何立堅(jiān)

超聲波輔助提取法提取柚子中果膠的工藝研究

何立堅(jiān)

引言

果膠是由半乳糖醛酸組成的高分子物質(zhì)，是植物細(xì)胞壁的組成成分，是一種白色至淺黃色的粉末，稍帶酸味，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)和溶解度，不能溶于乙醇等有機(jī)溶劑，具有水溶性，工業(yè)上即可分離［1］。它具有降低血清膽固醇、降低血糖、降低癌癥的發(fā)病率、提高免疫反應(yīng)等作用。果膠通常是添加在果醬和果凍作為膠凝劑。它也被用作脂肪替代物使用在冰激凌和沙拉醬中［2］。在營(yíng)養(yǎng)方面，果膠已被證實(shí)能夠降低血液膽固醇和低密度脂蛋白及膽固醇分?jǐn)?shù)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織規(guī)定，果膠被認(rèn)為是一個(gè)安全的添加劑，可以每天服用沒(méi)有限制［4］。

果膠全世界的年平均需求量大約達(dá)到20000t，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類科學(xué)研究的進(jìn)步使得果膠的需求量不斷的提高。無(wú)論是在國(guó)際市場(chǎng)還是在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)果膠都有廣泛的應(yīng)用，但是限于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)果膠技術(shù)的不成熟，我國(guó)每年從國(guó)外進(jìn)口的果膠大概占到總需求量的70%-80%［5］。因此我國(guó)現(xiàn)在大力開(kāi)發(fā)果膠資源，補(bǔ)充市場(chǎng)的需求。而通常柚子的果肉被人所食用，而果皮卻未被充分利用，柚子皮中含有大量的果膠，但目前對(duì)柚子皮中果膠提取的研究卻少見(jiàn)報(bào)道［6］。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)酸提取和超聲波輔助提取方法提取果膠，目的在于提高柚子的經(jīng)濟(jì)效益，并解決果皮丟棄帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題［7～10］。那么要如何利用柚子皮生產(chǎn)果膠使其變廢為寶，成為目前研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)制取果膠的主要方法有酸提取法、微生物提取法、微波提取法、酶提取法、離子交換樹(shù)脂提取法［11］及超聲波提取法等如圖1。超聲波提取法提取的主要理論依據(jù)是超聲的空化效應(yīng)、熱效應(yīng)、機(jī)械作用［12］如圖2。當(dāng)大量的能量的超聲波作用于物體時(shí)，物體介質(zhì)會(huì)被撕裂成許多小空穴，這些小空穴瞬時(shí)閉合，并產(chǎn)生高達(dá)幾千大氣壓的瞬間壓力，即空化現(xiàn)象［13］。超聲空化中微小氣泡的爆裂會(huì)產(chǎn)生極大的壓力，使植物細(xì)胞壁及整個(gè)生物體的破裂在瞬間完成，縮短了破碎時(shí)間，同時(shí)超聲波產(chǎn)生的振動(dòng)作用加強(qiáng)了細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放，提高了果膠提取的效率。本實(shí)驗(yàn)采用超聲波輔助提取法提取果膠，目的在于研究果膠提取的最佳工藝條件。柚子產(chǎn)于我國(guó)的福建、江西、廣東及廣西等南方地區(qū)［7］，柚子清香、酸甜、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，藥用價(jià)值也高，是人們喜歡的水果之一，也是醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的最具食療的效益水果［6］。

圖1 果膠的結(jié)構(gòu)式［11］

圖2 半乳糖醛酸的結(jié)構(gòu)式［12］

實(shí)驗(yàn)部分

1.主要的儀器和試劑（1）材料與試劑

柚子皮新鮮成熟的皮厚、色澤好的柚子

95%乙醇AR天津市永大化學(xué)試劑有限公司

鹽酸AR廣州市化學(xué)試劑廠

活性炭粉末AR天津福晨化學(xué)試劑產(chǎn)

蒸餾水自制

（2）實(shí)驗(yàn)儀器

pH試紙

電爐

AUY220萬(wàn)分之一分析天平

電子天平

GZX-9246電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱超聲波清洗儀2.實(shí)驗(yàn)方法（1）工藝路線

新鮮柚子皮→滅酶→漂洗→干燥→剪碎→超聲波提取→濾液脫色→乙醇沉淀→干燥→粗果膠成品。

（2）具體操作方法

●原料預(yù)處理：未經(jīng)處理的柚子皮中含有果膠酶，它能把不溶性的原果膠變成水溶性的果膠，因而在浸泡和漂洗過(guò)程中會(huì)使一部分水溶性果膠流失，且原料的成熟度越高，果膠酶的酶解作用越大，所以首先要對(duì)原料進(jìn)行滅酶，鈍化果膠酶的作用。

操作如下：將新鮮的柚子皮放到60℃烘箱中干燥（8～10）h，將干燥過(guò)后的柚子皮切成小塊，將其放置在煮沸的水中滅酶10min，然后用（40～50）℃溫水水漂洗3～4次至漂洗液顏色呈淺色，為了盡可能地除去柚子皮中部分可溶性的糖及色素類物質(zhì)。用紗布擠壓漂洗后的柚子。

●超聲波提?。禾烊还z類物質(zhì)以原果膠、果膠、果膠酸的形態(tài)廣泛存在于植物的果實(shí)、根、莖、葉中，是細(xì)胞壁的一種組成成分，它們伴隨纖維素而存在，構(gòu)成相鄰細(xì)胞中間層粘結(jié)物，使植物組織細(xì)胞緊緊粘結(jié)在一起。原果膠是不溶于水的物質(zhì)，但可加入酸、堿、鹽等化學(xué)試劑及酶，并在一定溫度下水解轉(zhuǎn)變成水溶性果膠。鹽酸可以很好地將植物細(xì)胞壁中與鈣、鎂離子螯合形成的水不溶性果膠提取出來(lái)，而超聲波超聲空化中微小氣泡的爆裂會(huì)產(chǎn)生極大的壓力，使植物細(xì)胞壁及整個(gè)生物體的破裂在瞬間完成，縮短了破碎時(shí)間，同時(shí)超聲波產(chǎn)生的振動(dòng)作用加強(qiáng)了胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴(kuò)散和溶解，從而顯著提高提取效率。

操作如下：稱取10.0000g柚子皮于燒杯中，加入一定體積的鹽酸溶液，將其放入水浴鍋中恒溫?cái)嚢?，再將燒杯放到超聲波清洗儀中提取，提取時(shí)間結(jié)束后迅速趁熱將提取物進(jìn)行離心分離得上清液，調(diào)pH值為3.5～4.0。

●脫色純化∶在提取果膠的同時(shí)，植物組織中的色素也被提取出來(lái)，溶于提取液中，若不對(duì)提取液進(jìn)行脫色處理，就會(huì)使得成品果膠的色澤加深，影響果膠的外觀和質(zhì)量。我們常用吸附法來(lái)對(duì)果膠進(jìn)行脫色。常見(jiàn)的吸附劑有活性炭、硅藻土、白土等。一般步驟是：將果膠提取液與吸附劑混合均勻，在一定溫度（60～75）℃下保溫一段時(shí)間，使提取液中的色素盡量吸附到吸附劑上，然后用過(guò)濾的方法將吸附劑除去。試驗(yàn)中我們采用活性炭，活性炭的表面積大，吸附能力強(qiáng)，可脫去提取液中的部分色素。

操作如下：在果膠提取液中加入少量的活性炭于60℃保溫10 min進(jìn)行脫色和除異味。

●沉淀：將果膠沉淀出來(lái)的方法主要有醇沉淀法、鹽析法、電解質(zhì)沉淀法和膠體沉淀法，在工業(yè)中常采用醇沉淀法和鹽析法［11］。實(shí)驗(yàn)中我們采用的是醇沉淀法，醇沉淀法的基本原理是利用果膠不溶于醇類溶劑的特點(diǎn)，將大量的醇加入到果膠的水溶液中形成醇一水的混合劑將果膠沉淀出來(lái)。醇沉淀法是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的一種方法。操作如下：待濃縮液冷卻后，在不斷攪拌下加入95%乙醇，加入乙醇的量約為原體積的1倍，使酒精濃度達(dá)50%～60%（可用酒精計(jì)測(cè)定），靜置60min，高速離心后，沉淀用無(wú)水乙醇洗滌2次。

●干燥：將沉淀打散放置在表面皿，放于60℃的烘箱內(nèi)干燥（6～8）h至含水量達(dá)到10%左右得出果膠成品。

3.產(chǎn)率的計(jì)算［14］

重量法：用電子天平稱量所得果膠的質(zhì)量，并計(jì)算果膠的產(chǎn)率。

m果膠：粗果膠成品的質(zhì)量；

m袖子皮：稱取柚皮粉的質(zhì)量。

結(jié)果與討論

1.單因素實(shí)驗(yàn)

（1）料液比對(duì)柚子果皮果膠得率的影響：

分別準(zhǔn)確稱取10g切碎的柚子果皮，再分別按照料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25再將pH值調(diào)至2.0，加熱至75℃提取40min，研究不同的料液比對(duì)果膠得率的影響，如圖3。

圖3 料液比對(duì)果膠得率的影響

由圖可知，隨著料液比的增大果膠的得率也隨之增大，在1∶15的料液比時(shí)，得到的果膠最多，也就是此時(shí)的果膠得率最大，但隨之料液比繼續(xù)增大，果膠得率反而有所下降，這是因?yàn)榱弦罕忍r(shí)，物質(zhì)的粘度大，提取之后的過(guò)濾困難；料液比增大之后，過(guò)濾容易，但果膠被稀釋，會(huì)增大乙醇的用量，增加了能耗，所以從果膠提取效率，經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮，確定最佳的料液比為1∶15。

（2）pH值對(duì)柚子皮果膠得率的影響

分別稱取10g切碎的柚子果皮，按照料液比1∶20，調(diào)節(jié)pH1.0、2.0、3.0、4.0，加熱至75℃提取40min，研究不同的pH值對(duì)果膠得率的影響如圖4。

圖4 pH值對(duì)果膠得率的影響

由圖可知，隨著pH值的增加果膠的得率也在增加，在pH=2時(shí)，果膠的得率最高。而后隨著pH值的增大，果膠的得率反而下降。果膠在稀酸中能夠水解，將柚子果皮中的原果膠質(zhì)水解為水溶性果膠，從而使果膠從果皮中轉(zhuǎn)到水箱中，生成可溶于水的果膠。溶液的pH值過(guò)高，提取時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)，果膠的穩(wěn)定性下降，容易分解成果膠酸，使得產(chǎn)率下降，同時(shí)也會(huì)使取得的果膠的顏色加深，所以，果膠提取溶液的pH值可以控制在2.0左右。

（3）超聲波時(shí)間對(duì)果膠得率的影響

分別準(zhǔn)確稱取10g柚子皮，按料液比1∶20，pH2.0的溶液加熱至75℃提取40min，放入超聲波功率為200W的超聲波清洗器中提取20min、30min、40min、50min，研究不同的超聲波時(shí)間對(duì)果膠得率的影響如圖5。

由圖5知，果膠得率隨著超聲波時(shí)間的增長(zhǎng)先增加后減少，在30min時(shí)達(dá)到最大，因?yàn)闀r(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使柚子果皮里的果膠充分水解，使得果膠的得率提高；而提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)使果膠解酯、裂解，造成果膠產(chǎn)率的下降。

圖5 超聲波作用時(shí)間對(duì)果膠得率的影響

（2）正交實(shí)驗(yàn)

從以上單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，超聲波時(shí)間（A）、料液比（B）、pH值（C）三個(gè)因素對(duì)果膠提取有一定影響，因此對(duì)三因素分別設(shè)定了三個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)果膠提取工藝條件進(jìn)行進(jìn)一步篩選，采用L9（34）正交表設(shè)計(jì)安排實(shí)驗(yàn)。因素水平表見(jiàn)表1，正交實(shí)驗(yàn)表及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 正交因素實(shí)驗(yàn)水平表

表2 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)表及結(jié)果

?

從表2的數(shù)據(jù)分析可知，RB＞RA＞RC，所以超聲波時(shí)間、料液比、pH值這三個(gè)因素對(duì)果膠提取的影響順序?yàn)椋毫弦罕龋˙）＞超聲時(shí)間（A）＞pH值（C）.即料液比對(duì)果膠的提取影響最大，pH值最小，從柚子皮里提取果膠的較好的工藝條件應(yīng)該是A2B3C2。

應(yīng)用研究及進(jìn)展［15］

本實(shí)驗(yàn)對(duì)從柚子皮里提取果膠的工藝條件的討論，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)，得出最佳的工藝條件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到的試劑主要是乙醇，而乙醇我們進(jìn)行了回收利用，實(shí)驗(yàn)在一定的程度上減少了資源的浪費(fèi)。采用了可循環(huán)使用的方法。實(shí)驗(yàn)中得出其他條件不變的情況下，料液比為1：15時(shí)果膠的得率最大；在料液比和超聲波作用時(shí)間相同的條件下pH值為2時(shí)果膠得率最大；當(dāng)料液比和pH值相同時(shí)，超聲波作用時(shí)間為30min時(shí)果膠得率最大。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)看出料液比、超聲波作用時(shí)間、pH值這三個(gè)因素對(duì)果膠提取影響的順序?yàn)椋毫弦罕龋境暡ㄗ饔脮r(shí)間＞pH值。即料液比對(duì)果膠的提取影響最大，pH值最小，從柚子皮里提取果膠的較好的工藝條件應(yīng)該是料液比為1∶20，超聲波作用時(shí)間為30min，pH值為2.0.

（作者單位：廈門(mén)華廈學(xué)院）

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