活性炭負(fù)載殼聚糖對蘋果汁的澄清效果研究

章斌，羅志，凡芳華

（韓山師范學(xué)院生物系，廣東潮州 521041）

澄清工序是蘋果汁生產(chǎn)中的一道關(guān)鍵工序，對產(chǎn)品外觀、品質(zhì)和穩(wěn)定性都有很大影響。目前，常用的蘋果汁澄清方法有熱處理澄清、酶法澄清、殼聚糖澄清、超濾澄清等[1-3]；殼聚糖因其有良好的生物安全性和生物功能性，在澄清效果和使用安全性能等方面較其他澄清方式有著不可比擬的優(yōu)越性。但有資料表明殼聚糖在酸性溶液中易流失，可操作性較差[4-6]。為此，筆者考慮用活性炭吸附殼聚糖，制備成活性炭負(fù)載殼聚糖澄清劑并用于蘋果汁的澄清研究，以期為殼聚糖在果汁中的澄清作用提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料與設(shè)備

蘋果：九成熟，購自韓山師院西區(qū)市場；

殼聚糖：脫乙酰度72.52%，浙江玉環(huán)化工廠生產(chǎn)；粉末活性炭：鞏義市嵩山濾材活性炭廠；鹽酸、氫氧化鈉、乙酸：分析純。

PHS-3C 型pH 計：上海雷磁儀器廠；KA-1000 型離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；UFJ-7200 型分光光度計：上海尤尼科儀器有限公司；HJ-6 型磁力加熱攪拌器：金壇市梅香儀器有限公司；HH-2 型電熱恒溫水浴鍋：常州華普達(dá)教學(xué)儀器有限公司；HR1861 型飛利浦榨汁機(jī)：珠海飛利浦家庭電器有限公司。

1.2 工藝流程

蘋果→清洗→沸水燙漂10 s→去核→榨汁→100 目濾網(wǎng)粗濾→離心（4 000 r/min）→原汁→固定化殼聚糖澄清→磁力攪拌（1 000 r/min）→離心→測定上清液透光率

1.3 澄清方式

1.3.1 對照組1

往蘋果原汁中加入一定量殼聚糖液，于一定溫度、一定pH 條件下澄清一定時間，離心，測定透光率。

1.3.2 對照組2

往蘋果原汁中加入一定量活性炭粉，在與1.3.1相同的溫度、pH 條件下澄清相同時間，離心，測定透光率。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)組

往蘋果原汁中加入一定量的活性炭負(fù)載殼聚糖澄清劑，在與1.3.1 相同的溫度、pH 條件下澄清相同時間，離心，測定透光率。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 1%（即為10 g/L）殼聚糖溶液的配制

稱取粉狀殼聚糖1.000 0 g，溶于50 mL 蒸餾水中，加入1 mL 冰醋酸，放入80 ℃～90 ℃的恒溫水浴鍋中，攪拌至溶解，再用蒸餾水定容至100 mL，保溫45 min即可使用。

1.4.2 殼聚糖用量對蘋果汁澄清效果的影響

取25 mL 蘋果原汁，調(diào)節(jié)殼聚糖濃度為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 g/L，調(diào)pH 至4.0，攪拌均勻，40 ℃下靜置60 min，取出后離心15 min，測定透光率，確定殼聚糖的最適用量。

1.4.3 活性炭負(fù)載殼聚糖澄清劑（以下簡稱負(fù)載澄清劑）的制備[7-8]

參考李增新的方法，并稍作改動：取1.4.2 中最適用量的殼聚糖液250 mL，加入20 g 粉末活性炭并磁力攪拌，使之充分浸潤、混勻。靜置20 min 后過濾，將濾餅于電熱恒溫干燥箱中60 ℃下干燥，粉碎過篩即得到活性炭負(fù)載殼聚糖澄清劑。

1.5 單因素試驗(yàn)

1.5.1 澄清劑用量對澄清效果的影響

取25mL 蘋果原汁，分別按4、6、8、10、12、14、16 g/L的比例添加負(fù)載澄清劑，調(diào)pH 至4.0，40 ℃下磁力攪拌10 min，取出后離心15 min，于720 nm 波長下測定透光率，確定殼聚糖的最適用量。

1.5.2 澄清時間對澄清效果的影響

取25 mL 蘋果原汁，按12 g/L 用量加入負(fù)載澄清劑，調(diào)pH 至4.0，40 ℃下分別進(jìn)行2、4、6、8、10、12、14、16 min 的磁力攪拌，取出后離心15 min，于720 nm 波長下測定透光率，確定最佳澄清時間。

1.5.3 溫度對澄清效果的影響

取25 mL 蘋果原汁，澄清劑添加量12 g/L，調(diào)pH至4.0，分別在25、30、35、40、45、50、55、60 ℃條件下磁力攪拌10 min，取出后離心15 min，于720 nm 波長下測定透光率，確定最佳澄清溫度。

1.5.4 pH 對澄清效果的影響

取25 mL 蘋果原汁，澄清劑添加量12 g/L，調(diào)其pH 分別為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，50 ℃條件下磁力攪拌10 min，離心15 min，于720 nm 波長下測定透光率，確定最適pH。

1.6 優(yōu)化試驗(yàn)

采用Box-Behnken 響應(yīng)面法進(jìn)行澄清工藝條件優(yōu)化，并用SAS 8.1 統(tǒng)計軟件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果汁透光率最適波長的確定

取一定量蘋果原汁，離心，取上清液于440 nm～760 nm 測定透光率，結(jié)果見圖1。

圖1 蘋果汁透光率與波長的關(guān)系Fig.1 Relationship between clarity and wavelength

由圖1 可看出，蘋果原汁透光率隨測定波長的增大呈增大趨勢，且于720 nm 處趨于穩(wěn)定；故確定720 nm為最適測定波長。

2.2 殼聚糖用量對蘋果汁澄清效果的影響

酸性條件下，殼聚糖分子鏈上的游離氨基結(jié)合氫離子而成為帶正電荷的聚陽離子電解質(zhì)，從而可與果汁中帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)、果膠等相互作用而絮凝，使果汁變澄清；隨殼聚糖用量的增多，生成的聚陽離子電解質(zhì)也隨之增加，對果汁的澄清效果也愈好[9]。殼聚糖用量對蘋果汁澄清效果的影響見圖2。

如圖2 所示，殼聚糖用量較小時，對膠體物質(zhì)吸附不完全，澄清效果差；隨其用量增大，蘋果汁的透光率也隨之增大；在用量為0.8 g/L 時的透光率達(dá)至最高。繼續(xù)增大用量，殼聚糖溶液本身形成了一種膠體溶液，反而使蘋果汁的透光率降低。因此，選擇0.8 g/L為殼聚糖最佳用量水平。

圖2 殼聚糖用量對蘋果汁澄清效果的影響Fig.2 Effects of chitosan content on clarity

2.3 負(fù)載澄清劑添加量對澄清效果的影響

活性炭是一種比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的多孔碳質(zhì)吸附材料，對溶液中的色素分子、溶解氣體、懸浮物質(zhì)等都有較強(qiáng)的吸附作用，從而使溶液得以澄清和脫除異味[10-11]。負(fù)載澄清劑用量對蘋果汁澄清效果的影響見圖3。

圖3 負(fù)載澄清劑用量對蘋果汁澄清效果的影響Fig.3 Effects of loaded clarify agent content on clarity

圖3 表明，在相同用量條件下，活性炭負(fù)載殼聚糖澄清劑對蘋果汁的澄清效果均優(yōu)于單一的活性炭和單一的殼聚糖液；且隨負(fù)載澄清劑用量的增大，固定在活性炭微晶結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殼聚糖分子與氫離子結(jié)合所生成的聚陽離子電解質(zhì)也隨之增多，與果汁中的果膠等負(fù)電荷物質(zhì)發(fā)生絮凝作用的程度加大，故使果汁得以逐漸澄清。另一方面，負(fù)載澄清劑用量的增大也增加了活性炭的吸附比表面積，加速了果汁中大分子顆粒的吸附沉集。當(dāng)澄清劑的添加量為12 g/L 時，果汁中的大分子顆?；颈晃胶统两低耆?；繼續(xù)增大用量，對透光率的提高無太大影響。因此，確定12 g/L為負(fù)載澄清劑的最佳用量。

2.4 澄清時間對澄清效果的影響

陳冬梅[12]和孫濤[13]認(rèn)為殼聚糖在一定程度上能與果汁中的還原糖類物質(zhì)發(fā)生羰氨反應(yīng)而加深溶液顏色。澄清時間對蘋果汁澄清效果的影響見圖4。

圖4 澄清時間對蘋果汁澄清效果的影響Fig.4 Effects of clarifying time on clarity

圖4 表明，隨澄清時間的延長，活性炭的吸附作用和殼聚糖的絮能作用更加充分，且在10 min 時達(dá)至平衡，果汁透光率也增至最大；繼續(xù)延長澄清時間，因殼聚糖與還原糖類物質(zhì)發(fā)生羰氨反應(yīng)的程度加深而使溶液透光率呈降低趨勢，故選擇負(fù)載澄清劑的最佳澄清時間為10 min。

2.5 溫度對蘋果汁澄清效果的影響

溫度對負(fù)載澄清劑的澄清效果主要有以下三個方面的影響：（1）活性炭對物質(zhì)的吸附是一個吸附與解吸同時進(jìn)行的動態(tài)平衡過程，受溫度等多種因素的影響。在較高的溫度條件下，活性炭的解吸速度會表現(xiàn)出大于吸附速度，從而會引起溶液澄清度的降低；（2）果汁溫度升高，果膠等大分子的布朗運(yùn)動能力增加，既可導(dǎo)致殼聚糖對其的吸附作用減弱，也使部分被吸附在活性炭活性位上的分子顆?？朔钚蕴课锢砦阶饔玫哪芰υ黾樱子趶幕钚晕簧辖饷摳?，從而降低果汁透光率；（3）溫度過高時，果膠易發(fā)生脫酯反應(yīng)和聚合物的降解，降低其與殼聚糖的絮凝程度；同時，過高的溫度會加深果膠的顏色，造成透光率降低。澄清溫度對蘋果汁澄清效果的影響見圖5。

圖5 澄清溫度對蘋果汁澄清效果的影響Fig.5 Effects of clarifying temperature on clarity

從圖5 可看出：隨果汁溫度的升高，活性炭和殼聚糖；當(dāng)溫度超過50 ℃時，以上三方面的綜合作用所引起的透光率下降占主導(dǎo)地位，故透光率反而逐漸降低。

2.6 pH 對蘋果汁澄清效果的影響

圖6 pH 對蘋果汁澄清效果的影響Fig.6 Effects of pH on clarity

由圖6 可見，不同的pH 對負(fù)載澄清劑的澄清效果有較明顯的影響，且在pH 2.5～3.5 范圍內(nèi)的澄清效果最優(yōu)。一方面，可能是在此范圍條件下，殼聚糖分子中生成的聚陽離子電解質(zhì)較多和活性炭表面化學(xué)基團(tuán)的性能較活躍，對果汁大分子物質(zhì)的吸附效果佳；另一方面，可能是在此較低的pH 條件下，原果膠的水解作用較強(qiáng)，與殼聚糖的結(jié)合絮凝更充分，更利于果汁的澄清。當(dāng)pH 高于3.5 時，酸的作用對澄清劑的吸附性能減弱，果汁的透光率也隨之下降。

2.7 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken 響應(yīng)面設(shè)計法進(jìn)行澄清工藝條件優(yōu)化。各因子編碼值見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 Box-Behnken 中心組合因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of Box-Behnken central component experiments design

2.7.1 透光率回歸模型的建立及可靠性檢驗(yàn)

表2 Box-Behnken 中心組合設(shè)計方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Box-Behnken experiments design and the results of these experiments

上述回歸模型的可靠性可通過方差分析及相關(guān)系數(shù)來考察，方差分析如表3 所示。

表3 回歸模型方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance for regression model

2.7.2 澄清條件的優(yōu)化與驗(yàn)證

在選取的各因素范圍內(nèi)，對回歸模型分析可得最佳澄清條件為：負(fù)載澄清劑用量12.01 g，澄清時間9.63 min，澄清溫度54.96 ℃，pH 2.56；預(yù)測的透光率理論值為97.08%。為實(shí)際操作便利，選擇工藝條件為負(fù)載澄清劑用量12 g，澄清時間9.6 min，澄清溫度55 ℃，pH 2.56 進(jìn)行3 次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測得透光率的平均值為96.47%，與預(yù)測值接近，說明該方程與實(shí)際情況擬合良好，適于活性炭負(fù)載殼聚糖澄清劑對蘋果汁的澄清工藝進(jìn)行回歸分析和參數(shù)優(yōu)化。

3 結(jié)論

1）本試驗(yàn)結(jié)果表明：活性炭負(fù)載殼聚糖澄清劑對蘋果汁有較好的澄清效果，且明顯優(yōu)于單一的活性炭和單一殼聚糖的澄清效果。

3）經(jīng)SAS 軟件分析，優(yōu)化得到的最佳提取工藝條件為：負(fù)載澄清劑用量12 g，澄清時間9.6 min，澄清溫度55 ℃，pH 2.56，此條件下的平均透光率為96.47%。

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