超聲波輔助提取佛手廢渣中果膠的工藝研究

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(1.金華市食品藥品檢驗(yàn)檢測(cè)研究院,浙江 金華 321000;2.浙江工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

佛手,又稱佛手柑,為蕓香科植物佛手的干燥成熟果實(shí),在我國(guó)栽培歷史悠久,分布較廣,浙江、江蘇、四川、廣東和福建等省都有種植,根據(jù)產(chǎn)地不同,可分川佛手、廣佛手、建佛手和金佛手[1].佛手作為傳統(tǒng)中藥材,含多種生物活性成分,具有疏肝理氣功效.目前佛手的銷售主要有3塊:產(chǎn)品深加工、國(guó)內(nèi)銷售和出口國(guó)外[2].隨著佛手加工業(yè)深入發(fā)展,以往佛手加工以單一產(chǎn)品為主的生產(chǎn)方式不利于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,特別是冷榨生產(chǎn)飲料會(huì)產(chǎn)生大量的廢渣,由于這些廢渣的可發(fā)酵性,造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題.然而,佛手廢渣中仍含有一些潛在的高附加值的化合物,像精油、果膠及黃酮類物質(zhì)等[3],如果能將這些天然產(chǎn)物進(jìn)行分離提取并有效利用,將大大提高佛手產(chǎn)品的附加值.果膠是由α-1,4-糖苷鍵連接而成的半乳糖醛酸與鼠李糖、阿拉伯糖和半乳糖等其他中性糖相連接的聚合物,主要成分為D-半乳糖醛酸(D-galactuonicaid).果膠具有良好的乳化、穩(wěn)定、增稠和凝膠作用,廣泛應(yīng)用于食品、紡織等行業(yè),同時(shí),果膠還具有抗菌、止血、解毒和降血脂等作用,還是一種優(yōu)良的藥物制劑基質(zhì)[4].

當(dāng)前果膠的提取方法主要有酸提取法、離子交換法、草酸銨提取法、酶法、微生物提取法和微波提取法等[5-9],這些方法在提取柑橘[10]、蘋(píng)果[11]、向日葵和甜菜果膠上都得到了很好的應(yīng)用,但關(guān)于從佛手廢渣中提取果膠的方法卻鮮有報(bào)道.筆者通過(guò)超聲波酸提法從佛手廢渣中提取果膠,并采用正交試驗(yàn)對(duì)果膠的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化.

1 材料與方法

1.1 材 料

佛手廢渣,浙江金手寶生物科技有限公司;KH-600DB型超聲波清洗器,昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司;FD115型電熱恒溫干燥箱,德國(guó)BINDER公司;2-16KL型高速離心機(jī),德國(guó)Sigma公司;ME204型電子分析天平,梅特勒-托利多有限公司;PHSJ-3F型pH計(jì),雷磁-上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;食品級(jí)尼龍超密過(guò)濾網(wǎng)(160目),臺(tái)州市雨潔濾網(wǎng)有限公司;中速定性濾紙(φ 15 cm),杭州特種紙業(yè)有限公司;鹽酸、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇,上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

1.2 果膠提取工藝

1) 原料預(yù)處理:將榨汁后的佛手廢渣,按1∶3 g/mL與水混合,煮沸10 min后,瀝干,60 ℃下干燥至恒重,收集干燥佛手廢渣.

2) 佛手果膠提取工藝流程:準(zhǔn)確稱取一定量的干燥佛手廢渣,按一定料液比加水浸泡,在一定的pH值、溫度、超聲時(shí)間和超聲功率下進(jìn)行提取,提取后用雙層尼龍超密過(guò)濾網(wǎng)(160目)過(guò)濾,收集濾液,調(diào)節(jié)濾液的pH值至4.0,注入1倍體積的無(wú)水乙醇至濾液中,攪拌、靜置6 h,使果膠沉淀析出,將得到的果膠沉淀和乙醇混合物經(jīng)濾紙過(guò)濾,收集果膠,在干燥箱內(nèi)60 ℃干燥至恒重,稱取質(zhì)量.

1.3 果膠提取率的計(jì)算

果膠提取率為提取得到的干燥果膠質(zhì)量占供提取的佛手干渣質(zhì)量的百分比.

1.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以佛手果膠提取率為指標(biāo),提取原料用佛手干渣10 g,固定超聲功率600 W,依次改變料液比(1∶20,1∶30,1∶40,1∶50,1∶60,1∶70 g/mL),浸提pH值(1.0,1.5,2.0,3.0,4.0),浸提溫度(50,60,70,80,90 ℃),超聲時(shí)間(30,40,50,60,70,80,90 min),分別考察料液比、浸提pH值、浸提溫度和超聲浸提時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響.各單因素試驗(yàn)重復(fù)3次,并取平均值.

1.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,以料液比、浸提pH值、浸提溫度和超聲浸提時(shí)間為因素進(jìn)行4因素3水平正交試驗(yàn),進(jìn)一步確定最佳提取工藝條件.

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 料液比對(duì)果膠提取率的影響

在浸提溫度75 ℃、浸提pH 2.0、超聲功率600 W、超聲時(shí)間60 min的條件下,按料液比1∶20,1∶30,1∶40,1∶50,1∶60,1∶70 g/mL進(jìn)行超聲波酸提試驗(yàn),考察料液比對(duì)果膠提取率的影響.

料液比對(duì)果膠提取率的影響如圖1所示,隨著料液比從1∶20變化到1∶40時(shí),果膠提取率從7.72%增加到12.29%,但當(dāng)提取溶劑進(jìn)一步增加時(shí),果膠提取率趨于平穩(wěn),增加不明顯.料液比太低時(shí),難以保證果膠全部轉(zhuǎn)移至提取液中,物料黏度大、過(guò)濾困難、殘留增加,導(dǎo)致果膠提取不完全、提取率不高;料液比過(guò)高時(shí),佛手渣中的其他雜質(zhì)容易溶于提取液中,不利于后期果膠的純化.同時(shí),料液比過(guò)高,也會(huì)導(dǎo)致后續(xù)醇析中乙醇消耗量的增加,沉淀效果不佳,且浪費(fèi)資源和不利于環(huán)保,因此最佳料液比為1∶40 g/mL.

圖1 料液比對(duì)果膠提取率的影響 Fig.1 Effect of material/liquid rate on extraction rate of pectin

2.1.2 浸提pH對(duì)果膠提取率的影響

在料液比1∶40 g/mL、浸提溫度75 ℃、超聲功率600 W、超聲時(shí)間60 min的條件下,研究不同pH值(pH1.0,1.5,2.0,3.0,4.0)對(duì)果膠提取率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖2.從圖2中可以看出:當(dāng)提取液在低pH值范圍內(nèi),果膠提取率相對(duì)較高,說(shuō)明佛手果膠易溶于酸性溶液,當(dāng)pH值大于3.0時(shí),水解反應(yīng)緩慢,果膠提取率明顯下降,但酸度過(guò)大時(shí),水解反應(yīng)過(guò)于劇烈,果膠易脫去酯基和裂解成果膠酸,導(dǎo)致凝聚度下降,使得在醇析工序中不易沉淀出來(lái),從而降低果膠提取率.因此,最佳pH值為1.5,此時(shí)果膠提取率為13.08%.

圖2 浸提pH對(duì)果膠提取率的影響Fig.2 Effect of pH on extraction rate of pectin

2.1.3 浸提溫度對(duì)果膠提取率的影響

圖3 浸提溫度對(duì)果膠提取率的影響Fig.3 Effect of temperature on extraction rate of pectin

在料液比1∶40 g/mL、浸提pH 1.5、超聲功率600 W、超聲時(shí)間60 min的條件下,研究不同浸提溫度(50,60,70,80,90 ℃)對(duì)果膠提取率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3.從圖3可以看出:溫度為50～80 ℃時(shí),果膠提取率呈明顯上升的趨勢(shì),當(dāng)溫度為80 ℃時(shí),果膠提取率為14.59%,但隨著溫度繼續(xù)上升,果膠提取率的增加并不明顯,說(shuō)明提取溫度為80 ℃較適宜.提高提取溫度,有利于果膠的水解溶出和提取率的增加.但果膠作為一種高分子化合物,熱穩(wěn)定性較差,所以當(dāng)提取溫度過(guò)高時(shí),容易導(dǎo)致果膠降解，結(jié)構(gòu)破壞,不利于提取率的增加.因此,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和節(jié)能兩方面考慮,最佳的浸提溫度為80 ℃.

2.1.4 超聲浸提時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

在料液比1∶40 g/mL、浸提pH 1.5、浸提溫度80 ℃、超聲功率600 W的條件下,研究超聲浸提時(shí)間(30,40,50,60,70,80,90 min)對(duì)果膠提取率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖4.隨著超聲提取時(shí)間的延長(zhǎng),果膠的提取率呈逐漸上升的趨勢(shì),但當(dāng)時(shí)間超過(guò)80 min后,果膠的提取率幾乎不變.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:80 min為最佳超聲時(shí)間.超聲時(shí)間過(guò)短,佛手渣中的果膠未能完全溶脫出來(lái).超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng),果膠的提取率增加并不明顯,可能有兩方面原因:一是大部分果膠已溶脫出來(lái),所以提取率增加不明顯;二是超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)有可能會(huì)導(dǎo)致溶液中的果膠在較高溫度和酸性條件下降解,從而影響了提取率.

圖4 超聲提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響Fig.4 Effect of time on extraction rate of pectin

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)單因素試驗(yàn),分別考察了料液比、浸提pH、浸提溫度和超聲浸提時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響,得到了各因素的最佳控制范圍.根據(jù)單因素的試驗(yàn)結(jié)果,以果膠提取率為考察指標(biāo),設(shè)計(jì)4因素3水平正交試驗(yàn),其因素水平見(jiàn)表1,結(jié)果見(jiàn)表2.

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experiment

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,由極差R可以看出,B的極差最大,其次為C,A,D.極差越大,反映該因素水平變動(dòng)時(shí),果膠提取率的變化越大.各因素強(qiáng)弱順序依次為B,C,A,D,即溫度>pH>料液比>超聲時(shí)間.因此得出的最佳工藝組合為A3B3C1D3,即果膠提取的最佳工藝條件是:料液比為1∶50 g/mL,溫度為90 ℃,pH為1.0,超聲時(shí)間為90 min.在此最優(yōu)工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),得到三組數(shù)據(jù):18.17%,18.31%,18.78%,平均值為18.42%.

3 結(jié) 論

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化了超聲波酸提佛手廢渣中果膠的工藝條件,獲得了一套最優(yōu)提取工藝參數(shù),在此最佳提取工藝條件下,果膠的提取率達(dá)到了18.42%.利用超聲波提取可以有效縮短提取時(shí)間,具有成本低、效率高、工藝簡(jiǎn)單及環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn),為佛手廢渣的綜合利用提供了一定的參考價(jià)值.

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