全 文 ：219
响应面法优化香橼果胶提取工艺
牛丽影1，2，李大婧1，2，刘春泉1，2，*
(1.江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏南京 210014;
2.国家农业科技华东(江苏)创新中心农产品工程技术研究中心，江苏南京 210014)
摘 要:为实现香橼果皮中酸解醇沉法提取果胶工艺的优化，本研究在单因素研究的基础上，采用响应面分析方法中
的 Box－Behnken实验设计法研究了液固比、pH、萃取时间及温度对果胶得率的影响，并建立了果胶得率与各参数之间
的回归模型。研究结果表明:pH对果胶得率的影响最大，其次是萃取温度、液固比和时间。优化的萃取工艺条件为液
固比 25mL /g，pH2.0，反应温度 85.0℃，反应时间 1.75h，得率为 15.52%。回归模型较好地反映和预测了果胶萃取的实
际情况。
关键词:香橼，果胶提取，响应面分析
Optimization of xiangyuan(C.wilsonii Tanaka)
pectin extraction via response surface method
NIU Li－ying1，2，LI Da－jing1，2，LIU Chun－quan1，2，*
(1.Institute of Farm Product Processing，Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，Nanjing 210014，China;
2.Engineering Ｒesearch Center for Agricultural Products Processing，National Agricultural Science and
Technology Innovation Center in East China，Nanjing 210014，China)
Abstract:For the optimization of pectin extraction from xiangyuan(C.wilsonii Tanaka)peel using hydrochloric acid
extraction and ethanol precipitation method，a Box－ Behnken design(BBD)was applied based on single factor
experiments.Four independent variables(liquid － solid ratio，pH，extraction temperature and time)on the yield of
pectin were evaluated.Ｒesults showed that pH was the most important factor followed by extraction temperature，
then liquid－solid ratio and extraction time.The maximum yield of pectin(15.52%)was found when the liquid－solid
ratio was 25mL/g，and hydrolyzed at pH2.0，85.0℃ for 1.75h.Under the optimal conditions，the experimental values
agreed with the predicted values by analysis of variance.
Key words:Citrus wilsonii Tanaka;pectin extraction;response surface methodology
中图分类号:TS201.1 文献标识码:B 文 章 编 号:1002－0306(2013)23－0219－04
收稿日期:2013－05－14 * 通讯联系人
作者简介:牛丽影(1977－) ，女，博士，助研，研究方向:果蔬加工。
基金项目:江苏省科技支撑计划(BE2012403)。
香橼(Citrus wilsonii Tanaka)为柑橘属植物，树形
优美，果实气味芳香清灵［1］。香橼在中国已有两千余
年的栽培历史，是一种药食同源的经济作物，其干燥
果实为我国传统中药，可用于多种复方制剂。国内
外关于香橼的研究较少，仅有少量植物学分类［2］、中
药学鉴定［3－4］、栽培繁育［5］的报道，而国外仅有其近缘
种枸橼(Citrus medica L.)精油成分及生物活性［6］的
报道。目前，香橼在我国作为园林观赏植物广为栽
培，尤其在江苏省靖江市，香橼作为市树，实现规模
化种植，2012 年果实产量达到 3000t 左右，为实现资
源的充分利用，当地研制的香橼饮料因其清爽宜人
的口感及香气受到广大消费者的欢迎［7］。但是加工
饮料后，大量果皮果渣的利用成为迫切需要解决的
问题。从柑橘类果皮果渣中提取果胶一直是重要的
果胶来源，果胶作为一种天然线性高分子化合物，具
有良好的凝胶性和乳化稳定性，并具有抗腹泻、抗
癌、减肥和治疗糖尿病等作用，可广泛用于食品、医
药、日化产品中［8－9］。果胶提取的方法有多种，目前
商业上多采用在加热条件下，利用稀酸使细胞壁中
的果胶释放，再用乙醇沉淀收集果胶［10－11］。在提取工
艺优化方法中，响应面法能够在小区域内用简单的
一次或二次多项式模型来拟合因素与结果间的全局
函数关系，从而得到准确有效的结论［12］。因此，为确
定香橼果胶提取参数的优化，本研究采用响应面法
进行实验设计，系统研究了影响果胶得率的主要因
素及其相互关系，并采用响应面法拟合得到回归方
程，优选出优化工艺条件，为工业生产开发提供有价
值的工艺参数。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
香橼鲜果 江苏省靖江市，手工分离的香橼果
皮在 60℃烘箱烘干，研磨机磨粉，过 20 目筛，备用;
无水乙醇 南京化学试剂有限公司。
HH－8数显恒温水浴锅 金坛市荣华仪器制造有
DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2013.23.038
220
限公司;TDL－5－A型大容量离心机 上海安亭科学仪
器厂;PHS－5型 pH计 上海康仪仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 提取方法 称取香橼果皮粉 1.0g 于 50mL 离
心管内，按照设定料液比加入蒸馏水，用 6mol /L 的
盐酸调节 pH至设定值，置于设定温度水浴，至设定
时间取出离心，取上清液按照体积比 1∶1 加入无水乙
醇，离心得到沉淀出的果胶。将醇沉得到的果胶加
入无水乙醇 20mL，搅拌再离心除去醇溶性杂质，用
无水乙醇洗涤至离心后的上清液穆立虚反应［13］为阴
性，然后将得到果胶在 250mL容量瓶用水定容，参照
庞荣丽等的方法［14］，利用硫酸－咔唑比色法计算果胶
含量。上述过程中离心条件均为 5000 × g，15min。
1.2.2 单因素实验 首先在 pH 为 1.8，85℃提取
2.5h 条件下，研究不同液固比(15mL /g、20mL /g、
25mL /g、30mL /g)对得率的影响，其次在优选的液固
比及 85℃提取 2.5h条件下，分析不同 pH(0.8、1.8、2.
3、2.8、3.0)对果胶得率的影响，最后在优选的液固比
和 pH下，分别在 65、75、85、95℃温度下进行水浴，管
内温度达到各设定温度后开始计时，计时满 0.5h 后
每间隔 0.5h取出离心管，自来水冲凉至室温，至计时
3.0h，即各温度下均有六个不同酸解时间的样品，得
到各温度下果胶得率随时间变化的曲线。以上实验
每个处理均进行三次重复。
1.2.3 果胶得率计算方法 以萃取得到的果胶得率
作为度量标准，公式为:
果胶得率(%)=
x1
m × 100
式中:x1－果胶质量，g;m－果皮粉质量，g。
1.2.4 响应面法实验设计 对料液比、萃取 pH、萃取
温度(℃)、萃取时间(h)四个影响萃取率的主要因素
进行优化实验。Box－Behnken 设计的四因素三水平
编码表如表 1 所示。根据实验方案进行实验后，对
实验数据进行二次回归拟合，求得回归方程。
表 1 实验因素水平编码表
Table 1 Code and levels of factors design for experiment
编码值
X1 液固比
(mL /g)
X2 pH
X3温度
(℃)
X4时间
(h)
－ 1 15 1.5 65 0.5
0 22.5 2.0 85 1.75
+ 1 30 2.5 95 3.0
1.3 数据分析
单因素实验数据应用采用 Origin Pro7.5(Origin
Lab Corp.，Northampton，MA，USA)进行单因素方差分
析，p ＜ 0.05 为差异显著。响应面实验设计与统计分
析利用软件 Design expert 7.1(Stat － ease Inc.，MN，
USA)完成。
2 结果与分析
2.1 液固比对果胶得率的影响
液固比对果胶得率的影响如图 1 所示。在液固
比 25mL /g时，得率最高。在提取的过程中，物料粉
末在水中的溶胀特性、以及酸解后果胶的粘度对液
固分离的影响直接影响果胶的得率，并体现为液固
比的作用。液固比太低，液固分离过程造成的损失
加大，但过高液固比也未能增加果胶的得率，反而会
增加醇沉工序中醇的用量，甚至有可能由于其他水
溶或酸溶性成分进入提取液中相对浓度的增加而导
致果胶提取得率的降低。鉴于上述实验结果，选择
25mL /g进行后续的单因素实验。
图 1 液固比对香橼果皮果胶得率的影响
Fig.1 Effect of liquid－solid ratio on yield of pectin
2.2 pH对果胶得率的影响
如图 2 所示，在测定的 pH中，pH1.8 时的果胶得
率最高。果皮中的果胶多以原果胶的形式存在，原
果胶在稀酸溶液中水解为水溶性果胶，从而使果胶
从果皮转到水相。果胶的酸离解常数变化范围为
3.55～4.10［15］，D－半乳糖醛酸的酸离解常数为 3.52。
本实验在液固比 25mL /g的情况下，香橼皮粉水溶液
的初始 pH为 3.26，因此选择低于 3.0 的 pH 进行研
究。溶液 pH 偏高，提取时间将会延长，果胶的稳定
性下降，容易分解成果胶酸，使产率下降。而 pH 过
低，提取时间缩短，造成果胶进一步分解，导致果胶
损失，使产品得率降低，同时也使果胶色泽加深［16］。
pH2.0 左右作为果胶提取的最佳 pH在其他柑橘类果
胶提取中也多有报道［17－18］，因此选择在 pH1.8 条件
下，考察温度与时间因素对得率的影响。
图 2 pH对果胶得率的影响
Fig.2 Effect of pH on the yield of pectin
2.3 萃取温度和时间对果胶得率的影响
由图 3 可知，在不同温度下，果胶的得率出现了
不同的变化趋势。在较高温度 95、85 和 75℃下，最
高值分别出现在 0.5、1.5 和 2.0h，随着提取时间的进
一步延长，果胶得率下降。而在较为温和的 65℃条
件下，果胶得率整体偏低，最高值出现在 1.5h。较高
温度下萃取时间过长，可能使果胶发生 β－键消除作
221
用而解聚，从而影响果胶的产量［19－20］。
图 3 温度对果胶得率的影响
Fig.3 Effect of temperature on the yield of pectin
2.4 响应面实验
按照实验设计方案进行实验，结果见表 2。
表 2 响应面实验设计条件及结果表
Table 2 Design and results of response surface experiment
实验号
X1
液固比
X2 pH
X3 萃取
温度
(℃)
X4 萃取
时间
(h)
Y果胶
得率
(%)
1 + 1 － 1 0 0 11.77
2 0 0 － 1 + 1 12.54
3 － 1 － 1 0 0 10.19
4 0 － 1 0 + 1 11.02
5 0 0 0 0 15.07
6 0 + 1 － 1 0 7.84
7 + 1 0 － 1 0 12.87
8 0 － 1 + 1 0 10.21
9 + 1 0 0 + 1 14.96
10 0 － 1 0 － 1 10.92
11 0 0 － 1 － 1 11.66
12 － 1 + 1 0 0 8.35
13 + 1 0 + 1 0 13.86
14 0 0 0 0 15.29
15 0 0 0 0 15.18
16 0 + 1 0 + 1 9.50
17 0 0 0 0 15.40
18 0 0 + 1 － 1 14.63
19 － 1 0 0 － 1 13.64
20 + 1 0 0 － 1 14.41
21 0 0 0 0 14.85
22 － 1 0 － 1 0 10.78
23 － 1 0 + 1 0 13.75
24 0 + 1 + 1 0 7.99
25 － 1 0 0 + 1 14.08
26 0 + 1 0 － 1 8.45
27 0 0 + 1 + 1 13.42
28 0 － 1 － 1 0 9.11
29 + 1 + 1 0 0 9.85
对表 2 在不同条件下所获得的果胶得率，利用
design expert 7.1 统计软件进行二项式回归拟合，得
到回归方程:
y = 15.16 + 0.58x1 － 0.94x2 + 0.76x3 + 0.15x4 －
0.02x1x2 － 0.50x1x3 + 0.028x1x4 － 0.24x2x3 + 0.24x2x4 －
0.52x3x4－0.51x1
2－4.67x2
2－1.74x3
2－0.42x4
2
由表 3 对方程进行 F 检验可得出，失拟检验得
到 p = 0.0870，检验不显著，说明其它因素对实验结果
干扰很小;拟合模型的 p ＜ 0.0001，检验极显著，说明
方程与实际情况拟合良好，能够反映果胶得率与液
固比、萃取 pH、萃取温度、萃取时间之间的关系，同
时复相关系数 Ｒ2 = 0.9881，可以利用此模型对实验中
果胶率进行分析和预测。
表 3 回归方程方差分析表
Table 3 Variance analysis results of regression equation
方差来源 平方和 自由度 均方 F比值 p值
模型 174.39 14 12.46 83.3 ＜ 0.0001
残差 2.09 14 0.15
失拟 1.91 10 0.19 4.28 0.0870
误差 0.18 4 0.045
总和 176.49 28
Ｒ－Squared 0.9881
回归系数取值及方差分析结果见表 4。
表 4 回归系数显著性检验
Table 4 Test of significance for regression coefficient
模型项 系数估计 自由度 F值 p值 显著性
x1 4 1 26.76 0.0001 ＊＊
x2 10.53 1 70.4 ＜ 0.0001 ＊＊
x3 6.84 1 45.74 ＜ 0.0001 ＊＊
x4 0.27 1 1.83 0.1981
x1 x2 0.0016 1 0.011 0.9191
x1 x3 0.98 1 6.55 0.0227 *
x1 x4 0.0030 1 0.02 0.8889
x2 x3 0.23 1 1.51 0.2396
x2 x4 0.23 1 1.51 0.2396
x3 x4 1.09 1 7.3 0.0172 *
x1
2 1.67 1 11.15 0.0049 ＊＊
x2
2 141.5 1 946.23 ＜ 0.0001 ＊＊
x3
2 19.6 1 131.05 ＜ 0.0001 ＊＊
x4
2 1.13 1 7.54 0.0158 *
注:＊＊p ＜ 0.01，极显著，* p ＜ 0.05，显著。
由表 4 显著性检验可知，x1、x2、x3、x1x3、x3x4、x1
2、
x2
2、x3
2、x4
2 项对得率有显著影响，设定的四个因素中
液固比、pH、温度对得率的影响均达极显著水平，虽然
时间对得率影响不显著，但是时间与温度的交互作用
达到显著水平。通过对回归方程进行中心标准化处
理，从回归系数绝对值的大小来分析各个因素的改变
对萃取率影响的大小。回归方程一次项的回归系数绝
对值大小依次为 x2 ＞ x3 ＞ x1 ＞ x4，表明 pH对果胶得率
的影响最大，其次萃取温度、液固比和萃取时间。
2.3 果胶得率响应面分析
将二项式方程中的液料比、pH、提取温度和提取
时间分别固定在零水平，做出交互效应响应面图，根
据曲面变化可对各因素的作用特点获得直观的解
释［21］。如图 4 所示，在 pH 与液固比、时间及温度的
响应曲面中可以发现当其他两个因素维持不变时，
果胶得率均表现出随 pH升高先升高后下降的趋势，
在 pH2.0 左右出现最大值。在时间与 pH 的响应曲
222
面中，曲面随时间变化相对平滑，说明果胶得率对
pH变化比对时间变化更为敏感。当 pH与时间维持
不变时，随温度升高，料液比对果胶得率的影响减
小;同样 pH与液固比维持不变时，随温度升高，时间
对果胶得率的影响减小，说明温度与液固比、温度与
时间因素间存在显著的交互作用，这可能是由于较
低液固比时果胶溶液的粘度较大，影响了分离效果，
而较高温度减弱了液固比造成的影响;另一方面在
较高温度下果胶的水解速度加快，也构成了温度与
时间显著的交互作用。
图 4 各因素对果胶得率影响的响应曲面图
Fig.4 Ｒesponse surface and contour plot of the factors
2.4 验证实验及最佳萃取条件的确定
根据模型，利用 Design expert 7.1 软件计算得到
最优工艺方案:液固比 26.29mL /g，pH1.95，反应温度
82.11℃，反应时间 1.85h，得率为 15.41%。为方便实
际操作，将优化参数调整为液固比 25mL /g，pH2.0，反
应温度 85.0℃，反应时间 1.75h，在此优化条件重复实
验 5 次，实际测得的平均得率为 15.37% ～15.68%，平
均值为 15.52%，与理论预测值相比，其误差低于
1.0%，说明基于响应曲面法所得的优化提取工艺参
数具有一定的实际指导意义。
3 结论
本研究以果胶得率为指标，采用响应面分析方
法中的 Box－Behnken实验设计，得到料液比、萃取温
度(℃)、萃取 pH、萃取时间(h)四个因素的二项式回
归模型，经过方差分析显示该模型较好地反映了各
因素果胶得率的影响，并得到最适工艺条件为液固
比 25mL /g，pH2.0，反应温度 85.0℃，反应时间 1.75h，
此条件下果胶的得率为 15.52%。
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