柚子皮中果膠提取工藝條件優(yōu)化

左麗麗，范明婕，任婷婷，程 欣，張瀟偉，富校軼

(吉林醫(yī)藥學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院,吉林 吉林 132013)

柚子為蕓香科柑橘屬喬木柚的果實(shí)，因皮厚而耐儲(chǔ)藏，一般存放三個(gè)月仍可食用，故有“天然水果罐頭”之稱[1]。柚子在我國(guó)已有三千多年的栽培歷史，東南沿海、華南和西南地區(qū)都有較為廣泛的種植面積[2]。盡管我國(guó)柚子產(chǎn)銷量很高，柚皮資源豐富，但柚皮的利用率十分低，造成柚皮的大量浪費(fèi)。柚皮約占整個(gè)果重的25%～40%[3]，我國(guó)柚子的年產(chǎn)量在200萬噸以上[4]，所以每年產(chǎn)生的柚皮在60萬噸左右。研究表明，柚子皮中含有豐富的果膠、黃酮類和香精油等生物活性功能成分，具有很好的降血糖、降血脂、預(yù)防癌癥的發(fā)生等一系列生理功能，被廣泛用于醫(yī)藥、食品、化妝品等領(lǐng)域，具有一定的開發(fā)價(jià)值。目前，柚子皮除少量被加工成蜜餞類產(chǎn)品和藥用外，大部分都沒有得到合理利用，大量柚子皮廢棄，對(duì)環(huán)境造成一定的壓力[5]。因此，大力開發(fā)柚子皮果膠，摸索出切實(shí)可行的生產(chǎn)工藝，不僅能為我國(guó)食品加工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用優(yōu)質(zhì)果膠提供理論依據(jù)，還能改善柚子皮大量浪費(fèi)帶來的環(huán)境污染問題，更能推動(dòng)國(guó)產(chǎn)果膠生產(chǎn)的發(fā)展，提高我國(guó)果膠企業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的地位。本實(shí)驗(yàn)以柚子皮為研究對(duì)象，以柚子皮果膠提取率為指標(biāo)，采用酸水解乙醇沉淀法并輔助超聲波對(duì)柚子皮中的果膠進(jìn)行提取，通過單因素和正交實(shí)驗(yàn)對(duì)柚子皮果膠提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳的提取工藝條件，為加工利用果膠提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

柚子皮：吉林醫(yī)藥學(xué)院水果超市市售柚子的廢棄物。

JA5003B電子天平：上海越平科學(xué)儀器有限公司；KQ-500DB數(shù)控型超聲波清洗器：上海越眾儀器設(shè)備有限公司；EV351旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：萊伯泰科有限公司；FE20梅特勒-托利多實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；DHG-9245A電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；C21-RH2101美的多功能電磁爐：廣東美的生活電器制造有限公司；AF-20A高速組織粉碎機(jī)：溫嶺市奧力中藥器材有限公司；HHS-21-4電熱恒溫水浴鍋：上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

所用試劑均為分析純。

1.2 樣品的制備

準(zhǔn)確稱取一定量的柚子果皮，切碎至粒徑為2～3 cm，置于沸水中處理8 min，以鈍化果膠酶活性。將處理過的原料在45 ℃水中浸泡20 min，壓去汁液，用清水漂洗數(shù)次，以除去苦味、色素以及其他可溶性雜質(zhì)，濾干。將濾干的果皮放入60 ℃烘箱烘干至恒重，高速組織粉碎機(jī)粉碎，40目篩子進(jìn)行過篩保存[6]。

1.3 單因素實(shí)驗(yàn)

通過預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬選取超聲波處理時(shí)間、液料比、提取酸度、提取溫度4個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)選擇最佳的單因素范圍。

1.3.1超聲波處理時(shí)間的選擇

準(zhǔn)確稱取預(yù)處理的柚皮粉末10.00 g分別置于預(yù)先編號(hào)的燒杯中，向其中分別依次加入pH為1.50的鹽酸溶液50 mL，0.18 g六偏磷酸鈉，混勻，在45 ℃下超聲，依次超聲3、6、9、12、15、18 min。用100目絹布過濾并收集濾液，濾渣用蒸餾水洗滌，直到水不黏稠，合并濾液，然后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在50 ℃條件下真空濃縮到一定體積，將提取液加入溶液質(zhì)量1%的鹽酸，攪拌均勻，緩慢加入95%等量體積的乙醇洗滌，用事先烘干至恒重的濾紙過濾，濾出物用一倍量75%乙醇溶液洗滌，以除去醇溶性雜質(zhì)[7-10]。將濾出物烘干，得到成品，稱重，重復(fù)3次，計(jì)算提取率，篩選出最佳的超聲時(shí)間。

1.3.2液料比的選擇

準(zhǔn)確稱取預(yù)處理的柚皮粉末10.00膜g分別置于預(yù)先編號(hào)的燒杯中，向其中分別加入pH為1.50的鹽酸溶液30、40、50、60、70、80 mL，分別加入溶液質(zhì)量0.3%的六偏磷酸鈉，混勻，在45 ℃下超聲，固定超聲時(shí)間為6 min。用100目絹布過濾并收集濾液，濾渣用蒸餾水洗滌，直到水不黏稠，合并濾液。然后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在50 ℃條件下真空濃縮到一定體積，將提取液加入溶液重量1%的鹽酸，攪拌均勻，緩慢加入95%等量體積的乙醇洗滌，用事先烘干至恒重的濾紙過濾，濾出物用一倍量75%乙醇溶液洗滌，以除去醇溶性雜質(zhì)。將濾出物烘干，得到成品，稱重，重復(fù)3次，計(jì)算提取率，篩選出最佳的料液比。

1.3.3提取酸度的選擇

準(zhǔn)確稱取的預(yù)處理的柚皮粉末10.00 g分別置于預(yù)先編號(hào)的燒杯中，分別加入體積固定為70 mL的pH為0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00的鹽酸溶液，0.24 g六偏磷酸鈉，混勻，在45 ℃下超聲，固定超聲時(shí)間為6 min。用100目絹布過濾并收集濾液，濾渣用蒸餾水洗滌，直到水不黏稠，合并濾液。然后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在50 ℃條件下真空濃縮到一定體積，將提取液加入溶液重量1%的鹽酸，攪拌均勻，緩慢加入95%等量體積的乙醇洗滌，用事先烘干至恒重的濾紙過濾，濾出物用一倍量75%乙醇溶液洗滌，以除去醇溶性雜質(zhì)。將濾出物烘干，得到成品，稱重，重復(fù)3次，計(jì)算提取率，篩選出最佳的提取酸度。

1.3.4提取溫度的選擇

準(zhǔn)確稱取的預(yù)處理的柚皮粉末10.00 g分別置于預(yù)先編號(hào)的燒杯中，加入pH固定為1.75的鹽酸溶液70 mL，六偏磷酸鈉0.24g，混勻，分別在25、35、45、55、65、75 ℃條件下超聲，固定時(shí)間6 min。用100目絹布過濾并收集濾液，濾渣用蒸餾水洗滌，直到水不黏稠，合并濾液。然后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在50 ℃條件下真空濃縮到一定體積，將提取液加入溶液重量1%的鹽酸，攪拌均勻，緩慢加入95%等量體積的乙醇洗滌，用事先烘干至恒重的濾紙過濾，濾出物用一倍量75%乙醇溶液洗滌，以除去醇溶性雜質(zhì)。將濾出物烘干，得到成品，稱重，重復(fù)3次，計(jì)算提取率，篩選出最佳的提取溫度。

1.4 正交試驗(yàn)

在單因素的基礎(chǔ)上，通過方差齊性檢驗(yàn)和單因素方差分析篩選出對(duì)果膠提取率影響顯著的因素以及最佳的因素水平，以料液比、提取酸度、提取溫度為考察因素，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平，進(jìn)行3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以果膠提取率為考察指標(biāo)，篩選出柚子皮果膠提取的最佳工藝條件。

1.5 純度檢測(cè)

稱取烘干的果膠0.5 g置于燒杯中，用一定量蒸餾水復(fù)水溶解，并定容至100 mL容量瓶中。取25 mL果膠溶解液于250 mL燒杯中，加入0.1 mol/L氫氧化鈉溶液100 mL，靜置0.5 h。再加入1 mol/L醋酸溶液50 mL，靜置5 min，加入1 mol/L氯化鈣溶液50 mL，靜置1 h，沸水浴加熱5 min，用烘干至恒重的濾紙趁熱過濾，并用熱水洗滌濾渣，濾渣于105 ℃下烘干至恒重[11]。果膠提取率的計(jì)算公式為:

果膠%=(0.9235×m1)/(m×25/100)×100

式中：m1為沉淀質(zhì)量(g)；

m為樣品質(zhì)量(g)；

0.9235為果膠酸鈣換算為果膠的系數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1超聲波處理時(shí)間的選擇

不同超聲處理時(shí)間對(duì)柚子皮果膠提取率的影響如圖1所示。在3～18 min時(shí)間范圍內(nèi)，隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲波產(chǎn)生的能量逐漸增大，果膠提取率逐漸增大。在6 min時(shí)果膠提取率出現(xiàn)高峰。超聲時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，由于局部能量過高，使溫度增高，超過果膠耐受溫度，使果膠發(fā)生水解，導(dǎo)致果膠提取率降低。通過方差齊性檢驗(yàn)P<0.05，則不同超聲處理時(shí)間對(duì)柚子皮中果膠提取率的影響無顯著性差異，正交試驗(yàn)時(shí)可以舍去這一變量，選取6 min為超聲波處理時(shí)間。

2.1.2料液比的選擇

不同料液比對(duì)柚子皮中果膠提取率的影響如圖2所示。隨著液料比逐漸增大，果膠提取率逐漸增大。當(dāng)液料比較小時(shí)，由于果膠黏度較大，溶劑不能很好地?cái)U(kuò)散，同時(shí)超聲波不能形成較好的空化效果，因此果膠提取率較低。隨著液料比的增大，物料黏度降低，超聲波空化效果好轉(zhuǎn)，提取物溶解度加大，果膠提取率上升，在料液比為7∶1時(shí)果膠提取率出現(xiàn)最大值。繼續(xù)提高料液比，導(dǎo)致果膠濃度降低，提取率也隨之降低。通過液料比的方差齊性檢驗(yàn)P>0.05，單因素方差分析中P<0.01，則不同液料比對(duì)果膠提取率的影響有極顯著差異，因此，柚子皮果膠提取的最佳料液比為7∶1。

2.1.3提取酸度的選擇

不同提取酸度對(duì)柚子皮中果膠提取率的影響如圖3所示。在pH 0.75～ 2.0范圍內(nèi)隨著pH值的增大，果膠提取率先增大后減小，在pH為1.75時(shí)果膠提取率達(dá)到最大值。由于過酸的環(huán)境會(huì)使提取出的果膠發(fā)生變性，導(dǎo)致測(cè)得的提取率降低；隨著酸度減弱，水解程度也會(huì)減低，原果膠不能全部轉(zhuǎn)化為水溶性果膠，導(dǎo)致提取率降低。通過方差齊性檢驗(yàn)P>0.05，單因素方差分析P<0.01，不同提取酸度對(duì)柚子皮中果膠提取率的影響有極顯著差異。因此，柚子皮果膠提取的最佳pH值為1.75，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.1.4提取溫度的選擇

不同提取溫度對(duì)柚子皮中果膠提取率的影響如圖4所示。隨著提取溫度的增大，果膠提取率先增大后減小，在65 ℃時(shí)果膠提取率達(dá)到最大值。在25～65 ℃條件下，果膠的溶解性隨著溫度的升高而增大，使提取率升高。當(dāng)溫度過高時(shí)，已溶解的果膠發(fā)生水解，使提取率降低。通過方差齊性檢驗(yàn)P>0.05，單因素方差分析P<0.01，則不同提取酸度對(duì)柚子皮中果膠提取率的影響有極顯著性差異。由于在55 ℃和65 ℃時(shí)，果膠提取率相近，為節(jié)約能源，柚子皮果膠提取率的最佳提取溫度選擇55 ℃，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以提取酸度、提取溫度、液料比為考察因素，采用3因素3水平正交試驗(yàn)，以柚子皮中果膠提取率為指標(biāo)，確定最佳提取條件。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示，正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從極差分析結(jié)果得出，3因素對(duì)柚子皮果膠提取率的影響由強(qiáng)到弱順序?yàn)镃>A>B，即依次為液料比>提取酸度>提取溫度，說明液料比對(duì)柚子皮果膠提取率的影響最大，提取溫度對(duì)其影響最小。通過正交試驗(yàn)結(jié)果表明，在超聲波處理時(shí)間為6 min的條件下，柚子皮中果膠提取工藝條件的最佳組合為A3B1C3，即提取pH值為2.00，提取溫度為45 ℃，液料比為8∶1。

表 1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

表 2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

在正交試驗(yàn)獲得的最佳提取工藝條件下對(duì)柚子皮果膠進(jìn)行提取，即提取pH值為2.00，提取溫度為45 ℃，液料比為8∶1，超聲波處理6 min的條件下進(jìn)行提取，同時(shí)進(jìn)行3組平行試驗(yàn)。結(jié)果表明，柚子皮果膠提取率分別為22.75%、23.62%、22.94%，平均得率為23.10%。3次測(cè)定的柚子皮果膠的提取率均大于正交試驗(yàn)中柚子皮果膠的提取率，且重復(fù)性好，證明了所得最佳工藝條件的合理性和科學(xué)性。

2.4 果膠純度檢測(cè)

根據(jù)1.5所述方法進(jìn)行最優(yōu)提取工藝條件下所得果膠純度的測(cè)定，平行測(cè)定3次，檢測(cè)結(jié)果顯示，提取的柚子皮果膠純度為83.02%，相比于文獻(xiàn)，由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，本研究獲得的果膠純度略低。

3 討 論

本實(shí)驗(yàn)以廢棄的柚子皮為原料，進(jìn)行果膠的提取工藝研究。通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化獲得，超聲波處理6 min的條件下，柚子皮中提取果膠的最佳工藝條件為：液料比為8∶1 mL/g,提取pH值為2.00，提取溫度為45 ℃。在此條件下進(jìn)行柚子皮果膠的提取，提取率為23.10%。由極差分析結(jié)果可知，3種因素對(duì)柚子皮果膠提取率的影響強(qiáng)弱依次為液料比>提取酸度>提取溫度。用優(yōu)化后的工藝提取柚皮中的果膠，提取工藝成本低、時(shí)間短、方法簡(jiǎn)單、條件明確、易操作，適合工業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)還能改善柚子皮大量浪費(fèi)帶來的環(huán)境污染問題。因此發(fā)展柚皮果膠生產(chǎn)具有較大的市場(chǎng)前景。

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