活性炭－超聲波聯(lián)合處理對蜜柚果汁脫苦效果的研究

顧苗青 馮賽男 余小林 李嬌嬌

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510641）

柚子（citrus grandis）為柑橘屬（citrus）常綠果樹，是中國南方的特色水果，深受國內(nèi)外廣大消費者喜愛。柚子榨汁經(jīng)加熱處理后會產(chǎn)生明顯苦味，使得柚子果汁的加工受到限制，因此柚類果汁的脫苦技術(shù)問題已成為目前研究的熱點［1－3］。柚類果汁苦味成分主要為柚皮苷，雖然柚皮苷作為一種二氫黃酮類化合物，具有一定抗氧化、降血膽固醇等生理活性功能，但柚子果汁的苦味一般不易被消費者所接受，因而在加工中需要進(jìn)行脫苦處理。目前中國國內(nèi)有關(guān)柑桔類果汁的苦味脫除方法主要有：吸附脫苦法、酶脫苦法、代謝脫苦法、修飾脫苦法、添加苦味抑制劑法等［4－8］。但對柚子汁采用超聲－活性炭聯(lián)合處理的相關(guān)研究迄今未見報道。本試驗擬通過研究活性炭吸附法與活性炭－超聲波聯(lián)合技術(shù)的脫苦效果，探討適宜的脫苦工藝參數(shù)，旨在為生產(chǎn)高品質(zhì)柚類果汁提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

梅州蜜柚：購自廣州市水果批發(fā)市場；

顆?；钚蕴浚簭V州市祥元活性炭有限公司；

甲醇：色譜純，德國Merck公司。

1.2 試驗設(shè)備

超聲波清洗器：KQ3200DB型，昆山市超聲儀器有限公司；

高效液相色譜儀（包括 LC－10Avp二元泵，SCL－10Avp系統(tǒng)控制器）：LC－10ATvp型，島津儀器（蘇州）有限公司；

電熱恒溫水浴槽：HH.S11型，常州諾基儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 柚汁的制備工藝

蜜柚去皮→取出果肉→切割成小塊→榨汁→離心分離（3 500r／min，20min），取上清液待用

1.3.2 單因素試驗

（1）活性炭添加量對果汁脫苦效果的影響：活性炭單獨處理時，于100mL柚汁中分別加入0.5，1.0，1.5，2.0，2.5g活性炭，并分別置于50℃水浴鍋100min?；钚蕴浚暡?lián)合處理時，取相同量的果汁與活性炭分別置于溫度50℃的超聲波清洗儀中，超聲功率為120W、處理時間100min。

（2）作用溫度對果汁脫苦效果的影響：活性炭單獨處理時，于100mL柚汁中加入2.0g活性炭，置于20，30，40，50，60℃水浴鍋中100min?；钚蕴浚暡ㄌ幚頃r，取相同量的果汁與活性炭，分別置于上述溫度的超聲波清洗儀中100min，超聲功率為120W。

（3）作用時間對果汁脫苦效果的影響：活性炭單獨處理時，于100mL柚汁中加入2.0g活性炭，置于50℃水浴鍋中分 別 作 用 10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，110，120min?；钚蕴浚暡ㄌ幚頃r，取相同量的果汁與活性炭置于溫度50℃的超聲波清洗儀中分別作用上述時間，超聲功率為120W。

（4）超聲功率對果汁脫苦效果的影響：在100mL果汁中加入2.0g活性炭，分別置于50℃、功率60，75，90，105，120，135，150W的超聲波清洗儀中處理40min。

1.3.3 活性炭－超聲聯(lián)合處理法的響應(yīng)面優(yōu)化試驗 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選定活性炭添加量、作用溫度、作用時間和超聲功率4個因素的因素水平，利用Design Expert軟件，采用中心組合試驗Box－Behnken設(shè)計方案以及四因素三水平的響應(yīng)面分析方法求取優(yōu)化的工藝參數(shù)。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 柚皮苷含量 采用高效液相色譜法測得柚皮苷含量。樣液經(jīng)0.45μm濾膜過濾，進(jìn)樣量10μL；測定條件：Waters C18色譜柱，流動相為甲醇－超純水（1∶1，V／V），流速0.7mL／min，檢測波長280nm，柱溫35℃［9，10］。

1.4.2 柚皮苷脫除率 根據(jù)HPLC測得的柚皮苷標(biāo)準(zhǔn)品和各樣品的峰面積，利用外標(biāo)法算出樣品柚皮苷的質(zhì)量濃度，根據(jù)式（1）計算柚皮苷脫除率。

式中：

A—— 柚皮苷脫除率，%；

C0—— 未處理柚子汁中的柚皮苷含量，mg／100g；

C——脫苦處理后柚子汁中的柚皮苷含量，mg／100g。

1.4.3 可溶性固形物含量 采用阿貝折光儀測定，按GB／T 12143.1——89執(zhí)行。

1.4.4 總酸含量 采用酸堿滴定法，按 GB／T 12456——90執(zhí)行。

1.4.5 總糖含量 采用直接滴定法，按 GB／T 6149——1986執(zhí)行。

1.4.6 VC含 量 采 用 2，6－二 氯 靛 酚 滴 定 法，按 GB 14754——1993執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 活性炭添加量對果汁脫苦效果的影響 活性炭單獨處理及活性炭－超聲波聯(lián)合處理時，活性炭添加量對蜜柚果汁柚皮苷脫除率的影響見圖1。

圖1 活性炭添加量對柚皮苷脫除率的影響Figure 1 Effect of activated carbon dosage on removal rate of naringin

由圖1可知，柚皮苷的脫除率隨著活性炭添加量的增加而增大，當(dāng)添加量高于1.5%時，柚皮苷脫除率趨于平穩(wěn)。相同活性炭添加量作用下，活性炭－超聲波聯(lián)合處理的果汁柚皮苷脫除率明顯高于活性炭單獨處理，表明超聲波對活性炭吸附柚皮苷有著一定的促進(jìn)作用。

2.1.2 作用溫度對果汁脫苦效果的影響 由圖2可知，活性炭單獨處理的溫度在20～40℃時，柚皮苷脫除率增大明顯；而當(dāng)溫度超過40℃時，脫除率不再隨溫度升高而增高而趨于穩(wěn)定?；钚蕴浚暡?lián)合處理的溫度為20～50℃時，柚皮苷脫除率隨溫度的升高而增大，當(dāng)溫度超過50℃時，脫除率略有下降。相同溫度下，活性炭－超聲波聯(lián)合處理的果汁柚皮苷脫除率明顯高于活性炭單獨處理，表明超聲波對活性炭吸附柚皮苷有著一定的促進(jìn)作用。

圖2 處理溫度對柚皮苷脫除率的影響Figure 2 Effect of temperature on removal rate of naringin

圖3 處理時間對柚皮苷脫除率的影響Figure 3 Effect of times on removal rate of naringin

2.1.3 作用時間對果汁脫苦效果的影響 由圖3可知，柚皮苷脫除率隨處理時間的延長呈先快速上升而后趨于穩(wěn)定的趨勢?；钚蕴繂为毺幚?0min時，脫除率約達(dá)60%，隨后隨著處理時間的延長，脫除率變化趨于穩(wěn)定。聯(lián)合處理的時間小于30min時，隨著時間延長，柚皮苷脫除率上升趨勢明顯。當(dāng)處理時間達(dá)30min時，柚皮苷率脫除率約為85%，而后變化平緩。相同時間下，活性炭－超聲波聯(lián)合處理的果汁柚皮苷脫除率明顯高于活性炭單獨處理，表明超聲波對活性炭吸附柚皮苷有著一定的促進(jìn)作用。

2.1.4 超聲功率對果汁脫苦效果的影響 活性炭－超聲波聯(lián)合處理時，超聲功率對蜜柚果汁柚皮苷脫除率的影響見圖4。

圖4 超聲功率對柚皮苷脫除率的影響Figure 4 Effect of ultrasonic power on removal rate of naringin

由圖4可知，當(dāng)超聲功率低于120W時，柚皮苷脫除率隨超聲功率增加而增大，進(jìn)一步提高超聲功率其脫除率反而有所下降。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計及結(jié)果 根據(jù)以上單因素試驗的結(jié)果，設(shè)計四因素三水平編碼表見表1，響應(yīng)面分析試驗設(shè)計與結(jié)果見表2。

表1 試驗因素水平編碼表Table 1 Experimental factors and levels

利用SPSS軟件對表2中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到活性炭添加量、處理時間、處理溫度、超聲功率與柚皮苷脫除率（Y）之間的二次多項回歸方程：

2.2.2 方差分析 模型的可靠性可從方差分析及相關(guān)系數(shù)來考察。由表3可知，模型的顯著水平P為0.026 3，小于0.05，說明所選用的二次多項模型具有顯著性，該試驗方法是可靠的。該模型的決定系數(shù)R2為86.52%，說明此模型與實際試驗擬合較好；因失擬項P＝0.3395＞0.05，說明試驗失擬項不顯著，因此可用該回歸方程代替試驗真實點對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

表2 響應(yīng)面分析試驗設(shè)計與試驗結(jié)果Table 2 Experimental design andresults of Box－Behnken

回歸方程系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果表明，4種因素影響次序為活性炭添加量（X1）＞ 處理溫度（X2）＞處理功率（X4）＞處理時間（X3）。

2.2.3 響應(yīng)面分析 分別將活性炭添加量X1、處理溫度X2、處理時間X3、超聲功率X4四因素的任意兩個因素固定為0水平，求余下兩個因素的交互效應(yīng)，得到4個因素交互效應(yīng)對柚皮苷脫除率Y影響的響應(yīng)曲面圖見圖5。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation for the yield of xylan

圖5直觀地反映了各因素對響應(yīng)值的影響。比較6組圖可知，活性炭添加量對蜜柚汁脫苦的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲面較陡峭。

2.2.4 確定最優(yōu)條件及驗證實驗 根據(jù)模型計算得到的優(yōu)化工藝條件為活性炭添加量1.81%、處理溫度45.95℃、處理時間37.84min、超聲功率125.265W，此時模型預(yù)測值為83.63%。

在上述優(yōu)化條件下，結(jié)合實際操作，將工藝參數(shù)修正為活性炭添加量1.8%、處理溫度45℃、處理時間38min、超聲功率120W。在此條件下進(jìn)行了5次平行驗證實驗，柚皮苷脫除率平均值為83.57%，RSD為0.9%，與理論預(yù)測值（83.63%）相比誤差僅為0.06%，由此驗證了響應(yīng)面優(yōu)化模型預(yù)測值的可靠性。

2.2.5 優(yōu)化脫苦條件下柚子汁的理化指標(biāo) 用活性炭－超聲波聯(lián)合處理的優(yōu)化條件處理后，柚子汁的理化指標(biāo)變化見表4。

圖5 活性炭添加量X1、作用溫度X2、作用時間X3、超聲功率X4兩兩交互作用圖Figure 5 Interactions between the four factors（Activated carbon dosage X1，temperature X2，time X3and ultrasonic power X4）

表4 處理前后柚子汁理化指標(biāo)Table 4 Grapefruit juice index before and after treatment

由表4可知，活性炭－超聲波聯(lián)合處理會造成柚子果汁主要成分含量有一定程度下降，其中對抗壞血酸的影響較明顯，其損失率為32.1%，但酸的下降幅度較小。

3 討論

3.1 處理溫度對柚皮苷脫除效果的影響

在本試驗中，活性炭單獨處理以及與超聲波聯(lián)合處理均表現(xiàn)為柚皮苷脫除率在一定溫度范圍內(nèi)（20～40℃）增大明顯，但當(dāng)溫度超過40℃時，脫除率不再隨溫度升高而增高。分析其原因為活性炭對柚皮苷的吸附是一種物理吸附過程，其動力學(xué)控制因子在很大程度上受到苦味物質(zhì)分子擴(kuò)散、吸附在活性炭表面速率的影響，溫度高，分子熱運動加快，活性炭的吸附效果明顯。當(dāng)超聲施加于活性炭體系時，溫度在50℃以下時，溫度升高對活性炭吸附具有促進(jìn)作用，這一方面可能是由于溫度提升，促進(jìn)了柚皮苷的分子熱運動，增加了與活性炭的碰撞幾率，從而導(dǎo)致脫除率提高；另一方面可能是由于超聲的空化作用，增大了活性炭吸附面積的緣故，使得脫除率增加。而當(dāng)溫度高于50℃ 時，溫度升高會導(dǎo)致空化泡崩潰，故空化降解作用降低［11、12］，表現(xiàn)為脫除率增長速率變?yōu)榫徛?/p>

3.2 超聲功率對柚皮苷脫除效果的影響

超聲功率的大小關(guān)系到超聲作用的強(qiáng)弱，在超聲波－活性炭聯(lián)合處理中，增大超聲功率，超聲的震動作用隨之增大，由此增加了柚皮苷分子在體系中的熱運動，與活性炭的碰撞幾率增加，有利于吸附；同時由于超聲波的“聲空化”作用，使活性炭原有的微小間隙被擴(kuò)張，擴(kuò)大了活性炭的比表面積，提高了活性炭的吸附容量。對活性炭吸附平衡體系施加超聲波后，超聲空化作用產(chǎn)生的能量能夠通過傳聲介質(zhì)施加于被吸附的分子上，使部分被吸附的溶質(zhì)脫附。體系的相平衡明顯朝著固相吸附量減少的方向移動，超聲波的功率越大，這種相平衡關(guān)系變化的幅度也越大［13，14］。但當(dāng)超聲波的強(qiáng)度達(dá)到一定值時，活性炭開始出現(xiàn)明顯的破碎。因此當(dāng)超聲功率大于120W時，柚皮苷脫除率表現(xiàn)為下降。

4 結(jié)論

（1）活性炭－超聲波聯(lián)合處理對柚皮苷的脫除效果優(yōu)于活性炭單一處理。

（2）活性炭－超聲波聯(lián)合處理的優(yōu)化參數(shù)：活性炭添加量為1.8%，處理溫度為45℃，處理時間為38min，超聲功率120W，模型預(yù)測的柚皮苷脫除率為83.63%；在優(yōu)化工藝條件下進(jìn)行5次平行實驗的平均脫苦率為83.57%，與理論預(yù)測值相比誤差僅為0.06%。

（3）活性炭－超聲波聯(lián)合處理后柚子汁的糖、酸、VC含量有所下降。

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