柑桔皮果膠提取條件優(yōu)化

別雨蒙，薛 嬌，黃升謀

(湖北文理學(xué)院 化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

柑桔皮果膠提取條件優(yōu)化

別雨蒙，薛 嬌，黃升謀

(湖北文理學(xué)院 化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

采用酸水解—乙醇沉淀法提取柑桔皮果膠，用單因素試驗和正交試驗等方法從料液比、原料破碎度、提取液酸度、提取溫度、提取時間、沉淀劑用量等幾個方面研究柑桔皮果膠提取的工藝條件. 結(jié)果表明，當(dāng)料液比為1∶15，柑桔皮原料破碎度為顆粒度1～5mm，提取液的pH值為2.00，溫度為85℃，提取時間為60min，果膠提取液濃縮后固形物含量為10%，凝沉混合液中酒精含量為50%，95%乙醇沉淀時間為60min，果膠干燥溫度為50℃時，提取果膠的效果最佳，提取出的果膠產(chǎn)率為11.80%，純度為90%.

柑桔皮；果膠；提??；正交實驗

果膠是原果膠、果膠酸、果膠酸酯的總稱，主要由半乳糖醛酸及其甲酯縮合而成的線性多糖類物質(zhì). 果膠是一種重要的膳食纖維，具有抗癌、抗心腦血管疾病、預(yù)防糖尿病及美容、減肥等功效. 柑橘皮富含果膠，含量約為其干重的30%[1]，是制取果膠的理想原料. 有關(guān)果膠提取的研究有了一定進(jìn)展[2-6]，但其提取條件還有待進(jìn)一步優(yōu)化. 本研究通過酸水解-乙醇沉淀法提取果膠，采用單因素試驗和正交試驗以及產(chǎn)品質(zhì)量評價等方法篩選出桔皮果膠提取的最佳工藝條件，為果膠生產(chǎn)的發(fā)展提供理論與實踐依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

柑橘(CitrusreticulataBlanco)，購于襄陽水果批發(fā)市場.

1.2 果膠提取的工藝流程

果膠提取的工藝流程[7]如下圖：

圖1 果膠提取工藝流程

將盛有用濃鹽酸調(diào)整好pH值料液的燒杯置于恒溫水浴中，不斷攪拌，溫度和時間按設(shè)定進(jìn)行. 將盛有料液的燒杯從水浴中取出，自然冷卻至室溫，靜止片刻后用四層紗布粗濾，棄去雜質(zhì)，用兩層濾紙對濾液進(jìn)行二次過濾. 將過濾后的果膠提取液倒入燒杯中，置于水浴鍋中加熱濃縮，玻璃棒攪拌，隔一段時間測定一次液體的固形物含量，直到實驗設(shè)計值為止，記錄濃縮前后的固形物含量.

將濃縮后的果膠提取液自然冷卻至40℃以下，記錄濃縮液的體積. 向濃縮液中加入95%乙醇使果膠沉淀，靜置1～2小時，使果膠充分沉淀出來[8]. 記錄乙醇的用量. 將沉淀后的果膠用四層紗布過濾，并用95%乙醇洗滌果膠濾餅2～3次，以除去殘留在濾餅中的Cl-. 濾液(乙醇)回收入錐形瓶中.

將濾餅在培養(yǎng)皿上攤開一層，放于真空干燥箱中，用循環(huán)式真空泵真空干燥，溫度為40～55℃之間，時間為4～6小時，以果膠產(chǎn)品達(dá)到恒重為止. 將干燥后的果膠取出冷卻，用小刀將果膠從培養(yǎng)皿上輕輕剝離下來，放入研缽中研磨成均勻粉末即得成品果膠. 對果膠稱重，計算果膠的得率.

1.3 果膠產(chǎn)品純度的測定

從果膠產(chǎn)品中取質(zhì)量為W1的產(chǎn)品，以1∶20的比例溶于蒸餾水中，靜置片刻后對果膠進(jìn)行過濾，過濾前先將濾紙稱重記為W2，過濾后的濾渣和濾紙一起放入真空干燥箱進(jìn)行干燥，干燥溫度為50℃，干燥至恒重，取出后稱量雜質(zhì)和濾紙的質(zhì)量W. 產(chǎn)品純度的計算公式為：

X%=[(W-W2)/W1]×100%

1.4 果膠產(chǎn)品性質(zhì)鑒別

取果膠試樣2g，加蒸餾水80mL，在水浴鍋中加熱充分混合并冷卻作為試樣液.

鑒別實驗1：用移液管移取試樣液20mL，在85℃水浴鍋中加入70%蔗糖，充分混合后，加入50%酒石酸溶液0.5mL，樣品靜止后形成凝膠.

鑒別實驗2：用移液管移取試樣液20mL，加入12%NaOH溶液20mL，混勻后產(chǎn)生棉花狀白色沉淀或凝膠，加熱后呈黃色.

鑒別實驗3：用移液管移取試樣液4mL，加蒸餾水6mL，10%NaNO3溶液1mL，產(chǎn)生棉花狀白色沉淀或凝膠.

鑒別實驗4：用移液管移取試樣液4mL，加蒸餾水6mL，混勻后再加入95%乙醇10mL，應(yīng)有透明凝膠狀沉淀產(chǎn)生[9].

2 單因素試驗

2.1 95%乙醇沉淀時間對柑桔皮果膠提取的影響

向濃縮液中加入95%乙醇使果膠形成絮狀沉淀，靜止一段時間后再過濾，靜止時間設(shè)為30min、45min、60min、75min、90min，研究95%乙醇沉淀時間對柑桔皮果膠產(chǎn)率(%)、色澤、狀態(tài)的影響.

2.2 果膠提取液濃縮后固形物含量與果膠質(zhì)量

提取液在濃縮過程中，每隔一段時間用手持糖量計測一次濃縮液中的固形物含量. 在固形物含量為7%、8%、9%、10%、11%、12%下結(jié)束濃縮，以研究固形物含量對柑桔皮果膠提取產(chǎn)率(%)、色澤、狀態(tài)的影響.

2.3 干燥溫度與果膠提取

將過濾后的果膠放于真空干燥箱中，用循環(huán)式真空泵真空干燥，溫度為40℃、42℃、45℃、50℃、52℃、55℃，以果膠產(chǎn)品達(dá)到恒重為止，研究干燥溫度對柑桔皮果膠提取產(chǎn)率(%)、色澤、狀態(tài)的影響.

2.4 料液比及原料破碎度對柑桔皮果膠提取的影響

在提取溫度為85℃，時間為60min，提取液pH值為2.00，凝沉所用95%乙醇為濃縮液質(zhì)量的一倍的條件下；調(diào)節(jié)料液比為1∶10、1∶15、1∶20；原料破碎度為1～5、>5，觀察其對柑桔皮果膠提取產(chǎn)率(%)、色澤、狀態(tài)的影響.

2.5 最佳工藝條件的優(yōu)化因素的確定

選擇對果膠提取影響較大，互作明顯的果膠提取液的酸度、溫度、提取時間以及用于果膠沉淀的95%乙醇的用量為因素. 根據(jù)前人的研究成果，作者的理論實驗經(jīng)驗以及單因素實驗結(jié)果，既考慮每個因素的范圍，又考慮每個因素的密度以及試驗次數(shù)的原則，每個因素選擇6個代表性水平作正交實驗[10]，見表1. 每次試驗取柑桔皮40g，破碎粒度為1～5mm，乙醇沉淀時間為60min，濃縮液固形物含量為10%，果膠沉淀干燥溫度為50℃.

表1 果膠提取因素水平

3 實驗結(jié)果

3.1 料液比及原料破碎度對柑桔皮果膠提取的影響

在提取溫度為85℃，時間為60min，提取液pH值為2.00，凝沉所用95%乙醇為濃縮液質(zhì)量的一倍的條件下；調(diào)節(jié)料液比以及原料的破碎度，觀察其對柑桔皮果膠提取的影響，結(jié)果見表2.

表2 料液比及原料破碎度對柑桔皮果膠提取的影響

從表2可知，料液比為1∶15，物料的破碎度為1～5mm時，果膠提取的產(chǎn)率最高，色澤狀態(tài)較好. 物料的破碎度若大于5mm，則產(chǎn)率下降，果膠顆粒較粗.

3.2 95%乙醇沉淀時間對柑桔皮果膠提取的影響

將濃縮后的果膠提取液自然冷卻至40℃以下，向濃縮液中加入95%乙醇使果膠形成絮狀沉淀，沉淀一段時間后再過濾，沉淀時間對果膠提取質(zhì)量具有一定的影響. 試驗結(jié)果如表3.

表3 乙醇沉淀時間對柑桔皮果膠提取的影響

由表3可知，乙醇沉淀的時間為為60min時，果膠提取的產(chǎn)率最高，色澤狀態(tài)較好.

3.3 果膠提取液濃縮后固形物含量與果膠質(zhì)量

提取液在濃縮過程中，每隔一段時間用手持糖量計測一次濃縮液中的固形物含量. 在不同固形物含量下結(jié)束濃縮，以確定果膠提取液濃縮后的最佳固形物含量，結(jié)果如表4所示.

表4 果膠提取液濃縮后固形物含量與果膠質(zhì)量

從表4可看出，濃縮后提取液的固形物含量為10% 時，果膠提取的產(chǎn)率最高，色澤狀態(tài)較好.

3.4 干燥溫度與果膠提取

將過濾后的果膠放于真空干燥箱中，用循環(huán)式真空泵真空干燥，果膠干燥的溫度試驗結(jié)果如表5所示.

表5 干燥溫度與果膠提取

由表5可知，果膠干燥的溫度為50℃時，果膠提取的產(chǎn)率最高，色澤狀態(tài)較好.

3.5 果膠提取條件的優(yōu)化

果膠提取正交試驗因素水平按表1進(jìn)行，實驗結(jié)果如表6所示.

表6 果膠提取條件的優(yōu)化

注：表中∑表示各因素中的各個水平對應(yīng)的結(jié)果之和.

從表6可知，每個因素設(shè)六個水平，每個水平對應(yīng)三個結(jié)果，取三個結(jié)果的平均值，從而得到六個水平對應(yīng)的六個產(chǎn)率和純度結(jié)果，將各因素對指標(biāo)的影響作圖，如圖2-9所示.

圖2 酸度與果膠純度的關(guān)系 圖3 酸度與果膠產(chǎn)率的關(guān)系

圖4 溫度與果膠純度的關(guān)系 圖5 溫度與果膠產(chǎn)率的關(guān)系

圖6 時間與果膠純度的關(guān)系 圖7 時間與果膠產(chǎn)率的關(guān)系

圖8 乙醇量與果膠純度的關(guān)系 圖9 乙醇量與果膠產(chǎn)率的關(guān)系

從表6和圖2～9可知，各因素對果膠產(chǎn)率影響由主到次的順序為：酸度>乙醇量>溫度>時間. 在提取液pH值為2.00，提取溫度為85℃，提取時間60min，用于果膠凝沉的95%乙醇量為總液體量的50%時，果膠的產(chǎn)率和純度均為最大值.

4 結(jié)論與討論

本研究表明，果膠提取的最佳條件為：料液比為1∶15，柑桔皮原料破碎顆粒度為1～5mm，提取液的pH值為2.00，溫度為85℃，提取時間為60min，果膠提取液濃縮后液體中固形物含量為10%，凝沉混合液中95%乙醇體積含量為50%，沉淀時間為60min，果膠干燥溫度為50℃. 按此方案提取出的果膠產(chǎn)率為11.80%，純度為90%. 果膠質(zhì)量鑒別實驗說明，此條件下提取的果膠色澤、狀態(tài)、溶解性、膠凝性感官狀態(tài)都表現(xiàn)良好的果膠特點.

分析表明，物料的顆粒太大，果膠與提取液的接觸面積就小，以至在一定時間內(nèi)果膠不能夠被充分提取出來. 破碎度若小于1mm，則物料中會有過多的雜質(zhì)和果膠一起溶于水中，從而使產(chǎn)品的雜質(zhì)度升高，純度降低.

料液比太大，難保證原料中的果膠全部轉(zhuǎn)移到液相中；物料黏度大，過濾困難，殘留增多，提取不完全，產(chǎn)率低. 料液比太小，提取的果膠溶液濃度太低，過濾容易；但是減壓濃縮所需的時間長，沉淀劑乙醇的消耗量大，沉淀效果不理想[11-13].

酸度是影響果膠產(chǎn)率和純度的主要因素[14-15]. 當(dāng)提取液的pH值小于2.00時，由于酸度過大，使果膠產(chǎn)品中殘留的Cl-過多；當(dāng)pH值大于2.00時，由于提取液的酸度過低，而使果膠溶解度降低，不能被充分提取出來.

提取溫度和提取時間對果膠提取質(zhì)量具有重要影響. 當(dāng)提取溫度小于85℃時，由于溫度過低果膠不能被充分溶解出來，溫度的升高，有利于果膠質(zhì)的水化溶出；當(dāng)提取溫度大于85℃時，原料中過多的雜質(zhì)和果膠同時溶解出來，會使果膠高分子多糖降解，從而使果膠純度和產(chǎn)率下降. 提取時間太長，可能使溶液中的果膠質(zhì)在較高溫度和酸性條件下發(fā)生降解.

濃縮后提取液的固形物含量對果膠提取質(zhì)量影響較大. 若固形物含量太低，則需要用來沉淀的95%乙醇用量就會太大；且果膠易溶于水而使果膠與乙醇的接觸面積小，果膠沉淀不完全. 若固形物含量太大，則液體的黏度太大，果膠與溶液體中的一些雜質(zhì)濃縮在一起，用乙醇沉淀果膠時，雜質(zhì)也易隨果膠一起沉淀出來，而使產(chǎn)品純度降低.

用于果膠凝沉的95%乙醇量對果膠的產(chǎn)率和純度有重要影響. 當(dāng)乙醇量小于50%時，由于乙醇用量比水量少，不能把果膠完全沉淀出來；當(dāng)乙醇量大于50%時，雖然能使果膠完全沉淀，但過量的乙醇也能沉淀出其他雜質(zhì)，而使果膠的質(zhì)量和純度下降，同時也造成乙醇的浪費.

果膠屬于高分子多糖類物質(zhì)，干燥溫度過高時，果膠可能發(fā)生炭化或美拉德反應(yīng)，化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而變成其他物質(zhì)，使產(chǎn)品顏色變黑且變性. 干燥溫度過低，使干燥時間延長，造成時間浪費，也可能導(dǎo)致果膠變性. 所以應(yīng)嚴(yán)格控制干燥溫度，本研究果膠干燥最適溫度為50℃，這是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素.

本研究選擇對果膠提取影響較大，但與其他因素互作不顯著的因素做單因素實驗，選擇對果膠提取影響較大，兩者互作明顯，但與其他因素互作不明顯的因素(如料液比，原料破碎度等)做雙因素試驗，選擇對果膠提取影響較大，相互間互作明顯的因素做正交試驗. 根據(jù)前人的研究成果，作者的理論實驗經(jīng)驗以及單因素實驗結(jié)果，根據(jù)既考慮每個因素的范圍，又考慮每個因素的密度以及試驗次數(shù)的原則，每個因素選擇6個代表性水平作正交實驗，既較全面研究了影響果膠提取的因素，又不使實驗次數(shù)過多，節(jié)省了人力和物力.

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(責(zé)任編輯：徐 杰)

Optimal Extraction Conditions of Pectin from Citrus Peel

BIE Yumeng， XUE Jiao， HUANG Shengmou

(School of Chemical Engineering and Food Science， Hubei University of Arts and Science，Xiangyang 441053， China)

The technological conditions of extracting pectin from citrus peel were investigated in this paper from the solid-liquid ratio， raw material crushing， extracting solution acidity， extraction temperature， extraction time and precipitation agent dosage several aspects using acid hydrolysis—ethanol precipitation method by single factor test and orthogonal test. The results show that when the solid-liquid ratio was 1∶15， the citrus peel was crushed into particles of 1～5mm， the pH value 2， the temperature 85℃， extraction time 60min， the content of pectin solids 10%， the alcohol content in the mixture 50%， sedimentation time by 95% ethanol 60 min， drying temperature 50℃， the pectin extracted was best ， extracted pectin yield was 11.80%， the purity was 90%.

citrus peel； pectin； extraction； orthogonal test

2017-05-31；

2017-06-30

湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊計劃項目(T201616)

別雨蒙(1991— )，女，湖北仙桃人，湖北文理學(xué)院與武漢工程大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生.

黃升謀(1962— )，男，湖北武漢人，湖北文理學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院教授，博士，主要研究方向：植物生理生化.

TS205

A

2095-4476(2017)08-0027-06