商業(yè)樹脂對鮮榨檸檬汁的脫苦效果*

賀紅宇，高佳，朱永清，羅芳耀，李華佳，袁懷瑜

(四川省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，四川成都，610066)

檸檬(Citrus limon，Burm F)，系蕓香科柑橘屬常綠小喬木果樹的果實，是繼橙、柑之后的第三大柑橘品種［1］。我國檸檬主產(chǎn)于西南地區(qū)，其中四川省安岳縣檸檬鮮果產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的80%以上，是目前我國檸檬鮮果最大的集中產(chǎn)區(qū)［2］。檸檬因其富含豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和獨特的風味，同時兼具食用和藥用價值而深受人們喜愛［3-4］。

檸檬鮮果加工主要以生產(chǎn)檸檬干片和果汁飲料制造為主。飲料制造也是世界柑橘類水果加工的主要方向［5］。但由于檸檬鮮果皮、籽、果肉中均含有大量的柚皮苷和檸檬苦素類似物等苦味物質(zhì)，在榨汁、滅菌、貯藏等加工過程中產(chǎn)生“后苦味”現(xiàn)象［6］，嚴重制約了檸檬果汁飲料加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前柑橘鮮榨汁的脫苦方法主要有代謝法、添加苦味抑制劑法、包埋法、酶法和樹脂吸附法，其中以樹脂吸附脫苦法兼具脫苦效果好，處理時間短，可循環(huán)利用，易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛［7］。盡管樹脂脫苦法已廣泛應用到柑橘飲料工業(yè)生產(chǎn)中，但關于檸檬鮮榨汁樹脂脫苦研究報道并不多見。不同的樹脂材料化學構成和吸附極性不同［8］，不同柑橘品種苦味成分含量也不同［9］。因此，針對特定柑橘品種篩選適宜的樹脂脫苦材料及脫苦工藝尤為重要。本實驗以工業(yè)生產(chǎn)的鮮榨檸檬原汁為研究對象，采用適宜柑橘類果汁脫苦的13種國產(chǎn)商業(yè)樹脂，通過靜態(tài)吸附與洗脫粗篩實驗，靜態(tài)吸附動力學曲線測定，靜態(tài)吸附等溫線測定，考察不同樹脂的脫苦性能，從中篩選出對檸檬鮮榨汁脫苦性能好且對營養(yǎng)成分損失小的優(yōu)良樹脂。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

尤力克檸檬鮮榨原汁，購于四川省安岳縣綠海源科技開發(fā)有限公司。

樹脂 R1、R2、R3、R4、R5、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14，購于天津某樹脂有限公司;樹脂 R6，購于西安某樹脂有限公司。各種型號樹脂的特性參數(shù)見表1，其中R1～R8為大孔吸附樹脂，R9～R13為離子交換樹脂。

柚皮苷(＞98%)上海晶純實業(yè)有限公司;檸檬苦素(＞98%)上海晶純實業(yè)有限公司;NaOH、檸檬酸、二甘醇、無水乙醇、氯仿、對二甲氨基苯甲醛、三氯化鐵、石油醚、2，4-二硝基苯肼、濃H2SO4均為分析純。

1.2 設備

TG16G臺式離心機，湖南凱達科學儀器有限公司;SHA-B恒溫振蕩水浴鍋，常州國華電器有限公司;PHS-3C微機型pH計，上海康儀儀器有限公司;CP213電子天平，上海精天電子儀器有限公司;TU-1810紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限公司;BSD—150振蕩培養(yǎng)箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠;蠕動泵，上海達程實驗設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樹脂預處理

樹脂購回后經(jīng)無水乙醇浸泡24 h，充分溶漲后用蒸餾水洗至無醇味。再用體積分數(shù)5%的HCl和3%的NaOH溶液淋洗，中途用蒸餾水洗至中性后用乙醇浸泡備用。

表1 13種商業(yè)樹脂的型號及物性參數(shù)Table 1 Type and physical parameters of commercial resins

1.3.2 樹脂篩選

(1)靜態(tài)吸附:稱取2份5 g干樹脂經(jīng)預處理后分別置于100 mL三角燒瓶中，加入60 mL滅酶處理后的檸檬汁于25℃恒溫振蕩(轉速為130 r/min)24 h達吸附平衡。過濾后取濾液測定檸檬汁中柚皮苷和檸檬苦素含量，計算樹脂對苦味物質(zhì)的吸附量和吸附率。

(2)靜態(tài)洗脫:將(1)中吸附平衡的樹脂用80 mL超純水沖洗兩次，洗去表面殘留果汁。再將樹脂置于100 mL具塞三角瓶中加入60 mL體積分數(shù)95%乙醇于25℃恒溫振蕩(轉速為130 r/min)培養(yǎng)24 h達到洗脫平衡。之后將樹脂過濾收集平衡液，測定平衡液中柚皮苷和檸檬苦素含量并計算洗脫量和洗脫率。計算樹脂對苦味物質(zhì)的洗脫量和洗脫率:

式中:Q表示樹脂的靜態(tài)吸附量，(mg/g(干樹脂);Vo表示測定果汁的體積，mL);co表示測定果汁原汁中吸附質(zhì)(該試驗中為柚皮苷和檸檬苦素)的濃度，mg/mL;ce表示達吸附平衡時果汁中吸附質(zhì)的濃度，mg/mL;m表示樹脂的質(zhì)量，g(以干樹脂計);η1，表示樹脂的靜態(tài)吸附率，%。

式中:Q1表示樹脂的靜態(tài)洗脫量，mg/g(干樹脂);m表示樹脂的質(zhì)量，(g，以干樹脂計);V1表示所加洗脫液的體積，(mL);C1表示達吸附平衡時洗脫液中吸附質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/mL;η2表示樹脂的靜態(tài)洗脫率，%。

1.3.3 樹脂脫苦靜態(tài)動力學曲線的測定

取R1、R3、R5、R6四種大孔樹脂5 g經(jīng)預處理后分別置于250 mL具塞三角瓶中，加入200 mL滅酶處理后的檸檬汁于25℃恒溫振蕩(轉速為130 r/min)培養(yǎng)。分別于振蕩培養(yǎng)后 1、3、5、7、9、11、13、15 h 吸取果汁上清液，測定柚皮苷和檸檬苦素含量，計算樹脂對檸檬汁中柚皮苷和檸檬苦素的吸附率，以吸附量和吸附時間為指標，繪制樹脂靜態(tài)吸附動力學曲線。

1.3.4 樹脂吸附等溫線的測定

稱取不等量的干樹脂(0.5、1、2、3、4、5 g)預處理后分別置于250 mL具塞三角瓶中，加入120 mL滅酶處理后的檸檬汁于25℃恒溫振蕩(轉速為130 r/min)培養(yǎng)24 h達吸附平衡，過濾后測定濾液中柚皮苷和檸檬苦素的平衡濃度ce，計算平衡吸附量Qe，繪制樹脂的吸附等溫線。

1.3.5 測定項目及分析方法

柚皮苷含量，改進Davis法［10］;檸檬苦素含量，對二甲氨基苯甲醛比色法［11］;Vc 含量，2，4-二硝基苯肼比色法［12］;可溶性糖含量，蒽酮乙酸乙酯比色法［13］;可滴定酸含量，酸堿滴定法［13］;可溶性固形物，PAL-1折光儀測定;pH值，PHS-3C型精密pH計測定。

2 結果與分析

2.1 樹脂篩選

圖1、圖2、表2分別為13種商業(yè)樹脂對檸檬汁中的柚皮苷和檸檬苦素的吸附率、洗脫率及脫苦后對檸檬汁中營養(yǎng)物質(zhì)的影響。從圖1、圖2、表2可以看出，大孔吸附樹脂對柚皮苷和檸檬苦素的吸附率、洗脫率優(yōu)于離子交換樹脂，對營養(yǎng)成分的影響小于離子交換樹脂，且大孔樹脂R1、R3、R5、R6對柚皮苷和檸檬苦素吸附效果最好，對營養(yǎng)成分影響較小。相關研究表明，影響吸附效率的主要因素為樹脂的比表面積大小，比表面積越大，對果汁中柚皮苷和檸檬苦素等苦味物質(zhì)的吸附位點就越多，脫苦效果越好［5］。從表1可以看出，這4種樹脂的比表面積均≥450 m2/g，孔徑在≥13 mm，且這4種大孔吸附樹脂均為非極性樹脂，以范德華力進行吸附，吸附效果較好。因此選擇R1、R3、R5、R6四種大孔吸附樹脂做下一步研究。

圖1 不同樹脂對檸檬汁中柚皮苷的吸附率和洗脫率Fig.1 Different resins on the rate of adsorption and elution of naringin

圖2 不同樹脂對檸檬汁中檸檬苦素的吸附率和洗脫率Fig.2 The rate of adsorption and elution on limonins for lemon juice by different resins

表2 樹脂脫苦后對檸檬汁中營養(yǎng)物質(zhì)的影響Table 2 Influence on nutridon of Lemon juice after debittering with resin

2.2 樹脂脫苦靜態(tài)動力學曲線的測定

4種大孔樹脂對柚皮苷和檸檬苦素的靜態(tài)吸附動力學曲線如圖3、圖4所示。從圖3可以看出，在最初階段(0～5 h)，R1、R5、R6三種大孔樹脂對柚皮苷的吸附率都增加得很快，但隨著吸附時間的加長，吸附率逐漸趨于穩(wěn)定。4種大孔樹脂吸附柚皮苷達到吸附平衡的時間為R1＜R6=R5＜R3，達到平衡時的吸附率大小依次為R6＞R1＞R5＞R3。從圖4可以看出，在最初3 h內(nèi)，4種大孔樹脂對檸檬苦素的吸附率都增加得較快，隨著吸附時間的增加，吸附率逐漸趨于穩(wěn)定，4種大孔樹脂吸附檸檬苦素達到吸附平衡的時間為R3＜R1＜R6＜R5，達到平衡時吸附率大小依次為R6＞R5＞R1＞R3。R1、R6達到對柚皮苷和檸檬苦素的吸附平衡時間都較短，達到吸附平衡時，R1、R6對檸檬汁中柚皮苷和檸檬苦素的吸附率都較大。因此，選擇R1、R6作為比較理想的吸附劑做進一步的研究。

圖3 大孔吸附樹脂對檸檬汁中柚皮苷的靜態(tài)動力學曲線Flg.3 Static kinetic curves of macroporous resin on naringin

圖4 大孔吸附樹脂對檸檬汁中檸檬苦素的靜態(tài)動力學曲線Flg.4 Static kinetic curves of macroporous resin on limonins

2.3 樹脂吸附等溫線的測定

圖5、圖6為R1、R6大孔樹脂對柚皮苷和檸檬苦素的靜態(tài)吸附等溫線。由圖5可以得出，樹脂吸附量隨著溶液中柚皮苷平衡質(zhì)量濃度的增大也隨之升高，并逐步趨于穩(wěn)定，說明這兩種樹脂對柚皮苷的吸附符合Langmuir模型［14］，具有單分子層吸附的特征，因此可以用經(jīng)典的吸附經(jīng)驗方程式Langmuir方程來表示:

式中:Qe為平衡時吸附量(mg/g干樹脂)，Qm為最大吸附量(mg/g干樹脂)，ce為柚皮苷平衡溶液濃度(μg/mL)，K為經(jīng)驗常數(shù)。通過計算，R1、R6的最大吸附量 Qm分別為:22.72、34.77(mg/g干樹脂);經(jīng)驗常數(shù) K 分別為:0.010、0.015。根據(jù) 1/Qe～1/ce的相關系數(shù)可以得出，R6樹脂等溫吸附線與Langmuir方程擬合水平最顯著，R2=0.995 4，所以R6樹脂對柚皮苷的吸附更加有利。

圖5 R1、R6大孔吸附樹脂對檸檬汁中柚皮苷的等溫吸附曲線Fig.5 The sorption isotherms of naringin of R1，R6 microporous resins on Lemon juice

從圖6可以看出，隨著檸檬苦素平衡質(zhì)量濃度的增大，樹脂吸附量呈上升趨勢，說明這兩種樹脂對檸檬苦素的吸附具有多分子層吸附特征，可以采用經(jīng)典的吸附經(jīng)驗方程式Freundlich方程［15］:

式中:Qe為樹脂達到平衡時的吸附量，mg/g(干樹脂)，Kf是與吸附量和吸附強度有關的常數(shù);Ce為樹脂吸附平衡時檸檬汁中檸檬苦素質(zhì)量濃度，μg/mL;n是用來表示所得吸附等溫線的非線性大小。通過計算，R1、R6 的 Kf分別為 0.13、0.24，n 分別為0.52、0.56，由檸檬苦素等溫吸附線 LgQe～ Lgce的相關系數(shù)可得，R1、R6樹脂等溫吸附線均與Freundlich方程擬合水平顯著，相關系數(shù)R2分別為0.991 1、0.993 6。說明R1、R6兩種樹脂對檸檬苦素吸附均有利。

綜上所述，R6樹脂對柚皮苷和檸檬苦素的吸附等溫線分別與Langmuir方程、Freundlich方程擬合最好，具有良好的靜態(tài)吸附性能，有利于檸檬汁中柚皮苷和檸檬苦素的吸附。

圖6 R1、R6大孔吸附樹脂對檸檬中檸檬苦素的等溫吸附曲線Fig.6 The sorption isotherms of limonins in Lemon juice by R1，R6 microporous resins

3 結論與討論

(1)采用樹脂對檸檬汁進行脫苦研究，通過靜態(tài)吸附和洗脫實驗結果表明，大孔吸附樹脂對柚皮苷和檸檬苦素的吸附率、洗脫率優(yōu)于離子交換樹脂，且對營養(yǎng)成分的影響較小，與王昭［5］的研究結果一致，這可能與樹脂的吸附性能相關。樹脂對柚皮苷和檸檬苦素的吸附是發(fā)生在其顆粒活性位點所構成的表面上，吸附能力大小與樹脂的空間結構和材料性質(zhì)有密切的聯(lián)系，樹脂的比表面積和孔徑是其主要影響因素［16］。

(2)以對柚皮苷和檸檬苦素吸附效果和對營養(yǎng)成分影響大小為評價指標，從國內(nèi)13種商業(yè)樹脂中優(yōu)選出大孔樹脂R1、R3、R5、R6四種。這4種樹脂的比表面積均≥450 m2/g，比表面積大意味著柚皮苷和檸檬苦素與樹脂的吸附位點增多，其孔徑均≥13mm，表示有良好的擴散條件。通過對這4種大孔樹脂進行靜態(tài)動力學曲線和靜態(tài)吸附等溫線的測定，得出大孔樹脂R6對柚皮苷和檸檬苦素達到平衡時的吸附率最大，分別為82.87%和69.13%，時間較短，分別為11 h和7 h，且吸附等溫線分別與Langmuir方程、Freundlich方程擬合最好，相關系數(shù)分別為0.995 4、0.993 6，具有良好的靜態(tài)吸附性能，有利于檸檬汁中柚皮苷和檸檬苦素的吸附。

(3)R6樹脂不僅能有效的去除檸檬汁中苦味物質(zhì)而對其他營養(yǎng)成分無明顯影響，而且有利于吸附在樹脂中的柚皮苷和檸檬苦素的回收和分離純化，實際應用性強，適用于檸檬在商業(yè)生產(chǎn)領域中的脫苦。

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