任秋慧,盧韻朵,廖鮮艷,史吉平,劉 莉*
(1.中國科學(xué)院 上海高等研究院,上海 201210;2.上海大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,上海 200444;3.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093)
蘋果是我國北方廣泛種植的經(jīng)濟作物,也是常見的果汁原料。我國已成為全球最大的蘋果果汁生產(chǎn)國[1]。蘋果渣是果汁生產(chǎn)過程中的廢棄物,約占加工量的20%~25%[2],目前大量的蘋果渣未得到合理的利用,容易變酸變臭,對周邊環(huán)境造成嚴重污染[3],同時造成了巨大的資源浪費。
研究表明,干蘋果渣中含有15%~18%的果膠[4]。果膠主要由部分甲氧基化的半乳糖醛酸殘基組成,廣泛分布在水果和蔬菜中,作為新鮮細胞的結(jié)構(gòu)單元及細胞之間的連接物質(zhì),其結(jié)構(gòu)是基于1,4-鍵合的D-半乳糖醛酸[5]。它是一種具有良好水凝膠能力的天然高分子化合物,是聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織和世界衛(wèi)生組織推薦使用的無添加量限制的天然營養(yǎng)保健添加劑。果膠作為一種有效的增稠劑和膠凝劑[6-7],廣泛地應(yīng)用于食品(如果醬、果凍、水果制品、水果飲料濃縮物、果汁、甜點和發(fā)酵乳制品)[8]。同時,還廣泛應(yīng)用于化妝品、造紙、印染、紡織、冶金、煙草、醫(yī)藥等領(lǐng)域[9]。另外,果膠還具有抗腹瀉和抗癌的功效,對于高血壓、高血脂、便秘等疾病具有一定的療效[10-11]。此外還能夠疏散人體中近一半的放射性元素[12]。
目前,果膠的提取方法主要有酸法、酶法、微波法、超聲法、離子交換法、草酸銨提取法等[2,13-19]。酸法提取果膠是用稀酸將植物細胞中非水溶性果膠轉(zhuǎn)化為水溶性果膠[20],提取方法較為成熟,操作方便,成本低,提取效率相對較高,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[12]。
本試驗主要研究酸法提取果膠,首先以單因素試驗(包括酸的種類、pH值、溫度、時間、固液比)為基礎(chǔ),再通過響應(yīng)面法對提取條件進行優(yōu)化,以獲得最佳的酸法提取果膠工藝條件。同時,對該法提取獲得的果膠的酯化度(degree of esterification,DE)和半乳糖醛酸含量等性質(zhì)進行分析,以期對果膠的提取提供簡便易操作的可行性方案,同時可以根據(jù)所提取果膠的性質(zhì),為果膠的應(yīng)用提供參考。
蘋果渣:蘋果榨汁后將果渣煮沸、洗滌、干燥、粉碎、過40目篩網(wǎng),備用;鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、無水乙醇、半乳糖醛酸、氫氧化鈉(分析純):國藥集團化學(xué)試劑有限公司;咔唑(分析純):生工生物工程股份有限公司;葡聚糖標品:Sigma-Aldrich公司。
ZHWY-110X50恒溫水浴搖床:上海智城儀器制造公司;IKA C-MAG HS 7磁力加熱攪拌器:上海碩光電子科技有限公司;MS3BS25旋渦混合器:艾卡(廣州)儀器設(shè)備有限公司;ZRD-5210全自動新型鼓風(fēng)干燥箱:上海智城分析儀器制造有限公司;R22GⅢ高速冷凍離心機:日立儀器有限公司;H1全功能微孔板檢測儀:美國伯騰儀器有限公司;SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵:鄭州長城科工貿(mào)有限公司;HPLC-20A高效液相色譜儀:日本島津有限公司。
1.3.1 酸法提取果膠的單因素試驗
稱取4 g蘋果渣,按適當?shù)墓桃罕燃铀?混合均勻。用不同的酸調(diào)節(jié)體系pH值至設(shè)定的pH值。置于恒溫水浴搖床中,調(diào)至設(shè)定的溫度,轉(zhuǎn)速180 r/min提取一定的時間。待反應(yīng)結(jié)束后,將溶液定容至100 mL,從中取30 mL溶液在15 000 r/min條件下離心15 min。取20 mL上清液,加入60 mL無水乙醇,室溫靜置1 h后過濾,得到凍狀透明沉淀,烘干后稱取固體干質(zhì)量,計算粗果膠得率。分別以酸的種類(鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸),加不同酸后調(diào)節(jié)體系pH值(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5),水浴反應(yīng)溫度(80℃、85℃、90℃、95℃、100 ℃),時間(1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h、3.5 h、4.0 h),固液比(1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16(g∶mL)為評價因素,研究果膠提取的最佳條件。
1.3.2 酸法提取果膠的響應(yīng)面優(yōu)化
基于單因素試驗結(jié)果,采用4因素3水平的(Box-Behnken Design,BBD)試驗設(shè)計,以pH值(X1)、溫度(X2)、時間(X3)、固液比(X4)為自變量,以粗果膠得率為響應(yīng)值,優(yōu)化酸法提取果膠的最佳條件。試驗因素與水平見表1。
表1 酸法提取條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology for acid extraction conditions optimization
1.3.3 果膠分子質(zhì)量的測定
將提取的果膠復(fù)溶于水,形成均勻的溶液,采用高效液相色譜法對果膠分子質(zhì)量進行測定。使用凝膠色譜柱TSK gel Super Multipore PW-H。色譜條件:進樣量20 μL,流動相為H2O,流速為0.4 mL/min,柱溫35℃,采用示差折光檢測器(refractive index detector,RID)進行檢測。以分子質(zhì)量分別為12.60 kDa、110.00 kDa和289.00 kDa葡聚糖為標準品,制作標準品分子質(zhì)量與出峰保留時間曲線,根據(jù)標準曲線計算樣品分子質(zhì)量。
1.3.4 果膠中半乳糖醛酸含量的測定
將提取的果膠復(fù)溶于水,形成均勻的溶液,由于果膠的主要成分為半乳糖醛酸,故一般可以用半乳糖醛酸的含量來表示果膠的純度,其含量越大,果膠的純度越高[21]。采用咔唑比色法測定果膠中的半乳糖醛酸含量,半乳糖醛酸在硫酸中與咔唑試劑會發(fā)生縮合反應(yīng),該反應(yīng)會生成紫紅色絡(luò)合物,該絡(luò)合物在波長525 nm處有最大吸收。配制0、0.04 g/L、0.08 g/L、0.12 g/L、0.16 g/L、0.20 g/L半乳糖醛酸標準溶液,分別移取1 mL于6支離心管內(nèi),加入0.25 mL 0.15%咔唑乙醇溶液,混合均勻后迅速加入5 mL濃硫酸溶液,混合均勻。于85℃水浴10 min,冷水浴30 min。在波長525 nm條件下,測定吸光度值,以半乳糖醛酸質(zhì)量濃度為橫坐標,吸光度值為縱坐標繪制標準曲線。
按照上述測定方法,以提取溶劑作為空白參比,測吸光度值。試驗樣品中的半乳糖醛酸含量按照公式(1)計算:
式中:x1為果膠樣品中半乳糖醛酸含量,%;c為半乳糖醛酸的質(zhì)量濃度,g/L;V為果膠提取液的總體積,L;n為提取液的稀釋倍數(shù);W為烘干后粗果膠沉淀的質(zhì)量,g。
1.3.5 果膠酯化度的測定
將提取的果膠復(fù)溶于水,形成均勻的溶液,取5 mL均勻溶液加100 mL水,滴加酚酞,用0.02 mol/L的NaOH滴定至溶液呈淺粉色為滴定終點,記錄消耗的體積V1。加入0.5 mol/L的NaOH 20 mL,攪拌15 min后,加入等體積等濃度的鹽酸溶液,再攪拌15 min,紅色消失。滴加酚酞,然后用0.02 mol/L NaOH標準溶液滴定至出現(xiàn)粉紅色為終點。記錄消耗的體積V2(皂化滴定值)。按照公式(2)計算酯化度DE值:
式中:V1為初滴定NaOH消耗體積,mL;V2為皂化滴定NaOH消耗體積,mL;c1為氫氧化鈉濃度,0.02 mol/L;c3為鹽酸的濃度,0.5mol/L;V3為0.5mol/L的鹽酸的體積,20.0mL;c4為氫氧化鈉的濃度,0.49 mol/L;V4為0.49 mol/L的氫氧化鈉的體積,20.0 mL。
1.3.6 粗果膠得率、果膠提取率的測定
(1)粗果膠得率
冷卻后稱量質(zhì)量,計算粗果膠得率。試驗樣品中的粗果膠得率按照公式(3)計算:
式中:x2為試驗樣品中的粗果膠得率,%;m為烘干后果膠沉淀的質(zhì)量,g;V為果膠提取液的總體積,mL;v為用于醇沉的果膠清液體積,mL;w為試驗樣品中蘋果渣干粉的質(zhì)量,g。
(2)果膠提取率
蘋果果膠的主要成分為半乳糖醛酸,故采用半乳糖醛酸在試驗樣品中所占比例表示果膠提取率。測定方法同1.3.4。試驗樣品中的半乳糖醛酸含量按照公式(4)計算:
式中:x3為試驗樣品中半乳糖醛酸含量,%;c為半乳糖醛酸的
質(zhì)量濃度,g/L;V為果膠提取液的總體積,L;n為提取液的稀釋倍數(shù);m為試驗樣品中蘋果渣干粉的質(zhì)量,g。
2.1.1 酸種類對果膠提取效果的影響
在酸種類對果膠提取效果影響的單因素試驗中,選取的是工業(yè)上常用的4種酸:鹽酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、磷酸(H3PO4),調(diào)節(jié)體系pH至2.0。分別測定粗果膠得率及果膠提取率,提取結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明,在相同的提取條件下,不論是粗果膠得率還是果膠提取率,使用鹽酸提取的數(shù)值均為最高,分別達到23.75%和13.34%。其次是硝酸,分別為21.00%和13.20%。接下來是硫酸,分別為19.25%和11.75%。最低的為磷酸,分別為17.00%和10.95%。鹽酸的提取效果最佳,且原料易得,故選用鹽酸提取。
圖1 酸種類對粗果膠得率和果膠提取率的影響Fig.1 Effect of acids varieties on crude pectin yield and pectin extraction rate
2.1.2 pH值對果膠提取效果的影響
在pH值對果膠提取效果影響的單因素試驗中,分別測定體系pH值為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5時粗果膠得率和果膠提取率,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,在相同的提取條件下,無論是粗果膠得率還是果膠提取率,體系pH值為1.5時數(shù)值均為最高,分別達到27.88%和18.09%。當體系pH值為3.5時數(shù)值最低,僅有17.00%和9.82%。pH值過低會導(dǎo)致水溶性果膠進一步脫酯裂解,從而使果膠提取率降低[22]。另外試驗發(fā)現(xiàn),在相同的提取溫度和提取時間條件下,溶液體系pH值越低,溶液顏色越接近紅色,會影響最終果膠產(chǎn)品的顏色,因此選擇pH1.5為酸法提取果膠的最佳pH值。
圖2 pH值對粗果膠得率和果膠提取率的影響Fig.2 Effect of pH on crude pectin yield and pectin extraction rate
2.1.3 反應(yīng)溫度對果膠提取效果的影響
在反應(yīng)溫度對果膠提取效果影響的單因素試驗中,分別測定了反應(yīng)溫度為80℃、85℃、90℃、95℃、100℃時粗果膠得率和果膠提取率,提取結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,在相同的提取條件下,粗果膠得率在反應(yīng)溫度為95℃時,達到最高為31.44%。果膠提取率在反應(yīng)溫度為100℃時,達到最高為26.55%。95℃上升至100℃的過程中,果膠提取率增長緩慢,基于實際工業(yè)生產(chǎn)操作成本考慮,選擇95℃為最佳反應(yīng)溫度。
圖3 反應(yīng)溫度對粗果膠得率和果膠提取率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on crude pectin yield and pectin extraction rate
2.1.4 反應(yīng)時間對果膠提取效果的影響
在反應(yīng)時間對果膠提取效果影響的單因素試驗中,分別測定了反應(yīng)時間為1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h時粗果膠得率和果膠提取率,提取結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,在相同的提取條件下,當反應(yīng)時間為1.0 h時,粗果膠得率和果膠提取率均最低,分別為26.53%和15.50%;粗果膠得率在反應(yīng)時間為3.0 h時,達到最高為32.16%;果膠提取率在反應(yīng)時間為1.5 h時,達到最高為16.90%。反應(yīng)時間從1.5 h延長到3.0 h過程中,粗果膠得率增長并不顯著,趨于平緩,且基于實際工業(yè)生產(chǎn)操作過程中時間成本的考慮,選擇1.5 h為最佳反應(yīng)時間。
圖4 反應(yīng)時間對粗果膠得率和果膠提取率的影響Fig.4 Effect of reaction time on crude pectin yield and pectin extraction rate
2.1.5 固液比對果膠提取效果的影響
在固液比對果膠提取效果影響的單因素試驗中,分別測定了固液比為1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16(g∶mL)時粗果膠得率和果膠提取率,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,在相同的提取條件下,粗果膠得率在固液比為1∶16(g∶mL)時,達到最高為28.40%。果膠提取率在固液比為1∶12(g∶mL)時,達到最高為19.65%。固液比從1∶12(g∶mL)增加至1∶16(g∶mL)過程中粗果膠得率增長趨于平緩,且基于實際工業(yè)生產(chǎn)操作過程中成本的考慮,盡量節(jié)約用水,選擇1∶12(g∶mL)為最佳固液比。而且當固液比過小時,溶液過于濃稠不便于操作。
圖5 固液比對粗果膠得率和果膠提取率的影響Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on crude pectin yield and pectin extraction rate
在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用4因素3水平的響應(yīng)面試驗設(shè)計,以pH值(X1)、溫度(X2)、時間(X3)、固液比(X4)為自變量,以粗果膠得率(Y)為響應(yīng)值,試驗設(shè)計及結(jié)果見表2,回歸模型方差分析見表3。
表2 酸法提取條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Designs and results of response surface methodology for acid extraction conditions optimization
利用Design-Expert.V8.0.6軟件對表2中的試驗數(shù)據(jù)進行多項式回歸擬合,得到關(guān)于粗果膠得率(Y)對pH值(X1)、溫度(X2)、時間(X3)、固液比(X4)4個因素的二次多項回歸方程如下:
表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of the regression model
由表3可知,回歸模型達到極顯著水平(P<0.001);失擬項不顯著(P=0.377 2>0.05),表明該二次多項回歸方程對試驗擬合情況良好,試驗誤差較小;并且該模型的R2=0.968 5,模型的校正決定系數(shù)R2=0.937 0,表示實測值與預(yù)測值高度相關(guān),回歸模型與實測值能夠較好的擬合。變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)=2.57%,CV數(shù)值較低,表明試驗穩(wěn)定性好,試驗結(jié)果可靠。綜上所述,可以說明該模型與實際試驗擬合較好,自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著,可以用于最佳試驗條件的預(yù)測。
由表3方差分析結(jié)果表明,一次項X3、X4,交互項X1X2、X1X3,二次項影響顯著(P<0.05);X1、X2、X12影響極顯著(P<0.001);X1X4、X2X3、X2X4、X3X4、X32、X42影響不顯著(P>0.05)。從方差分析表可知,各因素對粗果膠得率的影響順序為X1>X2>X3>X4,即pH值>溫度>時間>固液比。利用Design-Expert V8.06軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析,得到表3方差分析結(jié)果中交互作用顯著的pH值和溫度以及pH值和時間的響應(yīng)面3D圖如圖6所示,由圖6(a)可知,在溫度90~100℃,pH值在0.8~1.5的范圍內(nèi),兩者有顯著的增效作用;溫度在100~110℃,pH值在1.5~2.1的范圍內(nèi),隨著兩者升高,粗果膠得率反而降低。由圖6(b)可知,時間在1.0~1.5 h,pH值在0.8~1.2的范圍內(nèi),兩者有顯著的增效作用;時間在1.5~2.5h,pH值在1.2~1.8的范圍內(nèi),隨著兩者升高,粗果膠得率反而降低。
圖6 pH值、溫度、時間交互作用對粗果膠得率影響的響應(yīng)面和等高線Fig.6 Response surface plots and contour line of effects of interaction between pH,temperature and time on crude pectin yield
通過模型預(yù)測最佳的工藝參數(shù)為:溶液的體系pH值1.47,溫度100 ℃,時間2.0 h,固液比為1∶14(g∶mL),在此最佳工藝條件下,預(yù)測粗果膠得率為32.96%。為了驗證模型的可靠性,并根據(jù)實際的可操作性,對最優(yōu)的條件進行了試驗驗證,得出最佳條件為:溶液的體系pH值1.5,溫度100℃,時間2.0 h,固液比1∶14(g∶mL),實際蘋果果渣粗果膠得率為33.12%,與理論預(yù)測值相比誤差為0.49%。因此,酸法提取蘋果渣中果膠最佳工藝參數(shù)為:pH值1.5,溫度100℃,時間2.0 h,固液比1∶14(g∶mL),蘋果渣粗果膠得率為33.12%,此時,果膠提取率為19.65%。采用響應(yīng)面優(yōu)化得到的酸法提取蘋果渣果膠的條件參數(shù)具有實用參考價值。
通過高效液相色譜法得知,酸法提取的果膠樣品的分子質(zhì)量主要分布在165.92 kDa、5.83 kDa與0.45 kDa范圍內(nèi)。試驗中,酸法提取的果膠的酯化度為60.90%,屬于高酯果膠,主要應(yīng)用于糖果工業(yè),用來制造軟糖及膠凍夾心,此外,還可應(yīng)用于生產(chǎn)乳制品,可有效地穩(wěn)定酸奶制品并改善風(fēng)味[22]。
將該酸法與其他方法提取得到的果膠性質(zhì)進行比較,結(jié)果見表4。由表4可知,該方法提取的果膠酯化度略低于其他方法,但半乳糖醛酸的含量很高,為70.48%。同時,相較于酶法提取而言,該酸法提取果膠的半乳糖醛酸含量也較高,可能原因是酶法提取果膠過程中添加了酶,酶中含有溶于水不溶于乙醇的雜質(zhì),醇沉?xí)r隨果膠沉淀下來,致使果膠中半乳糖醛酸含量較低,即純度較低。本研究中提取的果膠中半乳糖醛酸含量較高,說明純度更高,更具有明顯的優(yōu)勢。
表4 不同方法提取的果膠性質(zhì)比較Table 4 Comparison of the properties of pectin extracted by different methods
通過單因素試驗及響應(yīng)面優(yōu)化試驗得出酸法提取蘋果渣中果膠的最佳工藝為:鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)pH值1.5,溫度100 ℃,時間2 h,固液比1∶14(g∶mL)。在此最佳條件下,果膠得率為33.12%,果膠提取率為19.65%。所得到的粗果膠產(chǎn)品,其半乳糖醛酸含量為70.48%,純度較高,酯化度為60.90%,屬于高酯果膠,該方法簡便,試劑易得,成本較低,適宜用在工業(yè)生產(chǎn),為蘋果渣的合理利用提供有利的途徑。
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