超聲波輔助提取蘆柑皮中果膠的研究

薛美香，張玉燕

(莆田學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建 莆田 351100)

果膠主要是由D－半乳糖醛酸的1－位和4－位碳通過氧橋連接而成的一類鏈狀化合物，存在于各種植物的果實(shí)、果皮以及根、莖、葉等組織之中。［1，2］在食品工業(yè)中，常利用果膠制作糖果、果醬和果凍等。［3－5］福建泉州市的永春縣素有“柑桔之鄉(xiāng)”的稱號，目前蘆柑皮除少量藥用外，大部分被當(dāng)作垃圾丟棄，不僅造成了資源浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境污染。［6－8］蘆柑皮中含有豐富的果膠類物質(zhì)，從蘆柑皮中提取果膠的工藝具有成本低，方法簡單的特點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊。

超聲波法輔助提取技術(shù)已廣泛應(yīng)用于天然植物中各種有效成分的提取分離。超聲波提取速度、提取率比傳統(tǒng)提取方法更快更高，它應(yīng)用廣泛，不受成分極性因素、分子量大小因素的限制。此外，還具有操作簡單、所提取料液雜質(zhì)含量少、有效成分容易分離和純化等特點(diǎn)，具有顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益。［9，10］超聲波法已經(jīng)在植物天然成分提取中廣泛應(yīng)用，但采用該法提取蘆柑皮果膠的研究還較少。

以永春蘆柑皮為原料，采用超聲波輔助水浸提法提取果膠，不但可以充分利用資源，減少環(huán)境污染，而且還可以變廢為寶，降低生產(chǎn)成本，對經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益具有很重要的作用。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑

蘆柑皮粉末:將福建永春蘆柑皮用清水洗凈后，加入蒸餾水浸泡2小時(shí)，再浸于沸水中10 min，使酶失去活力，再用熱水漂洗5次，鈍化果膠酶的活性和除去原料中苦澀的物質(zhì)、色素以及殘余的糖酸等物質(zhì)。瀝干并放入55℃的烘箱中干燥，粉碎，過40目篩，備用。

半乳糖醛酸、95%乙醇、咔唑、濃鹽酸等均為市售分析純試劑。

1.1.2 主要儀器

722型可見分光光度計(jì) (上海光譜儀器有限公司)，KQ—100DE數(shù)控超聲波清洗器 (昆山市超聲儀器有限公司)，TDL—4低速臺(tái)式離心機(jī) (上海安亭科學(xué)儀器)，DHG—9246A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 (上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)，pHS－25精密數(shù)顯酸度計(jì) (上海偉業(yè)儀器廠)等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 果膠的提取工藝

稱取1 g蘆柑皮粉末，加入蒸餾水用鹽酸調(diào)節(jié)pH至2，在一定的料液比、提取溫度、提取時(shí)間和超聲功率下提取。提取后離心，取上清液，邊攪拌邊加入與濾液體積等量的95%乙醇，靜置1h，抽濾，用95%乙醇洗滌3次，在50℃烘箱中烘干，即得到淡黃色的粗果膠成品［11］，稱重并計(jì)算粗果膠提取率。

粗果膠提取率計(jì)算公式:

式中:m──果膠的質(zhì)量，g;

M──蘆柑皮粉末，g。

1.2.2 果膠純度的測定

果膠在硫酸的作用下會(huì)水解成半乳糖醛酸，其在硫酸和咔唑試劑中會(huì)發(fā)生縮合反應(yīng)，生成紫紅色的化合物，在530nm處有最大吸收峰。因此果膠純度的測定采用咔唑——硫酸比色法。［5］

2 結(jié)果與分析

2.1 蘆柑皮果膠提取的單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 料液比對果膠提取率的影響

在提取溫度45℃，提取時(shí)間40min，超聲功率70W的條件下，料液比(g/mL)分別為1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40。結(jié)果如圖1 所示。

隨著料液比的增大，果膠的提取率呈現(xiàn)的趨勢是先增大而后減小，料液比為1:30時(shí)果膠的提取率最高，達(dá)到6.98%。這是因?yàn)榱弦罕容^小時(shí)，原料中只有少部分的果膠轉(zhuǎn)移到溶劑中，料液比小，物料的黏度相對較大，過濾較困難，殘留較多，導(dǎo)致果膠提取率低下;而當(dāng)料液比較大時(shí)，溶液中的果膠濃度相對偏低，醇析后轉(zhuǎn)化成果膠的量也會(huì)減少。［12］因此適宜的料液比(g/mL)為1:30。

圖1 料液比對果膠提取率的影響

2.1.2 提取溫度對果膠提取率的影響

在料液比 (g/mL)1:30，提取時(shí)間40min，超聲功率 70W，溫度分為 25℃、35℃、45℃、55℃、65℃、75℃下進(jìn)行提取。結(jié)果見圖2。

圖2 提取溫度比對果膠提取率的影響

由圖2可知，隨著提取溫度的升高，果膠的提取率先快速增加后迅速減小。因?yàn)闇囟忍岣吡耍铀俜肿訜岬倪\(yùn)動(dòng)，加快了傳質(zhì)速率，從而增大果膠的提取率。溫度升高會(huì)促使蘆柑皮中的不溶性果膠更快地水解成可溶性果膠?？墒窃跍囟瘸^55℃過后，果膠提取率明顯降低了。這是因?yàn)楣z的耐熱性差，溫度太高會(huì)使果膠本身結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致果膠提取率降低。［13］因此應(yīng)選擇適宜的提取溫度為55℃，此時(shí)果膠的提取率最高，達(dá)到7.21%。

2.1.3 提取時(shí)間對果膠提取率的影響

在料液比 (g/mL)1:30，提取溫度55℃，超聲波功率70W，提取時(shí)間分別為20min，30min，40min，50min，60min，70min的條件下進(jìn)行提取。結(jié)果見圖3。

圖3 提取時(shí)間對果膠提取率的影響

隨著提取時(shí)間的延長，果膠的提取率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢;在提取時(shí)間為50 min時(shí)，果膠的提取率最高，達(dá)到7.02%。這是因?yàn)楣z提取時(shí)間太短，蘆柑皮中的果膠溶解不完全，果膠提取率低;時(shí)間延長，果膠提取率提高，但如果時(shí)間過長，因長時(shí)間的超聲波作用，果膠容易分解，加上果膠質(zhì)在酸性的溶液中會(huì)發(fā)生降解，果膠的溶出被破壞。從而造成果膠提取率下降。［14，15］因此，選擇提取時(shí)間為50 min的時(shí)候果膠提取效果較好。

2.1.4 超聲功率對果膠提取率的影響

在料液比 (g/mL)1:30，提取溫度55℃，提取時(shí)間50min，超聲功率分別為50W、60W、70W、80W、90W、100W條件下進(jìn)行果膠提取。結(jié)果如圖4。

隨著超聲功率的提高，果膠的提取率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;當(dāng)超聲功率為80W時(shí)，果膠的提取率最高，達(dá)到6.93%。這是因?yàn)楫?dāng)超聲功率低下時(shí)，果膠質(zhì)不能完全溶解，果膠產(chǎn)率低下，故果膠提取率較低。隨著超聲功率的提高，增強(qiáng)了超聲波對細(xì)胞壁的破碎作用，加速胞內(nèi)果膠溶出。增大粒子的速度，界面擴(kuò)散層上的分子擴(kuò)散就越快。促使更多的果膠質(zhì)溶解，果膠提取率也就相應(yīng)的提高。［16］但當(dāng)功率高于80W時(shí)，果膠水解程度加劇，造成部分果膠分解，裂解成多糖分子，從而導(dǎo)致果膠提取率下降。［17］因此適宜的超聲功率選擇80W。

圖4 超聲功率對果膠提取率的影響

2.2 蘆柑皮果膠提取工藝的優(yōu)化

在研究從蘆柑皮提取果膠的單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇正交表L9(34)進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，通過對試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，優(yōu)選出提取蘆柑皮中果膠的最佳條件，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 提取蘆柑皮果膠的正交試驗(yàn)因素水平表

按照表1做正交試驗(yàn)，所得結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2的極差分析可知，影響蘆柑皮果膠提取率的各因素的主次順序?yàn)锽＞D＞A＞C(即提取溫度＞超聲功率＞料液比＞提取時(shí)間)，最優(yōu)方案為A3B2C2D2。即在pH=2時(shí)，蘆柑皮中果膠提取的最佳工藝條件為:料液比1:35(g/mL)，提取溫度55℃，提取時(shí)間50min，超聲功率80W。在此條件下，進(jìn)行5組試驗(yàn)，得蘆柑皮果膠的平均提取率為7.23%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差 (RSD)為2.59%，說明試驗(yàn)重復(fù)性較好。

2.3 果膠的純度

經(jīng)測定，試驗(yàn)所得的果膠純度為79.47%。

3 結(jié)論

以永春蘆柑皮為原料，采用超聲波輔助方法提取蘆柑皮中的果膠，對影響果膠提取率的料液比、提取溫度、提取時(shí)間和超聲波功率等因素進(jìn)行研究。通過單因素試驗(yàn)并采用L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出提取蘆柑皮果膠的最佳方案，即在pH=2時(shí)采用超聲波輔助提取蘆柑皮中果膠的最優(yōu)提取工藝條件為:料液比1:35(g/mL)，提取溫度55℃，提取時(shí)間50min，超聲功率80W，在此條件下果膠提取率可達(dá)7.23%，果膠純度為79.47%。

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