超聲輔助技術在果膠提取中的研究進展

岳賢田 ， 楊繼亮

(巢湖學院 ， 安徽 合肥　238000)

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超聲輔助技術在果膠提取中的研究進展

岳賢田 ， 楊繼亮*

(巢湖學院 ， 安徽 合肥238000)

摘要：超聲輔助技術在天然產物提取中具有廣泛的應用，在果膠的提取中主要有三個階段：加速浸潤、滲透階段；促使溶解、溶解階段；增進擴散、置換階段。本文結合國內外有關文獻，對超聲輔助提取果膠的原理(三大效應)進行了解釋，對其提取特點和應用作了概括，并對超聲輔助提取果膠的技術在未來的走向進行了展望，以期為廣大科研工作者開展科研工作提供參考。

關鍵詞：超聲輔助 ； 果膠 ； 提取 ； 進展

果膠是以原果膠、果膠和果膠酸的形態(tài)存在于植物以及水果的果實、根、莖和葉中的多糖類高分子化合物，果膠是細胞壁的重要組成部分，和纖維素相伴隨而存在，構成細胞中間層黏結物，可以說是植物組織緊緊抱團的黏結劑。果膠的成分主要由α-1, 4糖苷鍵鏈接的半乳糖醛酸和鼠季糖、半乳糖、阿拉伯糖等中性糖形成的聚合物及其它非糖成分如甲醇、乙酸、阿魏酸等物質。果膠的結構主要由主鏈和側鏈兩部分組合而成，由α-1，4糖苷鍵鏈接的D-半乳糖醛酸單元直鏈形成高聚半乳糖醛酸主鏈，側鏈主要由鼠季糖半乳糖醛酸聚糖構成[1]。果膠作為一種天然的高分子化合物，具有良好的膠黏性和乳化穩(wěn)定作用，在食品、醫(yī)藥、日化、紡織行業(yè)具有廣泛的用途。目前國內外果膠的提取方法有很多，超聲波提取果膠的方法已在不同種類的植物和水果中有所研究，所以有必要結合國內外有關文獻對超聲輔助技術在果膠中的提取應用進行綜述。

1基本原理

超聲技術是利用電磁波和機械波的作用需要能量載體介質來進行傳播，在傳遞過程中存在著正負壓強交變周期，在正相位時，對介質分子進行擠壓，增加介質原來的密度；在負相位時，介質分子稀疏離散，介質分子密度減小，這就是超聲波在溶劑和樣品之間產生聲波空化效應，導致細胞壁內氣泡的產生、增長和破滅，固體樣品分散，增大樣品和溶劑間的接觸面積，提高目標物從固相到液相的傳遞速率。超聲波特殊的提取天然產物的物理性質是基于以下三大效應：

1.1機械效應

在超聲波的作用下，細胞內的介質質點在其傳播空間內產生振動，強化了介質的擴散和傳播速率，在超聲波傳遞過程中可以產生一種輻射壓強，對物料具有很強的破壞作用，使得細胞組織變形，和植物組織內蛋白變性，同時給予細胞介質和內懸體一定的加速度，使得介質分子的運動速度遠遠大于內懸體的運動速度，從而利用兩者在運動過程中的摩擦效應，使得生物分子解聚細胞壁上有效成分較快地轉移到溶劑中來，這就是超聲機械效應的作用原理。

1.2空化效應

在常態(tài)下，細胞介質內部存在一些氣泡，這些氣泡在超聲波的作用下產生振動，在聲壓達到一定數量時，細胞介質內氣泡由于定向擴散增大形成振動腔，這種氣泡在閉合時會在其周圍形成幾千個大氣壓的壓力，形成微激波造成細胞壁破裂，由于時間短暫有利于有效成分的溶出，這就是超聲空化效應的作用原理。

1.3熱效應

超聲波在細胞介質中的傳播過程是一個能量的傳播和擴散過程，其聲能在傳播的過程中不斷地被細胞介質中的質點吸收，細胞介質將所吸收的能量轉化為熱能，從而導致細胞介質內部組織溫度升高，增大了有效成分的溶解速度，由于這種效應是在短暫時間內完成，可以使得被提取的有效成分活性保持不變，這就是超聲熱效應的作用原理。

除此之外，超聲還可以產生許多次級效應，如乳化、擴散、擊碎、化學效應等，這些次級效應同時也促進細胞內有效成分的溶解，促使有效成分進入介質，加快提取的過程，提高有效成分的提取率。

2超聲輔助技術在果膠提取中的特點

超聲輔助技術由于其適用范圍廣，在醫(yī)藥、食品、油脂加工中有廣泛的應用，與目標萃取物和溶劑的性質關系較小，可以有效地提取果膠中的有效成分[2-3]。作為一門新方法、新工藝，與水煮醇沉工藝相比，具有以下特點：

2.1提高破碎速度和提取效率

超聲輔助技術有利于果膠的充分利用，果膠提取物中的有效成分含量高。Homa Bagherian 等[4]比較了傳統(tǒng)的溶劑提取、微波輔助提取和超聲輔助提取技術在葡萄皮果膠提取中的應用，結果發(fā)現，超聲輔助提取技術的提取率高，超聲預處理25 min葡萄皮果膠的提取率可以達到27.81%，比傳統(tǒng)的提取方法(葡萄皮果膠的提取率為17.92%)高出許多。張初署等[5]以菠蘿皮為原料，采用超聲輔助技術進行正交實驗，實驗結果表明，在超聲處理90 min后，菠蘿皮果膠的提取率可以達到90%。

2.2提取溫度低

與傳統(tǒng)的提取方法相比，超聲輔助技術不易破壞果膠中的熱敏性成分結構，不影響產品成分的質量。并且該法常壓萃取、操作簡單、提取安全，能充分利用果膠的有效成分，減少溶劑的使用量，不易造成污染。Tao Xia等[6]采用超聲輔助技術對茶葉中的咖啡堿和多酚物質進行了提取，結果發(fā)現茶葉的風味沒有變化，這說明超聲波是一種綠色提取技術，對物質的有效成分不構成破壞。楊明等[7]采用超聲技術提取石榴果實中的果膠，采用正交實驗得到最佳的提取條件，發(fā)現這種技術是可行的，可以降低溫度，提高果膠的提取率及安全性。

2.3提取時間短

提取過程是物理過程，在提取過程中沒有發(fā)生化學反應，提取的果膠在短時間內活性保持不變，能夠提高果膠的有效成分及產品質量的穩(wěn)定性，同時提高果膠的品質，其工藝簡單，可降低生產成本，提高效益。Yuting Xu等[8]通過動力學實驗研究發(fā)現，超聲、微波、熱效應都可以提高葡萄皮果膠的提取率、溶解率和果膠的降解率，但是超聲輔助技術同時還可以提高產率，縮短時間(與熱效應相比可減少時間51.79 min，降低溫度30 ℃)。

3超聲輔助技術在果膠提取中的應用

超聲輔助技術在果膠提取中有廣泛的應用，從有關的文獻可以看出，國外把超聲輔助技術應用于果膠的提取相對比較少，但是國外從分子結構水平和流變性方面進行了研究，這一點我們將在結論和展望中提及，而國內相關的文獻相對比較豐富，除了單一的超聲輔助提取外，協(xié)同了其它的一些方法。

3.1超聲波輔助法

岳賢田[9]曾采用超聲波輔助法對香蕉皮中的果膠進行了提取，系統(tǒng)地研究了不同的萃取劑、溶劑、超聲時間、超聲功率、料液比、乙醇濃度和pH值對果膠提取率的影響，并在此基礎上進行了實驗研究，得到最佳的提取工藝，香蕉皮果膠的提取率可以達到20.5%。常大偉等[10]采用超聲輔助技術對蘋果渣中的果膠進行了研究，通過單因素實驗和正交實驗得出最佳的提取工藝，果膠的提取率可以達到13%以上。魏秋紅等[11]采用超聲輔助技術對橙皮果膠進行了提取，提取率可以達到21.3%，與傳統(tǒng)的直接加熱提取法相比，超聲輔助提取技術是一種節(jié)能、省時、高效的方法。

3.2超聲輔助協(xié)同酶法

余先純等[12]采用超聲波對柚皮進行處理，加入復合酶提取果膠，可以有效地減少對環(huán)境的污染，超聲處理20 min，酶加入量為0.9%的條件下，每克柚皮果膠的提取量可以達到236.2 mg，遠高于同等工藝條件下常規(guī)水浴法提取的果膠提取量。羅靜等[13]采用超聲輔助半纖維素酶法提取南瓜皮中的果膠，研究了半纖維素酶溶液的濃度、料液比、浸提時間、浸提溫度、超聲功率和超聲時間對南瓜皮果膠提取率的影響。結果發(fā)現，超聲處理10 min、酶溶液濃度為0.7%時，果膠的提取率達到11.21%，是一種省時、高效、綠色環(huán)保的提取方法。戴少慶等[14]對超聲波輔助復合酶法提取椏柑皮果膠工藝進行了優(yōu)化研究，結果發(fā)現，這種纖維素和半纖維素復合酶法較常規(guī)的單純酶法工藝時間縮短4~5 h。

3.3超聲輔助酸法

超聲波是一種綠色、高效、經濟的方法，酸法提取果膠是一種常規(guī)的方法，兩者結合提取果膠有不同的效果，黃黎慧等[15]以干椪柑皮為原料，在超聲波的作用下，用鹽酸溶液水解和乙醇沉淀提取果膠。探討了物料粒度、液料比、pH 值、浸提溫度和超聲波提取時間等因素對椪柑皮果膠提取工藝的影響，超聲處理30 min，果膠的提取率達17.02%，與傳統(tǒng)直接加熱提取相比，縮短了提取時間、降低了提取溫度，產品色澤較淺，品質優(yōu)良。

3.4超聲輔助鹽析法

傳統(tǒng)提取果膠是用水提醇沉法，這種方法耗時、原輔料消耗大、能耗高、工藝條件不易控制。采用超聲波法輔助鹽析可有效避免這些缺點，林曼斌等[16]主要研究了用超聲波輔助鹽析法從仙人掌中提取果膠的效果，通過正交實驗，對其工藝條件進行探討，得出果膠沉析的最佳條件是pH值4.5，溫度60 ℃，鋁鹽量9 mL，此時果膠的產率是9.15%。

3.5超聲輔助響應曲面法

李建鳳等[17]利用響應曲面法優(yōu)化超聲波輔助提取檸檬皮渣果膠的工藝條件，以pH值、液料比、提取時間為影響因素，以果膠提取率為響應值，通過響應面分析法得到檸檬皮渣果膠的提取條件：pH值為1.0、液料比為20∶1、提取時間為50 min。此條件下的5次平行實驗中檸檬皮渣果膠粗產品提取率的平均值為26.45%，實際測定值與理論計算值能夠很好地吻合。耿敬章等[18]采用響應面法優(yōu)化超聲波輔助提取橘皮果膠的工藝，響應面法優(yōu)化后果膠的最佳提取工藝條件為：pH值1.0、超聲波頻率20.7 W、提取溫度70 ℃，此時果膠類化合物的提取率可達18.2%。

3.6表面活性劑增效超聲波法

岳賢田[19]曾利用表面活性劑的增溶和乳化作用對果膠的提取進行了研究，結果發(fā)現超聲處理50 min后，加入十二烷基磺酸鈉，表面活性劑的用量為0.8%，香蕉皮果膠的提取率可以達到20.67%，整個提取過程綠色、省時、成本低、能耗小，可以稱之為一種綠色經濟高效的方法。

4結論與展望

果膠作為一種天然的高分子化合物，在許多行業(yè)有廣泛的用途，超聲輔助技術在果膠提取中是一種經濟有效的方法。因此，研究人員對經過果膠處理后的分子結構和功效進行研究，特別是對經過提取后果膠的理化性質進行了深入的研究，國外已對果膠的流變性能和降酯工藝進行了研究[20-23]。

超聲作為一門新型的技術，在提取有效成分的同時，也帶來一些不必要成分的溶出，超聲波物性參數的技術開發(fā)不夠靈敏，提取設備的精確度還有待提高。針對這些問題，有必要在未來完善超聲機理，將超聲技術與其它分離技術相結合，并與現代色譜分析技術聯合起來，對提取出來的果膠進行成分鑒定和分析，開發(fā)大規(guī)模的自動調控設備，完善提取產物的高質、高效和高產。

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Research Progress of Ultrasound Assisted Technology in the Extraction of Pectin

YUE Xiantian , YANG Jiliang*

(Chaohu University , Hefei238000 , China)

Abstract:Ultrasonic assisted technology has extensive application in the extraction of natural products,it has three stages in the extraction of pectin:accelerate the infiltration,infiltration stage;promote to dissoluten,the dissolution stage;enhancing diffusion,replacement stage.In this paper,combined with related literature at home and abroad,the principle of ultrasounde assisted extraction of pectin are explained.The extraction characteristics and application are summarized.And the ultrasound assisted extraction of pectin is prospected in the future.In order to provide reference for the researchers to carry out scientific research work.

Key words:ultrasound assisted ; pectin ; extraction ; progress

中圖分類號：TS255.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3467(2016)01-0016-04

作者簡介：岳賢田(1980-)，男，講師，在讀博士，研究方向：綠色化學；聯系人：楊繼亮(1984-)，女，講師，博士，研究方向：生物質能源和活性炭材料，電話：15051804879。

收稿日期：2015-11-20