草酸法提取檸檬果膠工藝優(yōu)化及品質(zhì)評(píng)價(jià)

鄭 茜 鄒嚴(yán)俊杰 周米亞 任 旭

(1. 重慶食品工業(yè)研究所有限公司，重慶 400042；2. 重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，重慶 401331；3. 西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

檸檬為蕓香科柑橘屬，是一種常見(jiàn)的熱帶水果，是世界上第三大柑橘品種[1]。中國(guó)檸檬年產(chǎn)量達(dá)231萬(wàn)t，約占全球總產(chǎn)量的13.4%[2]，主要以四川安岳、重慶潼南檸檬為代表，現(xiàn)多品種開(kāi)發(fā)、深加工拓展的趨勢(shì)，具有較大的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)價(jià)值[3]。加工過(guò)程中檸檬皮渣殘?jiān)士蛇_(dá)30%～50%[4]，而檸檬皮渣干基中果膠含量達(dá)30%[5-6]。因此，提取檸檬皮渣中的果膠能較大程度地提高生產(chǎn)效益和產(chǎn)業(yè)附加值。

酸法是工業(yè)中被廣泛應(yīng)用的果膠提取方法。目前，商品果膠通常采用鹽酸、硝酸、硫酸等無(wú)機(jī)酸提取。不同種類酸提取的柑橘果膠得率差異顯著，其中磷酸的得率(10.82%)最低，硫酸的得率(11.97%)次之，硝酸的得率(12.65%)稍大，但其果膠顏色較暗黃。有機(jī)酸也可以用于柑橘果膠的提取，檸檬酸的得率(14.83%)甚至高于鹽酸的(13.98%)[7]。對(duì)于可可皮等非柑橘來(lái)源的果膠，采用檸檬酸提取的得率為7.62%，甲酯化度為37.76%，顯著高于鹽酸法的提取率(5.25%)及甲酯化度(10.24%)[8]。草酸作為有機(jī)酸中的一種強(qiáng)酸，可以電離出氫離子作用于果皮，使得果皮中水不溶性的果膠轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄怨z溶解出來(lái)；同時(shí)，草酸還可以電離出草酸根離子作用于體系中的金屬離子，使得草酸根離子和金屬離子產(chǎn)生螯合作用，促進(jìn)果膠的提取[9-10]。Peng等[11]對(duì)比了不同有機(jī)酸(檸檬酸、草酸、乙酸和酒石酸)對(duì)黃果果膠的提取效果，其中草酸的得率最高為16.86%，其他酸的得率為7.40%～14.35%。

檸檬果膠的分子量較大，同型聚半乳糖醛酸區(qū)較長(zhǎng)，理論上具有更好的凝膠性能。為提高檸檬果膠提取率的同時(shí)保持其凝膠性能，研究擬采用草酸法提取(OAE)檸檬皮渣中的果膠，考察料液比、pH、提取溫度及提取時(shí)間對(duì)檸檬果膠提取率的影響，分析所提取檸檬果膠的純度和酯化度，并與市售高酯果膠(HMP-1和HMP-2)的凝膠性能進(jìn)行對(duì)比，旨在為檸檬果膠的草酸法提取工藝的發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

檸檬皮渣：新鮮的尤力克檸檬，將新鮮檸檬皮渣水煮后烘干、粉碎并過(guò)篩(100目)，重慶高標(biāo)食品有限公司；

高酯檸檬果膠：采用硝酸提取(NAE)，重慶檬泰生物科技有限公司；

HMP-1：APA104，山東煙臺(tái)安德利果膠股份有限公司；

HMP-2：RS 461，丹尼斯克(中國(guó))有限公司；

草酸：分析純，廣東光華科技股份有限公司；

無(wú)水乙醇、氫氧化鈉、酚酞：分析純，成都市科隆化學(xué)品有限公司；

鹽酸：分析純，重慶萬(wàn)盛川東化工有限公司；

檸檬酸、檸檬酸鈉：分析純，廣東翁江化學(xué)試劑有限公司；

氯化鈣：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

流變儀：DHR-2型，美國(guó)TA儀器有限公司；

電子分析天平：AE224型，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；

超純水儀：ATSutoc-1810型，重慶安特生環(huán)保設(shè)備有限公司；

磁力加熱恒溫?cái)嚢杵鳎篊-MAGHS10S25型，艾卡(廣州)儀器設(shè)備有限公司；

增力電動(dòng)攪拌器：DJ1C-300型，北京潤(rùn)恒奧儀器儀表設(shè)備有限公司；

恒溫水浴鍋：BL-3CB型，重慶永恒實(shí)驗(yàn)儀器廠；

精密pH計(jì)：FE28型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

高速冷凍離心機(jī)：TGL-16型，四川蜀科儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DGG9140型，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

多功能粉碎機(jī)：YB-250A型，永康市速鋒工貿(mào)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 草酸法提取果膠工藝條件優(yōu)化 參照黃瑩星[3]的方法并修改。稱取5 g檸檬皮渣粉末，按一定料液比[1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，1∶50 (g/mL)]加入去離子水，用草酸調(diào)節(jié)pH至1.6，1.8，2.0，2.2，2.4，在一定提取溫度(75，80，85，90，95 ℃)的恒溫水浴鍋中加熱攪拌30，45，50，55，60 min提取檸檬果膠。6 000 r/min離心15 min，收集上清液，殘?jiān)?0 mL去離子水洗滌后再次離心取上清液，合并，用200目濾布過(guò)濾。上清液冷卻至室溫，加入1.5倍無(wú)水乙醇醇沉30 min，收集沉淀并用相同方法進(jìn)行2次沉淀。6 000 r/min離心15 min，沉淀物于60 ℃烘干，稱量，并計(jì)算提取率。

1.2.2 果膠得率測(cè)定 參照Z(yǔ)ahra等[12]的方法，按式(1)計(jì)算果膠提取率。

(1)

式中：

R——果膠的提取率，%；

m1——果膠的質(zhì)量，g；

m2——檸檬皮渣粉末的質(zhì)量，g。

1.2.3 果膠純度與酯化度測(cè)定 根據(jù)GB 25533—2010測(cè)定總半乳糖醛酸含量和酯化度，并分別按式(2)、式(3)計(jì)算總半乳糖醛酸含量和酯化度。

(2)

(3)

式中：

X2——總半乳糖醛酸含量，%；

X3——酯化度，%；

V1——初始滴定度，mL；

V2——皂化滴定度，mL；

m3——G3砂芯漏斗的質(zhì)量，mg；

m4——干燥后G3砂芯漏斗的質(zhì)量，mg。

1.2.4 流變學(xué)分析

(1) 靜態(tài)流變性測(cè)定：參照Cho等[13]的方法并修改。將0.25 g果膠溶于50 mL去離子水中配成質(zhì)量濃度為0.5%的果膠溶液，60 ℃水浴攪拌至果膠完全溶解，加去離子水定容至50 mL，用流變儀進(jìn)行剪切變稀黏度測(cè)定。儀器參數(shù)：平板直徑60 mm，溫度25 ℃，剪切速率0.1～100 s-1，測(cè)試間隙500 μm，調(diào)整間隙50 μm，平衡時(shí)間60 s，flow ramp測(cè)試模式。

(2) 鈣敏性測(cè)定：參照李夢(mèng)等[14-15]的方法并修改。將0.5 g果膠溶于50 mL pH為3.5的檸檬酸—檸檬酸鈉緩沖液(0.1 mol/L)中配成質(zhì)量濃度為2%的果膠溶液，待果膠完全溶解后，加入0.1% CaCl2，60 ℃水浴攪拌至果膠完全溶解，加去離子水定容至50 mL，超聲去除果膠凝膠中的氣泡，4 ℃保存12 h，用流變儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)定。測(cè)試條件：小振幅頻率掃描，平板直徑40 mm，測(cè)試間隙500 μm，調(diào)整間隙50 μm，平衡時(shí)間60 s，頻率0.01～100 Hz，溫度25 ℃，應(yīng)變1%，Oscillation Frequency測(cè)試模式。

(3) 溫敏性測(cè)定：參照劉賀等[16]的方法并修改。將0.5 g果膠溶于50 mL去離子水中配成質(zhì)量濃度為1%的果膠溶液，待果膠完全溶解后，加入0.04 g CaCl2，60 ℃水浴攪拌至果膠完全溶解，加去離子水定容至50 mL，用流變儀進(jìn)行變溫測(cè)試。測(cè)試條件：小振幅變溫測(cè)試，平板直徑40 mm，測(cè)試間隙500 μm，調(diào)整間隙50 μm，頻率1 Hz，初始溫度80 ℃，終止溫度4 ℃，降溫速率5 ℃/min，應(yīng)變0.5%，Oscillation Temperature Ramp測(cè)試模式。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 所有試驗(yàn)重復(fù)3次，使用Excel 2022處理數(shù)據(jù)；使用Origin 2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草酸法提取工藝優(yōu)化

2.1.1 單因素試驗(yàn) 由圖1(a)可知，由于較大的料液比會(huì)增大果膠與乙醇溶液的接觸面積，因此在醇沉過(guò)程中果膠的擴(kuò)散頻率會(huì)加快，果膠提取率升高。但當(dāng)料液比>1∶20 (g/mL)時(shí)，過(guò)多的乙醇溶液會(huì)導(dǎo)致較多的雜質(zhì)溶出，果膠純化受到影響，因此果膠提取率不高[17]。故以料液比1∶10，1∶20，1∶30 (g/mL)作為正交試驗(yàn)中較優(yōu)的3個(gè)水平。

由圖1(b)可知，當(dāng)pH為1.6～2.0時(shí)，果膠提取率隨pH的增大而升高，pH降低時(shí)，氫離子濃度增加，檸檬皮中的原果膠通過(guò)水解作用變成水溶性果膠，電離出草酸根離子，與原料組織中的金屬離子螯合，因此更加有利于果膠的溶出。但強(qiáng)酸可促使水溶性果膠剝落和裂解，因此當(dāng)pH值持續(xù)減小時(shí)，果膠提取率也隨之降低；當(dāng)pH為2.0～2.4時(shí)，由于較弱的酸性條件會(huì)導(dǎo)致果膠溶出效果變差，從而使得果膠提取率下降[18-19]。故以pH 1.8，2.0，2.2作為正交試驗(yàn)中較優(yōu)的3個(gè)水平。

由圖1(c)可知，當(dāng)提取溫度為90 ℃時(shí)，檸檬果膠提取率最高。這可能是因?yàn)殡S著提取溫度的升高，植物體中固體的溶解度和擴(kuò)散率會(huì)增加，從而提高提取率。此外，提取溫度升高可能會(huì)破壞果膠中的酯鍵和氫鍵，因此更加有利于提取。但是過(guò)高的提取溫度會(huì)引起熱降解，導(dǎo)致果膠的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性被破壞，使得果膠提取率降低[20-21]。故將提取溫度85，90，95 ℃作為正交試驗(yàn)中較優(yōu)的3個(gè)水平。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

由圖1(d)可知，適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)提取時(shí)間能使果膠最大限度地從植物細(xì)胞壁上洗脫，水溶性果膠轉(zhuǎn)化更充分，因此提取率升高，當(dāng)提取時(shí)間為60 min時(shí)提取率最高。但過(guò)長(zhǎng)的提取時(shí)間會(huì)使得果膠結(jié)構(gòu)被解聚和脫脂，且雜質(zhì)溶出增多，導(dǎo)致提取率下降[22-23]。故將提取時(shí)間45，60，75 min作為正交試驗(yàn)中較優(yōu)的3個(gè)水平。

2.1.2 正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以料液比、pH、提取溫度及提取時(shí)間為影響因子，以提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 草酸法提取檸檬果膠的因素水平表

由表2可知，各因素對(duì)檸檬果膠提取率的影響順序依次為A>C>D>B，最優(yōu)組合為A2C3D3B3，即料液比為1∶20 (g/mL)、提取溫度為95 ℃、提取時(shí)間為75 min、pH為2.2。以此條件進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測(cè)得檸檬果膠提取率為22.83%，高于正交試驗(yàn)中的所有組合，因此該組合為最優(yōu)工藝條件。

表2 草酸法提取檸檬果膠工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.2 果膠純度與酯化度

由表3可知，草酸法提取果膠的總半乳糖醛酸含量為76.06%，符合GB 25533—2010中的要求(≥65%)。酯化度>50%的果膠為高酯果膠，酯化度<50%的果膠為低酯果膠[14]，試驗(yàn)所測(cè)的果膠為高酯果膠，且草酸法提取果膠的純度和酯化度均高于NAE果膠，具有較好的品質(zhì)。

表3 檸檬果膠的理化指標(biāo)

2.3 果膠凝膠特性

2.3.1 靜態(tài)流變性 由圖2可知，OAE檸檬果膠的黏度高于市售HMP-1和HMP-2。3種不同來(lái)源的果膠均表現(xiàn)出了良好的流變特性，且隨著剪切速率的增加表現(xiàn)黏度降低，呈剪切變稀行為。這可能是由于高剪切速率下果膠分子鏈纏結(jié)數(shù)量減少，分子間空隙加大，膠體的黏度減弱[24-26]。綜上，草酸法提取的檸檬果膠具有成為增稠劑的性質(zhì)。

圖2 果膠的靜態(tài)剪切變化曲線Figure 2 Statics shear curve of pectin

2.3.2 鈣敏性 由圖3可知，3種果膠黏彈性即鈣敏性大小為HMP-2>檸檬果膠>HMP-1。這可能是因?yàn)镠MP-2具有更多的側(cè)鏈，可以更加穩(wěn)定鈣離子與羧基的相互作用。添加鈣離子后，所有果膠樣品黏彈性上升且G′占主導(dǎo)地位，是由于鈣離子被用作羧基間的橋梁，并與果膠鏈形成了“蛋盒”模型，因此增強(qiáng)了果膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此外“蛋盒”的連接區(qū)域也有助于增強(qiáng)果膠的彈性[26-27]。

圖3 加鈣前后果膠的儲(chǔ)能模量和損耗模量的變化曲線Figure 3 Change curve of storage modulus and loss modulus of pectin before and after adding calcium

2.3.3 溫敏性 冷卻過(guò)程中，G′與G″的交叉點(diǎn)被稱為凝膠點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的溫度被稱為凝膠溫度。由圖4可知，檸檬果膠和HMP-2的凝膠溫度分別為76.55，67.98 ℃。但HMP-1呈現(xiàn)的結(jié)果與其他兩種果膠不同，即使在非常高的溫度下，也未觀察到交叉點(diǎn)，可能是由于HMP-1過(guò)高的酯化度導(dǎo)致其快速凝膠化[28-29]。綜上，草酸法提取的檸檬果膠具有作為膠凝劑的特性。

圖4 冷卻過(guò)程中不同果膠的儲(chǔ)能模量和損耗模量的變化曲線

3 結(jié)論

采用草酸法提取檸檬皮渣中的果膠，篩選出了最適的提取條件，并與市售高酯果膠的凝膠性能進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：草酸法提取檸檬果膠的最佳工藝條件為料液比1∶20 (g/mL)、pH 2.2、提取溫度95 ℃、提取時(shí)間75 min，該條件下檸檬果膠粗提物得率為22.83%。草酸法提取檸檬果膠中總半乳糖醛酸含量為76.06%，酯化度為75.94%，為高酯果膠；該果膠的黏度高于兩種市售高酯果膠、鈣敏性介于HMP-1與HMP-2之間、溫敏性與HMP-2相似，且鈣離子環(huán)境下可在76.55 ℃時(shí)發(fā)生溶膠—凝膠轉(zhuǎn)變。草酸法提取的檸檬果膠擁有良好的流變性能和凝膠性能，具備作為酸性乳飲料中穩(wěn)定劑的潛力。草酸法提取檸檬果膠與酸性乳飲料的適配性未在試驗(yàn)中體現(xiàn)，后續(xù)需繼續(xù)開(kāi)展草酸法提取檸檬果膠在酸性乳飲料中的穩(wěn)定機(jī)制研究，根據(jù)酸性乳飲料的流變性、脫水收縮率、穩(wěn)定時(shí)間等驗(yàn)證所提果膠的功能特性。