超聲波輔助酸法提取陳皮中果膠的工藝優(yōu)化

李萍，汪青青，閆靜坤，張?zhí)m，舒展，胡矗垚

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超聲波輔助酸法提取陳皮中果膠的工藝優(yōu)化

李萍，汪青青，閆靜坤，張?zhí)m，舒展，胡矗垚

（天津農(nóng)學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，天津 300384）

以陳皮為原料，研究超聲波輔助酸法對果膠提取效果的影響。在單因素試驗基礎(chǔ)上，利用正交試驗優(yōu)化提取工藝并對果膠理化性質(zhì)進(jìn)行測定。結(jié)果表明，果膠提取最佳工藝條件為：溶液pH值1.5、料液比1∶25（g∶mL）、超聲溫度75 ℃、超聲功率231 W、物料粉碎度60～80目、超聲時間40 min，在此條件下果膠提取率達(dá)到20.60%。影響果膠提取率的因素次序為：料液比＞超聲溫度＞物料粉碎度＞溶液pH值＞超聲功率＞超聲時間。紅外光譜分析證實了果膠的成功提取。超聲波輔助酸法與傳統(tǒng)酸法相比，果膠提取率提高了4.25%、純度提高了12.29%、酯化度提高了10.19%，且試驗制備的果膠屬于高甲氧基果膠。超聲波輔助酸法是提取陳皮果膠的可行方法。

陳皮；果膠；超聲輔助酸法；提??；工藝優(yōu)化

果膠是半乳糖醛酸以1，4-糖苷鍵連接而成的多糖類物質(zhì)，具有增稠、膠凝和穩(wěn)定特性，作為添加劑在食品、醫(yī)藥和化妝品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研究表明，果膠具有抗癌活性[1]。提取果膠的原料主要有蘋果渣[2]、新鮮的柑橘皮[3]、甜菜[4]等。陳皮是柑橘及其栽培變種的干燥成熟果皮，是我國傳統(tǒng)的中藥材，對陳皮成分的研究主要集中在橙皮苷[5]、多糖[6]、揮發(fā)油[7]、黃酮類物質(zhì)[8]等方面，而對陳皮中果膠的提取研究較少。

果膠的提取方法有酸法[9]、酶解法[10]、微波輔助法[11]和超聲波輔助法[12]等。酸法是提取果膠的傳統(tǒng)方法，但時間較長；酶解法條件溫和，但成本較高[13]；微波輔助法具有高效、低耗、輕污染等特點，但加熱溫度不易控制。超聲波輔助法是利用機(jī)械振動和空化效應(yīng)破壞植物組織細(xì)胞的完整性，加快有效成分溶出，操作簡便，提取率較高，近年來應(yīng)用廣泛。王海燕等[14]發(fā)現(xiàn)，超聲波輔助酸法提取榴蓮皮果膠的效果優(yōu)于傳統(tǒng)酸法；王媛莉等[15]報道了超聲波對草酸銨法提取豆腐柴果膠具有較強(qiáng)的輔助作用；Peng等[16]發(fā)現(xiàn)超聲波/微波輔助酸法與傳統(tǒng)酸法相比，提取的甜菜漿果膠具有更高的分子量、黏度、乳化性能和穩(wěn)定性。目前，關(guān)于超聲波輔助酸法提取陳皮果膠的報道較少。本研究采用超聲波輔助酸法提取陳皮中的果膠，以果膠提取率為指標(biāo)，在單因素試驗基礎(chǔ)上，用正交試驗優(yōu)化提取工藝并對果膠理化性質(zhì)進(jìn)行測定，旨在為陳皮中果膠的超聲波輔助酸法提取及果膠的開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

陳皮，購于天津市南開區(qū)王頂?shù)趟幍辏?5%乙醇、鹽酸均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

粉碎機(jī)（北京燕山正德機(jī)械設(shè)備有限公司）；pHS-3C型pH 計（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；Elmasonic P180H型超聲波清洗器（德國Elma公司）；R-215型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（瑞士Buchi公司）；IRAffinity-1型傅里葉變換紅外光譜儀（日本島津公司）；鼓風(fēng)干燥箱（天津市華北實驗儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 果膠的提取

材料預(yù)處理：陳皮除雜，洗凈，干燥，粉碎，過篩，備用。

果膠的提?。宏惼し勰┌凑找欢弦罕燃尤胝麴s水，用鹽酸調(diào)節(jié)溶液至一定pH值，設(shè)置條件，超聲提取。所得混合物趁熱紗布過濾，體積濃縮至半，冷至室溫，加入2倍濃縮液體積的95%乙醇，靜置，析膠，抽濾，收集濾餅，60 ℃干燥，得果膠，按公式（1）計算提取率。

果膠提取率（%）＝果膠質(zhì)量（g）/陳皮粉末質(zhì)量（g）×100 （1）

1.3.2 果膠提取的單因素試驗

1.3.2.1 不同pH值下提取果膠

稱取6份陳皮粉末（20～40目），每份5 g（準(zhǔn)至0.000 1 g，下同），按照料液比1∶25（g∶mL）加入蒸餾水，調(diào)節(jié)溶液pH值分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0，超聲條件：60 ℃、231 W、25 min，按1.3.1中的方法提取果膠并計算提取率。

1.3.2.2 不同料液比下提取果膠

稱取7份陳皮粉末（20～40目），每份5 g，分別按照液料比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40（g∶mL）加入蒸餾水，調(diào)節(jié)溶液pH值為1.5，超聲條件為：60 ℃、231 W、25 min，按1.3.1中的方法提取果膠并計算提取率。

1.3.2.3 不同超聲溫度下提取果膠

稱取7份陳皮粉末（20～40目），每份5 g，按照液料比1∶30（g∶mL）加入蒸餾水，調(diào)節(jié)溶液pH值為1.5，超聲條件：231 W、25 min，超聲溫度分別為50、55、60、65、70、75、80 ℃，按1.3.1中的方法提取果膠并計算提取率。

1.3.2.4 不同超聲功率下提取果膠

稱取6份陳皮粉末（20～40目），每份5 g，按照液料比1∶30（g∶mL）加入蒸餾水，調(diào)節(jié)溶液pH值為1.5，超聲條件為：75 ℃、25 min，功率分別為165、198、231、264、297、330 W，按1.3.1中的方法提取果膠并計算提取率。

1.3.2.5 不同物料粉碎度下提取果膠

稱取6份不同粉碎度的陳皮粉末（＜20、20～40、40～60、60～80、80～100、＞100目），每份5 g，按照液料比1∶30（g∶mL）加入蒸餾水，調(diào)節(jié)溶液pH值為1.5，超聲條件為：264 W、75 ℃、25 min，按1.3.1中的方法提取果膠并計算提取率。

1.3.2.6 不同超聲時間下提取果膠

稱取8份陳皮粉末（60～80目），每份5 g，按照液料比1∶30（g∶mL）加入蒸餾水，調(diào)節(jié)溶液pH值為1.5，超聲條件為：264 W、80 ℃，時間分別為10、25、40、55、70、85、100、115 min，按1.3.1中的方法提取果膠并計算提取率。

1.3.3 果膠提取的正交試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以果膠提取率為評價指標(biāo)，選擇溶液pH值、料液比、超聲溫度、超聲功率、物料粉碎度、超聲時間為考察因素，用L18（37）正交表安排試驗，優(yōu)化超聲波輔助酸法提取陳皮果膠的工藝，因素水平設(shè)計見表1 。

1.3.4 果膠兩種提取方法的比較

為了比較超聲波輔助酸法和傳統(tǒng)酸法對果膠提取效果的影響，同時采用傳統(tǒng)酸法提取果膠，具體操作如下[14]：陳皮粉末按一定料液比加入蒸餾水，鹽酸調(diào)節(jié)溶液至一定pH值，水浴加熱提取，所得混合物后續(xù)操作同1.3.1超聲波法。

1.3.5 果膠理化性質(zhì)的測定

采用果膠酸鈣法測定果膠含量[17]，滴定法測定果膠酯化度和甲氧基含量[18]。

表1 正交試驗因素水平表

1.3.6 果膠紅外光譜分析

用KBr壓片法測定果膠紅外光譜，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，次數(shù)32。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 溶液pH值對果膠提取率的影響

天然果膠中的原果膠不溶于水，但可在酸作用下水解成水溶性果膠，因此溶液的酸性環(huán)境對果膠提取尤為重要[19]。溶液pH值對果膠提取率的影響結(jié)果見圖1。

圖1 溶液pH值對果膠提取率的影響

由圖1可知，隨著溶液pH值的增加，果膠提取率先增大后減小，pH值為1.5時，提取效果最好（10.25%）。這是由于溶液酸度過低，水解反應(yīng)不完全，果膠提取率較低，但過高的酸度可能導(dǎo)致果膠的脫酯裂解，提取率下降[9]。因此，提取果膠時溶液的最佳pH值為1.5。

2.1.2 料液比對果膠提取率的影響

料液比對果膠提取率的影響見圖2。由圖2可知，隨著溶劑用量的增加，果膠提取率先增大后減小，液料比為1∶30時達(dá)到最大（10.97%）。料液比過小，溶劑用量不足，提取率低；但料液比過大，不僅造成溶劑的浪費(fèi)，也會增加后續(xù)溶液濃縮的能耗和果膠的損失。因此，選擇液料比為1∶30比較適宜。

2.1.3 超聲溫度對果膠提取率的影響

圖3顯示了超聲溫度對果膠提取率的影響結(jié)果。由圖3可見，果膠提取率隨著超聲溫度的升高先增加后減小，75 ℃時最高（15.26%）。溫度升高，有利于不溶性果膠轉(zhuǎn)變成可溶性果膠進(jìn)入溶液，提取率增大，但溫度過高時，在超聲波長時間作用下可能會導(dǎo)致果膠水解加快，提取率下降。因此，最佳超聲溫度選擇75 ℃。

圖3 超聲溫度對果膠提取率的影響

2.1.4 超聲功率對果膠提取率的影響

超聲功率對果膠提取率的影響結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著超聲功率的增加，果膠提取率增大，264 W達(dá)到最大（14.02%），此后再增大功率，提取率反而下降。這是因為功率過高可能會導(dǎo)致果膠水解加快。因此，超聲功率以選擇264 W為宜。

圖4 超聲功率對果膠提取率的影響

2.1.5 物料粉碎度對果膠提取率的影響

物料粉碎度對果膠提取率的影響如圖5所示。

圖5 物料粉碎度對果膠提取率的影響

由圖5可知，隨著物料粉碎程度的增加，果膠提取率先增大后減小，60～80目時達(dá)到最大（16.88%）。物料粒度小，可以增加與溶劑的接觸面積，利于果膠的溶出，但過大的粉碎度會造成物料顆粒間的粘連，不利于提取溶劑的滲入和滲出。因此，選擇60～80目為最佳物料粉碎度。

2.1.6 超聲時間對果膠提取率的影響

圖6顯示了超聲時間對果膠提取率的影響。由圖6可見，隨著超聲時間的延長，果膠提取率增加，55 min時達(dá)到最大（22.53%），此后繼續(xù)增加時間，提取率反而下降。這是因為超聲時間過短，果膠提取不完全，提取率低，時間延長，有利于果膠的溶出，但過長時間的超聲可能會造成果膠水解加快，導(dǎo)致提取率降低。因此，選擇超聲時間為55 min比較適宜。

圖6 超聲時間對果膠提取率的影響

2.2 正交試驗結(jié)果與分析

2.2.1 正交試驗結(jié)果

采用正交試驗優(yōu)化超聲波輔助酸法提取陳皮中果膠的工藝條件，結(jié)果見表2。

表2 正交試驗結(jié)果

續(xù)表2

水平因素果膠提取率/%ABCDEF 15231232 9.95 16313231 9.84 1732131210.10 1833212312.71 k114.45515.18512.44314.33213.23313.868 k214.62014.11315.46213.16515.23513.470 k311.80011.57712.97013.37812.40713.537 R 2.820 3.608 3.018 1.167 2.828 0.398

由表2可知，果膠提取的最佳工藝條件為：A2B1C2D1E2F1，即溶液pH值1.5、料液比1∶25 （g∶mL）、超聲溫度75 ℃、超聲功率231 W、物料粉碎度60～80目、超聲時間40 min。極差分析表明，影響果膠提取率的因素次序為：B＞C＞E＞A＞D＞F，即料液比＞超聲溫度＞物料粉碎度＞溶液pH值＞超聲功率＞超聲時間。

2.2.2 驗證試驗

對最佳工藝條件進(jìn)行5次驗證，平均提取率為20.60%，為0.76%，表明最佳工藝條件正確、穩(wěn)定。此外，本試驗采用超聲波輔助酸法提取果膠的提取率與孫悅等[20]報道的結(jié)果一致，而高于張宇等[21]報道的結(jié)果。

2.3 果膠兩種提取方法的比較

超聲波輔助酸法與傳統(tǒng)酸法測定的果膠含量（純度）、酯化度和甲氧基含量進(jìn)行比較，試驗結(jié)果見表3。

表3 超聲波輔助酸法與傳統(tǒng)酸法的比較結(jié)果 %

從表3可以看出，在相同pH值（1.5）、料液比（1∶25）、溫度（75 ℃）、物料粉碎度（60～80目）和提取時間（40 min）條件下，超聲波輔助酸法與傳統(tǒng)酸法相比，果膠提取率提高4.25%、果膠含量（純度）提高12.29%、酯化度提高10.19%?？梢姡暡ㄝo助酸法是提取陳皮中果膠的可行方法。此外，由于甲氧基含量的不同，果膠表現(xiàn)出的凝膠特性也不同。果膠中甲氧基含量在7.00%～16.32%范圍內(nèi)稱為高甲氧基果膠，甲氧基含量低于7.00%稱為低甲氧基果膠[21]。根據(jù)試驗結(jié)果可知，超聲波輔助酸法和傳統(tǒng)酸法制備的果膠都屬于高甲氧基果膠，即加酸、加糖之后可以在較低溫度下凝結(jié)，具有良好的膠凝特性。

2.4 果膠的紅外光譜分析

圖7為超聲波輔助酸法提取陳皮中果膠的紅外光譜圖。

圖7 果膠紅外光譜圖

從圖7可以看出，3 419.61 cm-1附近強(qiáng)而寬的吸收是O—H的伸縮振動；2 935.65 cm-1是飽和C—H的伸縮振動；1 747.01和1 632.01 cm-1分別是酯基中C＝O的對稱和反對稱伸縮振動；1 443.42 cm-1是羧基中C—O的伸縮振動，1 231.83 cm-1是羧基中O—H的彎曲振動；1 103.04和1 015.64 cm-1是吡喃型糖環(huán)的醚鍵和O—H的吸收；919.04 cm-1是D-吡喃型糖的特征吸收。紅外光譜分析表明，超聲波輔助酸法提取的果膠具有糖類物質(zhì)的特征吸收，這一結(jié)果與孫悅等[20]和趙光遠(yuǎn)等[22]報道的一致。

3 結(jié)論

采用超聲波輔助酸法提取陳皮中果膠，在單因素試驗基礎(chǔ)上，利用正交試驗優(yōu)化提取工藝并對果膠理化性質(zhì)進(jìn)行了測定。結(jié)果表明，果膠提取的最佳工藝條件為：溶液pH值1.5、料液比1∶25 （g∶mL）、超聲溫度75 ℃、超聲功率231 W、物料粉碎度60～80目、超聲時間40 min，在此條件下果膠提取率達(dá)到20.60%。影響果膠提取率的因素次序為：料液比＞超聲溫度＞物料粉碎度＞溶液pH值＞超聲功率＞超聲時間。紅外光譜分析證實了果膠的成功提取。超聲波輔助酸法與傳統(tǒng)酸法相比，果膠提取率高出4.25%，純度提高12.29%，酯化度高出10.19%，且制備的果膠屬于高甲氧基果膠。綜上所述，超聲波輔助酸法是提取陳皮中果膠的可行方法。

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責(zé)任編輯：宗淑萍

Optimization on Ultrasonic-assisted Acid Extraction of Pectin from Tangerine Peel

LI Ping, WANG Qing-qing, YAN Jing-kun, ZHANG Lan, SHU Zhan, HU Chu-yao

（College of Basic Science, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Ultrasonic-assisted acid method was applied for the extraction of pectin from tangerine peel in order to study the effect of ultrasonic-assisted acid extraction on pectin extraction. Based on the results of single factor experiments, orthogonal experiment was used to optimize the extraction process with extraction rate as an indicator and physical and chemical properties of the pectin were also determined. Results showed that the optimum extraction conditions were as follows: pH of the solution was 1.5, ratio of material to solvent was 1∶25（g∶mL）, ultrasonic temperature was 75 ℃, ultrasonic power was 231 W, powder granularity of the material was 60~80 mesh and ultrasonic time was 40 min and under these conditions theextraction rate could reach 20.60%. The factors impacting extraction rate were in the order of ratio of material to solvent＞ultrasonic temperature＞powder granularity＞pH of the solution＞ultrasonic power＞ultrasonic time. The extraction of pectin from tangerine peel was successfully confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）. Meanwhile, the pectin extracted by ultrasonic- assisted acid method exhibited higher extraction rate（increasing 4.25%）, displayed greater purity（enhancing 12.29%）, showed higher esterification degree（improving 10.19%）than traditional acid method, respectively, and the pectin prepared belonged to the high methoxyl pectin. Ultrasonic-assisted acid extraction is a feasible method for extracting pectin from tangerine peel.

tangerine peel; pectin; ultrasonic-assisted acid method; extraction; process optimization

1008-5394（2017）03-0079-06

TS202.3

A

2016-11-19

李萍（1979-），女，天津市人，講師，碩士，主要從事天然產(chǎn)物有效成分的提取和應(yīng)用研究。E-mail：liping790520@126.com。