超聲波輔助提取蘋果渣中果膠的研究

常大偉, 張 爽, 孔令知

(陜西科技大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

果膠是人體七大營養(yǎng)素中膳食纖維的主要成分，具有良好的抗腹瀉、抗癌、治療糖尿病和減肥等生理功效[1]；同時(shí)作為植物細(xì)胞壁多糖類家族中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的一種多糖，它具有優(yōu)良的膠凝性、乳化性，可以作為食品、醫(yī)藥、化妝品、印染等工業(yè)常用的輔料[2].我國是蘋果生產(chǎn)和加工大國，每年產(chǎn)生大量的蘋果渣，干蘋果渣中含有15～18%的果膠[3]，從蘋果渣中提取果膠，可以變廢為寶，既保護(hù)了環(huán)境又可提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益.

國內(nèi)關(guān)于果膠提取的研究與國外相比較晚，目前主要有化學(xué)法、酶法、鹽析法、醇析法等.傳統(tǒng)酸法提取過程中果膠分子易發(fā)生部分水解和降解，存在果膠含量低、色澤差、品質(zhì)低的問題[4]；酶解法條件溫和，但由于酶法提取果膠反應(yīng)時(shí)間較長，酶制劑用量大，阻礙了其在國內(nèi)的應(yīng)用[5]；醇析法乙醇用量太大，存在所用醇回收難的問題；鹽析法生產(chǎn)工藝較醇析法復(fù)雜，并且脫鹽的難度大，易導(dǎo)致殘留大量的金屬離子，生產(chǎn)出的果膠灰分高，色澤深[6].

Agnieszka Nawirska等研究了超聲波技術(shù)在提取中的應(yīng)用，得出超聲波在提取過程中成本低，耗時(shí)短，浪費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)[7].目前關(guān)于蘋果渣果膠的超聲波提取研究較少，本文對蘋果渣進(jìn)行了超聲波輔助酸法提取，研究了不同萃取劑、料液比、pH值、超聲時(shí)間、超聲溫度、超聲功率對果膠得率的影響，通過正交試驗(yàn)得到最佳提取工藝，為綜合利用資源以及利用超聲波方法提取蘋果渣中果膠提供了理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

蘋果渣，鹽酸、硫酸、磷酸、草酸、無水乙醇等均為分析純.

1.2 主要儀器

6S323S型電子天平、PB-10型酸度計(jì)、RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、KQ-250TDV型高頻數(shù)控超聲波清洗機(jī)、SC-3610型低速離心機(jī)、101-AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 原料預(yù)處理

將蘋果渣烘干，用高速萬能粉碎機(jī)粉碎，過60目篩待用.

1.3.2 酸法提取果膠

取5 g經(jīng)預(yù)處理的蘋果渣，按一定料液比加入不同的酸萃取劑，在pH為2.0時(shí)提取果膠.本研究中用重量法測定果膠的含量[8]，并計(jì)算果膠的得率，以確定最佳酸萃取劑.

1.3.3 超聲波輔助酸法提取果膠

在上述酸法的基礎(chǔ)上，超聲波輔助提取，提取結(jié)束后趁熱離心過濾，所得濾液即為果膠提取液.進(jìn)行料液比、pH值、超聲時(shí)間、超聲溫度以及超聲波功率對蘋果渣中果膠得率影響的單因素和正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表如表1所示.

表1 超聲波輔助提取果膠正交試驗(yàn)因素與水平

1.3.4 果膠的沉淀

將果膠提取液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，50 ℃下濃縮為原體積的二分之一，然后迅速降溫冷卻至室溫，加入1.2倍體積的沉淀劑[9]，攪拌均勻，沉淀1～2 h，再用無水乙醇洗滌2～3次，進(jìn)一步除去色素及其他雜質(zhì)成分.將濾干的果膠干燥后粉碎，過60目篩即得到果膠產(chǎn)品.

2 結(jié)果與討論

2.1 酸法提取果膠萃取劑的確定

選取鹽酸、硫酸、磷酸、草酸為酸萃取劑，果膠的得率如圖1所示.圖1表明，在相同的pH值時(shí)，酸的種類對果膠得率的影響無較大差異，但強(qiáng)酸(鹽酸和硫酸)比弱酸(磷酸和草酸)萃取效果好，原因可能是強(qiáng)酸中游離的H+較多，加速了原果膠向果膠酯酸的轉(zhuǎn)化，最終水解為果膠酸[10,11].但考慮到硫酸一般為工業(yè)用酸，不屬于合法的食品加工助劑，因此本實(shí)驗(yàn)采用鹽酸來萃取蘋果渣中的果膠.

圖1 不同萃取劑對果膠得率的影響

2.2 超聲波輔助提取果膠的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 料液比對果膠得率的影響

在固定其他條件下，考察料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30，結(jié)果見圖2.當(dāng)料液比為1∶10時(shí)，果膠提取液已成糊狀，無法分離，得不到果膠產(chǎn)品，所以料液比應(yīng)從1∶15開始比較合適.隨著料液比的增大，果膠得率先增加后降低.當(dāng)料液比過小時(shí)，溶液中所含果膠濃度低，加醇沉淀后轉(zhuǎn)化成果膠的量相應(yīng)下降；當(dāng)料液比過大時(shí)，不利于果膠質(zhì)形成果膠，溶液中果膠濃度較大，不利于果膠沉淀析出，且過濾困難[12].綜合考慮，選用料液比為1∶20較為合適.

圖2 不同料液比對果膠得率的影響

2.2.2 pH值對果膠得率的影響

選取pH值為1.5、1.8、2.0、2.2、2.5等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，果膠得率的變化趨勢如圖3所示.由圖3可以看出，萃取劑的pH值對果膠得率有很大影響.提取果膠的最佳pH為1.8，這可能是因?yàn)樵趶?qiáng)酸環(huán)境中，生成的水溶性果膠會進(jìn)一步分解為單糖，部分纖維素、半纖維素分解成己糖和戊糖，使果膠品質(zhì)下降，得率降低；而在弱酸的環(huán)境中，與果膠作用的H+減少，降低了水溶性果膠的轉(zhuǎn)化率[13].因此，提取果膠的較好pH值宜為1.8.

圖3 不同pH值對果膠得率的影響

2.2.3 超聲時(shí)間對果膠得率的影響

按照超聲時(shí)間分別為20 min、30 min、40 mim、50 min、60 min等進(jìn)行蘋果渣中果膠的提取，結(jié)果見圖4.由圖4可知，果膠得率隨提取時(shí)間的延長而增加.當(dāng)提取時(shí)間達(dá)到50 min時(shí)，原果膠水解已比較充分，果膠得率達(dá)到最大值；隨著時(shí)間繼續(xù)延長，果膠進(jìn)一步水解為果膠酸，果膠得率降低[14].因此,合適的超聲時(shí)間宜為50 min.

圖4 不同超聲時(shí)間對果膠得率的影響

2.2.4 超聲溫度對果膠得率的影響

提取溫度分別設(shè)為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃，結(jié)果如圖5所示.由圖5可知，隨著溫度升高，果膠的得率增加較快，當(dāng)超聲溫度高于60 ℃時(shí)，得率又緩慢下降.這是因?yàn)闇囟鹊纳哂欣谠z的水解，當(dāng)提取溫度過高時(shí)，由于果膠的耐熱性較差，會引起果膠本身結(jié)構(gòu)的破壞，使得率降低[15].因此，合適的提取溫度為60 ℃.

圖5 不同超聲溫度對果膠得率的影響

2.2.5 超聲功率對果膠得率的影響

超聲總功率為250 W，選擇超聲功率60%、70%、80%、90%、100%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示.由圖6可知，隨著超聲功率的提高，果膠得率升高較快，當(dāng)達(dá)到90%時(shí)，果膠的得率開始變化緩慢，原因可能是超聲功率較低時(shí)，空化效應(yīng)不明顯，沖擊波不能完全破碎細(xì)胞壁，使果膠溶出；當(dāng)超聲功率很大，水解過于強(qiáng)烈，使得果膠裂解成多糖分子而使得率下降[16,17].因此，當(dāng)選取超聲功率為90%時(shí)，即225 W時(shí),提取果膠較為合適.

圖6 不同超聲功率對果膠得率的影響

2.3 超聲波輔助提取果膠的正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮各因素相互作用對果膠得率的影響，進(jìn)行L16(45)正交試驗(yàn)，結(jié)果見表2.

表2 超聲波輔助提取果膠正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2的極差分析可以看出，影響果膠得率諸因素的主次關(guān)系為 B>E>C>A>D，即pH值>超聲功率>超聲時(shí)間>料液比>超聲溫度.提取果膠的最優(yōu)工藝組合條件為：A2B3C4D1E3，即料液比1∶20、pH為2.0、超聲時(shí)間60 min、超聲溫度50 ℃、超聲功率90%.在此最優(yōu)工藝組合條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，果膠的得率可達(dá)到13%以上.

2.4 果膠沉淀劑選擇的結(jié)果

本文考察了內(nèi)含0.5 mol/L鹽酸的95%乙醇和95%乙醇兩種沉淀劑對果膠得率的影響，結(jié)果如表3所示.

表3 不同沉淀劑對果膠得率的影響

由表3可見，利用果膠不溶于醇類等有機(jī)溶劑，將乙醇加入果膠提取溶液中，使果膠沉淀析出，可以加速過濾過程.當(dāng)含有0.5 mol/L鹽酸的95%乙醇做為沉淀劑時(shí)，果膠得率提高了13.03%，并且減少了乙醇的使用量，該法為減少沉淀劑的消耗量提供依據(jù).乙醇對果膠的絮凝作用在痕量電解質(zhì)存在時(shí)才能沉淀完全，原因可能是電解質(zhì)能夠促進(jìn)部分非水溶性的果膠向水溶性果膠轉(zhuǎn)變.當(dāng)提取液中果膠濃度較小時(shí)，含有0.5 mol/L鹽酸的95%乙醇更適用于作為沉淀劑.

3 結(jié)論

本文探討了不同萃取劑、料液比、pH值、超聲時(shí)間、超聲溫度、超聲功率對果膠得率的影響，得到超聲波輔助提取蘋果渣中果膠的最適條件：料液比為1∶20，用鹽酸調(diào) pH值為2.0，超聲溫度50 ℃，超聲時(shí)間60 min，超聲波功率為90%(即225 W).該工藝條件下，果膠得率可達(dá)13%以上，這為從蘋果渣中提取果膠提供了新的途徑.

研究了不同沉淀劑對果膠得率的影響，使用內(nèi)含0.5 mol/L鹽酸的95%乙醇作為沉淀劑，可以讓沉淀的絮凝狀更為明顯，沉淀更為完全，便于過濾，并且大大減少了過濾的時(shí)間，增大了果膠的得率，還能減少沉淀劑的用量，為工業(yè)化生產(chǎn)節(jié)約了成本.

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