超聲波輔助酸法提取橙皮果膠的工藝研究

祝方清,孟迎平,劉娜,黃朝湯*

(1.湖北大學(xué)知行學(xué)院,武漢 430011;2.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330047)

湖北省秭歸縣作為中國(guó)著名的“臍橙之鄉(xiāng)”,歷史悠久,位于長(zhǎng)江三峽河谷地區(qū)。此臍橙因果大無(wú)核、皮薄、果肉鮮嫩等特點(diǎn)以及良好的食用和藥用價(jià)值,成為人們?nèi)粘＿x購(gòu)的水果之一[1]。在秭歸臍橙的食用和加工過(guò)程中,大量臍橙皮作為廢棄物被丟棄,導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[2]。但臍橙皮中含有豐富的有效成分,包括果膠、香精油、橙皮苷和色素等多種物質(zhì)。近年來(lái),商業(yè)果膠的主要提取來(lái)源是蘋果、南瓜果肉、甜菜果肉、蔬菜組織等,對(duì)秭歸臍橙皮果膠提取的研究鮮有報(bào)道[3]。因此,本文將選取秭歸臍橙皮提取果膠,既可有效提高秭歸臍橙的利用價(jià)值,也可促進(jìn)秭歸臍橙產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

果膠是一種呈白色或淺黃色的天然植物多糖,廣泛存在于高等植物細(xì)胞壁中,按酯化度的不同可將其分為低酯果膠和高酯果膠兩種類型[4-5]。隨著功能性多糖的開發(fā)利用,果膠在食品、醫(yī)藥和化妝品等工業(yè)開發(fā)方面具有廣泛的應(yīng)用和實(shí)踐價(jià)值[6-8]。果膠不僅可作為一種天然食品添加劑,如凝膠劑、穩(wěn)定劑和乳化劑等,而且具有多種生理活性作用,如抗菌、抗腫瘤、抗氧化、調(diào)節(jié)免疫活性等[9-10]。目前,國(guó)內(nèi)超過(guò)80%的果膠需依賴進(jìn)口且價(jià)格昂貴。因此,提取秭歸臍橙皮果膠不僅具有巨大的發(fā)展?jié)摿?而且有著非常廣闊的商業(yè)前景。

目前,傳統(tǒng)的果膠提取方法主要有酸提取法、水提取法、堿提取法和超聲波提取法等[11-12]。其中,單一的酸提取工藝較復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng),且果膠的酯化度低[13];水提取法不僅不能使果膠最大量地溶出,而且提取的果膠純度低;堿法提取果膠成本較大且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。超聲波提取法即在超聲過(guò)程中利用超聲波產(chǎn)生的“空化作用”,使細(xì)胞充分破碎,內(nèi)容物流出[14]。隨著果膠提取工藝的不斷深入研究,超聲波輔助酸法提取果膠具有操作簡(jiǎn)單、成本低、耗時(shí)短、提取率高等優(yōu)點(diǎn)。因此,本文利用超聲波輔助酸法提取秭歸臍橙皮果膠。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

秭歸臍橙:產(chǎn)于湖北省宜昌市秭歸縣;鹽酸(分析純);95%乙醇(分析純);51目篩。

1.2 儀器與設(shè)備

UP500H超聲波清洗器 南京壘君達(dá)超聲電子設(shè)備有限公司;PHS-25 pH酸度計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;TG16G臺(tái)式高速離心機(jī) 常州市金壇高科儀器廠;DK-S22電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;JYT-10A電子分析天平 上海光正醫(yī)療儀器有限公司;101-1EBS電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海科恒實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 臍橙皮果膠提取工藝流程

1.3.1.1 臍橙皮預(yù)處理

新鮮秭歸臍橙剝皮→清洗漂洗→煮沸10 min→切粒(2～3 mm)→沸水漂燙→烘箱干燥至恒重→粉碎→過(guò)篩→臍橙皮粉末→置于干燥器皿中備用。

1.3.1.2 果膠提取工藝

取10.0 g臍橙皮粉末,加入一定體積的蒸餾水和稀鹽酸,將pH值調(diào)至酸性,使之充分發(fā)生水解反應(yīng)。隨后,在500 W功率和40 kHz頻率條件下,將溶液置于一定溫度的超聲波清洗器中浸提。浸提一定時(shí)間后,將其置于4 000 r/min離心機(jī)中高速離心15 min。取上清液,加入1.5倍體積的95%乙醇溶液,充分混勻,靜置2 h。待其析出絮狀沉淀后,進(jìn)行離心,取出膠狀沉淀物,并置于55 ℃恒溫烘箱中干燥至恒重,即獲得果膠成品。

果膠提取率(%)=干果膠質(zhì)量(g)/臍橙皮粉質(zhì)量(g)×100%。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

在超聲波清洗器一定的條件下,探究pH值(1.0,2.0,3.0,4.0,5.0)、料液比(1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50)、提取溫度(40,50,60,70,80 ℃)、提取時(shí)間(30,40,50,60,70 min)對(duì)臍橙皮果膠提取率的影響,確定各因素的最佳范圍。

1.3.3 正交試驗(yàn)

利用四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)探究pH值(1.5,2.0,2.5)、料液比(1∶15、1∶20、1∶25)、提取溫度(60,70,80 ℃)和提取時(shí)間(40,50,60 min)在互相影響情況下對(duì)臍橙皮果膠提取率的影響,最終確定最優(yōu)提取工藝,正交試驗(yàn)水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.4 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素和正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原則,以臍橙皮果膠提取率為響應(yīng)值,pH值(A)、料液比(B)和提取溫度(C)為考察因素,設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn),因素水平見表2。

表2 Box-Behnken因素水平表Table 2 Factors and levels of Box-Behnken

2 結(jié)果與分析

2.1 果膠提取單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 pH值對(duì)果膠提取率的影響

由圖1可知,pH值在1.0～2.0之間時(shí),隨著pH值的增加,提取率逐漸增加,pH值為2.0時(shí),果膠提取率達(dá)到最大值,約為22.89%。pH值在2.0～5.0之間時(shí),隨著pH值的增加,提取率反而大幅下降。這主要是由于pH值在酸度較大的范圍內(nèi),非水溶性果膠越容易轉(zhuǎn)化成水溶性果膠,使果膠提取率提高[15]。值得注意的是,pH值的酸度過(guò)強(qiáng)時(shí),果膠會(huì)發(fā)生大量水解,造成提取率下降。而pH值在酸性較弱的情況下,非水溶性果膠轉(zhuǎn)化為水溶性果膠的能力隨之降低,則會(huì)大大降低提取率[16]。因此,pH作為果膠提取非常關(guān)鍵的控制點(diǎn),選擇pH 2.0最佳。

圖1 pH值對(duì)果膠提取率的影響Fig.1 Effect of pH value on the extraction rate of pectin

2.1.2 料液比對(duì)果膠提取率的影響

由圖2可知,料液比在1∶10～1∶20時(shí),隨著料液比的增加,提取率逐漸升高,料液比為1∶20時(shí),果膠提取率達(dá)到最大值,約為22.12%。料液比在1∶20～1∶50之間時(shí),隨著料液比的增加,提取率逐漸下降。這主要是由于料液比過(guò)小會(huì)造成橙皮粉不能充分溶解且不易攪拌均勻,致使溶液黏度過(guò)大,使果膠不易析出。同樣地,當(dāng)料液比過(guò)大時(shí),果膠與乙醇的接觸面積增大,過(guò)分溶解使?jié)舛茸兊?易析出更多雜質(zhì)[17]。因此,臍橙皮果膠提取率最優(yōu)料液比為1∶20。

圖2 料液比對(duì)果膠提取率的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of pectin

2.1.3 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響

由圖3可知,提取溫度在40～70 ℃時(shí),隨著提取溫度的升高,提取率逐漸升高,提取溫度為70 ℃時(shí),果膠提取率達(dá)到最大值,約為23.31%。提取溫度在70～80 ℃之間時(shí),果膠提取率隨提取溫度的增加而下降。這主要是由于一定的溫度有利于果膠分子的運(yùn)動(dòng)和溶解,加速果膠的溶出,致使果膠提取率升高。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),果膠分子在高溫下遭到破壞,其更容易發(fā)生脫脂反應(yīng)和聚合物降解,造成果膠提取率下降[18]。因此,臍橙皮果膠提取率最優(yōu)溫度為70 ℃。

圖3 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on the extraction rate of pectin

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

由圖4可知,提取時(shí)間在30～50 min時(shí),隨著提取時(shí)間的增加,提取率逐漸升高,提取時(shí)間為50 min時(shí),果膠提取率達(dá)到最大值,約為23.51%。提取時(shí)間在50～70 min之間時(shí),隨著提取時(shí)間的增加,提取率反而大幅下降。這主要是由于提取時(shí)間過(guò)短導(dǎo)致空化時(shí)間短,果膠分子未完全受到超聲波處理,使果膠析出減少;當(dāng)提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),果膠過(guò)度溶解,長(zhǎng)鏈被破壞,導(dǎo)致雜質(zhì)析出增多,影響果膠品質(zhì)[19]。因此,臍橙皮果膠提取率最優(yōu)提取時(shí)間為50 min。

圖4 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響Fig.4 Effect of extraction time on the extraction rate of pectin

2.2 臍橙皮果膠正交試驗(yàn)

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

在單因素試驗(yàn)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,對(duì)pH值、料液比、提取溫度和提取時(shí)間進(jìn)行多因素正交試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3。通過(guò)極差分析得出,影響果膠提取率的主次順序是A(pH值)>C(提取溫度)>B(料液比)>D(提取時(shí)間),最佳提取配方是A1B2C2D3,即pH值為1.5,料液比為1∶20,提取溫度為70 ℃,提取時(shí)間為60 min。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 3 Orthogonal test results and analysis

2.2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

取10.0 g臍橙皮,根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果得出的最優(yōu)條件進(jìn)行試驗(yàn),先將提取液pH調(diào)至1.5、料液比為1∶20放置在超聲處理器中,在提取溫度為70 ℃、提取時(shí)間為60 min的條件下,果膠提取率平均值為24.23%。

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 回歸模型的建立與方差分析

根據(jù)Box-Behnken軟件設(shè)計(jì)原理,確定pH值、料液比和提取溫度作為響應(yīng)因素,果膠提取率作為響應(yīng)值,進(jìn)行響應(yīng)面工藝優(yōu)化試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表4。

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 4 Response surface test design table

運(yùn)用Design Expert V8.0.6軟件對(duì)表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到臍橙皮果膠提取的回歸方程為Y=+13.40-0.3A+0.48B+0.28C-0.43AB+0.53AC+0.33BC-3.37A2-0.76B2-0.79C2。對(duì)二次回歸方程進(jìn)行分析,結(jié)果見表5。

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 5 Variance analysis of response surface test results

由表5可知,所建立模型的F值為4.66(P<0.05),失擬項(xiàng)的F值為0.43(P>0.05),表明該模型建立成功,可作為果膠提取工藝研究的結(jié)果。根據(jù)F值可以得出,各因素對(duì)臍橙皮果膠提取率影響順序?yàn)锽(料液比)>A(pH值)>C(提取溫度)[20-21]。

2.3.2 響應(yīng)面分析

pH值、料液比和提取溫度3個(gè)因素之間的交互作用對(duì)臍橙皮果膠提取影響的響應(yīng)面及等高線見圖5～圖7。結(jié)果表明,所選3個(gè)因素的交互作用不大,與方差分析的結(jié)果相一致。料液比相較于pH值和提取溫度的曲線較陡峭,表明料液比對(duì)臍橙皮果膠提取的影響最顯著。當(dāng)固定料液比時(shí),pH值的曲線比提取溫度陡峭,表明pH值比提取溫度的影響大。

圖5 pH值與料液比交互作用的響應(yīng)面及等高線Fig.5 Response surface diagram and contour plot of the interaction between pH value and liquid-solid ratio

圖6 pH值和提取溫度交互作用的響應(yīng)面及等高線Fig.6 Response surface diagram and contour plot of the interaction between pH value and extraction temperature

圖7 料液比和提取溫度交互作用的響應(yīng)面及等高線Fig.7 Response surface diagram and contour plot of the interaction between solid-liquid ratio and extraction temperature

2.3.3 最佳工藝的確認(rèn)及驗(yàn)證

采用Design Expert軟件,通過(guò)模型預(yù)測(cè)臍橙皮果膠提取的最佳工藝為pH值2、料液比1∶20、提取溫度70 ℃。在該條件參數(shù)下進(jìn)行3次平行試驗(yàn),臍橙皮果膠提取率為25.38%。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化了超聲波輔助酸法提取臍橙皮果膠的工藝。運(yùn)用Design Expert軟件建立了臍橙皮果膠提取的最優(yōu)工藝條件,最優(yōu)條件pH值2、料液比1∶20、提取溫度70 ℃下,橙皮果膠的提取率為25.38%。以超聲波輔助酸法提取果膠的工藝不僅能縮短提取時(shí)間、簡(jiǎn)化繁雜的工藝流程,而且能顯著提升果膠的提取率,為日后超聲波輔助酸法在食品工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。