乳酸提取檸檬皮果膠的工藝

劉義武，孔昭華，王碧，*

（1.內(nèi)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100；2.果類廢棄物資源化省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 內(nèi)江 641100）

果膠是主要由D-半乳糖醛酸以α-1，4-糖苷鍵連接聚合而成、呈線性結(jié)構(gòu)的多聚糖類[1-3]。果膠作為一種水溶性膳食纖維，不僅是一種良好的功能性配料，而且還是一種富有營養(yǎng)健康價(jià)值的直接食用成分，被廣泛應(yīng)用于食品、化妝、醫(yī)藥等工業(yè)[1-6]。果膠被世界稱為“人體健康的平衡素”，是人體健康不可或缺的健康因子。果膠分子的結(jié)構(gòu)取決于果膠提取原料的種類、組織類型和提取工藝等[1]。隨著人們保健意識(shí)的進(jìn)一步增強(qiáng)，果膠越來越受到研究與加工行業(yè)的青睞。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年我國果膠的年消耗4000 t以上，并以每年4%～5%的速度增長，80%依靠進(jìn)口，其中檸檬果膠約2000t完全依靠進(jìn)口。因此，大力開展果膠，特別是檸檬果膠的研究與開發(fā)，探索提高果膠產(chǎn)量和質(zhì)量的新方法和新工藝，不僅能為我國食品加工領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用優(yōu)質(zhì)果膠提供理論依據(jù)，而且將推動(dòng)國產(chǎn)果膠生產(chǎn)的發(fā)展。

果膠原料的來源非常廣泛，已報(bào)道的提取果膠原料超過40種[7-8]，但當(dāng)前真正具有工業(yè)提取價(jià)值的是蘋果渣和柑橘類果皮[9-10]。國內(nèi)生產(chǎn)果膠主要是柑桔果膠和蘋果果膠，檸檬果膠幾乎沒有。雖然檸檬皮渣中果膠的含量高達(dá)30%[11]，是優(yōu)質(zhì)的果膠工業(yè)生產(chǎn)原料，但國內(nèi)從檸檬皮渣中提取果膠的報(bào)道甚少[12]。目前檸檬皮渣基本上被廢棄，并且皮渣極易發(fā)霉變臭，對(duì)人畜和農(nóng)作物都極為有害。采用有機(jī)酸——乳酸提取檸檬皮中的果膠，以期得到一種優(yōu)化的用于提取檸檬皮中果膠的工藝,提高檸檬的綜合利用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

檸檬購自四川安岳；乳酸、95%乙醇、無水乙醇、氫氧化鈉，均為分析純。

WT5002K電子天平：江蘇常州萬泰天平儀器有限公司;AE240電子分析天平：中國梅特勒一托利多儀器有限公司;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：金壇市醫(yī)療儀器廠；PHS-10A數(shù)字式pH計(jì)：上海日島科學(xué)儀器有限公司；TDL-5A低速大容量離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

檸檬皮預(yù)處理→酸液萃取→趁熱離心分離→加醇沉析→抽濾→洗滌→干燥、粉碎→成品

1.2.2 果膠提取

1.2.2.1 檸檬皮預(yù)處理

取新鮮檸檬若干，洗凈后剝下檸檬皮，將剝下的檸檬皮洗凈后切成1 cm左右的小塊置于100℃沸水中煮沸5 min，去除果皮中的果膠酶以及還原性可溶糖，用清水漂洗至無色，65℃烘干，粉碎。

1.2.2.2 果膠的提取

準(zhǔn)確稱取5.00 g經(jīng)預(yù)處理的檸檬皮粉末，加入適量水，用乳酸調(diào)節(jié)pH為2.0～3.0左右，在80℃～100℃下，萃取1 h～3 h，使原果膠轉(zhuǎn)化為可溶性果膠。趁熱將漿狀液體置于離心機(jī)中離心，收集上清液；用蒸餾水洗滌殘?jiān)瑢⑾匆弘x心，收集上清液，合并上清液。在攪拌下將95%乙醇加入冷至室溫的果膠濃縮液中，控制乙醇含量50%左右，果膠呈絮狀凝結(jié)析出。沉淀物靜止后，用真空泵抽濾，用75%乙醇洗滌2次～3次，50℃烘干即得果膠成品。

1.2.3 正交試驗(yàn)

在對(duì)單因素分析和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用L9（34）的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)影響果膠提取效果的主要因素：pH、提取溫度、提取時(shí)間、液固比進(jìn)行研究（見表1），以果膠提取率為考察主要指標(biāo)，確定最佳工藝參數(shù)。

表1 果膠提取實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels table of extracting pectin

1.2.4 果膠提取率和果膠純度測(cè)定方法

果膠中半乳糖醛酸含量、酯化度按GB 25533-2010《食品添加劑果膠》中方法進(jìn)行。果膠提取率的計(jì)算公式如下：

果膠提取率/%=果膠質(zhì)量×100/檸檬皮粉末質(zhì)量

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 pH對(duì)果膠提取率的影響

pH對(duì)果膠提取率的影響，見圖1。

圖1 pH對(duì)果膠提取率的影響Fig.1 Effect of the pH value on extraction rate of pectin

從圖1可知，提取液的pH對(duì)果膠提取率的影響非常明顯，果膠提取率隨pH降低而增加較大，這主要是由于原果膠水解逐漸變強(qiáng)的原因。pH低于2時(shí)，乳酸（pka=2.5）的使用量迅速增加，提高果膠生產(chǎn)成本并增加了后處理難度。此外，pH過低，原果膠過度水解，致使果膠脫酯和裂解，使沉淀物外觀色澤不合要求；pH過高，原果膠水解不完全，產(chǎn)量低。最佳pH應(yīng)控制在2.0～2.2左右。

2.1.2 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響

提取溫度對(duì)果膠提取率的影響，見圖2。

圖2 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of pectin

由圖2可知，隨著溫度升高，果膠提取率增大，當(dāng)溫度達(dá)到95℃后，隨溫度升高，提取率變化很小。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，果膠水解不充分，從而導(dǎo)致提取率較低，但溫度過高，高溫對(duì)果膠結(jié)構(gòu)的破壞作用大于果膠溶出速率，造成提取率有所下降。此外，溫度過高對(duì)果膠膠凝度也有影響，溫度宜控制在90℃～95℃。

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響，見圖3。

圖3 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of pectin

圖3表明，隨著水解時(shí)間的延長，果膠提取率先迅速的增大后減小，當(dāng)水解時(shí)間為2.5 h時(shí)果膠提取率最高。時(shí)間太短，檸檬中的果膠不能被完全提取出來，使果膠提取率偏低；時(shí)間過長，果膠繼續(xù)水解，生成果膠酸，果膠提取率也偏低，同時(shí)還增加了試驗(yàn)?zāi)芎?。果膠的純度隨著提取時(shí)間的延長略有降低，果膠的純度在80%～83%之間，遠(yuǎn)高于GB 25533-2010《食品添加劑果膠》中純度（≥65%）要求，也高于美國藥典USP 32-NF27中果膠純度（≥74%）要求。所以最佳水解時(shí)間為2 h左右。

2.1.4 液固比對(duì)果膠提取率的影響

液固比直接影響可溶性果膠能否充分轉(zhuǎn)移到液相，同時(shí)也影響浸取液過濾的速度，以及蒸發(fā)濃縮時(shí)的能耗。不同液固比條件下果膠提取率如圖4所示。

圖4 液固比對(duì)果膠提取率的影Fig.4 Effect of liquid-to-solid ratio on extraction rate of pectin

由圖4可以看出，液固比在30∶1（mL/g）時(shí)提取率最高，液固比過低，難以保證原料中的果膠質(zhì)全部轉(zhuǎn)移到提取液中，提取不完全，產(chǎn)率低；液固比過大，溶液中的果膠濃度低，乙醇消耗量大，后續(xù)處理時(shí)會(huì)提高操作的能耗和費(fèi)用,造成不必要的浪費(fèi)[12]。圖4也表明液固比對(duì)果膠的純度影響很小。因此，液固比選擇30∶1 為宜。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了得到乳酸提取檸檬皮果膠的最優(yōu)提取工藝，進(jìn)行了L9（34）正交試驗(yàn)，提取率的正交試驗(yàn)見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experiments

由表2可以看出，各因素對(duì)檸檬果膠提取率影響的順序?yàn)椋築＞A＞D＞C，即提取溫度＞提取酸度（pH）＞液固比＞提取時(shí)間。根據(jù)極差分析，其最優(yōu)組合為B3A1D3C3，即第 3組：提取溫度 95 ℃，pH 2.0，液固比40∶1，提取時(shí)間2.5 h，該組合的提取率24.8%。但由于液固比、時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響較小，適當(dāng)降低液固比和提取時(shí)間，能提高提取效率和后期濃縮的效率，液固比可選用30∶1，提取時(shí)間可選用2 h。因此，最優(yōu)組合為：B3A1D2C2，即提取溫度95℃，pH 2.0，液固30∶1，提取時(shí)間 2 h，3次果膠平均提取率 23.8%，酯化度（果膠分子中酯化的半乳糖醛酸單體占全部半乳糖醛酸單體的百分比）72.7%，屬于高酯快凝果膠。

3 結(jié)論

經(jīng)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，得到乳酸提取檸檬皮果膠最佳工藝條件為：pH 2.0，溫度95℃，時(shí)間2 h，液固比30∶1，果膠提取率23.8%，酯化度72.7%。乳酸提取果膠色澤淺，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)可以不脫色，簡(jiǎn)化了工藝，降低了生產(chǎn)成本，工藝穩(wěn)定可行。

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