超聲輔助提取佛手廢渣果膠的工藝優(yōu)化

鄧 剛，焦聰聰，許杭琳，徐雙雙

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004)

超聲輔助提取佛手廢渣果膠的工藝優(yōu)化

鄧 剛，焦聰聰，許杭琳，徐雙雙

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004)

目的：對(duì)佛手廢渣果膠提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。方法：分別通過響應(yīng)面試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)果膠的超聲輔助酸提和乙醇沉析工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果：響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化后的超聲輔助酸提工藝條件為浸提時(shí)間37min、浸提溫度63℃、超聲功率395W、pH1.6。正交試驗(yàn)優(yōu)化后的醇析條件為濃縮比1∶4、醇析溫度15℃、醇析時(shí)間1.5h、醇析液pH2.0、醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)70%。結(jié)論：經(jīng)驗(yàn)證在最佳工藝條件下，果膠提取得率22.1%，果膠醇析得率85.7%。

果膠；提取；超聲波；工藝

佛手(Bergamot)，學(xué)名Citrus medica L. Var. Sarcodactylis (Noot) Swingle，是蕓香科植物香櫞的變種。因產(chǎn)地的不同分為廣佛手、川佛手、金佛手、建佛手[1]。其中金佛手以其優(yōu)良的品質(zhì)成為佛手中的上品。作為傳統(tǒng)的名貴中藥，佛手中的多種生物活性成分使其具有疏肝理氣，和胃止痛之功效。

佛手廢渣是佛手飲料業(yè)主要的廢棄物，由于它的可發(fā)酵性，造成很多經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題。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、黃酮類物質(zhì)等[2]。果膠是復(fù)雜的多聚糖，是雙子葉植物細(xì)胞壁一種主要成分。由部分甲基化或乙?；セ陌肴樘侨┧釟埢ㄟ^a-1,4糖苷鍵連接形成骨架，一些具有代表性的中性糖類如阿拉伯聚糖、半乳聚糖和阿拉伯半乳聚糖附在上面形成側(cè)鏈[3]。由于果膠具有流變學(xué)特性和凝膠化作用，可以作為天然的增稠劑和乳化劑應(yīng)用于食品行業(yè)[4-5]，也用做酸奶產(chǎn)品和脂肪替代品的穩(wěn)定劑[6]。

目前果膠的提取方法主要有酸提取法、微生物提取法、微波提取法、超聲波提取法和酶法等[7-11]。本實(shí)驗(yàn)采用超聲波輔助酸提和乙醇沉析的方法從佛手廢渣中提取果膠，并利用響應(yīng)面試驗(yàn)和正交試驗(yàn)分別對(duì)果膠的提取和醇析工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

佛手飲料廢渣 浙江省金華市金佛手農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司。

咔唑 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)品 瑞士Fluka公司；其他藥品均為分析純。

UV-7504型紫外-可見分光光度計(jì) 上海欣茂儀器有限公司；SB25-12YDTD型超聲波清洗機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；HWS-28電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科技有限公司；DZF-6050B型真空干燥箱、RE-52B型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 果膠提取

原料的預(yù)處理：121℃處理5min[12]，真空烘干備用，并測(cè)定其水分含量。

超聲輔助酸提：精確稱取預(yù)處理后的佛手廢渣5g，加水，并用HCl調(diào)pH值。在特定的超聲功率和溫度條件下浸提一定時(shí)間。冷卻后過濾，濾液為果膠浸提液。

乙醇沉析：取在最佳酸提條件下得到的果膠浸提液200mL旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)進(jìn)行濃縮，然后向濃縮后的果膠浸提液中柱狀注入95%的工業(yè)乙醇，在一定的溫度、pH值條件下靜置一定時(shí)間。離心，沉淀用無水乙醇洗滌，60℃真空干燥后稱量。

1.2.2 果膠酸提的單因素試驗(yàn)

在其他因素不變的條件下，考察料液比和浸提次數(shù)對(duì)果膠醇析得率的影響。

1.2.3 果膠酸提的響應(yīng)面試驗(yàn)

通過預(yù)試驗(yàn)所確定的因素水平，采用4因素5水平設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，按1.2.1節(jié)超聲輔助酸提方法進(jìn)行試驗(yàn)，因素水平見表1。

表1 果膠酸提響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in the response surface analysis

1.2.4 果膠醇析的正交試驗(yàn)

取響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化后試驗(yàn)條件所得果膠浸提液，按1.2.1節(jié)乙醇沉析方法進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)計(jì)5因素4水平L16(45)正交試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平見表2。

表2 果膠醇析正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in the orthogonal array design

1.2.5 果膠含量的測(cè)定及果膠得率的計(jì)算

利用咔唑比色法[13]，制作半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線[14]，果膠含量以半乳糖醛酸的含量計(jì)。

式中：C為浸提液半乳糖醛酸質(zhì)量濃度/(μg/mL)；V為浸提液體積/mL；K為待測(cè)樣品稀釋倍數(shù)；md為原料干質(zhì)量/g。

式中：m為果膠成品的干質(zhì)量/g；C0為浸提液半乳糖醛酸質(zhì)量濃度/(μg/mL)；V0為浸提液體積/mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 料液比對(duì)果膠得率的影響

浸提pH2.0、浸提溫度70℃、超聲功率400W、浸提時(shí)間30min、浸提次數(shù)為1的條件下按料液比1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶80(g/mL)進(jìn)行超聲輔助酸提試驗(yàn)，考察料液比對(duì)果膠提取得率的影響。

料液比對(duì)果膠提取得率的影響如圖1所示，隨著料液比從1∶10變化到1∶50，果膠提取得率由11.1%增加到17.5%，但隨著提取溶劑的進(jìn)一步增加，果膠提取得率變化趨于平緩，果膠提取得率增加不明顯。因此最佳的料液比為1∶50。

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

2.1.2 浸提次數(shù)對(duì)果膠得率的影響

在浸提液pH2.0、浸提溫度70℃、超聲功率400W、浸提時(shí)間30min、料液比1∶50的條件下分別浸提1、2、3、4次進(jìn)行超聲輔助酸提試驗(yàn)，考察浸提次數(shù)對(duì)果膠提取得率的影響。

浸提次數(shù)對(duì)果膠提取得率的影響如圖2所示，浸提一次的得率為16.6%、浸提兩次的得率為22.0%，但隨著浸提次數(shù)的增加果膠提取得率增加不再明顯，說明浸提兩次后材料中果膠已經(jīng)基本溶出，因此最佳的浸提次數(shù)為2次。

圖2 浸提次數(shù)對(duì)果膠提取得率的影響Fig.2 Effect of number of repeated extractions on extraction rate of pectin

2.2 果膠酸提的響應(yīng)面試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

按1.2.3節(jié)進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，結(jié)果見表3，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到二次回歸方程：

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及果膠提取得率Table 3 Experimental design for response surface analysis and corresponding results

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析表Table 4 Variance analysis for the fitted regression equation

由表4可知，X1、X1X3、X2X3、、、、為顯著性影響因素，并且該二次回歸方程模型項(xiàng)顯著，失擬項(xiàng)不顯著，因此該回歸模型能較好地與實(shí)測(cè)值擬合。

2.2.2 響應(yīng)面分析

用Design Expert 7.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元多次擬合，所得到的二次回歸方程的相應(yīng)面及等高線圖見圖3。

固定水平：超聲功率300W；浸提pH1.5。a.浸提時(shí)間與浸提溫度

圖3 各兩因素交互作用的響應(yīng)面及等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots for the pariwise effect of three extraction conditions on extraction rate of pectin

由圖3a可知，當(dāng)溫度由40℃上升至65℃，果膠提取得率隨時(shí)間逐漸增加，但是當(dāng)溫度高于65℃后，隨著時(shí)間的增加，果膠提取得率下降。由圖3b可知，當(dāng)超聲功率在100～350W時(shí)，隨著浸提時(shí)間的增加果膠提取得率先增加后減少，當(dāng)超聲功率大于350W時(shí)，果膠提取得率隨浸提時(shí)間的增加而增加。當(dāng)浸提時(shí)間在10～35min時(shí)，隨超聲功率的增加果膠提取得率先增加后減少，當(dāng)浸提時(shí)間大于35min時(shí)，果膠提取得率隨超聲功率的增加而增加。由圖3c可知，時(shí)間對(duì)果膠提取得率的影響比較顯著，浸提時(shí)間在35min左右時(shí)，果膠提取得率最大。由圖3d可知，隨著功率和溫度的增加，果膠提取得率先增加后減少，在400W、65℃左右時(shí)果膠提取得率最大。由圖3e可知，隨著pH值和溫度的增加，果膠提取得率先增加后減少，在pH1.5、65℃左右時(shí)果膠提取得率最大。由圖3f可知，隨著功率和pH值的增加，果膠提取得率先增加后減少，在400W、pH1.5左右時(shí)果膠提取得率最大。

利用Design Expert 7.0軟件，根據(jù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出最佳的工藝條件：浸提時(shí)間36.8min，浸提溫度63.1℃、超聲功率396.2W、pH1.6。在此條件下從佛手廢渣中提取果膠，果膠提取得率的理論值為22.4%?？紤]到實(shí)際可操作性，最佳的工藝條件定為浸提時(shí)間37min、浸提溫度63℃、超聲功率395W、pH1.6。經(jīng)驗(yàn)證從佛手廢渣中提取果膠的得率為22.1%，與理論值比較相近。

2.3 果膠醇析正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 5 Orthogonal array design and corresponding results

由表5極差分析可知5因素對(duì)果膠醇析得率的影響為A(濃縮比)＞B(醇析溫度)＞C(醇析時(shí)間)＞E(醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù))＞D(醇析液pH)。表6的方差分析結(jié)果表明，濃縮比對(duì)果膠醇析過程的影響顯著，醇析溫度、醇析時(shí)間、醇析液pH值和醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)為不顯著因素。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 6 Variance analysis for precipitation recovery of pectin with various process conditions

果膠的醇析受濃縮比的影響比較顯著，醇析溫度、醇析時(shí)間、醇析液pH和醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)也對(duì)果膠醇析得率有一定的影響，并且醇析液pH值對(duì)果膠的品質(zhì)有影響，pH1.0時(shí)果膠的樣色為黑褐色，當(dāng)pH＞1.0時(shí)果膠的顏色趨于正常。由正交試驗(yàn)得出的最佳醇析工藝條件為A2B2C2D2E3，即濃縮比1∶4、醇析溫度15℃、醇析時(shí)間1.5h、醇析液pH2.0、醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)70%。在此條件下果膠醇析最大得率85.7%。

3 結(jié) 論

采用響應(yīng)面試驗(yàn)，以浸提時(shí)間、浸提溫度、超聲頻率、浸提pH值為試驗(yàn)因素，以果膠提取得率為響應(yīng)值，得到從金佛手廢渣中提取果膠的四元二次數(shù)學(xué)回歸模型。并對(duì)模型進(jìn)行分析，得到超聲輔助酸提取金佛手廢渣果膠的最佳工藝條件為浸提時(shí)間37min、浸提溫度63℃、超聲功率395W、pH1.6，果膠的超聲輔助提酸提得率22.1%。

對(duì)果膠醇析的主要影響因素濃縮比、醇析溫度、醇析時(shí)間、醇析液pH值、醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)5個(gè)因素，采用L16(45)正交試驗(yàn)對(duì)果膠的醇析工藝進(jìn)行優(yōu)化。最佳的工藝條件為濃縮比1∶4、醇析溫度15℃、醇析時(shí)間1.5h、醇析液pH2.0、醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)70%，果膠醇析得率85.7%。

[1]梁永樞, 許楚煒, 段啟. 佛手研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)現(xiàn)代中藥, 2006, 8(5)∶23-27.

[2]MANDALARI G, BENNETT R N, BISIGNANO G, et al. Characterization of flavonoids and pectins from bergamot (Citrus bergamia Risso) peel, a major by-product of essential oil extraction[J]. J Agric Food Chem, 2006, 54(1)∶ 197-203.

[3]CARPITA N C, GIBEAUT D M. Structural models of primary cell walls in flowering plants∶ consistency of molecular structure with the physical properties of the walls during growth[J]. J Plant, 1993, 3(1)∶ 1-30.

[4]THAKUR B R, RAKESH K S, HANADA A K. Chemistry and uses of pectin[J]. Crit ReV Food Sci Nutr, 1997, 37(1)∶ 47-73.

[5]MAY C D. Industrial pectins∶ Sources, production and applications[J]. Carbohydr Polym, 1990, 12(1)∶ 79-99.

[6]余映慧, 高雪. 果膠生產(chǎn)工藝及其在食品中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué), 2009, 30(23)∶ 351-352.

[7]王鴻飛, 李和生, 謝果凰, 等. 桔皮中果膠提取技術(shù)的實(shí)驗(yàn)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005, 36(3)∶ 82-85.

[8]WANG Sijin, CHEN Fang, WU Jihong, et al. Optimization of pectin extraction assisted by microwave from apple pomace using response surface methodology[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 78(2)∶ 693-700.

[9]王健, 黃國(guó)林. 果膠生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展[J]. 化工時(shí)刊, 2007, 21(2)∶ 70-73.

[10]邸錚, 付才力, 李娜, 等. 酶法提取蘋果皮渣果膠的特性研究[J]. 食品科學(xué), 2007, 28(4)∶ 133-137.

[11]徐雅琴, 任建輝, 崔崇士. 南瓜果膠不同提取方法的研究[J]. 食品科學(xué), 2009, 30(14)∶ 91-93.

[12]畢雙同. 贛南臍橙皮果膠提取工藝及其性質(zhì)研究[D]. 南昌∶ 南昌大學(xué), 2008.

[13]大連輕工業(yè)學(xué)院, 華南理工大學(xué), 無錫輕工業(yè)學(xué)院, 等. 食品分析[M].北京∶ 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 1994∶ 213.

[14]ZHOU Jinhua, ZHOU Chunshan, XIE Lianwu, et al. Study on extraction conditions of pectin from shaddock peel[J]. Nat Prod Res Dev, 2006, 18(3)∶ 483-486.

[15]儲(chǔ)君. 涫溪蜜柚中果膠的提取工藝研究[D]. 無錫∶ 江南大學(xué), 2008.

Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction for Pectin from Bergamot Residue

DENG Gang，JIAO Cong-cong，XU Hang-lin，XU Shuang-shuang
(College of Chemistry and Life Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

Objective∶ To optimize pectin extraction from bergamot residue left after juice squeezing. Methods∶ Pectin extraction was achieved by ultrasonic-assisted acid extraction followed by ethanol precipitation. Response surface methodology and orthogonal array design were used to optimize the process conditions of ultrasonic-assisted acid extraction and ethanol precipitation. Results∶ The optimal ultrasonic-assisted acid extraction conditions were extraction at 63 ℃ and pH 1.6 for 37 min with an ultrasonic power of 395 W. The optimal ethanol precipitation conditions were precipitation at 15 ℃ and pH 2.0 for 1.5 h with a concentration ratio of 1∶4. Conclusion∶ Under the optimal conditions, the extraction yield and precipitation recovery of pectin were 22.1% and 85.7%, respectively.

pectin；extraction；ultrasonic；process

TS209

A

1002-6630(2011)14-0103-05

2010-09-21

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y407016)；2009年度浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)項(xiàng)目(2009R404063)

鄧剛(1975—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)樯镔Y源再利用。E-mail：denggang@zjnu.cn