect of dwell time on the yield of apple pectin
2.2 响应面试验结果
2.2.1 回归方程的建立和方差分析
表2 响应面试验设计方案及结果
Table 2 Experimental design together with results for response surface analysis
在单因素试验结果基础上，采用Box-Behnken设计方案进一步优化，结果见表2，并采用Design-Expert 8.0.5软件进行多元回归拟合，得到苹果果胶得率对Na2CO3质量分数、蒸汽爆破压力、蒸汽爆破维压时间的二次多项回归方程为：
方差分析及显著性检验结果见表3。该回归方程模型极显著（P＜0.000 1），失拟项P为0.174 4，失拟性检验结果不显著。相关系数R2为0.999 0，表明响应模型可以解释99.90%的总体变异，只有0.10%的变异无法用模型来解释，回归模型有高度相关性，可以应用于蒸汽爆破处理苹果渣提取果胶的理论预测。对模型回归方程系数显著性试验表明，一次项A为显著，B、C为极显著；交互项AB为显著，AC不显著，BC为极显著；二次项A2、B2、C2影响为极显著。各因素对果胶得率的影响依次是B（蒸汽爆破压力）＞C（蒸汽爆破维压时间）＞A（Na2CO3质量分数）。
表3 回归模型方差分析及显著性检验
Table 3 Analysis of variance of regression model and significance test
注：*.差异显著（P＜0.05）；**.差异极显著（P＜0.01）。
2.2.2 响应面分析
图5 各因素交互作用对苹果果胶提取率影响的响应面图
Fig. 5 Response surface plots showing the effects of extraction parameters on the yield of apple pectin
曲面坡度的平缓与陡峭程度直接反映在处理条件发生变化时果胶得率的响应灵敏程度，如果响应面曲面坡度平缓，表明对于处理条件的变化响应值不敏感，反之则为敏感。图5是由响应值和各试验因素构成间的立体曲面图，显示了Na2CO3质量分数、蒸汽爆破压力、蒸汽爆破维压时间中任意两个变量取零水平时其余两个变量对果胶得率的影响。
图5a为蒸汽爆破维压时间为180 s时，Na2CO3质量分数和蒸汽爆破压力对果胶得率的交互作用。当蒸汽爆破压力一定时随着Na2CO3质量分数增加果胶得率先增大后趋于平缓。当Na2CO3质量分数为一定时，随蒸汽爆破压力增大，得率先增大后减小的趋势。等高线密集，说明响应值（果胶得率）在试验变化范围内存在极高值，交互影响作用显著，与方差分析结果一致。
图5b为蒸汽爆破压力为0.6 MPa时，Na2CO3质量分数和蒸汽爆破维压时间对果胶得率的交互作用。当Na2CO3质量分数一定时，果胶得率随蒸汽爆破维压时间升高先增大后趋平缓。当维压时间一定时，苹果果胶得率随Na2CO3质量分数的升高先增大后趋于平缓。响应面显示坡度较平缓，说明两者交互作用不显著。
图5c为Na2CO3质量分数为6%时，蒸汽爆破压力和蒸汽爆破维压时间对果胶得率的交互作用。当蒸汽爆破压力一定时，果胶得率随压力的升高先增大后趋于平缓；当蒸汽爆破维压时间一定时，果胶得率随压力升高而先增大后减小，且响应面显示坡度较陡，等高线密集，表明蒸汽爆破维压时间和压力交互作用极显著。
2.2.3 最佳条件的预测及验证实验
通过回归模型的预测得到蒸汽爆破提取苹果皮渣中果胶的最佳提取工艺为：Na2CO3质量分数6.2%、蒸汽爆破压力0.57 MPa、蒸汽爆破维压时间174.3 s。此时果胶的理论得率最大为21.58%。由于实验的客观条件和便于操作性，把最优条件修正为：Na2CO3质量分数6%、蒸汽爆破压力0.6 MPa、蒸汽爆破维压时间174 s。在此条件下进行3 次平行实验进行验证，苹果果胶平均得率为（21.42±0.20）%，与理论预测值21.58%误差值仅为 0.16%，证实了该模型的有效性。
2.3 蒸汽爆破处理对苹果果胶特性影响
表4 果胶特性比较
Table 4 Comparison of properties of pectin extracted with and without steam explosion
注：同列字母不同表示差异显著（P＜0.05）。
如表4所示，经蒸汽爆破后果胶得率提高了10.96%。酯化度提高了12.25%，这可能是由于果胶结构上存在一些非糖类取代基，主要是乙酸、甲醇、酚酸和氨基化合物取代，当物料在蒸汽爆破高压高温环境下半乳糖醛酸C6上羧基会发生甲酯化，以及处于C2或 C3上的羟基乙酰化，因此提高了果胶的酯化度[26]。果胶乳化活性提高了20.47 m2/g，这可能是由于果胶乳化活性与果胶中C、H键有关，在高温高压环境下苹果果胶分子内氢键受到一定程度破坏而断裂，断链继而发生结构重排并向有序结构变化[27]，因此提高了果胶的乳化活性。果胶乳化稳定性提高了36.37 min，这可能是由于蒸汽爆破使半乳搪醛酸残基暴露，残基通过糖苷键连接形成线性状糖链，阿拉伯糖和半乳糖残基通过氧化交联使果胶改善其凝胶特性[28]，故果胶乳化稳定性增加。
2.4 扫描电镜分析
图6 扫描电镜图
Fig. 6 Ultrastructure of apple pectin observed under scanning electron microscopy
由图6可知，蒸汽爆破技术对苹果渣和苹果果胶在微观结构上均有较大影响。图6a表面光滑孔隙少；图6b表面皱褶，表明汽爆破使苹果渣纤维组织破坏，变得疏松[29-30]；图6c果胶成光滑的片状，结构完整；图6d成疏松状。由此看出经过蒸汽爆破处理后，果渣和果胶的微观结构均发生改变。
响应面法对苹果渣中果胶的提取条件进行优化合理可行，最佳工艺为Na2CO3质量分数6%、蒸汽爆破压力0.6 MPa、蒸汽爆破维压时间174 s，此时果胶得率为21.42%。与未经蒸汽爆破处理的样品相比，经蒸汽爆破处理后果胶得率提高了10.96%，酯化度提高了12.25%，乳化活性提高了20.47 m2/g，乳化稳定性提高了36.37 min；扫描电镜表明蒸汽爆破打破了苹果渣细胞结构，原料物理结构在汽爆过程中发生较大变化，对生物质原料预处理达到了显著效果，为苹果果胶在食品中进一步应用提供理论及实践依据。
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Optimization of Apple Pomace Pectin Extraction by Steam Explosion Employing Response Surface Methodology
SUN Junliang1, DU Hanmei1, LIANG Xinhong1,*, JIAO Zhonggao2, RAN Junjian1, HE Hongju1, ZHU Mingming1
(1. School of Food Science, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China; 2. Zhengzhou Fruit Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450009, China)
Abstract：Pre-soaking in aqueous Na2CO3solution followed by steam explosion was employed in the extraction of apple pomace pectin for the purpose of improving the product yield. Processing parameters were optimized using a combination of one-factor-at-a-time method and response surface methodology. The results showed that a Na2CO3concentration of 6% and an explosion pressure of 0.6 MPa maintained for 174 s were found to be optimal the maximum pectin yield of 21.42%, 10.96% higher than that obtained without steam explosion. In addition, the esterification degree, emulsifying activity and emulsion stability of pectin were increased by 12.25%, 20.47 m2/g, and 36.37 min, respectively by steam explosion. Scanning electron microscopy results revealed that the surface of both apple pomace and pectin extracted without steam explosion was smooth and complete, which became loose after steam explosion. The application of steam explosion in pectin extraction from apple pomace could improve the yield, esterification degree, emulsifying activity and emulsion stability of pectin. This research can provide theoretical and practical evidence for the production of apple pectin.
Key words：steam explosion; pectin; extraction process; response surface methodology
DOI：10.7506/spkx1002-6630-201714042
中图分类号：TS201.1
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2017）14-0270-06
引文格式：孙俊良, 杜寒梅, 梁新红, 等. 响应面法优化蒸汽爆破技术提取苹果果胶工艺[J]. 食品科学, 2017, 38(14): 270-275.
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201714042. http://www.spkx.net.cn SUN Junliang, DU Hanmei, LIANG Xinhong, et al. Optimization of apple pomace pectin extraction by steam explosion employing response surface methodology[J]. Food Science, 2017, 38(14): 270-275. (in Chinese with English abstract)
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201714042. http://www.spkx.net.cn
收稿日期：2016-09-24
基金项目：中国农业科学院科技创新工程专项（CAAS-ASTIP-2015-ZFRI）；河南科技学院科技创新基金项目（2015006）；河南科技学院高层次人才科研项目（2015016）；河南科技学院大学生“百农英才”创新项目（BNYC2016-2-15）
作者简介：孙俊良（1964—），男，教授，博士，研究方向为食品生物技术。E-mail：sjl338@163.com
*通信作者：梁新红（1971—），女，副教授，博士，研究方向为食品生物技术。E-mail：liangxinhong2005@163.com