許 封,朱小倩,張東京
(宿州學院生物與食品工程學院,安徽宿州 234000)
蘋果屬于薔薇科大宗水果,是最常見的水果之一,其味道酸甜適口、營養(yǎng)豐富、顏色鮮紅,少數為綠色和黃色。據統計,2016年我國蘋果種植面積約2 533.3 khm2,總產量4 350×104t,均創(chuàng)歷史新高,產量占世界蘋果總產量的56.1%,種植區(qū)域較廣。蘋果含有豐富的維生素、糖類、果膠等,具有較高的營養(yǎng)價值[1],具有生津止渴、益脾止瀉等功效。我國蘋果資源極為豐富,由于生產季節(jié)集中,容易因為滯銷造成積壓腐爛,蘋果的生產、貯藏、運輸、加工的過程中也會導致大量蘋果腐敗變質[2]。并且當蘋果在深加工的過程中,將會產生大量的蘋果渣,我國每年將會產生干蘋果渣大約有幾百萬噸,大部分干蘋果渣都沒有發(fā)揮很好的作用,若不及時處理,將會造成大量蘋果的浪費,而且蘋果渣非常容易腐爛,對環(huán)境會造成嚴重污染,每年都有上百萬噸的廢棄蘋果或蘋果渣急需處理再利用[3]。如何將廢棄蘋果或蘋果渣變廢為寶、如何改善資源環(huán)境與經濟效益的關系,蘋果渣的綜合開發(fā)及利用研究任重而道遠[4]。蘋果渣由果皮、果核和殘余果肉組成,其中含有可溶性糖、氨基酸、維生素、礦物質等多種營養(yǎng)物質[5]。其中,蘋果果膠、不可溶性膳食纖維等物質含量非常豐富,可用于提取果膠或作為微生物的生長基質來生產酒精、檸檬酸等物質[6]。蘋果渣中的果膠成分具有膠凝化作用,可制備一種新型可降解型水果皮革。通過介紹利用廢棄蘋果制作皮革的綜合利用途徑,增加附加產值、節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的目的。
蘋果渣中富含維生素、果膠和果糖等營養(yǎng)物質,為了避免蘋果渣的浪費,可以將其作為飼養(yǎng)動物的飼料,但是在喂養(yǎng)的時候,需要注意蘋果渣中的農藥殘留等問題[7]。蘋果渣可以加工成蘋果渣干粉,可以用作配制全價料或顆粒料,也可以作為飼養(yǎng)豬、牛、羊等家畜、家禽的飼料。當蘋果渣作為飼料利用,可以先青貯或干燥后再利用,這樣能有效克服果渣供應季節(jié)性的影響,可常年使用。肖文萍等人[8]研究發(fā)現,蘋果渣作為飼料能夠有效提高山羊的產奶量,其中的乳成分含量也呈現出增加的趨勢。
蘋果渣中含有豐富的碳水化合物等有機物,碳水化合物約占干物質的60%。通過加入各種酶制劑,將高分子化合物轉化為可發(fā)酵糖,進而產生酒精。蘋果渣酒精發(fā)酵不僅可以制備出燃料酒精,而且還能釀造出香醇的白蘭地、可口的蘋果醋等。孫俊良等人[9]報道了蘋果白蘭地的研制。
果膠是一類復雜的多糖,主要成分為多維豐乳糖醛酸甲脂,對高血壓、高血脂等慢性病有一定的療效,同時還具有防癌、抗癌的作用。蘋果渣中含有15%左右的果膠,并且在與糖、酸混合的條件下可以形成凝膠,而且研究表明是完全無毒[10],可以做成穩(wěn)定劑、懸浮劑、增稠劑和乳化劑等天然食品添加劑,應用到食品、保健品、化妝品等工業(yè)領域中,如果汁粉、果醬、果凍、軟糖、冰激凌及巧克力等的制備。果膠溶于熱水、酸、堿等溶劑,而不溶于乙醇和某些鹽類溶液,提取分離方法一般有乙醇沉淀法、離子交換法、鹽析法、酶解法等[11-12]。臧玉紅[13]采取酸液提取、酒精沉析的方法提取蘋果渣中的果膠,得到的果膠品質良好,顏色、水分、灰分、pH值等都符合質量要求。據統計,全世界果膠年需求量很大且持續(xù)增加,我國果膠消耗量也很大,且大部分依靠進口。我國每年有大量腐壞廢棄的蘋果,用于提取蘋果果膠可改變依靠進口的格局。
我國提取果膠的研究是從20世紀60年代初期以柑橘皮為原料開始的,由于當時質量和成本推廣等諸多原因,未能投入工業(yè)化生產。研究表明,所有的陸生綠色植物中都含有果膠,但其含量和特性則因物種而各有差異,因此,真正可利用的果膠種類很少,尚可以利用的植物有柑橘、蠶沙、甜菜渣、蘋果渣、山楂渣、柿子、南瓜等。我國蘋果資源極為豐富,由于生產季節(jié)集中,容易因為滯銷造成積壓腐爛,蘋果的生產、貯藏、運輸、加工的過程中也會導致大量蘋果腐敗變質,因此從廢棄蘋果(蘋果渣)中提取果膠來制作蘋果皮革,使之得到更加充分的利用,最終實現資源浪費的最小化。
隨著農業(yè)的發(fā)展,生產季節(jié)集中,容易因為滯銷造成農產品的積壓腐爛,蘋果的生產、貯藏、運輸、加工的過程中也會導致大量蘋果腐敗變質。經研究發(fā)現,蘋果渣中含有許多營養(yǎng)成分,如多種糖類、纖維素、蛋白質、果膠等。廢棄蘋果的綜合利用主要是蘋果渣的利用,少量在提取果膠[14]、纖維素和半纖維素等成分[15],也可以用來生產燃料[16]、飼料[17]及化學制品[18],其中絕大部分被廢棄,造成環(huán)境的污染和資源的浪費[19]。目前,關于廢棄蘋果制作水果皮革的研究報道在國內仍鮮有報道,果膠在蘋果中含量比較多,是一種支鏈多糖的高分子聚合物,一般包含原果膠、果膠和果膠酸,其顏色呈白色或淡黃色[20]。果膠最重要的特征就是膠凝化作用,能形成膠凍[21]。因此,利用果膠的膠凝化作用制備蘋果皮革,其皮革具有一定的強度,可以用于制備水果保鮮袋、錢包、包裝材料和兒童玩具等制造行業(yè),既節(jié)約資源又保護環(huán)境,意義重大。
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1.2.1 蘋果皮革的制備方法
將廢棄蘋果清洗去芯,于100℃水中煮3~4 min,打漿,于60~70℃下鼓風干燥至恒質量,粉碎,取一定質量的粉末,加適量水,充分攪拌,在培養(yǎng)皿上平鋪厚度10 mm,在80℃條件下,鼓風干燥至恒質量。
1.2.2 操作要點
(1)原料選擇。選用腐敗變質的蘋果。
(2)蘋果的預處理。蘋果清洗去皮、去把、去核,切成大小適中的塊狀。
(3) 護色。將蘋果皮塊放入沸水中熱燙2~3 min撈出,加入以一定濃度的維C和檸檬酸混合試劑作為復合護色劑的水溶液中,浸泡一定時間。
(4)打漿。將蘋果皮和蘋果塊放入打漿機中打漿,并以適當的百分比混合漿液。
(5)調配濃縮。取一定量的果肉漿,并按照試驗設計加入高麥芽糖漿、檸檬酸調配混勻,真空濃縮5 min,在接近濃縮終點時按照試驗設計加入溶好的復合膠,并濃縮至果漿呈泥狀,有刮片現象為止。
(6)刮片烘干。將濃縮好的果漿均勻攤在鋼化玻璃板上,放入烘箱干燥至具有韌性且不黏手的皮狀時取出。
(7)起片整理。將烘制好的果皮趁熱揭起,切成18 mm×68 mm的條狀,用糯米紙包裹之后進行包裝。
1.2.3 蘋果皮革性能的測定方法
力學性能參照GB/T 13022—91進行測試。
采用質構儀對蘋果皮革的性質進行分析,每次將樣品放置于載物平臺上的固定位置,每種試樣至少重復3次。探頭:P/2;參數設定:測前速度1.0 mm/s,測試速度0.5 mm/s,測后速度5.0 mm/s,形變量30%。
將廢棄蘋果清洗去芯,于100℃水中煮3~4 min,打漿,于60~70℃下鼓風干燥至恒質量,粉碎,取一定質量的粉末,加適量水,充分攪拌,在培養(yǎng)皿上平鋪厚度10 mm,于80℃條件下,鼓風干燥至恒質量蘋果皮革的制備方法,其中料液比分別為1∶1,1∶2,1∶3,1∶4,1∶5,固定pH值為5.0,黃原膠15%,氯化銅3.0%,其余條件不變。
料液比對蘋果皮革性能的影響見表1。
表1 料液比對蘋果皮革性能的影響
從表1可以看出,隨著料液比的增加,硬度逐漸變小,其中在1∶4時下降比較快,之后下降幅度減慢。拉伸強度整體處于下降的趨勢,黏附性和感官彈性沒有明顯的規(guī)律。當料液比過高時也不利于后期的干燥過程[22]。
按照1.2.1中蘋果皮革的制備方法,其中pH值分別為2,3,4,5,6,固定料液比為1∶1,黃原膠15%,氯化銅3.0%,其余條件不變。
pH值對蘋果皮革性能的影響見表2。
表2 pH值對蘋果皮革性能的影響
從表2可以看出,隨著pH值的增加,硬度和拉伸強度先升高后降低,最后逐漸減小,其中在pH值為5時達到頂峰值。黏附性和感官彈性也呈現相似的規(guī)律。這可能是由于pH值有助于果膠的提取,高酸度破壞細胞結構,有助于原果膠的水解,轉變?yōu)楣z,從而提高蘋果果膠凝聚程度。這與鄧紅的研究結果(pH值減小果膠的產量增加,當pH值小于5時,無法提取果膠產品)一致。
按照1.2.1蘋果皮革的制備方法,其中黃原膠添加量分別為5%,10%,15%,20%,25%,固定料液比為1∶1,pH值為5.0,氯化銅3.0%,其余條件不變。
黃原膠添加量對蘋果皮革性能的影響見表3。
表3 黃原膠添加量對蘋果皮革性能的影響
從表3可以看出,隨著黃原膠的增加,硬度和拉伸強度先升高后降低再逐漸減小,其中在黃原膠添加量為15%時達到最高值,總體趨勢大于其他組。黏附性和感官彈性也呈現相似的規(guī)律。這可能是由于黃原膠的加入,有助于果膠和黃原膠分子之間的結合,增加分子間的氫鍵、靜電引力和范德華力等強烈的相互作用力,使它們之間產生良好的互溶性,從而使蘋果皮革的凝聚程度增大[23]。但是隨著黃原膠添加量的增加,硬度和拉伸強度在15%以后,出現了降低,這可能是由于黃原膠分子呈現有序的螺旋結構,與水分子、果膠之間的結合作用緊密,但當黃原膠的添加量增大時,由于黃原膠自身極大的黏性,形成的膜性能不佳,硬度和拉伸強度出現了一定水平上的下降。
按照1.2.1中蘋果皮革的制備方法,其中氯化銅添加量分別為1.0%,1.5%,2.0%,2.5%,3.0%,固定料液比為1∶1,pH值為5.0,黃原膠添加量15%,其余條件不變。
氯化銅添加量對蘋果皮革性能的影響見表4。
表4 氯化銅添加量對蘋果皮革性能的影響
從表4可以看出,隨著氯化銅添加量的增加,硬度和拉伸強度呈現上升的趨勢。黏附性和感官彈性也呈現相似的規(guī)律。這可能是由于氯化銅是重金屬,具有較強的螯合作用,特別是對膠體物質的螯合作用極強,果膠分子結構中的羥基被銅離子中和,形成不溶于水的果膠鹽,果膠得率較高,從而使蘋果皮革的凝聚程度增大。而且所制備的水果皮革顏色呈褐色,色澤均一。
根據單因素試驗結果進行L9(34)正交試驗。
蘋果皮革的因素與水平設計見表5,正交試驗數據見表6。
比較各因素極差R,影響蘋果皮革拉伸強度按主次順序排列為C>A>B>D,即黃原膠添加量>料液比>pH值>氯化銅添加量。比較各因素水平的均值,得出最優(yōu)組合為A1B2C2D2,即皮革最佳的制作工藝為料液比1∶1,pH值5,黃原膠添加量15%,氯化銅添加量2.5%。
表5 蘋果皮革的因素與水平設計
表6 正交試驗數據
當料液比為1∶1時,蘋果皮革的硬度和拉伸性能最好,分別為17.263和154.653;當pH值為5時,有著較好的協同作用,此時能顯著提高蘋果皮革的硬度和拉伸強度,分別為40.533和173.147;當黃原膠添加量為15%時,增塑劑能顯著提高蘋果皮革的硬度和拉伸強度,分別為26.961和170.507,但增加幅度略微低于pH值;當氯化銅添加量為3.0%時,蘋果皮革的硬度和拉伸強度分別為37.089和196.477,氯化銅能大幅度增加蘋果皮革的拉伸強度。比較各因素極差R,影響蘋果皮革拉伸強度按主次順序排列為C>A>B>D,即黃原膠添加量>料液比>pH值>氯化銅添加量;比較各因素水平的均值,得出最優(yōu)組合為A1B2C2D2,即皮革最佳的制作工藝為料液比1∶1,pH值5,黃原膠添加量15%,氯化銅添加量2.5%。試驗為廢棄蘋果制備水果皮革提供了一條新的思路。