蠶沙中果膠的提取及脫色工藝優(yōu)化

楊瓊瓊，凌 敏，劉桃李

(廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西南寧530004)

果膠是一種天然高分子化合物，有特殊水果香味，無(wú)異味、無(wú)固定熔點(diǎn)和溶解度，具有膠凝和乳化作用，在食品工業(yè)中主要用作膠凝劑、增稠劑及穩(wěn)定劑，廣泛用于糖果、果凍、果汁、罐頭及各種飲料中［1］。蠶沙中含有豐富的果膠，風(fēng)干的蠶沙中含果膠10%左右［2］，以蠶沙為原料來(lái)提取果膠，具有成本低、資源充足、不受季節(jié)限制等優(yōu)點(diǎn)。果膠提取工藝有酸提法、微波輔助提取法、超聲波提取法等。后二者需要專(zhuān)門(mén)設(shè)備且微波提取過(guò)程中溫度升高很快，不易控制，從而破壞有效成分，如何控制好微波提取溫度是目前科研人員亟待解決的問(wèn)題;超聲波提取過(guò)程中若操作不當(dāng)，會(huì)使原料過(guò)度破碎使得副產(chǎn)物增多，給后續(xù)的分離與精制帶來(lái)困難［3］。因此本文采用傳統(tǒng)的酸提法提取蠶沙果膠。果膠的色澤在一定程度上影響其使用，不同的提取工藝得到的果膠提取液含有的色素種類(lèi)、含量不同，因而有不同的脫色工藝。唐渝等［4］用柚皮制取果膠，雙氧水脫色制得色澤良好的果膠;顏杰等［5］先從蠶沙制取葉綠素銅鈉鹽，廢液用活性炭脫色制得合格的果膠。蠶沙提取液呈黃色，如采用活性炭脫色，預(yù)處理復(fù)雜，殘留的活性炭顆粒會(huì)影響果膠質(zhì)量;采用雙氧水脫色效果不佳，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致果膠損失。目前，采用大孔吸附樹(shù)脂對(duì)蠶沙果膠提取液脫色的研究少見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)采用S-8 型大孔吸附樹(shù)脂脫色，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)對(duì)提取和脫色工藝進(jìn)行優(yōu)化，果膠產(chǎn)品符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，為蠶沙綜合利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠶沙 收集于浙江嘉興;硫酸、鹽酸、NaOH 分析純;X-5 大孔吸附樹(shù)脂 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;S-8 大孔吸附樹(shù)脂、HPD-100 大孔吸附樹(shù)脂、D-101大孔吸附樹(shù)脂、H-103 大孔吸附樹(shù)脂 天津市海光化工有限公司;95%酒精 工業(yè)級(jí)。

METTLER AE240 電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;YNP 系列電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司;UV-1100 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 北京科豐恒業(yè)儀器儀表有限公司;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市英峪予華儀器廠;RE-52A 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 果膠提取單因素實(shí)驗(yàn) 取20g 風(fēng)干的蠶沙，粉碎過(guò)60 目篩，先用去離子水洗去泥沙等雜質(zhì)，再用90℃左右熱水滅酶。將預(yù)處理的蠶沙放入1000mL圓底燒瓶中，加入稀硫酸溶液，在一定的溫度條件下攪拌提取一定時(shí)間后過(guò)濾。將提取液蒸發(fā)濃縮到一定體積，加入一定體積的95%乙醇，果膠以絮凝狀沉淀析出，烘干得果膠。分別考察稀硫酸濃度、提取溫度、料液比、提取時(shí)間對(duì)果膠產(chǎn)量的影響。

1.2.1.1 稀硫酸濃度對(duì)果膠提取的影響 稱(chēng)取蠶沙20g 進(jìn)行預(yù)處理，固定溫度為70℃、料液比1∶25、提取時(shí)間80min，分別用0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%的稀硫酸進(jìn)行提取。

1.2.1.2 提取溫度對(duì)果膠提取的影響 稱(chēng)取蠶沙20g進(jìn)行預(yù)處理，固定稀硫酸濃度0.6%、料液比1∶25、提取時(shí)間80min，分別在60、65、70、75、80℃條件下進(jìn)行提取。

1.2.1.3 料液比對(duì)果膠提取的影響 稱(chēng)取蠶沙20g進(jìn)行預(yù)處理，固定稀硫酸濃度0.6%、溫度70℃、提取時(shí)間80min，分別在料液比為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30條件下進(jìn)行提取。

1.2.1.4 提取時(shí)間對(duì)果膠提取的影響 稱(chēng)取蠶沙20g進(jìn)行預(yù)處理，固定稀硫酸濃度0.6%、溫度70℃、料液比1∶25，分別提取40、60、80、100、120min。

1.2.2 正交實(shí)驗(yàn) 由單因素實(shí)驗(yàn)選擇4 因素3 水平作L9(34)，正交實(shí)驗(yàn)，以果膠產(chǎn)量作為正交實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表1 所示。

表1 果膠提取水平因素表Table 1 Factors and levels sheet of extraction

1.2.3 果膠脫色 樹(shù)脂預(yù)處理:市售樹(shù)脂加95%乙醇浸泡處理后，濕法裝柱，用95%乙醇沖洗至洗脫液加等量水不渾濁，用蒸餾水沖洗至無(wú)醇，備用［6］。

取1.2.1 中提取液液1mL 稀釋10 倍，用1cm 石英比色皿測(cè)定其在300～700nm 的紫外-可見(jiàn)光光譜圖，結(jié)果顯示在332nm 處有一最大吸收值。每次量取1.2.1 中濾液100mL 加入大孔吸附樹(shù)脂進(jìn)行脫色，脫色率計(jì)算公式為:

用量筒量取提取液100mL，固定吸附溫度50℃、吸附時(shí)間1h、樹(shù)脂用量10mL，對(duì)X-5、D-101、H-103、HPD-100、S-8 進(jìn)行脫色效果實(shí)驗(yàn)，脫色效果見(jiàn)表2。

從表2 可以看出，S-8 的脫色效果最好，因此選擇S-8 作為脫色樹(shù)脂并考察樹(shù)脂用量、脫色溫度、脫色時(shí)間對(duì)脫色率的影響。

表2 不同大孔吸附樹(shù)脂脫色效果Table 2 Effect of deferent resins on decoloration

1.2.3.1 樹(shù)脂用量對(duì)果膠脫色的影響 用量筒量取提取液100mL，固定吸附溫度50℃、吸附時(shí)間1h，分別加入4、6、8、10、12mL 大孔吸附樹(shù)脂S-8 對(duì)提取液進(jìn)行脫色。

1.2.3.2 溫度對(duì)果膠脫色的影響 用量筒量取提取液100mL，固定吸附樹(shù)脂用量10mL、吸附時(shí)間1h，分別在30、40、50、60、70℃條件下對(duì)提取液進(jìn)行脫色。

1.2.3.3 脫色時(shí)間對(duì)果膠脫色的影響 用量筒量取提取液100mL，固定吸附溫度50℃、樹(shù)脂用量10mL，分別對(duì)提取液脫色0.5、1.0、1.5、2.0、2.5h。

1.2.4 正交實(shí)驗(yàn) 由單因素實(shí)驗(yàn)選擇3 因素3 水平作L9(33)，正交實(shí)驗(yàn)，以脫色率作為正交實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3 所示。

表3 果膠脫色水平因素表Table 3 Factors and element sheet of decolorization

1.2.4 果膠產(chǎn)品質(zhì)量鑒定

1.2.4.1 甲氧基和果膠酸含量測(cè)定［7-8］精確稱(chēng)取純化后的果膠樣品500mg 置于250mL 三角瓶中，先用2mL 乙醇濕潤(rùn)，再加入100mL 新煮沸的蒸餾水，用軟木塞蓋好，振搖直至樣品完全溶解，加入酚酞指示劑3～5 滴，用配制好的0.5mol/L 的氫氧化鈉滴定至淺粉紅色在0.5min 內(nèi)不退色，記錄所用氫氧化鈉毫升數(shù)V1為起始滴定度。然后加20mL 0.5mol/L 的鹽酸溶液，用力搖動(dòng)至粉紅色消失，再用0.5mol/L 的氫氧化鈉進(jìn)行皂化滴定至出現(xiàn)淺粉紅色在0.5min 內(nèi)不褪色為止，記錄所用氫氧化鈉毫升數(shù)為V2。用于皂化滴定的每1mL 0.5mol/L 的氫氧化鈉相當(dāng)于15.52mg 甲氧基，用于起始滴定和皂化滴定的每1mL 0.5mol/L 氫氧化鈉相當(dāng)于97.07mg 果膠酸。

則有

1.2.4.2 果膠產(chǎn)品pH、干燥失重、總灰分測(cè)定［9］稱(chēng)取果膠試樣1.25g，用蒸餾水溶解，定容至50mL，25℃下測(cè)定其pH;盛試樣的稱(chēng)量瓶預(yù)先在溫度為100～105℃條件下干燥至恒重，準(zhǔn)確稱(chēng)取經(jīng)粉碎后的試樣2g，在稱(chēng)量瓶中的鋪層厚度不超過(guò)5mm，放入干燥箱中，溫度為100～105℃，干燥1.5h，然后于干燥器中冷卻后稱(chēng)重測(cè)其干燥失重;準(zhǔn)確稱(chēng)取試樣3g，放入已恒重的鉗鍋中，先在低溫下(約550℃)灼燒，不超過(guò)很暗的暗紅色，直到不再有碳存在，移入干燥器冷卻后稱(chēng)重測(cè)其總灰分。

2 結(jié)果與分析

2.1 果膠提取單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 稀硫酸濃度對(duì)果膠產(chǎn)量的影響 稀硫酸濃度對(duì)果膠產(chǎn)量的影響如圖1 所示，稀硫酸濃度升高，果膠產(chǎn)量逐漸升高;當(dāng)稀硫酸濃度超過(guò)0.6%時(shí)，果膠產(chǎn)量開(kāi)始下降。原因是稀硫酸濃度過(guò)低時(shí)，原果膠沒(méi)有完全轉(zhuǎn)化為水溶性果膠;稀硫酸濃度過(guò)高會(huì)引起水溶性果膠進(jìn)一步降解，果膠產(chǎn)量下降［10］。因此選擇稀硫酸的濃度為0.6%。

2.1.2 提取溫度對(duì)果膠產(chǎn)量的影響 提取溫度對(duì)果膠產(chǎn)量的影響如圖2 所示，隨著溫度升高，果膠產(chǎn)量逐漸升高;當(dāng)溫度高于70℃時(shí)，果膠產(chǎn)量增加不明顯，從節(jié)約能源角度考慮，選擇溫度為70℃。

圖2 提取溫度與果膠產(chǎn)量關(guān)系Fig.2 Relation to reaction temperature and mass of product

2.1.3 料液比對(duì)果膠產(chǎn)量的影響 料液比對(duì)果膠產(chǎn)量的影響如圖3 所示，隨著料液比增加，果膠產(chǎn)量逐漸增加，當(dāng)料液比大于1∶20 時(shí)，果膠產(chǎn)量增加不明顯，而隨著料液比增加，后期蒸發(fā)濃縮能耗加大，因此選擇料液比為1∶20。

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)果膠產(chǎn)量的影響 提取時(shí)間對(duì)果膠產(chǎn)量的影響如圖4 所示，隨著提取時(shí)間增加，果膠產(chǎn)量逐漸增加，時(shí)間大于80min 時(shí)，果膠產(chǎn)量下降，提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致水溶性果膠降解，因此選擇提取時(shí)間為80min。

2.2 果膠提取正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

果膠提取正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

圖3 料液比與果膠產(chǎn)量關(guān)系Fig.3 Relation to solid-liquid ratio and mass of product

圖4 提取時(shí)間與果膠產(chǎn)量關(guān)系Fig.4 Relation to extraction time and mass of product

由表2 可知，4 個(gè)因素對(duì)產(chǎn)量的影響程度為:提取時(shí)間D ＞稀硫酸濃度A ＞料液比C ＞提取溫度B。最佳提取工藝為A2B3C3D2，即稀硫酸濃度0.6%，提取溫度70℃，料液比1∶20，提取時(shí)間80min。按最佳工藝進(jìn)行提取，烘干得到果膠2.63g，產(chǎn)量最高，說(shuō)明正交實(shí)驗(yàn)可靠。

表4 果膠提取正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table 4 Orthogonal experiment sheet of pectin extraction

2.3 提取液脫色單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 樹(shù)脂用量對(duì)脫色率的影響 樹(shù)脂用量對(duì)脫色率的影響如圖5 所示，樹(shù)脂用量增加，脫色率增加，當(dāng)樹(shù)脂用量大于10mL 時(shí)脫色率變化不大，且樹(shù)脂會(huì)吸附少量果膠，樹(shù)脂用量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致果膠損失，因此選擇樹(shù)脂用量為10mL。

2.3.2 脫色溫度對(duì)脫色率的影響 脫色溫度對(duì)脫色率的影響如圖6 所示，隨著溫度升高，脫色率增加，溫度大于50℃后脫色率開(kāi)始下降。因?yàn)殡S著溫度升高，色素的脫附速度的增加大于吸附速度的增加，導(dǎo)致脫色率下降，因此選擇脫色溫度為50℃。

圖5 樹(shù)脂體積與脫色率關(guān)系Fig.5 Relation to resin volume and decolorization rate

圖6 脫色溫度與脫色率關(guān)系Fig.6 Relation to decolorization temperature and decolorization rate

2.3.3 脫色時(shí)間對(duì)脫色率的影響 脫色時(shí)間對(duì)脫色率的影響如圖7 所示，脫色時(shí)間大于1h 后脫色率變化不大，色素吸附達(dá)到平衡，因此選擇脫色時(shí)間為1h。

圖7 脫色時(shí)間與脫色率關(guān)系Fig.7 Relation to decolorization time and decolorization rate

2.4 提取液脫色正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

提取液脫色正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

由表5 可知，3 個(gè)因素對(duì)產(chǎn)量的影響程度為:樹(shù)脂用量B ＞脫色時(shí)間A ＞脫色溫度C。最佳脫色工藝為A2B3C2，即脫色時(shí)間1h，樹(shù)脂用量10mL，脫色溫度50℃。按最佳工藝進(jìn)行脫色的脫色率為0.831，效果最好，說(shuō)明正交實(shí)驗(yàn)可靠。

2.5 產(chǎn)品質(zhì)量分析

按最優(yōu)工藝提取、脫色，由于在脫色及醇沉過(guò)程中損失部分果膠，20g 風(fēng)干蠶沙最終可制得果膠2.63g。產(chǎn)品甲氧基含量為6.09%，果膠酸含量為48.04%，為低甲氧基果膠。其水分、灰分、pH 也達(dá)到GBn246-1985 要求，如表6 所示。

表5 果膠脫色正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table 5 Orthogonal experiment sheet of decolorization

表6 果膠主要技術(shù)指標(biāo)Table 6 Testing results of pectin

3 結(jié)論

用稀硫酸加熱提取果膠，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，得出最佳提取工藝為稀硫酸濃度0.6%、溫度70℃、料液比1∶20、時(shí)間80min。

選用S-8 大孔吸附樹(shù)脂對(duì)果膠提取液脫色效果較好，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，得出最佳脫色工藝為脫色時(shí)間1h，樹(shù)脂用量10mL，脫色溫度50℃，產(chǎn)品為乳白色，20g 蠶沙可制得果膠2.63g，經(jīng)檢測(cè)為低甲氧基果膠，質(zhì)量符合GBn246-1985 要求。

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