超聲波輔助果膠酶提取香蕉皮中果膠研究

孟麗聰，幺 琳，王 巖

（1．唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山063000；2．唐山賽特爾環(huán)境技術(shù)有限公司，河北 唐山063000）

果膠是從植物材料中制備的一種膠狀多聚體，屬于天然高分子多糖聚合物，是膳食纖維的主要成分，具有良好的膠凝性和乳化穩(wěn)定性，在食品、藥品、保健品行業(yè)有著廣泛用途［1－2］。香蕉皮約占全果重的40%，是香蕉深加工過(guò)程的主要廢棄物，但其果膠含量較高，若能從中提取果膠，是香蕉皮綜合利用的有效途徑，從而提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)酸法提取果膠存在著許多缺點(diǎn)（得率低、能耗高、污染環(huán)境等）［3－4］。而超聲波具有多級(jí)物理效應(yīng)（機(jī)械振動(dòng)、空化、微射流及微聲流等），能促使植物細(xì)胞壁破裂，可作為一種提取天然產(chǎn)物的輔助方法。酶法提取天然產(chǎn)物具有條件溫和、能耗低、無(wú)污染的特點(diǎn)，是針對(duì)生物制藥所設(shè)計(jì)的一種新型的植物提取工藝［5－7］。果膠酶是指能夠分解果膠質(zhì)的一類(lèi)復(fù)合酶，廣泛存在于各種微生物中，主要分為原果膠酶、解聚酶和果膠酯酶［8－10］。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)超聲波對(duì)香蕉皮進(jìn)行處理，再聯(lián)合果膠酶提取其中的果膠，擬為香蕉皮果膠的綠色提取開(kāi)辟一種新的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)原料：新鮮香蕉（產(chǎn)地：海南）。

實(shí)驗(yàn)原料預(yù)處理：將鮮香蕉皮經(jīng)過(guò)洗滌，浸沒(méi)90℃的熱水中10 min后剪切成5 mm左右備用。

主要實(shí)驗(yàn)試劑：果膠酶（上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司），鹽酸（唐山市路北區(qū)化工廠(chǎng)），濃硫酸（唐山市路北區(qū)化工廠(chǎng)），無(wú)水乙醇（天津市永大化學(xué)試劑有限公司）。

主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：SHZ－D（Ⅲ）型循環(huán)水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司），HH－Z型數(shù)顯恒溫水浴鍋（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司），KQ3200B型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），TDL－40B型離心機(jī)（無(wú)錫瑞江離心機(jī)）。

1．2 工藝流程

將原料置于燒杯中加入蒸餾水，用稀鹽酸調(diào)節(jié)p H值，在超聲波清洗器中進(jìn)行處理，加入果膠酶，恒溫提取，90℃水浴滅酶，趁熱抽濾，醇析后離心分離，最后干燥得到產(chǎn)品。其工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

本實(shí)驗(yàn)擬改變超聲處理溫度、時(shí)間；酶法中酶提取液料比、溫度、時(shí)間、酶用量，以考察最佳的工藝參數(shù)。

1．3 果膠產(chǎn)率的計(jì)算

2 結(jié)果與討論

2．1 最適超聲提取溫度的確定

圖2為超聲提取溫度對(duì)果膠產(chǎn)率的影響，由此可知，50～70℃時(shí)隨著超聲溫度的上升，果膠產(chǎn)率增加；70℃以后果膠產(chǎn)率下降。這是因?yàn)闇囟仍黾樱崛∠到y(tǒng)的能量增加，分子運(yùn)動(dòng)加劇，有利于果膠的提取；但溫度過(guò)高，會(huì)加劇果膠水解，質(zhì)量減少，不利于提取。所以超聲提取溫度確定為70℃。

圖2 超聲提取溫度對(duì)果膠產(chǎn)率的影響

2．2 最適超聲提取時(shí)間的確定

圖3為超聲提取時(shí)間對(duì)果膠產(chǎn)率的影響，由此可知，隨著超聲時(shí)間的增加，果膠產(chǎn)率先漸漸升高，然后在25 min后開(kāi)始下降。這是因?yàn)槌晻r(shí)間的延長(zhǎng)，有利于果膠在固－液兩相中的充分分配；但是隨著時(shí)間繼續(xù)增加，果膠分子中甙鍵和酯鍵會(huì)被破壞，進(jìn)而使其分子量降低，膠凝度下降，又不利于提取，所以超聲處理時(shí)間確定為25 min。

圖3 超聲提取時(shí)間對(duì)果膠產(chǎn)率的影響

2．3 最適酶法提取料液比的確定

圖4為酶法提取料液比對(duì)果膠產(chǎn)率的影響，由此可知，當(dāng)溶劑量增加時(shí)，果膠產(chǎn)率也逐漸增加。這是因?yàn)楫?dāng)溶劑量少時(shí)，物料粘度較大，擴(kuò)散速度慢，難以保證原料中的果膠能夠大量轉(zhuǎn)移到提取液中，使得提取不完全；但當(dāng)溶劑量逐漸上升時(shí)，果膠產(chǎn)率受影響不大，綜合考慮到能耗和乙醇沉淀時(shí)果膠濃度低不利于沉淀的產(chǎn)生，所以料液比確定為1∶4。

圖4 酶法提取料液比對(duì)果膠產(chǎn)率的影響

2．4 最適酶法提取溫度的確定

圖5為酶法提取溫度對(duì)果膠產(chǎn)率的影響，由此可知，當(dāng)酶法提取溫度小于50℃時(shí)，隨著溫度升高，果膠產(chǎn)率逐漸增加，并在50℃時(shí)果膠產(chǎn)率達(dá)到最大；當(dāng)溫度繼續(xù)升高，果膠產(chǎn)率有降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)樯邷囟饶軌蛱岣叻磻?yīng)體系的活化能進(jìn)而提高反應(yīng)速度，但溫度太高又會(huì)使酶液失活，因此在本實(shí)驗(yàn)中選取50℃為酶法提取溫度。

圖5 酶法提取溫度對(duì)果膠產(chǎn)率的影響

2．5 最適酶法提取時(shí)間的確定

圖6為酶法提取時(shí)間對(duì)果膠產(chǎn)率的影響，由圖可知，時(shí)間小于30 min時(shí)，隨著酶法提取時(shí)間的延長(zhǎng)，果膠產(chǎn)率逐漸增加，但當(dāng)提取時(shí)間超過(guò)30 min后，果膠產(chǎn)率有驟然減小趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，果膠分子鏈會(huì)在果膠酶的作用下繼續(xù)發(fā)生降解，最終影響了果膠產(chǎn)率，故將實(shí)驗(yàn)中酶法提取時(shí)間確定為30 min。

圖6 酶法提取時(shí)間對(duì)果膠產(chǎn)率的影響

2．6 最適酶法提取果膠酶用量的確定

圖7為酶法提取果膠酶用量對(duì)果膠產(chǎn)率的影響，由此可知，果膠酶用量低于0．08%時(shí)，隨著果膠酶用量的增加，果膠產(chǎn)率明顯增加；之后，果膠產(chǎn)率增加緩慢。這是因?yàn)殡S著酶的濃度的升高，酶與底物的接觸量增大，酶解反應(yīng)速率增大。但當(dāng)酶的濃度達(dá)到過(guò)飽和時(shí)，過(guò)量的酶難以發(fā)揮作用，導(dǎo)致果膠產(chǎn)率增加緩慢，所以酶法果膠酶用量確定為0．08%。

圖7 酶法提取果膠酶用量對(duì)果膠產(chǎn)率的影響

2．7 最佳酶法提取條件的確定

采用正交法確定最佳酶法提取條件，實(shí)驗(yàn)因素水平與結(jié)果見(jiàn)表1，2。

表1 酶法提取因素水平表

表2 酶法提取正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，極差的決定因素為：酶法提取時(shí)間＞酶法提取溫度＞酶法提取料液比＞酶法提取果膠酶用量。這說(shuō)明，酶法提取時(shí)間和溫度是果膠產(chǎn)率的主要影響因素，而酶法提取料液比和果膠酶用量是影響果膠產(chǎn)率的次要因素。

酶法提取香蕉皮中果膠的最佳條件為：提取料液比1∶4，提取時(shí)間30 min，提取溫度50℃，果膠酶用量0．08%。

2．8 果膠含量的確定

表3 50 g香蕉皮中果膠質(zhì)量

在最佳超聲－酶法提取條件下，平行進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提取方法的重復(fù)性較好。

3 結(jié)論

采用超聲波輔助果膠酶法提取香蕉皮中的果膠，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)確定了超聲處理的最佳條件為：70℃，25 min。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)確定了果膠酶法提取的最佳條件為：液料比1∶4，提取溫度50℃，提取時(shí)間30 min，果膠酶用量0．08%。在最佳提取條件下提取香蕉皮中果膠，所得果膠呈白色，果膠產(chǎn)率為0．615%；相比較采用酸提、醇析法提取香蕉皮中果膠0．39%的得率有很大提高［4］。通過(guò)對(duì)環(huán)境污染較小的果膠酶法和超聲波輔助提取法聯(lián)合使用，使得提取條件溫和、能源消耗降低，避免了因高溫對(duì)果膠類(lèi)化合物的破壞，為香蕉皮果膠的提取開(kāi)辟出一條新途徑。

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