响应面优化超声波辅助酸法提取百香果皮果胶工艺及其抗氧化活性研究

王锦秀，赵晴晴，徐心怡，谢 倩，陈清西

（福建农林大学园艺学院，福建福州 350000）

百香果（Passiflara eduliaSims.）又名巴西果、鸡蛋果，为西番莲科（Passiloraceae）、西番莲属（Passiflora）多年生常绿攀缘性藤本植物[1−2]。2018 年底全国百香果总产量达到590.03 kt，较上年新增67.47%，福建省总产量达200.00 kt，较上年增长150.00%[3]。百香果汁因营养丰富[4−5]常被加工成复合果汁[6]、果醋[7]、果酒[8]等加工产品；百香果皮（PFP）占鲜果重50%～55%[9]，在百香果加工中常作为废弃物丢弃[10]，而PFP中富含果胶、多酚、膳食纤维等多种活性物质[11−12]，因此对PFP 进行有效利用可提高百香果全果利用价值。

果胶主要存在于高等植物细胞壁中，提取方法主要有酸法、酶法、微波辅助法、超声波辅助法、螯合剂法等[9,13−14]，提取方法不同果胶得率、性质差异较大，如酸法提取果胶质量好、生产成本低，但果胶得率低且会变性[9]；酶法提取果胶操作简单、果胶性质稳定，但对酶纯度要求较高；微波辅助法可加速果胶溶出，但成本高且温度不易控制[15]，超声-微波协同法提取时间短、提取率较高，但对设备条件要求较高，还需进一步研究。超声波的“空化作用”可使细胞破碎或崩解[16−17]，促使植物细胞有效成分溶出[18]，利用超声波辅助酸法提取果胶可有效中和酸法缺点，大大缩短提取时间[19]，但不同物料对超声提取条件要求不同。目前，提取PFP 果胶的方法有超声波辅助纯水法（12.67%[20]）、超声-微波协同辅助提取法（12.14%[21]）、超声波辅助酶法（3.22%[22]）等，也有使用超声波辅助柠檬酸法提取PFP 果胶（13.07%[23]），但多使用热干燥法干燥物料。果品热处理已被证明会降解和脱甲氧基化果胶分子，果胶降解程度随温度增加而增加[24]，而非热处理则可以保留更多原果胶。

研究表明，多种植物果胶均具有抗氧化活性[25]，如柑橘皮[26]、柠檬皮[27]、胡萝卜[28]等，在功能性食品及药品中的应用具有较大利用价值。因此，本文针对当地代表品种，以‘福建百香果2 号’为试验对象，使用冷冻干燥法干燥PFP，以酸法为对照，采用超声辅助柠檬酸法提取PFP 果胶，在单因素基础上利用响应面优化得到PFP 果胶的最佳提取工艺，并在提取果胶的基础上进一步研究两种方法提取的果胶对DPPH 自由基（DPPH·）、羟自由基（·OH）以及超氧阴离子自由基（·）清除能力的差异，为解决当地品种百香果皮的资源浪费状况，为其进一步开发及综合利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

‘福建百香果2 号’果皮 福建省漳州市华安县联众果蔬专业合作社提供，将去除海绵层的百香果外果皮洗净晾干，冷冻干燥48 h 后用高速多功能粉碎机粉碎，过80 目筛后保存于−40 ℃冰箱；柠檬酸、咔唑、半乳糖醛酸、水杨酸、硫酸亚铁（FeSO4）、邻苯三酚（C6H6O3） 国药集团化学试剂有限公司；羟甲基氨基甲烷（Tris）、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）生工生物工程上海股份有限公司；所有试剂均为分析纯。

LGJ-25C 型真空冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂；KQ-300DE 数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；Allegra 64R 台式高速冷冻离心机美国 BECKMAN 公司；Infinite M200 Pro 多功能酶标仪 瑞士Tecan 集团公司。

1.2 实验方法

1.2.1 酸法提取百香果皮果胶 参考刘运花[9]的方法，并略有改动。称取5.00 g PFP 粉末于150 mL 柠檬酸提取液（pH2.0）中搅拌均匀，在水浴温度80 ℃条件下提取4 h，用2 层200 目尼龙布作为滤布抽滤2 次得果胶原液，果胶原液浓缩至原体积1/3 后加入1.5 倍95%乙醇醇沉12 h，抽滤得粗果胶滤饼，95%乙醇洗涤2 次，所得滤饼冷冻干燥48 h 后即得PFP 果胶。

1.2.2 超声波辅助酸法提取百香果皮果胶 参考辛明等[23]的方法，并略有改动。超声提取条件为超声温度50 ℃、超声功率180 W 条件下超声70 min，其他步骤参照1.2.1。

1.2.3 果胶提取得率测定 参照黎英等[21]方法略有改动。吸取0.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0、60.0、70.0、80.0、90.0 mg/L 半乳糖醛酸标准溶液各1.00 mL 于25 mL 玻璃试管中，分别加入0.25 mL 1 g/L 咔唑-乙醇溶液，产生白色絮状沉淀，不断摇动试管，快速加入5.0 mL 浓硫酸，振荡摇匀，85 ℃水浴20 min，取出后放入冷水中冷却，在波长528 nm处测定吸光度，绘制标准曲线。

称取一定质量果胶粉末溶于超纯水，即为果胶样品溶液，吸取1 mL 果胶样品溶液于25 mL 试管中，按照标准曲线方法测定果胶样品溶液吸光度。按照公式（1）计算PFP 果胶提取得率。

式中：C 为标准曲线计算所得半乳糖醛酸浓度，mg/L；V 为果胶样品溶液总体积，mL；N 为稀释倍数；W 为果胶粉末质量，g。

1.2.4 单因素实验

1.2.4.1 pH 对提取得率的影响 称取5.00 g PFP 粉末，以pH 为变量（1.5、2.0、2.5、3.0、3.5）在料液比1:30 g/mL、超声时间70 min、超声温度40 ℃、超声功率180 W 条件下超声提取70 min，以PFP 果胶提取得率为指标确定最佳pH。

1.2.4.2 料液对提取得率的影响 称取5.00 g PFP粉末，以最佳pH2.0 在不同料液比（1:10、1:15、1:20、1:25、1:30 g/mL）条件下考察不同提取料液比对PFP 果胶提取得率的影响，确定最佳料液比。

1.2.4.3 超声时间对提取得率的影响 称取5.00 g PFP 粉末，以最佳料液比1:25 g/mL、pH2.0 在不同超声时间（30、50、70、90、110 min）条件下考察不同提取超声时间对PFP 果胶提取得率的影响，确定最佳超声时间。

1.2.4.4 超声功率对提取得率的影响 称取5.00 g PFP 粉末，以最佳料液比1:25 g/mL、pH2.0、超声时间70 min 在不同超功率（150、180、210、240、270 W）条件下考察不同提取超声功率对PFP 果胶提取得率的影响，确定最佳超声功率。

1.2.4.5 超声温度对提取得率的影响 称取5.00 g PFP 粉末，以最佳料液比1:25 g/mL、pH2.0、超声时间70 min、超声功率210 W 在不同超声温度（30、40、50、60、70 ℃）条件下考察不同提取超声温度对PFP 果胶提取得率的影响，确定最佳超声温度。

1.2.5 响应面试验设计 综合单因素实验结果，选择pH、超声时间、超声功率和超声温度为主要考察因素，确定如表1 所示的因素和水平，采用Design-Expert 10.0 软件，应用Box-Behnken 原理进行4 因素3 水平试验（共29 组），从而确定提取最优条件并进行验证试验。

表1 响应面因素水平表Table 1 Factor and level table of response surface

1.2.6 PFP 果胶抗氧化活性的测定

1.2.6.1 DPPH·清除能力测定 参照马丽苹等[29]方法略有修改。配制0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/mL PFP 果胶溶液，各取2 mL 至10 mL 试管，分别加入2 mL 0.2 mmol/L DPPH-甲醇溶液混合均匀，室温避光反应30 min 后，在517 nm 波长处测定吸光度。本底组用2 mL 95%甲醇溶液代替2 mL DPPH-甲醇溶液，空白组用2 mL 超纯水代替果胶溶液；以抗坏血酸（VC）为阳性对照。按公式（2）计算PFP 果胶对DPPH·清除率。

式中：A1为测定组吸光度；A2为本底组吸光度；A0为空白组吸光度。

1.2.6.2 对·OH 清除能力测定 参照宋佳敏等[30]方法略有修改。配制0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/mL PFP 果胶溶液，各取1 mL 至10 mL 试管，分别加入1.00 mL 1.8 mmol/L FeSO4、1.0 mL 1.8 mmol/L 水杨酸-乙醇溶液、1.0 mL 8.8 mmol/L H2O2，振荡试管使溶液混合均匀，37 ℃水浴30 min，在510 nm 处测定吸光度；空白组用超纯水代替样品溶液；以VC为阳性对照。按公式（3）计算PFP 果胶对·OH 清除率。

式中：A样品为测定组吸光度；A空白为空白组吸光度。

式中：Ai为测定组吸光度；Aj为空白组吸光度。

1.3 数据处理

所有实验均重复三次以上，以Excel 2019 整理数据，以SPSS 26.0 进行显著性分析及回归分析，以单因素方差分析（One-way ANOVA）法对所得数据进行差异显著性分析，以Design Expert 10.0 进行响应面试验设计。用Origin 2019 作图。

2 结果与分析

2.1 半乳糖醛酸标准曲线

如图1 所示，在波长528 nm 下测定吸光度，以半乳糖醛酸溶液质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，得出标准曲线及其回归方程:y=0.0241x+0.2157，R²=0.9991，在0～90 μg/mL 范围内线性关系良好。

图1 半乳糖醛酸标准曲线Fig.1 Galacturonic acid standard curve

2.2 单因素实验结果

2.2.1 pH 对PFP 果胶提取得率的影响 如图2，PFP果胶提取得率随pH 升高呈先上升后下降趋势。当pH 为2.0 时，果胶提取得率达最大值14.44%。当pH＜2.0 时，果胶提取得率随着酸性的增高而降低，这是因为样品在较强酸性溶剂的浸泡中，原果胶逐渐转化成可溶性果胶，然而较强的酸性环境又会促使果胶脱脂分解[32]；当pH＞2.0 时，果胶提取得率随酸性降低而下降，这是因为溶剂酸性较低时，样品中原果胶转化成可溶性果胶能力也随之降低，提取效率下降[33]。

图2 pH 对PFP 果胶提取得率的影响Fig.2 Effect of pH on pectin extraction ratio of PFP

2.2.2 料液比对PFP 果胶提取得率的影响 如图3，PFP 果胶提取得率随料液比加大呈先上升后下降趋势，当料液比为1:25 g/mL 时，提取得率达最大值14.57%，可能酸性溶液用量逐渐加大时，溶质与溶剂浓度差也随之增大，作为溶质的原果胶则更加迅速扩散溶出，果胶提取得率增高[34]；当料液比＞1:25 g/mL时，果胶提取得率呈下降趋势，下降了3.09%，这可能是因为果胶扩散距离拉长，扩散能力降低，且随溶剂增加，溶剂对超声波的能量消耗也随之增加，导致作为溶质的原果胶吸收能量减少，果胶提取得率下降[33−34]。

图3 料液比对PFP 果胶提取得率的影响Fig.3 Effect of liquid to material ratio on pectin extraction ratio of PFP

2.2.3 超声时间对PFP 果胶提取得率的影响 如图4，PFP 果胶提取得率随超声时间延长呈先上升后下降趋势，当超声时间70 min 时，果胶提取得率达最大值13.79%。当超声时间＜70 min 时，随时间增加，果胶逐渐从物料组织中溶出并扩散，转变成水溶性果胶，提取得率增加[35]；而超声时间过长（＞70 min）会使果胶部分结构被破坏，发生降解、脱脂等，且杂质溶出率增加，导致果胶提取得率下降[36]。

图4 超声时间对PFP 果胶提取得率的影响Fig.4 Effect of ultrasonic time on pectin extraction ratio of PFP

2.2.4 超声功率对PFP 果胶提取得率的影响 如图5，PFP 果胶提取得率随超声功率增强呈先上升后下降趋势，当超声功率为210 W 时，提取得率达最大值14.56%。当超声功率＜210 W 时，超声波“空化作用”加速了超声波对物料组织的破坏，促使果胶大分子逐渐溶出，提取得率增加[17]；当超声功率＞210 W 时，果胶降解率随着大功率超声波作用增大而增大，溶质留在超声场中作用时间缩短，无法充分破壁，且其他杂质也会溶出，导致果胶提取得率下降[37]。

图5 超声功率对PFP 果胶提取得率的影响Fig.5 Influence of ultrasonic power on pectin extraction ratio of PFP

2.2.5 超声温度对PFP 果胶提取得率的影响 如图6，PFP 果胶提取得率随超声温度升高呈先上升后下降趋势，当超声温度为50 ℃时，提取得率达最大值14.82%。当超声温度＜50 ℃时，随着温度升高会产生更高的传质速率和溶剂扩散速率，从而提高提取得率[38]；当超声温度＞50 ℃时，温度过高会对果胶分子结构及稳定性产生影响，使部分果胶发生降解[39]，导致果胶提取得率降低。

图6 超声温度对PFP 果胶提取得率的影响Fig.6 Effect of ultrasonic temperature on pectin extraction ratio of PFP

2.3 响应面试验分析

2.3.1 响应面试验结果 运用Design Expert 10.0 软件对响应值和各个因素进行二次多元回归拟合，所得二次多元回归方程为：Y=14.63−0.42A+0.03B−0.12C−0.39D+0.73AB+0.03AC+0.2AD−0.65BC−0.08BD+0.43CD−1.2A2−0.91B2−0.8C2−0.61D2，响应面分析试验设计结果如表2 所示。

表2 Box-Benhnken 试验设计及结果Table 2 Design and results of Box-Benhnken test

2.3.2 回归模型的方差分析 通过F统计量、响应面二次多项式模型的方差分析（ANOVA）检验了回归模型的显著性，见表3。失拟项通常用来描述回归模型的合适程度，考察没有在回归范围内被包含的数据点。本研究模型失拟项F值为2.93，P值为0.1558（P＞0.05），表明失拟项不显著，该模型拟合度较好。A、D、AB、A2、B2、C2、D2对PFP 果胶提取量影响极显著（P＜0.01），一次项B、C 项与交互项AC、AD、BD、CD 均不显著（P＞0.05）。由各因素P值可以得知各因素对PFP 果胶提取得率影响顺序为A＞D＞C＞B，即pH＞超声温度＞超声功率＞超声时间。

表3 回归模型方差分析表Table 3 Analysis of variance of regression model

2.3.3 响应面分析 各因素及其交互作用对果胶提取得率的影响可从响应面的变化得到直观反映，本试验所构建模型响应面图如图7 所示。PFP 果胶的提取得率随着各因素水平变化而变化，A 与B 曲线坡度最为陡峭，说明pH 与超声时间的交互作用最为显著，其次是B 与C，说明超声功率与超声时间的交互作用比其它两因素较为显著，结果与方差分析一致。

图7 各因素之间的交互作用对果胶提取得率的响应面图Fig.7 Response surface diagram of interaction between various factors on pectin extraction rate

2.3.4 最佳工艺验证 通过对PFP 果胶提取得率二次多项式解析，得提取PFP 果胶最佳工艺条件为：pH1.90，超声时间70.54 min，超声功率204.09 W，超声温度45.78 ℃，此时PFP 果胶理论提取得率为14.76%。考虑到实际操作可行性，将工艺调整为：pH2.0，超声时间70 min，超声功率210 W，超声温度45 ℃，按此工艺条件进行5 组平行验证试验，得PFP 果胶提取得率为14.78%±0.21%。

2.4 PFP 果胶的抗氧化活性

2.4.1 对DPPH·的清除率 DPPH 是一种亲脂自由基，溶于醇时会呈紫色，在517 nm 处存在特殊的吸收峰[40]。当果胶样品存在抗氧化活性时，DPPH·会失去孤对电子，失去孤对电子数量越多，样品溶液褪色越明显，表明样品抗氧化能力越强，所以此现象常被用来评价抗氧化剂的抗氧化性[41]。本研究以VC为阳性对照，研究PFP 中果胶对DPPH·清除能力。如图8，PFP 果胶对DPPH·的清除作用在一定质量浓度范围内呈一定剂量依赖效应。在0.5～3.0 mg/mL范围内，VC对DPPH·的清除率保持在91%以上，酸法和超声波辅助酸法提取的PFP 果胶对DPPH·清除率的变化均呈缓慢上升趋势，当果胶浓度为3.0 mg/mL 时，对DPPH·清除率分别为46.37%±1.45%和60.96%±1.03%。结果表明PFP 果胶对DPPH·具有良好的清除能力，且超声波辅助提取后清除能力得到明显增强。

图8 PFP 果胶对DPPH·清除率Fig.8 DPPH free radical scavenging rate of PFP pectin

2.4.2 对·OH 的清除率 ·OH 是一种常见自由基，它从细胞膜、DNA 等方面损害生物体[42]。如图9，在质量浓度0.5～3.0 mg/mL 范围内，VC对·OH 清除率稳定保持在90%以上；酸法和超声波辅助酸法提取的PFP 果胶对·OH 清除能力均随果胶质量浓度增加而逐渐增强，当果胶质量浓度为3.0 mg/mL 时，对·OH 清除率分别为58.37%±1.09%和80.16%±1.78%，且在此质量浓度范围，PFP 果胶对·OH 清除效果差异均显著（P＜0.05）。超声波辅助酸法提取的果胶清除·OH 能力作用明显高于酸法，这与Torkamani 等[19]的研究结果一致。

图9 PFP 果胶对·OH 清除率Fig.9 Hydroxyl radical scavenging rate of PFP pectin

图10 PFP 果胶对·清除率Fig.10 Superoxide anion radical scavenging rate of PFP pectin

3 结论

本研究以‘福建百香果2 号’果皮为试验原料，依据单因素实验结果进行响应面优化，得出最优提取工艺参数为pH2.0，超声时间70 min，超声功率210 W，超声温度45 ℃，按此工艺条件进行5 组平行验证试验，得PFP 果胶平均提取得率为14.78%±0.21%，与响应面预测值仅差0.02%，说明模型能较好预测果胶提取得率。研究发现PFP 果胶具有较好的抗氧化活性，且经过超声波处理后PFP 果胶的抗氧化活性明显提高，尤其是对清除·OH 能力明显增强。结果表明，利用超声波辅助酸法能够提高果胶得率，并且增强了提取果胶的抗氧化活性，为百香果皮果胶的进一步开发利用提供了理论依据。但超声波增强果胶抗氧化活性的途径暂不明确，可能是超声波通过影响果胶结构、性质等途径，也可能与PFP 果胶的结构、性质等有关，之后可进行深入研究。