從西瓜皮中提取果膠的工藝研究

郭曉蒙，龔殿婷

?

從西瓜皮中提取果膠的工藝研究

郭曉蒙，龔殿婷

（遼寧石油化工大學(xué) 石油化工學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

果膠以其良好的穩(wěn)定、增稠、乳化和膠凝效用，在食品、冶金、紡織、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來一些關(guān)于瓜果皮類中果膠提取的研究較多，主要以橘類果皮為主。利用西瓜皮提取果膠，將果皮中含有的有益物質(zhì)，進(jìn)行收集再利用，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。以新鮮西瓜皮為原料，利用無機(jī)酸與有機(jī)酸混合作為酸提劑，乙醇作為沉淀劑，從西瓜皮中提取果膠，混合酸為冰乙酸與10%鹽酸。試驗考察了混合酸pH值、固液比、酸解溫度、酸解時間、沉淀劑用量等因素對果膠提取的影響。以單因素實驗為基礎(chǔ)，通過正交試驗優(yōu)化果膠提取的實驗條件，進(jìn)而得到最佳的反應(yīng)工藝，并對果膠樣品進(jìn)行檢測。當(dāng)提取溫度保持80 ℃附近，pH值為2.0，提取時間持續(xù)70 min，瓜皮中果膠的浸提率接近10%。

西瓜皮；果膠；酸法；提??；工藝研究

果膠作為一種天然的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子多糖，其提取已成為天然產(chǎn)物提取領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。果膠具有良好的穩(wěn)定、乳化、增稠性能，在食品、冶煉、醫(yī)療、紡織和造紙等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。果膠在國內(nèi)外的市場需求量較大，我國果膠生產(chǎn)的技術(shù)、工藝及生產(chǎn)能力均不能滿足國內(nèi)各個行業(yè)的需求，主要依賴進(jìn)口[2]。中國作為西瓜大國，每年西瓜消耗量大，其果皮因不能直接食用而被丟棄，增加了垃圾處理的難度，不利于環(huán)境保護(hù)。

果膠的提取方法主要有酸法、堿法、酶法、離子交換法、生物法、微波輔助法及超聲波法[3]。上述各種提取方法各有優(yōu)劣，但酸提取法在學(xué)術(shù)及生產(chǎn)領(lǐng)域倍受推崇，該方法簡單、快捷、高效，其通過酸解作用增強(qiáng)果膠的溶解性，促進(jìn)其向液相流動，經(jīng)過醇沉獲取果膠[4]。從酸提取法所得產(chǎn)品質(zhì)量較高，但提取過程中果膠分子的局部水解現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，且生產(chǎn)周期較長[5]。相比無機(jī)酸，有機(jī)酸較為溫和，可降低酸解劑對設(shè)備的腐蝕，同時利于提高果膠的品相與性能[6]。本實驗以新鮮的西瓜皮為原料，配制混合酸提取果膠，并對提取過程中的主要影響因素進(jìn)行研究[7]。

1 實驗部分

1.1 原料與化學(xué)試劑

新鮮西瓜皮，10%稀鹽酸溶液（分析純），冰乙酸（分析純），無水乙醇（分析純），活性炭，實驗用水為去離子水。

1.2 設(shè)備儀器

85-2恒溫電動攪拌機(jī)調(diào)速器，202-1AB電熱鼓風(fēng)恒溫臺式干燥箱，上海雷磁PHS-25型數(shù)字指針臺式酸度計，精密FA2004電子分析天平，3-5N低速常溫離心機(jī)，RS-1單級旋片式真空泵，抽濾瓶，三口燒瓶，聚四氟乙烯攪拌轉(zhuǎn)子，球形冷凝管，移液管、容量瓶、滴定管，溫度計，布氏漏斗，防腐表面皿，小蒸屜，尼龍布，小刀，實驗室基本儀器。

2 實驗內(nèi)容

實驗選用新鮮的西瓜皮，采用混合酸（冰乙酸-鹽酸）作為酸解液。將廢棄的新鮮西瓜皮除瓤后用清水沖洗掉表面泥污，盡量將瓜皮切成若干均勻小塊，放入小蒸屜內(nèi)進(jìn)行蒸煮以鈍化瓜皮中的果膠酶，待瓜皮塊蒸透變軟后，把蒸煮后的瓜皮用尼龍布包裹并旋擰擠壓榨干；將榨干的刮皮屑放入三口燒瓶內(nèi)，加入事先調(diào)配好的混合酸，冷凝回流，于磁力攪拌加熱80 ℃下酸解2 h，過濾后，收集濾液；低速離心分離，將0.5%重量的活性炭加入分離所得的上清液中，保持55 ℃脫色35 min，過濾、蒸發(fā)濃縮至原體積的1/4左右；在濃縮液中加入濃縮體積的1~1.5倍的無水乙醇，低速攪拌20 min，室溫靜置2 h，過濾，并用乙醇沖洗濾餅得到果膠粗品，所用乙醇回收可作為二次沉淀劑使用；將粗品果膠在70~75 ℃的條件下干燥，研磨后可得果膠成品。其制備工藝過程如圖1，果膠得率按以下公式計算：

3 實驗結(jié)果與討論

為明確混合酸的pH值、原料固液比、酸解溫度、酸解時間以及沉淀劑乙醇用量等因素對酸提取法中果膠得率的影響，針對上述各因素進(jìn)行相應(yīng)單因素實驗與正交試驗，計算得到最佳制作工藝。

3.1 單因素實驗結(jié)果

3.1.1 pH值對西瓜皮果膠提取率的影響

酸溶液的酸度是果膠提取工藝的最關(guān)鍵的因素，pH值太低會導(dǎo)致瓜皮中的原果膠水解性太強(qiáng)，所以果膠脫脂開裂，果膠產(chǎn)量下降；若pH值過高時，與果膠作用的H+減少，只有少量難溶的原果膠轉(zhuǎn)化為水溶性果膠，降低了水溶性果膠的轉(zhuǎn)化率。

驗中分別選取混合酸溶液的pH值為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5，在相同的試驗條件下，分別進(jìn)行果膠的提取，比較果膠的提取率。實驗結(jié)果如圖2。

由圖2中趨勢線可以看出，酸度對果膠提取率的影響呈現(xiàn)拋物線形，當(dāng)酸度值為2.0時，有最大提取率，且接近1.0%。若pH值繼續(xù)升高，果膠提取率則隨著pH值的增大而減小，果膠產(chǎn)率呈下降趨勢。若pH值繼續(xù)增大至4.5以上，果膠穩(wěn)定性被破壞，已提取出來的可溶性膠質(zhì)被分解，果膠的提取率更低。故實驗選取酸解液的pH為2.0。

圖1 酸法提取果膠的工藝流程

圖2 pH值對果膠提取率的影響

3.1.2 原料固液比對果膠提取率的影響

在酸提取工程中，要嚴(yán)格控制混合酸的用量。實驗中分別選擇固液比為1∶2，1∶3，1∶4，1∶5四組數(shù)據(jù)，于相同條件下進(jìn)行試驗，結(jié)果如表1。

表1 原料固液比實驗結(jié)果

由實驗結(jié)果可知，當(dāng)固液比為1:2時，即混合酸剛好沒過固體原料，已可以完成果膠的提取，繼續(xù)加大混合酸的用量對于果膠得率沒有明顯影響。另外，若酸量過多不僅造成試劑的浪費(fèi)，還會增加后續(xù)的脫色和濃縮過程的復(fù)雜性，從表中果膠成品的外觀也可發(fā)現(xiàn)，酸量過多，也會影響到果膠的品質(zhì)。為保證果膠能完全被提取，實驗中可以選擇固液比在1∶2和1∶3之間。

3.1.3 酸解溫度對西瓜皮果膠提取率的影響

溫度是保證反應(yīng)順利進(jìn)行的條件之一，由于果膠的膠凝度較低，若采用高溫酸解，使果膠分子不穩(wěn)定，造成果膠分子分解。溫度過低，速度過慢，延遲提取時間。實驗中分別選取酸解的提取溫度為50、60、70、80、90、100 ℃，在相同的實驗條件下，進(jìn)行西瓜皮果膠的提取，比較果膠的提取率。

圖3 提取溫度對果膠提取率的影響

由圖3可以看出，當(dāng)提取溫度在50~70 ℃之間時，果膠得率略有增加；當(dāng)提取溫度達(dá)到80 ℃時，果膠得率有最大值，可接近于1.0%，溫度繼續(xù)升高，果膠提取率卻逐漸下降。故最佳提取溫度是在80 ℃左右。

3.1.4 酸解時間對西瓜皮果膠提取率的影響

為保證反應(yīng)完全，酸解需要足夠的時間，但提取時間過長，果膠分子在提取過程中局部水解，導(dǎo)致水溶性果膠轉(zhuǎn)化為單糖，影響果膠的質(zhì)量，造成提取率的下降。實驗中選取酸解的時間為40~90 min，做6次試驗，每次間隔10 min，比較果膠的提取率，結(jié)果如圖4。

由圖4可以看出，當(dāng)時間達(dá)到60 min時，提取效果最為理想，反應(yīng)時間過分延長，當(dāng)達(dá)到90 min時，果膠的收率已經(jīng)很低，所以最佳提取時間為60 min左右。

3.1.5 乙醇用量對果膠提取率的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，在濃縮液中加入乙醇后，出現(xiàn)果膠絮凝現(xiàn)象，隨著乙醇用量的增加，果膠的絮凝增加，直到完全沉淀，隨后增加乙醇量，果膠絮凝量沒有增加，故在醇沉過程中要適當(dāng)控制乙醇用量，在保證能夠完全沉淀出果膠的前提下，沒有必要繼續(xù)增大乙醇用量，造成乙醇的浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)乙醇用量為提取液體積的1.0~1.5倍時，已可滿足實驗需求。

圖4 提取時間對果膠提取率的影響

3.2 正交試驗結(jié)果

上述單因素實驗結(jié)果證實，混合酸的pH、酸解溫度以及酸解時間三個因素在提取西瓜皮果膠的過程中發(fā)揮主要影響作用。其正交試驗結(jié)果見表2。如表2所示，在以上三種影響因素中，各因素的影響力主次順序依次為溫度、pH值、酸解時間，即在西瓜皮果膠提取率影響因素中，影響力最大的為提取溫度，其次為pH值，影響力最小的為提取時間；由值可知，從西瓜皮中提取果膠的最佳水平組合是223，即-pH=2.0，-溫度=80 ℃，-時間=60 min，該正交試驗結(jié)果與上述單因素實驗基本吻合。

表2 原料固液比實驗結(jié)果

3.3 果膠檢測結(jié)果

檢驗的結(jié)果為：含灰分7.0%，干燥后失重11.2%，果膠酸度pH=3.0，果膠的半乳糖醛酸濃度較高。

4 結(jié)論

（1）實驗選用新鮮的西瓜皮為原料，采用混合酸（冰乙酸-鹽酸）酸解瓜皮浸提果膠?？疾炝嘶旌纤岬膒H值、原料固液比、酸解溫度、酸解時間以及沉淀劑乙醇用量等因素對果膠得率的影響。

（2）以單因素實驗為基礎(chǔ)，建立正交試驗，最佳工藝條件為酸水解溫度為80 ℃，混合酸的pH值為2左右，酸解時間為60 min，與單因素試驗結(jié)果是一致的。各因素的影響力主次順序為酸解溫度>混合酸的pH值>酸解時間。

（3）從廢西瓜皮中提取果膠，果膠生產(chǎn)不僅擴(kuò)大原料來源，充分利用植物資源，變廢為寶，還能改善環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 張哲，鐘姣姣，付勇，李萬林，代紅靈. 廢棄物中提取果膠的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)，2013(1)：35-38．

［2］ 田三德，任紅濤. 果膠生產(chǎn)技術(shù)工藝現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].食品添加劑，2003（1）：53-55．

［3］ 岳賢田. 國內(nèi)果膠提取方法研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（13）：6932-6933．

［4］黃永春，馬月飛，謝清若，何仁，班莉莉. 超聲波輔助提取西番蓮果皮中果膠的研究[J].食品科學(xué)，2006，10：341-344．

［5］ 陳熠，熊遠(yuǎn)福，文祝友,等. 果膠提取技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國食品添加劑，2009（3）：80-84．

［6］ 馬森，王文婷，陳志江,等. 超聲波-有機(jī)酸法提取甜菜廢粕中果膠[J]. 中國甜菜糖業(yè)，2012（2）：22-25．

［7］GB2484-2000食品添加劑-果膠[S].

Research on the Technique of Extracting Pectin From Watermelon Peel

，

（Institute of Petrochemical Technology , Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Pectin has been widely used in food, metallurgy, textile, drug and other fields because of its good emulsification, stable，thickening and gelling effect. In recent years, research on extracting pectin from fruit peel is more and more. Extracting pectin from watermelon peel and collecting and recycling beneficial substances will bring huge economic benefits. In this paper, using fresh watermelon skin as raw materials, the pectin was extracted by using inorganic acid and organic acid as acid mixture solvent, ethanol as precipitator. The mixed acid was acetic acid and 10% hydrochloric acid. The effect of pH, solid-liquid rate, acid solution temperature, acid solution time and precipitating agent dosage on pectin extraction was investigated. On the basis of single factor experiment, orthogonal experiment was used to optimize the experimental conditions for extraction of pectin, so as to get the best reaction process;and pectin samples were tested. The results show that, when the temperature is near 80, pH value is 2.0 and extracting time is 70 min, the extraction rate can reach to 10%.

Watermelon peel;Pectin;Acid method;Extraction;Process research

TQ 016.1

A

1671-0460（2017）10-1967-03

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練，項目編號：201610148011。

2017-03-20

郭曉蒙（1996-），女，遼寧省錦州市人，遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)工程系。E-mail：714759516@qq.com。

龔殿婷（1979-），女，講師，博士，研究方向：化合物的制備及資源綜合利用。E-mail：sy_dbdx@sina.com。