沙棘高效高值綜合利用技術(shù)的研究

金敬紅，孫曉明，吳素玲

(南京野生植物綜合利用研究院，江蘇南京 210042)

沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)為胡頹子科沙棘屬，是一種落葉性灌木，沙棘是植物和其果實的統(tǒng)稱。分布于歐洲、亞洲的寒溫帶地區(qū)，其特性是耐旱、抗風沙，可以在鹽堿化土地上生存，被廣泛用于水土保持，在中國華北、西北地區(qū)大量種植。沙棘是藥食同源的植物品種，沙棘的根、莖、葉、花、果，特別是沙棘果實含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和生物活性物質(zhì)，其果實具有很高的營養(yǎng)保健價值，含有多種維生素、糖類、有機酸、蛋白質(zhì)、氨基酸和微量元素，其中維生素C含量高，素有維生素C之王的美稱［1］，具有保肝［2］、增強免疫力［3］、抗氧化［4］、抗衰老［5］等作用。沙棘果實入藥具有止咳化痰、健胃消食、活血散瘀之功效。現(xiàn)代醫(yī)學研究，沙棘可降低膽固醇，緩解心絞痛發(fā)作，還有防治冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的作用。目前，沙棘在食品、化妝品、保健品、藥品等領(lǐng)域已開發(fā)出一些產(chǎn)品，開始進入國內(nèi)外市場銷售。

沙棘的研究國內(nèi)外進行了很多，主要集中在沙棘飲料、沙棘黃酮和沙棘油的研究，總體上進行都是淺層次的、單一的研究，沒有對沙棘資源的利用進行深入的、系統(tǒng)化的、高效高值的綜合利用的研究。我院以“十二五”國家農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題的研究為契機，對沙棘的主要營養(yǎng)成分和生物活性物質(zhì)的綜合利用技術(shù)進行了深入研究，直接提出了沙棘高效高值綜合利用技術(shù)體系，為沙棘資源的高效高值開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

沙棘的高效高值綜合利用技術(shù)包括利用沙棘果加工成沙棘濁汁/濃縮液，進一步可加工成沙棘飲料、保健品等，通過多沙棘濁汁的物理分離技術(shù)，加工得到沙棘果油;從榨取濁汁后的沙棘果中提取分離沙棘黃酮，作為保健食品、藥品的原材料;利用濕法籽渣分離設(shè)備分離的沙棘籽采用超臨界流體萃取分離技術(shù)提取花青素和沙棘油，再通過工藝參數(shù)的調(diào)整實現(xiàn)沙棘油和花青素的分離純化。本高效高值綜合利用技術(shù)體系實現(xiàn)了沙棘資源的開發(fā)利用的最大化，能夠有效地降低生產(chǎn)成本，取得最大的經(jīng)濟效益。

一、沙棘濁汁加工技術(shù)的研究

沙棘資源的開發(fā)中沙棘果汁是最早也是開發(fā)最多的產(chǎn)品之一，沙棘果汁產(chǎn)品的開發(fā)以沙棘清汁和沙棘復合果蔬汁飲料的加工為主，如枸杞沙棘復合飲料、沙棘番茄酸奶、沙棘紅棗胡蘿卜復合飲料、沙棘果汁豆乳等。沙棘清汁和沙棘復合果汁飲料都是將沙棘原汁經(jīng)過反復過濾澄清，營養(yǎng)價值降低，保健功效降低或基本喪失，風味減弱，不能體現(xiàn)沙棘的特征。沙棘濁汁能夠較好地保留沙棘果汁中的營養(yǎng)和保健成分，酸度高，保存時間長，便于運輸，是未來市場開發(fā)沙棘產(chǎn)品的暢銷原料。

沙棘榨汁的方法主要有常溫酶解榨汁、熱榨汁和冷榨汁。常溫酶解榨汁適合于清汁加工工藝，熱榨汁出汁率略高，但是不利于營養(yǎng)成分的保全，冷凍打漿榨汁技術(shù)是最適合沙棘加工的制汁方法，即在冷凍條件下脫果，果枝分離徹底，汁液損失少，果汁營養(yǎng)成分保存率高。

果汁濃縮方法主要有常規(guī)蒸發(fā)濃縮、冷凍濃縮和反滲透濃縮。冷凍濃縮能耗大、生產(chǎn)成本高，反滲透濃縮濃縮倍數(shù)低，主要用于果汁的預濃縮［6］;減壓蒸發(fā)濃縮易于操作，生產(chǎn)成本較低，廣泛應(yīng)用于蘋果、越橘、楊梅、藍莓及梨等的濃縮。

1 材料與方法

1.1 材料

來自甘肅省隴西縣，標準抗壞血酸、2，6－二氯靛酚鈉、95%乙醇、無水乙醇、葡萄糖等，均為市售分析純。

1.2 儀器

UV－754紫外可見光分光光度計(上海第三分析儀器廠);ZFQ－85A旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器(上海醫(yī)械專機廠);沙棘榨汁系列設(shè)備(新鄉(xiāng)市圣達輕工機械有限公司)。

1.3 主要理化指標的測定方法

沙棘濁汁和沙棘濃縮濁汁稀釋復原后的理化特性按照下列方法進行測定。

1)維生素C:采用2，6―二氯酚靛酚滴定法。

2)總黃酮:采用硝酸鋁－醋酸鉀比色法，參照GB/T 20574－2006和劉暢等的方法。

3)總酸度:采用GB/T12456－2008的方法(以蘋果酸計)。

4)可溶性固形物:手持糖度儀測定。

2 試驗方案

2.1 沙棘濁汁的冷榨汁工藝流程

2.1.1 工藝流程

采摘沙棘→入庫－18℃凍藏→果枝分離→分選除雜→清洗解凍→壓榨取汁→果渣破碎打漿→臥螺離心分離→碟片離心分離→冷榨汁和離心汁分別于0～5℃保存

2.1.2 工藝說明

2.1.2.1 沙棘采摘:帶枝采摘沙棘果實，果實金黃色或黃色，剔除腐爛、病蟲果。

2.1.2.2 分層置于－18℃速凍庫內(nèi)，快速冷卻凍透。

2.1.2.3 在不化凍的前提下利用脫果機實現(xiàn)果枝分離，分選去雜。

2.1.2.4 用常溫水清洗去除沙棘表面的灰塵，解凍后用螺旋壓榨機榨汁。

2.1.2.5 壓榨取汁后的果渣用粉碎機進一步破碎，適量加入水分打漿，采用三足式離心機離心分離果枝和果渣。

2.1.2.6 利用高速碟片式離心機(7000～10000r/min)，將少量的沙棘果油分離出來。

2.1.2.7 冷榨汁和離心果汁分別裝桶于0～5℃保存。

2.2 沙棘濁汁的真空減壓薄膜濃縮工藝流程

2.2.1 工藝流程

原果汁→轉(zhuǎn)入真空旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器→抽真空→加熱→濃縮→轉(zhuǎn)入周轉(zhuǎn)桶→抽真空→充氮→封口→0～5℃保存

2.2.2 工藝說明

2.2.2.1 果汁從冷庫中取出，按照需求轉(zhuǎn)入真空旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器;

2.2.2.2 抽真空至 0.095 MPa 以上，水浴至 60 ～65℃加熱，開啟冷凝器進行真空濃縮;

2.2.2.3 濃縮至水分蒸發(fā)量達到60%左右，破真空，冷卻至室溫，轉(zhuǎn)入密閉容器內(nèi);

2.2.2.4 密閉容器抽真空，充氮，封口，置于 0～5℃冷庫保存。

3 結(jié)果與分析

在沙棘加工過程中對維生素C、沙棘黃酮、可溶性固形物、總酸進行全過程檢測，分析加工過程對相關(guān)成分的影響。濃縮的沙棘濁汁入庫后進行跟蹤檢測，對濃縮汁的穩(wěn)定性進行研究。

表1 沙棘加工過程中理化參數(shù)的變化

從表1可以看出，在沙棘的加工過程中，維生素C、總黃酮和可溶性固形物及總酸度均有所改變，原因是在加工過程中先后去掉了皮、渣、籽等雜質(zhì)，粗汁經(jīng)過離心除去了沙棘果油，在加工過程中以維生素C為代表的營養(yǎng)成分和以沙棘黃酮為代表的生物活性物質(zhì)均有所降低，不過由于加工條件溫和，降低的程度均不大。

表2 沙棘濃縮濁汁的穩(wěn)定性研究

從表2可以看出，伴隨著貯存時間的延長，沙棘濃縮汁中的營養(yǎng)成分和生物活性物質(zhì)均會出現(xiàn)一定程度的下降，由于采取了抽氧充氮保護，加上低溫冷庫貯存，維生素C和黃酮類成分的下降幅度比傳統(tǒng)的方法慢，240天的貯存效果跟傳統(tǒng)方法60天接近。

4 討論

從營養(yǎng)保全和保健功能的角度來說，濁汁跟清汁相比具有明顯的優(yōu)勢。清汁經(jīng)過多次沉淀過濾加工工藝之后，以維生素C和黃酮為代表的營養(yǎng)成分和生物活性物質(zhì)損失嚴重，而且在產(chǎn)品的儲存期內(nèi)穩(wěn)定性下降，產(chǎn)品的貨架期明顯縮短，必須通過添加其他的穩(wěn)定劑解決，過多的添加食品添加劑不僅增加了生產(chǎn)成本，而且不受消費者的歡迎。

二、沙棘黃酮加工技術(shù)的研究

沙棘的藥用在我國具有悠久的歷史，是傳統(tǒng)的藏藥、蒙藥，作為中藥具有止咳化痰、健胃消食、活血散瘀之功效。黃酮是沙棘中一種重要的生物活性物質(zhì)，在降低膽固醇、抗菌消炎、抗腫瘤、抗衰老、抗病毒、抗輻射以及改善心血管功能等方面具有明顯的藥理功效。

沙棘黃酮的提取一般有從沙棘葉提取和從沙棘果提取兩種途徑。從沙棘葉的提取需要專門采集收購沙棘葉，本文不做討論。采用榨汁過后的沙棘果提取黃酮不僅可以對沙棘果資源進行綜合利用，降低生產(chǎn)成本，而且提取的沙棘黃酮純度高，質(zhì)量好，具有很強的市場競爭力。

沙棘黃酮的提取方法主要有超聲波萃取法、常規(guī)攪拌浸提法、乙醇回流提取法、超臨界流體萃取法和微波提取法等［7］。常規(guī)攪拌浸提法比較落后，得率低、能耗高，產(chǎn)品質(zhì)量差。乙醇回流提取法比常規(guī)攪拌浸提法先進，能夠有效降低溶劑的使用量和損耗，提高浸提效率，設(shè)備簡單，投資少，容易維護。超臨界流體萃取技術(shù)設(shè)備投資昂貴，單體設(shè)備處理量小，雖然產(chǎn)品質(zhì)量好，但是經(jīng)濟效益比較差。超聲波萃取法具有提取效率高，時間短，溫度低，適應(yīng)性強等優(yōu)點，但是由于受超聲波衰減因素的制約，超聲波提取罐不宜直徑太大，否則在罐的周壁就會形成超聲空白區(qū);難以保證超聲波器件的安全性，也無法實現(xiàn)在線不停機維修;超聲波功率難以和罐的容積相匹配，大功率的超聲波設(shè)備制造難度增大，成本也無法使用戶接受。微波具有波動性、高頻特性以及熱特性或非熱特性(生物效應(yīng))，因而微波提取技術(shù)具有快速高效、加熱均勻、選擇性強、生物效應(yīng)(非熱效應(yīng))大等特點，與傳統(tǒng)的提取技術(shù)相比，優(yōu)點在于溶劑用量少、耗時短、選擇性強，有利于提取植物中熱不穩(wěn)定的活性物質(zhì)，提取效率高，能耗低、設(shè)備簡單、操作容易、安全、低污染。微波提取潛在的問題是微波泄漏對人體的傷害，目前防止微波泄漏的技術(shù)研究逐漸成熟，已經(jīng)不再成為微波應(yīng)用的攔路虎。

1 材料與方法

1.1 材料

來自甘肅省隴西縣，槲皮素標準品，甲醇、95%乙醇、無水乙醇、NaNO2、Al(NO3)3等，均為市售分析純。

1.2 儀器

UV－754紫外可見光分光光度計(上海第三分析儀器廠);ZFQ－85A旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器(上海醫(yī)械專機廠)。

2 試驗方法

2.1 校準曲線回歸方程的建立

準確吸取0.0142 g/L的槲皮素標準液10 mL，用95%乙醇稀釋定容至100 mL。從100 mL溶液中準確吸取 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 mL分別置于8個10 mL的比色管中，分別加入50.0 g/L硝酸鋁乙醇溶液各1.0 mL，用95%乙醇稀釋至刻度，搖勻，靜置20 min后，以試劑空白作參比，用360～500 nm波長范圍內(nèi)的最大吸收波長λmax430 nm處測吸光度并繪制標準曲線(見圖1)，求得回歸方程式 A=0.0695C+0.0131，r=0.9990，式中 C 為槲皮素濃度，mg/L。

圖1 標準曲線圖

2.2 微波提取方法的設(shè)計

針對影響微波萃取效果的微波功率、萃取時間和料液比通過單因素的預實驗，確定了大致的最佳參數(shù)。正交試驗以微波功率、料液比、微波照射時間為三個變量，萃取液確定為75%的乙醇溶液，實驗材料為2 g沙棘果渣，具體如表3所示。

表3 微波提取沙棘黃酮正交試驗表

3 結(jié)果與分析

按L9(33)正交表安排試驗，結(jié)果及數(shù)據(jù)處理見表4。由極差分析可知，各因素對黃酮類化合物浸提影響的大小排序為:C(微波功率)＞A(萃取時間)＞B(料液比)，最佳實驗方案為C3B2A1，即微波萃取的最優(yōu)化條件為:微波功率900 W，萃取時間6 min，料液比(g∶mL)1∶15。

表4 沙棘黃酮正交試驗數(shù)據(jù)處理表

與傳統(tǒng)的溶劑法相比較，微波提取法具有時間短、效率高、能耗低等優(yōu)勢。通過正交試驗可以得到微波提取沙棘果渣黃酮的優(yōu)化工藝條件:微波功率900 W，萃取時間6 min和料液比(g/mL)1∶15，75%的乙醇溶液為萃取液。測得樣品沙棘葉中黃酮類化合物的含量為0.6454 mg/g。

三、沙棘油和花青素聯(lián)合加工技術(shù)的研究

沙棘油包括沙棘果油和沙棘籽油，沙棘果油在果汁加工過程中利用高轉(zhuǎn)速碟片式離心機提供的高離心因子得到分離，當?shù)诫x心機轉(zhuǎn)速達到7000～10000 r/min時，果汁中伴隨壓榨出來的果油可以得到有效的分離。

沙棘籽中富含沙棘籽油和花青素［8］，在以往的研究過程中，沙棘籽油和花青素的分離都是分開進行的。本文利用二氧化碳超臨界萃取設(shè)備通過添加夾帶劑，改變液態(tài)二氧化碳的極性，實現(xiàn)沙棘籽油和花青素的同步提取，最后通過萃取工藝實現(xiàn)沙棘籽油和花青素的分離，由于二氧化碳超臨界分離技術(shù)條件溫和，花青素得到有效的保護，損失少，得率反而高于溶劑萃取法。

1 材料與方法

1.1 材料

來自甘肅省隴西縣，95%乙醇等化學試劑均為市售分析純。

1.2 儀器

HA22－40－4824L×2超臨界CO2萃取設(shè)備(江蘇華安科研儀器有限公司)，ZFQ－85A旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器(上海醫(yī)械專機廠)

2 方法

2.1 試驗方法

將沙棘籽裝入超臨界CO2萃取設(shè)備中，加入適量75%乙醇作為夾帶劑，調(diào)節(jié)二氧化碳流量、萃取壓力和溫度，進行超臨界萃取試驗，試驗結(jié)束后收集分離出來的混合物料，加入水作為萃取劑將花青素從混合物料中萃取分離出來，萃取三次，合并萃取液，真空薄膜濃縮，得到純凈的沙棘籽油和花青素。

2.2 超臨界萃取方法的設(shè)計

針對影響超臨界萃取效果的夾帶劑用量、CO2流量、萃取壓力、萃取溫度、萃取時間五個因素進行正交試驗，夾帶劑為75%乙醇。實驗材料為沙棘籽，具體如表4所示。由于沙棘籽油的含量比較高，綜合開發(fā)的價值也比較高，花青素的含量低，基本上得到比較徹底的提取，變化不大，所以正交試驗以沙棘籽油的產(chǎn)率作為判定指標。

表5 超臨界萃取沙棘籽油正交試驗表

3 結(jié)果與分析

按L16(44)正交表安排試驗，結(jié)果及數(shù)據(jù)處理見表6。由極差分析可知，各因素對沙棘籽油和花青素聯(lián)合萃取影響的大小排序為:B(萃取溫度)＞A(CO2流量)/C(萃取時間)＞D(夾帶劑量)＞E(萃取壓力)，最佳實驗方案為B3A3C3D1E3，即超臨界萃取的最優(yōu)化條件為:萃取溫度40℃、CO2流量24 kg/h、萃取時間150 min、夾帶劑用量2%、萃取壓力25 MPa。

表6 超臨界萃取沙棘籽油正交試驗數(shù)據(jù)處理表

續(xù)表6

與傳統(tǒng)的溶劑法相比較，超臨界萃取法具有時間短、效率高、選擇性高、提取溫度低能耗低等優(yōu)勢。通過正交試驗可以得到超臨界萃取沙棘籽油的優(yōu)化工藝條件:萃取溫度40℃、CO2流量24 kg/h、萃取時間150 min、夾帶劑用量2%、萃取壓力25 MPa。萃取時間延遲到180 min萃取收率略高，說明沙棘籽油基本上萃取干凈，延長時間從經(jīng)濟上不合算，同樣的道理適用于CO2流量，繼續(xù)提高CO2流量也有利于萃取收率的提高，但是提高幅度很小，沒有實際的意義。在優(yōu)化的工藝條件下超臨界萃取沙棘籽油的收率達到11.42%，花青素收率為0.63%。

四、結(jié)語

伴隨著本項研究的沙棘濁汁加工技術(shù)、沙棘黃酮加工技術(shù)和沙棘籽油加工技術(shù)的成功，意味著沙棘高效高值綜合利用技術(shù)的研究已經(jīng)取得成功，已經(jīng)建立了可以用于工業(yè)化應(yīng)用的沙棘高效高值綜合利用技術(shù)體系，可以為沙棘加工工業(yè)提供成熟、高效高值、低成本加工技術(shù)體系，可以全面提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，有利于提高沙棘產(chǎn)品的市場競爭力。沙棘的高效高值綜合利用技術(shù)大大提高了沙棘果實的綜合利用度，減少了對沙棘資源的過渡開發(fā)，有利于延緩和改善我國的荒漠化趨勢，對我國環(huán)境保護具有重要的意義。

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