商業(yè)樹(shù)脂對(duì)鮮榨檸檬汁的脫苦效果*

賀紅宇，高佳，朱永清，羅芳耀，李華佳，袁懷瑜

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，四川成都，610066)

檸檬(Citrus limon，Burm F)，系蕓香科柑橘屬常綠小喬木果樹(shù)的果實(shí)，是繼橙、柑之后的第三大柑橘品種［1］。我國(guó)檸檬主產(chǎn)于西南地區(qū)，其中四川省安岳縣檸檬鮮果產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的80%以上，是目前我國(guó)檸檬鮮果最大的集中產(chǎn)區(qū)［2］。檸檬因其富含豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和獨(dú)特的風(fēng)味，同時(shí)兼具食用和藥用價(jià)值而深受人們喜愛(ài)［3-4］。

檸檬鮮果加工主要以生產(chǎn)檸檬干片和果汁飲料制造為主。飲料制造也是世界柑橘類水果加工的主要方向［5］。但由于檸檬鮮果皮、籽、果肉中均含有大量的柚皮苷和檸檬苦素類似物等苦味物質(zhì)，在榨汁、滅菌、貯藏等加工過(guò)程中產(chǎn)生“后苦味”現(xiàn)象［6］，嚴(yán)重制約了檸檬果汁飲料加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前柑橘鮮榨汁的脫苦方法主要有代謝法、添加苦味抑制劑法、包埋法、酶法和樹(shù)脂吸附法，其中以樹(shù)脂吸附脫苦法兼具脫苦效果好，處理時(shí)間短，可循環(huán)利用，易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛［7］。盡管樹(shù)脂脫苦法已廣泛應(yīng)用到柑橘飲料工業(yè)生產(chǎn)中，但關(guān)于檸檬鮮榨汁樹(shù)脂脫苦研究報(bào)道并不多見(jiàn)。不同的樹(shù)脂材料化學(xué)構(gòu)成和吸附極性不同［8］，不同柑橘品種苦味成分含量也不同［9］。因此，針對(duì)特定柑橘品種篩選適宜的樹(shù)脂脫苦材料及脫苦工藝尤為重要。本實(shí)驗(yàn)以工業(yè)生產(chǎn)的鮮榨檸檬原汁為研究對(duì)象，采用適宜柑橘類果汁脫苦的13種國(guó)產(chǎn)商業(yè)樹(shù)脂，通過(guò)靜態(tài)吸附與洗脫粗篩實(shí)驗(yàn)，靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線測(cè)定，靜態(tài)吸附等溫線測(cè)定，考察不同樹(shù)脂的脫苦性能，從中篩選出對(duì)檸檬鮮榨汁脫苦性能好且對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分損失小的優(yōu)良樹(shù)脂。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

尤力克檸檬鮮榨原汁，購(gòu)于四川省安岳縣綠海源科技開(kāi)發(fā)有限公司。

樹(shù)脂 R1、R2、R3、R4、R5、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14，購(gòu)于天津某樹(shù)脂有限公司;樹(shù)脂 R6，購(gòu)于西安某樹(shù)脂有限公司。各種型號(hào)樹(shù)脂的特性參數(shù)見(jiàn)表1，其中R1～R8為大孔吸附樹(shù)脂，R9～R13為離子交換樹(shù)脂。

柚皮苷(＞98%)上海晶純實(shí)業(yè)有限公司;檸檬苦素(＞98%)上海晶純實(shí)業(yè)有限公司;NaOH、檸檬酸、二甘醇、無(wú)水乙醇、氯仿、對(duì)二甲氨基苯甲醛、三氯化鐵、石油醚、2，4-二硝基苯肼、濃H2SO4均為分析純。

1.2 設(shè)備

TG16G臺(tái)式離心機(jī)，湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司;SHA-B恒溫振蕩水浴鍋，常州國(guó)華電器有限公司;PHS-3C微機(jī)型pH計(jì)，上?？祪x儀器有限公司;CP213電子天平，上海精天電子儀器有限公司;TU-1810紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限公司;BSD—150振蕩培養(yǎng)箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;蠕動(dòng)泵，上海達(dá)程實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樹(shù)脂預(yù)處理

樹(shù)脂購(gòu)回后經(jīng)無(wú)水乙醇浸泡24 h，充分溶漲后用蒸餾水洗至無(wú)醇味。再用體積分?jǐn)?shù)5%的HCl和3%的NaOH溶液淋洗，中途用蒸餾水洗至中性后用乙醇浸泡備用。

表1 13種商業(yè)樹(shù)脂的型號(hào)及物性參數(shù)Table 1 Type and physical parameters of commercial resins

1.3.2 樹(shù)脂篩選

(1)靜態(tài)吸附:稱取2份5 g干樹(shù)脂經(jīng)預(yù)處理后分別置于100 mL三角燒瓶中，加入60 mL滅酶處理后的檸檬汁于25℃恒溫振蕩(轉(zhuǎn)速為130 r/min)24 h達(dá)吸附平衡。過(guò)濾后取濾液測(cè)定檸檬汁中柚皮苷和檸檬苦素含量，計(jì)算樹(shù)脂對(duì)苦味物質(zhì)的吸附量和吸附率。

(2)靜態(tài)洗脫:將(1)中吸附平衡的樹(shù)脂用80 mL超純水沖洗兩次，洗去表面殘留果汁。再將樹(shù)脂置于100 mL具塞三角瓶中加入60 mL體積分?jǐn)?shù)95%乙醇于25℃恒溫振蕩(轉(zhuǎn)速為130 r/min)培養(yǎng)24 h達(dá)到洗脫平衡。之后將樹(shù)脂過(guò)濾收集平衡液，測(cè)定平衡液中柚皮苷和檸檬苦素含量并計(jì)算洗脫量和洗脫率。計(jì)算樹(shù)脂對(duì)苦味物質(zhì)的洗脫量和洗脫率:

式中:Q表示樹(shù)脂的靜態(tài)吸附量，(mg/g(干樹(shù)脂);Vo表示測(cè)定果汁的體積，mL);co表示測(cè)定果汁原汁中吸附質(zhì)(該試驗(yàn)中為柚皮苷和檸檬苦素)的濃度，mg/mL;ce表示達(dá)吸附平衡時(shí)果汁中吸附質(zhì)的濃度，mg/mL;m表示樹(shù)脂的質(zhì)量，g(以干樹(shù)脂計(jì));η1，表示樹(shù)脂的靜態(tài)吸附率，%。

式中:Q1表示樹(shù)脂的靜態(tài)洗脫量，mg/g(干樹(shù)脂);m表示樹(shù)脂的質(zhì)量，(g，以干樹(shù)脂計(jì));V1表示所加洗脫液的體積，(mL);C1表示達(dá)吸附平衡時(shí)洗脫液中吸附質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/mL;η2表示樹(shù)脂的靜態(tài)洗脫率，%。

1.3.3 樹(shù)脂脫苦靜態(tài)動(dòng)力學(xué)曲線的測(cè)定

取R1、R3、R5、R6四種大孔樹(shù)脂5 g經(jīng)預(yù)處理后分別置于250 mL具塞三角瓶中，加入200 mL滅酶處理后的檸檬汁于25℃恒溫振蕩(轉(zhuǎn)速為130 r/min)培養(yǎng)。分別于振蕩培養(yǎng)后 1、3、5、7、9、11、13、15 h 吸取果汁上清液，測(cè)定柚皮苷和檸檬苦素含量，計(jì)算樹(shù)脂對(duì)檸檬汁中柚皮苷和檸檬苦素的吸附率，以吸附量和吸附時(shí)間為指標(biāo)，繪制樹(shù)脂靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線。

1.3.4 樹(shù)脂吸附等溫線的測(cè)定

稱取不等量的干樹(shù)脂(0.5、1、2、3、4、5 g)預(yù)處理后分別置于250 mL具塞三角瓶中，加入120 mL滅酶處理后的檸檬汁于25℃恒溫振蕩(轉(zhuǎn)速為130 r/min)培養(yǎng)24 h達(dá)吸附平衡，過(guò)濾后測(cè)定濾液中柚皮苷和檸檬苦素的平衡濃度ce，計(jì)算平衡吸附量Qe，繪制樹(shù)脂的吸附等溫線。

1.3.5 測(cè)定項(xiàng)目及分析方法

柚皮苷含量，改進(jìn)Davis法［10］;檸檬苦素含量，對(duì)二甲氨基苯甲醛比色法［11］;Vc 含量，2，4-二硝基苯肼比色法［12］;可溶性糖含量，蒽酮乙酸乙酯比色法［13］;可滴定酸含量，酸堿滴定法［13］;可溶性固形物，PAL-1折光儀測(cè)定;pH值，PHS-3C型精密pH計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)脂篩選

圖1、圖2、表2分別為13種商業(yè)樹(shù)脂對(duì)檸檬汁中的柚皮苷和檸檬苦素的吸附率、洗脫率及脫苦后對(duì)檸檬汁中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的影響。從圖1、圖2、表2可以看出，大孔吸附樹(shù)脂對(duì)柚皮苷和檸檬苦素的吸附率、洗脫率優(yōu)于離子交換樹(shù)脂，對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的影響小于離子交換樹(shù)脂，且大孔樹(shù)脂R1、R3、R5、R6對(duì)柚皮苷和檸檬苦素吸附效果最好，對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分影響較小。相關(guān)研究表明，影響吸附效率的主要因素為樹(shù)脂的比表面積大小，比表面積越大，對(duì)果汁中柚皮苷和檸檬苦素等苦味物質(zhì)的吸附位點(diǎn)就越多，脫苦效果越好［5］。從表1可以看出，這4種樹(shù)脂的比表面積均≥450 m2/g，孔徑在≥13 mm，且這4種大孔吸附樹(shù)脂均為非極性樹(shù)脂，以范德華力進(jìn)行吸附，吸附效果較好。因此選擇R1、R3、R5、R6四種大孔吸附樹(shù)脂做下一步研究。

圖1 不同樹(shù)脂對(duì)檸檬汁中柚皮苷的吸附率和洗脫率Fig.1 Different resins on the rate of adsorption and elution of naringin

圖2 不同樹(shù)脂對(duì)檸檬汁中檸檬苦素的吸附率和洗脫率Fig.2 The rate of adsorption and elution on limonins for lemon juice by different resins

表2 樹(shù)脂脫苦后對(duì)檸檬汁中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的影響Table 2 Influence on nutridon of Lemon juice after debittering with resin

2.2 樹(shù)脂脫苦靜態(tài)動(dòng)力學(xué)曲線的測(cè)定

4種大孔樹(shù)脂對(duì)柚皮苷和檸檬苦素的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線如圖3、圖4所示。從圖3可以看出，在最初階段(0～5 h)，R1、R5、R6三種大孔樹(shù)脂對(duì)柚皮苷的吸附率都增加得很快，但隨著吸附時(shí)間的加長(zhǎng)，吸附率逐漸趨于穩(wěn)定。4種大孔樹(shù)脂吸附柚皮苷達(dá)到吸附平衡的時(shí)間為R1＜R6=R5＜R3，達(dá)到平衡時(shí)的吸附率大小依次為R6＞R1＞R5＞R3。從圖4可以看出，在最初3 h內(nèi)，4種大孔樹(shù)脂對(duì)檸檬苦素的吸附率都增加得較快，隨著吸附時(shí)間的增加，吸附率逐漸趨于穩(wěn)定，4種大孔樹(shù)脂吸附檸檬苦素達(dá)到吸附平衡的時(shí)間為R3＜R1＜R6＜R5，達(dá)到平衡時(shí)吸附率大小依次為R6＞R5＞R1＞R3。R1、R6達(dá)到對(duì)柚皮苷和檸檬苦素的吸附平衡時(shí)間都較短，達(dá)到吸附平衡時(shí)，R1、R6對(duì)檸檬汁中柚皮苷和檸檬苦素的吸附率都較大。因此，選擇R1、R6作為比較理想的吸附劑做進(jìn)一步的研究。

圖3 大孔吸附樹(shù)脂對(duì)檸檬汁中柚皮苷的靜態(tài)動(dòng)力學(xué)曲線Flg.3 Static kinetic curves of macroporous resin on naringin

圖4 大孔吸附樹(shù)脂對(duì)檸檬汁中檸檬苦素的靜態(tài)動(dòng)力學(xué)曲線Flg.4 Static kinetic curves of macroporous resin on limonins

2.3 樹(shù)脂吸附等溫線的測(cè)定

圖5、圖6為R1、R6大孔樹(shù)脂對(duì)柚皮苷和檸檬苦素的靜態(tài)吸附等溫線。由圖5可以得出，樹(shù)脂吸附量隨著溶液中柚皮苷平衡質(zhì)量濃度的增大也隨之升高，并逐步趨于穩(wěn)定，說(shuō)明這兩種樹(shù)脂對(duì)柚皮苷的吸附符合Langmuir模型［14］，具有單分子層吸附的特征，因此可以用經(jīng)典的吸附經(jīng)驗(yàn)方程式Langmuir方程來(lái)表示:

式中:Qe為平衡時(shí)吸附量(mg/g干樹(shù)脂)，Qm為最大吸附量(mg/g干樹(shù)脂)，ce為柚皮苷平衡溶液濃度(μg/mL)，K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。通過(guò)計(jì)算，R1、R6的最大吸附量 Qm分別為:22.72、34.77(mg/g干樹(shù)脂);經(jīng)驗(yàn)常數(shù) K 分別為:0.010、0.015。根據(jù) 1/Qe～1/ce的相關(guān)系數(shù)可以得出，R6樹(shù)脂等溫吸附線與Langmuir方程擬合水平最顯著，R2=0.995 4，所以R6樹(shù)脂對(duì)柚皮苷的吸附更加有利。

圖5 R1、R6大孔吸附樹(shù)脂對(duì)檸檬汁中柚皮苷的等溫吸附曲線Fig.5 The sorption isotherms of naringin of R1，R6 microporous resins on Lemon juice

從圖6可以看出，隨著檸檬苦素平衡質(zhì)量濃度的增大，樹(shù)脂吸附量呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明這兩種樹(shù)脂對(duì)檸檬苦素的吸附具有多分子層吸附特征，可以采用經(jīng)典的吸附經(jīng)驗(yàn)方程式Freundlich方程［15］:

式中:Qe為樹(shù)脂達(dá)到平衡時(shí)的吸附量，mg/g(干樹(shù)脂)，Kf是與吸附量和吸附強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù);Ce為樹(shù)脂吸附平衡時(shí)檸檬汁中檸檬苦素質(zhì)量濃度，μg/mL;n是用來(lái)表示所得吸附等溫線的非線性大小。通過(guò)計(jì)算，R1、R6 的 Kf分別為 0.13、0.24，n 分別為0.52、0.56，由檸檬苦素等溫吸附線 LgQe～ Lgce的相關(guān)系數(shù)可得，R1、R6樹(shù)脂等溫吸附線均與Freundlich方程擬合水平顯著，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.991 1、0.993 6。說(shuō)明R1、R6兩種樹(shù)脂對(duì)檸檬苦素吸附均有利。

綜上所述，R6樹(shù)脂對(duì)柚皮苷和檸檬苦素的吸附等溫線分別與Langmuir方程、Freundlich方程擬合最好，具有良好的靜態(tài)吸附性能，有利于檸檬汁中柚皮苷和檸檬苦素的吸附。

圖6 R1、R6大孔吸附樹(shù)脂對(duì)檸檬中檸檬苦素的等溫吸附曲線Fig.6 The sorption isotherms of limonins in Lemon juice by R1，R6 microporous resins

3 結(jié)論與討論

(1)采用樹(shù)脂對(duì)檸檬汁進(jìn)行脫苦研究，通過(guò)靜態(tài)吸附和洗脫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大孔吸附樹(shù)脂對(duì)柚皮苷和檸檬苦素的吸附率、洗脫率優(yōu)于離子交換樹(shù)脂，且對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的影響較小，與王昭［5］的研究結(jié)果一致，這可能與樹(shù)脂的吸附性能相關(guān)。樹(shù)脂對(duì)柚皮苷和檸檬苦素的吸附是發(fā)生在其顆?；钚晕稽c(diǎn)所構(gòu)成的表面上，吸附能力大小與樹(shù)脂的空間結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)有密切的聯(lián)系，樹(shù)脂的比表面積和孔徑是其主要影響因素［16］。

(2)以對(duì)柚皮苷和檸檬苦素吸附效果和對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分影響大小為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從國(guó)內(nèi)13種商業(yè)樹(shù)脂中優(yōu)選出大孔樹(shù)脂R1、R3、R5、R6四種。這4種樹(shù)脂的比表面積均≥450 m2/g，比表面積大意味著柚皮苷和檸檬苦素與樹(shù)脂的吸附位點(diǎn)增多，其孔徑均≥13mm，表示有良好的擴(kuò)散條件。通過(guò)對(duì)這4種大孔樹(shù)脂進(jìn)行靜態(tài)動(dòng)力學(xué)曲線和靜態(tài)吸附等溫線的測(cè)定，得出大孔樹(shù)脂R6對(duì)柚皮苷和檸檬苦素達(dá)到平衡時(shí)的吸附率最大，分別為82.87%和69.13%，時(shí)間較短，分別為11 h和7 h，且吸附等溫線分別與Langmuir方程、Freundlich方程擬合最好，相關(guān)系數(shù)分別為0.995 4、0.993 6，具有良好的靜態(tài)吸附性能，有利于檸檬汁中柚皮苷和檸檬苦素的吸附。

(3)R6樹(shù)脂不僅能有效的去除檸檬汁中苦味物質(zhì)而對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)成分無(wú)明顯影響，而且有利于吸附在樹(shù)脂中的柚皮苷和檸檬苦素的回收和分離純化，實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)，適用于檸檬在商業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的脫苦。

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