正交試驗(yàn)優(yōu)化超聲波輔助提取石榴皮渣中果膠

孟凡磊 孫樂樂 張立華

摘要：以石榴（Punica granatum L.）皮渣為原料，超聲波輔助酸溶醇沉提取果膠，優(yōu)化超聲輔助提取石榴果膠的條件，為進(jìn)一步開發(fā)利用石榴加工副產(chǎn)物提供依據(jù)。在單因素基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)分析提取溫度、提取時(shí)間、料液比、水酸比對(duì)果膠得率的影響。結(jié)果表明，在超聲波頻率為45 GHz下，提取溫度55 ℃，提取時(shí)間75 min，水酸比為6∶1（mL∶mL）加入2 mol/L的亞硫酸，料液比1∶50（g∶mL），果膠得率達(dá)到34.41%。超聲波輔助法提取石榴皮渣中果膠，得率較高，有開發(fā)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：石榴（Punica granatum L.）皮渣；果膠；超聲波提取

中圖分類號(hào)：TS255.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2018）07-0100-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.07.023

Optimization of Ultrasonic-Assisted Extraction of Pectin from Pomegranate Pomace by Orthogonal Experiments

MENG Fan-lei1，SUN Le-le2，ZHANG Li-hua2

（1.Zao Zhuang Vocational College，Zaozhuang 277800，Shandong，China；2.Zao Zhuang University，Zaozhuang 277160，Shandong，China）

Abstract： Ultrasonic-assisted extraction of acid-solution and alcohol precipitation was applied to extract pectin from pomegranate（Punica granatum L.） pomacel. The optimum conditions of ultrasonic-assisted extraction of pectin from pomegranate pomacel were determined and provided basis for further exploitation of by-products in pomegranate processing. Based on single factor test，orthogonal experiments were designed to optimize the influences of extracting temperature，extracting time，the ratio of solid to liquid and water to acid on the pectin yield. Results showed that at the ultrasonic frequency of 45 GHz，extracting temperature of 55 ℃， an extraction time of 75 min，water-acid ratio of 6∶1（mL∶mL），the add of sulphurous acid of 2 mol/L，solid-liquid ratio of 1∶50（g∶mL），the yield of pectin was 34.41%. By the study of ultrasonic-assisted extraction of pectin from pomegranate pomace，the extraction rate was high and pomegranate pomace had very high value of development and utilization.

Key words： pomegranate（Punica granatum L.） pomace；pectin；ultrasonic-assisted extraction

果膠是一類富含半乳糖醛酸的植物細(xì)胞壁多糖的總稱[1]，廣泛存在于植物細(xì)胞壁的初生壁和細(xì)胞中間片層[2]。果膠是一種極具價(jià)值的水溶性膳食纖維，具有降血脂、降膽固醇、抗輻射、吸附重金屬離子、潤(rùn)腸通便等作用，還可被大腸中的腸道菌群發(fā)酵生成短鏈的脂肪酸，降低腸道pH，殺死有害菌，并促進(jìn)有益菌增殖[3]，也有研究表明果膠能夠起到預(yù)防癌癥的作用[4]。果膠作為天然食品添加劑和保健品，已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥保健品和一些化妝品中。目前，國(guó)內(nèi)的果膠需求量在5 000 t/年左右，其中80%來自進(jìn)口，國(guó)內(nèi)果膠生產(chǎn)能力不足，且產(chǎn)品質(zhì)量較進(jìn)口果膠要差，商業(yè)化生產(chǎn)果膠的原料主要是柑橘皮及蘋果皮[5]。此外，有大量研究從豆腐柴[6]、香蕉皮[7]、向日葵[8]、甘薯[9，10]及薜荔籽[11，12]等副產(chǎn)物中提取果膠。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)石榴（Punica granatum L.）栽植總面積共6.7萬hm2，居于世界第一位[13]，其中山東棗莊的石榴種植規(guī)模最大，種植面積約1萬hm2，品種50多個(gè)，年產(chǎn)量約68 000 t。石榴果皮、根、花皆可入藥，同時(shí)石榴果實(shí)除直接食用外，還被用來加工成石榴汁、石榴酒，石榴被加工后，產(chǎn)生10%～15%的皮渣，多被直接遺棄，其中含有較高比例的果膠，造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。目前，有關(guān)石榴皮渣的果膠提取研究較少，本研究利用酸提取法，輔以超聲波技術(shù)，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，通過正交試驗(yàn)，對(duì)石榴皮渣的果膠提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)提取工藝，為石榴資源的充分利用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

石榴皮渣由棗莊石榴加工企業(yè)提供，亞硫酸、氫氧化鈉、無水乙醇（均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司），廣泛pH試紙（上海三愛思試劑有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

TDL-40B型臺(tái)式離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）；DHG-9141A型電熱恒溫干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；YP2002型電子天平、FA1104型分析天平（上海越平科學(xué)儀器有限公司）；KS-300EI型超聲波清洗機(jī) （寧波海曙科生超聲設(shè)備有限公司）；RE52CS-1型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海亞榮生化儀器廠）；SHZ-DⅢ型循環(huán)水真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程 原料預(yù)處理→超聲波輔助酸液提取→尼龍布過濾→粗濾液→離心分離→上清液→濃縮→醇沉→靜置→離心分離→烘干→石榴皮渣果膠。

1）原料預(yù)處理：取石榴皮渣于干燥箱內(nèi)低溫烘至恒質(zhì)量，將干燥后的石榴皮渣粉碎后，過200目篩。

2）果膠提取：取一定量石榴皮渣粉末，按照一定的料液比、水酸比，加入質(zhì)量濃度為2 mol/L的亞硫酸，搖勻，置于40 kHz的超聲波清洗器中，在一定溫度下處理一段時(shí)間，經(jīng)過80目尼龍布的過濾，取粗濾液進(jìn)行離心，4 000 r/min離心20 min，取上清液，提取的上清液在蒸發(fā)儀上進(jìn)行濃縮，濃縮至適宜體積后用70%的乙醇溶液漂洗3次，最終獲得棉絮狀沉淀，并在55 ℃的恒溫干燥箱中烘至無水的干燥狀態(tài)，進(jìn)行稱量。

1.3.2 單因素試驗(yàn) 考察料液比、水酸比、提取溫度和提取時(shí)間對(duì)果膠得率的影響，通過單因素試驗(yàn)選取正交試驗(yàn)的因素和水平，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1）提取溫度對(duì)果膠得率的影響：稱取石榴皮渣粉末2.000 g，設(shè)定提取溫度為25、35、45、55、65 ℃，提取時(shí)間為45 min，提取溶劑水酸比為25∶1（mL∶mL，下同），其中亞硫酸的濃度為2 mol/L，料液比為1∶30（g∶mL，下同），按照“1.3.1”的方法進(jìn)行提取和測(cè)定。

2）提取時(shí)間對(duì)果膠得率的影響：稱取石榴皮渣粉末2.000 g，設(shè)定提取溫度為45 ℃、提取時(shí)間為15、30、45、60、75 min，提取溶劑水酸比為25∶1，其中亞硫酸濃度為2 mol/L，料液比為1∶30，按照“1.3.1”的方法進(jìn)行提取和測(cè)定。

3）水酸比對(duì)果膠得率的影響：稱取石榴皮渣粉末2.000 g，設(shè)定提取溫度為45 ℃、提取時(shí)間為45 min，提取溶劑水酸比為60∶1、60∶5、60∶9、60∶13、60∶17，其中亞硫酸濃度為2 mol/L，料液比為1∶30，按照“1.3.1”的方法進(jìn)行提取和測(cè)定。

4）料液比對(duì)果膠得率的影響：稱取石榴皮渣粉末2.000 g，設(shè)定提取溫度為45 ℃、提取時(shí)間為45 min，提取溶劑水酸比為25∶1，其中亞硫酸的濃度為2 mol/L，料液比為1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60，按照“1.3.1”的方法進(jìn)行提取和測(cè)定。

1.3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以提取溫度、提取時(shí)間、水酸比、料液比4個(gè)因素的3個(gè)水平，按照L9（34）正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，因素水平如表1所示。

1.3.4 果膠得率計(jì)算

得率=■×100%

式中，M1為石榴皮渣粉末的質(zhì)量（g）；M2為果膠的質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 提取溫度對(duì)石榴皮渣果膠得率的影響 由圖1可知，提取溫度較低時(shí)，會(huì)使石榴皮渣果膠無法完全轉(zhuǎn)移到提取液中，得率也較低；隨著溫度逐漸升高，果膠的提取效率會(huì)增加，果膠得率隨之增加；在提取溫度55 ℃時(shí)達(dá)到最大，但隨著溫度繼續(xù)升高，果膠得率會(huì)有所下降，可能過高的溫度會(huì)破壞果膠。

2.1.2 提取時(shí)間對(duì)石榴皮渣果膠得率的影響 由圖2可知，提取時(shí)間過短，石榴皮渣果膠無法充分地轉(zhuǎn)移到提取液中，得率較低；隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，果膠得率會(huì)隨之增加；當(dāng)提取時(shí)間達(dá)到60 min后，果膠得率基本達(dá)到穩(wěn)定；提取時(shí)間在75 min時(shí)，得率稍有升高，但是升高不明顯。

2.1.3 水酸比對(duì)石榴皮渣果膠得率的影響 由圖3可知，加酸量較少時(shí)，石榴皮渣果膠無法充分溶解進(jìn)入酸中，不利于果膠的提取；隨著加酸量的增加，果膠得率隨之升高；在水酸比為60∶13時(shí)，果膠得率達(dá)到最高，但是當(dāng)加酸量大于這個(gè)比例的時(shí)候，可能由于果膠會(huì)被分解，得率有所下降。

2.1.4 料液比對(duì)石榴皮渣果膠得率的影響 由圖4可知，料液比過高的時(shí)候，石榴皮渣果膠不能被充分提取出來，可能是果膠無法充分溶解于酸液中，隨著料液比的減小果膠得率上升，當(dāng)料液比達(dá)到1∶50時(shí)，果膠得率趨于平穩(wěn)，故綜合考慮到能耗，采用料液比為1∶50的條件更為合適。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，極差的大小順序?yàn)镃>A>D>B，即水酸比>提取溫度>料液比>提取時(shí)間。這說明，水酸比和提取溫度是影響果膠得率的最主要因素，而料液比和提取時(shí)間是影響果膠得率的次要因素。從試驗(yàn)結(jié)果來看，A3B1C3D2的組合效果最好，果膠得率達(dá)到33.88%。從正交試驗(yàn)結(jié)果的水平上看，A3B3C3D2的組合最好。將兩種組合按照酸法提取果膠，計(jì)算提取液中果膠含量，結(jié)果取平均值來進(jìn)行放大試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，A3B1C3D2組合的平均果膠得率為33.12%，A3B3C3D2組合的平均果膠得率為34.41%。

3 討論

果膠在提取過程中主要受提取時(shí)水酸比、提取溫度、料液比和提取時(shí)間的影響，其中水酸比的影響作用更大，隨著酸量的增加，果膠的提取效率增加，但是酸量過少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致果膠不穩(wěn)定，進(jìn)而分解成果膠酸，使得得率下降；加酸量過多時(shí)，提取液中酸液濃度過高導(dǎo)致果膠質(zhì)水解，得到的果膠會(huì)被進(jìn)一步脫酯裂解，且過濾時(shí)容易隨溶液而濾掉，產(chǎn)品的回收率降低，同時(shí)也使得果膠色澤加深[14]。

關(guān)于提取時(shí)間的影響，當(dāng)超聲波功率一定時(shí)，超聲波處理時(shí)間與組織細(xì)胞中細(xì)胞壁的破碎程度有關(guān)，時(shí)間縮短，則超聲波產(chǎn)生的能量也就越小，在溶液中形成的空化現(xiàn)象減少，對(duì)細(xì)胞壁的破壞程度減小，使得細(xì)胞內(nèi)溶出原果膠的量相對(duì)減少，減少了果膠的提取效果；時(shí)間延長(zhǎng)，超聲波作用產(chǎn)生的能量也就越大，有利于溶液中空穴的形成，產(chǎn)生更多的空穴泡，使細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，易于原果膠溶出，增強(qiáng)了果膠的提取效果，使提取液中果膠含量升高[15]。

關(guān)于料液比的影響，它決定了溶液的黏稠度，超聲波在對(duì)材料進(jìn)行破壁操作時(shí)，能否形成空穴現(xiàn)象受液體黏稠度的影響。料液比較小時(shí)，液體的黏度較大，不易形成空穴泡和沖擊波壓力，并且由此引起的剪切應(yīng)力較小，不足以使細(xì)胞內(nèi)液體發(fā)生流動(dòng)，對(duì)細(xì)胞的破碎程度相應(yīng)較小，不能保證植物組織中的果膠質(zhì)完全轉(zhuǎn)移到溶液中，造成提取不徹底，得率低；料液比較大時(shí)，液體黏度較低，形成的空穴和沖擊波壓力利于細(xì)胞壁中原果膠等有效成分的釋放，但是當(dāng)料液比增大到一定值時(shí)，溶液中所增加的從細(xì)胞壁釋放出來的原果膠量不如初始提高料液比時(shí)的大，再者，料液比太大，溶液中的果膠濃度低，后續(xù)處理時(shí)會(huì)提高操作的能耗和費(fèi)用，造成不必要的浪費(fèi)[15]。

關(guān)于提取溫度的影響，原果膠水解為水溶性果膠需要在一定的溫度下才能進(jìn)行，溫度太低，只有部分原果膠轉(zhuǎn)化為果膠，水解不完全，產(chǎn)量較低，且提取速度小，提取時(shí)間長(zhǎng)，再者由于提取果膠時(shí)pH相對(duì)較低，長(zhǎng)時(shí)間在此條件下，果膠還會(huì)過度脫醋，降低果膠的膠凝度，影響其品質(zhì)；將提取溫度升高，可以加速原果膠的水解，使不溶性的果膠徹底轉(zhuǎn)化為水溶性的果膠，并且能夠縮短提取時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，但是由于果膠的耐熱性較差，所以在過高溫度下提取時(shí)，會(huì)使生成的果膠因?yàn)樗獬潭葎×叶M(jìn)一步降解成果膠酸，導(dǎo)致產(chǎn)量下降[16]。

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