微波輔助提取葡萄柚皮果膠的工藝優(yōu)化

林 敏，陳妮娜

（1.漳州第八中學，福建漳州 363000；2.漳州城市職業(yè)學院，福建漳州 363000）

果膠是廣泛存在于植物細胞壁的初生壁和細胞中間片層的雜多糖，是一類聚半乳糖醛酸多糖，其半乳糖醛酸殘基常被一些基團酯化[1]。通常按其酯化度分為高酯果膠和低酯果膠。果膠作為我國允許使用的天然食品添加劑，廣泛用于食品行業(yè)中乳產(chǎn)品的增稠劑、乳化劑和凝膠劑，因具有增強胃腸蠕動、降低血脂“三高”、抗菌解毒等保健醫(yī)用功能，亦被廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥保健等領(lǐng)域中。果膠的需求量較大，國內(nèi)大部分果膠原料來自于蘋果皮和橘皮[2-3]。我國果膠資源雖然豐富，但加工利用率較低，如能將果皮用于提取果膠并生產(chǎn)，將會帶來巨大的經(jīng)濟效益，因此近年來人們對果膠提取工藝的研究日益深入。漳州是花果之鄉(xiāng)、水果極其豐富。漳州本地平和葡萄柚是柚和橙的雜交品種，葡萄柚也稱西柚，黃金葡萄柚藏“黃金”，不僅營養(yǎng)價值高，而且具有果個適中、皮薄肉厚細膩、汁多清甜和果肉香氣濃郁等特點。漳州又是食品之城，常將葡萄柚加工成果汁飲料、果脯蜜餞、軟糖等副產(chǎn)品，加工過程中大量的葡萄柚皮可用來提取果膠，充分利用資源，不造成浪費及環(huán)境污染。目前提取果膠的方法很多，如酸法、酶與微生物法、螯合劑法、微波法和離子交換法，這些單一法提取果膠各有利和弊[4-8]。微波用于果膠的提取具有快速、選擇性高、成本低等優(yōu)點[9]。本研究以漳州本地平和葡萄柚皮為原料，利用兩兩結(jié)合法將不同提取劑輔助微波加熱法提取果膠，確定提取葡萄柚皮果膠適宜的提取劑，通過單因素試驗和正交試驗，對葡萄柚皮渣的果膠進行工藝條件優(yōu)化，以期為果膠的制備和生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

漳州平和葡萄柚皮，市售；六偏磷酸鈉、草酸銨、十二烷基苯磺酸鈉、鹽酸、無水乙醇，均為化學純；纖維素酶、果膠酶，食品級。

1.2 儀器與設(shè)備

A2204B 型電子天平，上海精科股份有限公司；NDJ-8S 型數(shù)顯式旋轉(zhuǎn)粘度計，上海精天電子儀表有限公司；PHSJ-3F 型pH 計，上海雷磁儀電科學儀器有限公司；WBFY-205 型微波反應(yīng)器，南京旋光技術(shù)股份有限公司；101-3 型電熱烘箱，滄州華韻實驗儀表有限公司；R201 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，杭州庚雨儀表有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 葡萄柚皮果膠的提取工藝

（1）葡萄柚皮預(yù)處理。將葡萄柚皮洗凈、剪碎至2 ～3 mm，用沸水煮10 min 左右滅果膠酶。

（2）制作果膠。調(diào)整浸提液的料液比、pH 值、提取劑濃度后置于微波爐中，設(shè)置微波強度和時間提取葡萄柚皮果膠。得到的浸提液用3 層紗布過濾、脫色后在60 ℃下真空濃縮、冷卻，加入95%乙醇，攪拌、靜置、沉淀析出、抽濾，最后果膠沉淀物用75%乙醇洗滌，60 ℃真空干燥、粉碎得果膠成品。

1.3.2 果膠提取率的計算、物理化學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)測定

果膠灰分、水分、酸堿度依據(jù)GB 25533—2010進行測定；溶膠黏度和成膜性參照黃振霞等[10]采用的方法測定；果膠酯化度用直接滴定法測定[11]；根據(jù)孟麗聰?shù)萚12]的方法計算果膠提取率；果膠的結(jié)構(gòu)以傅里葉變換衰減全反射紅外光譜儀法測定。

1.3.3 單因素試驗

每次稱取相同質(zhì)量的葡萄柚皮，固定液料比15 ∶1（mL ∶g）、浸提液的pH 值2.0、微波功率700 W、微波時間3 min、浸提液十二烷基磺酸鈉質(zhì)量百分比濃度為0.2%，考察料液比（5 ∶1、10 ∶1、15 ∶1、20 ∶1 和25 ∶1）、浸提液pH（0.5、1.0、2.0、3.0 和4.0）、微波功率（170 W、350 W、700 W、1 050 W 和1 350 W）、微波時間（1 min、 2 min、3 min、4 min 和5 min）、十二烷基磺酸鈉質(zhì)量百分比濃度（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%）5 個單因素試驗，探究其對果膠提取率的影響。

1.3.4 正交試驗

以果膠提取率為指標，設(shè)計3 因素3 水平正交試驗，優(yōu)化葡萄柚皮果膠提取工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同提取劑協(xié)同微波法制備葡萄柚皮果膠的結(jié)果

表1 是不同提取劑協(xié)同微波法（以相同的液料比、浸提液pH 值及微波條件）制備葡萄柚皮果膠的提取率及理化性質(zhì)。不同提取劑協(xié)同微波法制得的葡萄柚皮果膠酯化度均大于50%，屬于高酯化度果膠。單純酸法和微波法制備的果膠提取率及其他理化性質(zhì)都不如其他兩兩混合制備方法。加入果膠酶或纖維素酶，利用酶法協(xié)同微波法制得葡萄柚皮果膠純度較高，灰分較低、色澤較好。加入草酸銨、六偏磷酸鈉螯合劑協(xié)同微波法，可提高果膠的提取率、酯化度和黏性，但灰分相對較高，色澤也一般，可能是螯合物作提取劑脫色率較差，且易破壞果膠的純度和生理活性。十二烷基磺酸鈉作為一種陰離子表面活性劑具有分散、乳化、凝聚的作用，可降低固-液相的界面張力，協(xié)同微波加熱時在微波的電效應(yīng)和化學效應(yīng)雙重作用下，更易增大分子有機物質(zhì)的溶解滲出，使果膠溶出更完全、更迅速，提高提取率。以此方法制得果膠的理化指標均比較理想且溶膠的成膜性能也較好。試驗說明提取劑協(xié)同微波兩兩混合制備方法均能促進葡萄柚皮中果膠的加快溶出，避免傳統(tǒng)單一酸法或微波法制備葡萄柚皮果膠存在的不足[13]。考慮果膠提取率、理化性質(zhì)及今后進一步制備果膠膜后續(xù)試驗，本研究選擇十二烷基磺酸鈉協(xié)同微波法制備葡萄柚皮果膠。

表1 不同提取劑協(xié)同微波法提取葡萄柚皮果膠的提取率及理化性質(zhì)

2.2 紅外光譜圖

十二烷基磺酸鈉協(xié)同微波法提取葡萄柚皮果膠的紅外光譜分析見圖1。在1 656 cm-1和1 778 cm-1處有兩個明顯的紅外吸收峰，與夏天添[14]提供的橙皮果膠在1 650 cm-1和1 750 cm-1存在自由羧基官能團和酯化羧基官能團的紅外吸收峰基本一致，說明所得到的多糖物質(zhì)為果膠。酯化羧基官能團的紅外吸收峰大小還可以判斷所制果膠的酯化度大小，可以看出在1 778 cm-1處的吸收有一定強度，說明本實驗所得到的葡萄柚皮果膠為高酯果膠，這也與前面的理化試驗結(jié)果一致。

圖1 果膠的傅立葉紅外光譜圖

2.3 單因素試驗結(jié)果

2.3.1 液料比對果膠提取率的影響

由圖2 可知，隨著浸出液比重的增加，果膠提取率先升高后降低，液料比為10 ∶1（mL ∶g）時達到最大值。表明當浸提液適量時，果皮受微波加熱溫度上升較快，葡萄柚皮中不溶性的果膠快速水解形成果膠連同可溶性果膠一起快速溶解到浸提液中，因此果膠產(chǎn)率較高。當液料比為20 ∶1（mL ∶g）時，浸提液體積多易導致提取出的果膠濃度低，有機溶劑難以將果膠沉淀析出，導致果膠提取率下降。因此液料比在10 ∶1（mL ∶g）左右為宜。

圖2 液料比對果膠提取率的影響

2.3.2 浸提液pH 值對果膠提取率的影響

由圖3 可知，隨著浸提液酸度的降低，果膠的提取率有所降低。酸度對葡萄柚皮的提取率影響較大，果皮中果膠與之復合的纖維素、蛋白質(zhì)等物質(zhì)被酸性浸提液解離而釋放，水不溶性大分子果膠的糖苷鍵也被水解，使果膠降解而溶出。但在實驗中發(fā)現(xiàn)，浸提液酸度較大時（pH ≤1.0），可能導致果膠過分水解，干燥后的顏色呈現(xiàn)褐色，對果膠的品質(zhì)產(chǎn)生影響；當pH 值大于2.0 時，果膠浸提率開始降低，可能浸提液酸度不夠?qū)е鹿z水解不完全，因此pH值在2.0 左右比較適宜。

圖3 浸提液pH 值對果膠提取率的影響

2.3.3 微波功率對果膠提取率的影響

由圖4 可知，隨著微波功率的增大，果膠提取率出現(xiàn)了兩次急劇增大的梯度，微波功率在1 050 W時達到最大峰而后又迅速下降。說明微波功率高在短時間內(nèi)不僅會促使果皮中的細胞破裂，而且這種穿透性加熱使得浸提液及果皮升溫較快，分子間頻繁碰撞產(chǎn)生大量的摩擦熱使果膠易滲出果皮，溶解在浸提液中，而果膠帶有極性羧基，微波加熱會對極性分子產(chǎn)生作用力，在十二烷基磺酸鈉萃取劑作用下提取液極性更強，微波功率產(chǎn)生的熱效應(yīng)和擴散效應(yīng)更明顯，這些均有利于果膠的溶出。但微波功率太大果皮會因為高頻電磁場的作用在短時間內(nèi)熟化，因此微波功率不宜太高，選擇在1 050 W 左右。

圖4 微波功率對果膠提取率的影響

2.3.4 微波時間對果膠提取率的影響

由圖5 可知，微波時間為4 min 時果膠提取率最大。實驗顯示若微波時間不夠，則無法將果膠完全溶出；微波加熱時間過長，浸出液持續(xù)保持高溫狀態(tài)，大量濃縮浸出液極易發(fā)生爆沸，部分果膠可能因此降解甚至生理活性被破壞，大大降低提取率。因此選擇微波時間為4 min 為宜。

圖5 微波時間對果膠提取率的影響

2.3.5 十二烷基磺酸鈉質(zhì)量百分比濃度對果膠提取率的影響

由圖6 可知，隨著十二烷基磺酸鈉質(zhì)量百分比濃度的上升，果膠的提取率也逐步上升。當浸出液中未添加十二烷基磺酸鈉或十二烷基磺酸鈉質(zhì)量百分比濃度小于0.2%時，果膠具有有限的溶解能力，果膠產(chǎn)率較低。十二烷基磺酸鈉質(zhì)量百分比濃度在0.4%時達到峰值，而后又稍微降低。果膠多糖大部分以多聚半乳糖醛酸鎂或鈣鹽形式存在且水溶性差，以十二烷基磺酸鈉表面活性劑為提取劑，由于其親水端為磺酸基，當它溶于水后磺酸基一端會通過氣液兩相吸附而與水作用，降低水的表面張力，增加果膠分子溶出。當濃度達到一定程度，臨界膠束時會在水表面形成膠束，又不利于有機大分子的溶出。最終確定十二烷基磺酸鈉質(zhì)量百分比濃度在0.4%。

圖6 十二烷基磺酸鈉質(zhì)量百分比濃度對果膠提取率的影響

2.4 正交試驗結(jié)果

選取液料比、提取液pH 值、微波功率進行3 因素3 水平正交試驗，正交試驗設(shè)計見表2，試驗結(jié)果見表3、表4。因素A料液比、因素B浸提液pH 值有顯著性差異，對果膠提取率影響最大，因素C微波功率無顯著性差異，3 因素對葡萄柚果皮果膠提取率的影響由大到小排序為浸提液pH 值＞液料比＞微波功率。葡萄柚果皮果膠提取的最優(yōu)工藝條件組合是A1B1C3，即浸提液十二烷基磺酸鈉質(zhì)量百分比濃度0.4%、液料比8 ∶1（mL ∶g）、浸提液pH值1.5、微波功率1 200 W、微波時間4 min，測得果膠平均產(chǎn)率為13.61%，制得的果膠呈現(xiàn)淺白色，灰分含量4.02%，水分含量5.58%，pH 值4.13，黏度 62.85 mPa·S，成膜性好。

表2 正交試驗設(shè)計

表3 正交試驗結(jié)果

表4 正交試驗方差分析結(jié)果

3 結(jié)論

相同條件下，考慮果膠的提取率及理化性質(zhì)，選取十二烷基磺酸鈉協(xié)同微波法提取葡萄柚皮果膠。以單因素和正交試驗優(yōu)化提取工藝，在葡萄柚皮提取果膠過程中，十二烷基磺酸鈉輔助微波加熱法提取果膠的最佳工藝條件為液料比8 ∶1（mL ∶g）、浸提液pH 值1.5、微波功率1 200 W、微波時間4 min，浸提液十二烷基磺酸鈉質(zhì)量百分比濃度0.4%，制得的果膠理化性質(zhì)良好。