微波輔助提取胡蘿卜果膠的工藝優(yōu)化

趙強(qiáng)，張敏，許靂，趙二勞

（忻州師范學(xué)院化學(xué)系，山西忻州034000）

果膠是廣泛存在于植物細(xì)胞壁中的一類復(fù)雜多糖，具有良好的增稠、穩(wěn)定、膠凝和乳化作用，常作為增稠劑、穩(wěn)定劑、膠凝劑和乳化劑廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品、印染等行業(yè)[1-2]。有關(guān)資料[3-4]表明，我國(guó)年需果膠約1 500 t，并呈高速增長(zhǎng)趨勢(shì)，但80%的果膠靠進(jìn)口，而進(jìn)口果膠價(jià)格遠(yuǎn)高于國(guó)產(chǎn)果膠。可見，大力開展果膠的研究開發(fā)，尋求生產(chǎn)果膠的新資源，探索提高我國(guó)果膠質(zhì)量與產(chǎn)量的新工藝，是極具實(shí)際意義的工作。

胡蘿卜為傘形科，一年或二年生的根菜，我國(guó)栽培普遍，資源豐富。從胡蘿卜中提取果膠已有報(bào)道[5]，但采用微波法從胡蘿卜中提取果膠鮮見報(bào)道。已有研究[6-7]證明，微波法是一種具有選擇性強(qiáng)、操作時(shí)間短、溶劑用量小、目標(biāo)組分提取率高等特點(diǎn)的有效可行的果膠提取方法。為此，本文在單因素分析的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化微波輔助提取胡蘿卜中果膠的工藝條件，并與傳統(tǒng)水提法進(jìn)行比較，以期為胡蘿卜中果膠的開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

胡蘿卜：購(gòu)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)；果膠（Pectin from Citrus）；日本東京化成工業(yè)株式會(huì)社；咔唑（分析純）：北京化學(xué)試劑公司；其余鹽酸、濃硫酸、無水乙醇、乙醚等試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

723型可見分光光度計(jì)：上海光譜儀器有限公司；LWMC-201型微電腦微波化學(xué)反應(yīng)器：南京陵江科技開發(fā)有限責(zé)任公司；AL204型電子天平、FE20實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)：上海梅特勒-托利多儀器有限公司；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：河南鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。

1.2 方法

1.2.1 原料預(yù)處理

新鮮胡蘿卜洗凈，切塊，榨汁機(jī)粉碎后，將其在沸水中煮7 min～10 min滅酶，使果膠酶失活，以避免提取過程中果膠的流失。過濾，用無水乙醇洗滌數(shù)次，再用無水乙醚對(duì)濾渣脫色，乙醚揮發(fā)除去，收集沉淀干燥待用[8]。

1.2.2 胡蘿卜中果膠的提取

稱取一定量預(yù)處理后的胡蘿卜粉，以水為提取液，用鹽酸調(diào)節(jié)pH，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的料液比、時(shí)間、功率、提取液pH下，進(jìn)行微波提取，提取液過濾后，濃縮定容，為待測(cè)液。

1.2.3 胡蘿卜中果膠含量測(cè)定

果膠測(cè)定采用硫酸咔唑比色法[8]，其原理是果膠水解生成半乳糖醛酸，在硫酸溶液中與咔唑試劑作用，生成紫紅色化合物，其呈色強(qiáng)度與半乳糖醛酸的濃度成正比。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，取8支25 mL的比色管，各加入12.0 mL濃硫酸，置于冰水浴中，邊冷卻邊分別加入2 mL濃度為 0、10、20、30、40、50、60、70 μg/mL 的果膠標(biāo)準(zhǔn)溶液，充分混合后再置于冰水浴中冷卻。然后在沸水浴中加熱10 min，冷卻至室溫后，各加入0.15%咔唑乙醇溶液1 mL，搖勻，室溫下放置反應(yīng)30 min后，以未加果膠的比色管中溶液為參比，在波長(zhǎng)530 nm處測(cè)定吸光度，以濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程為：A=0.0054 C－0.011 4 ，R2=0.999 5，式中：A為所測(cè)溶液的吸光度值；C為溶液中果膠的濃度，（μg/mL）。在 0.8 μg/mL～5.6 μg/mL 范圍內(nèi)果膠濃度與其吸光度值呈良好的線性關(guān)系。胡蘿卜中果膠的提取率按下式計(jì)算，即：

果膠提取率/%=（提取果膠質(zhì)量/原料總質(zhì)量）×100

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 料液比對(duì)果膠提取率的影響

在微波功率260 W，提取液pH=2.0，提取時(shí)間為3.5 min時(shí)，考察料液比（g/mL）對(duì)果膠提取的影響，結(jié)果如圖1。

圖1 料液比對(duì)果膠提取率的影響Fig.1 Effect of material-liquid rate on extraction rate

由圖1可知，料液比對(duì)果膠提取的影響較大，料液比太小，則提取液黏度大濃度梯度小，不利于果膠的溶出，提取不充分。當(dāng)料液比增大時(shí)，果膠提取率增高，料液比為1∶350時(shí)，果膠提取率最大。當(dāng)料液比超過1∶350時(shí)，提取率開始下降，所以選用料液比（g/mL）為 1∶350。

2.1.2 提取液pH對(duì)果膠提取率的影響

在料液比為 1∶350（g/mL），微波功率 260 W，提取時(shí)間為3.5 min的條件下，考察提取液pH對(duì)果膠提取的影響，結(jié)果如圖2。

圖2 提取液pH對(duì)果膠提取率的影響Fig.2 Effect of pH of extraction solution on extraction rate

從圖2可知，提取液酸度對(duì)提取率的影響明顯，隨著提取液pH的增大，果膠提取率先增后降。其原因可能是提取液pH過低，原果膠水解過度，果膠脫脂裂解，導(dǎo)致果膠提取率下降；提取液pH較高，原果膠水解不完全，也會(huì)導(dǎo)致果膠提取率不高。實(shí)驗(yàn)選定提取液的pH為2.0。

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

在料液比為 1∶350（g/mL），提取液 pH=2.0，微波功率260 W的條件下，考察提取時(shí)間對(duì)果膠提取的影響，結(jié)果如圖3。

圖3 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響Fig.3 Effect of time of extraction on extraction rate

由圖3可以看出，果膠提取率隨提取時(shí)間的增加而增加，當(dāng)提取時(shí)間大于3.5 min后，果膠提取率變化不大，綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選定提取時(shí)間為3.5 min。

2.1.4 微波功率對(duì)果膠提取率的影響

在料液比為 1∶350（g/mL），提取液 pH=2.0，提取時(shí)間為3.5 min的條件下，考察微波功率對(duì)果膠提取的影響，結(jié)果如圖4。

圖4 微波功率對(duì)果膠提取率的影響Fig.4 Effect of microwave power on extraction rate

由圖4可知，隨著微波功率的增加，果膠提取率逐漸增大，當(dāng)微波功率大于325 W時(shí)，果膠提取率下降。這是因?yàn)楣β实脑龃螅欣谠z的水解，促使胡蘿卜中不溶性果膠更快的水解成可溶性果膠，但功率過高，果膠水解過于強(qiáng)烈，使果膠裂解為多糖分子，使果膠提取率下降，綜合考慮選取微波功率為260 W。

2.2 胡蘿卜中果膠的微波輔助提取工藝優(yōu)化——正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，以料液比，提取時(shí)間，微波功率，提取液pH為因素，果膠提取率為考察指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素水平設(shè)計(jì)見表1。試驗(yàn)結(jié)果與方差分析見表2、表3。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 The design of orthogonal test

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of orthogonal test

表3 正交試驗(yàn)的方差分析Table 3 The variance analysis of orthogonal test

由表2的極差分析可知，各因素對(duì)果膠提取率影響的主次順序?yàn)锳＞D＞C＞B，即料液比＞pH＞時(shí)間＞功率。各因素的優(yōu)化組合為A2B3C2D1，由表3的方差分析可知，料液比對(duì)果膠提取率的影響達(dá)到顯著水平。最后選取A2B3C2D1為最佳提取工藝，即微波功率325 W，提取液pH為1.5，提取時(shí)間為3.5 min，料液比（g/mL）為 1∶350。

2.3 微波法與酸水解法的比較

按照實(shí)驗(yàn)確定的微波輔助提取最佳工藝條件進(jìn)行胡蘿卜中果膠的提取，平行實(shí)驗(yàn)3次，并與水提法比較，結(jié)果見表4。

表4 微波法與水提法的比較Table 4 The comparison of microwave-assisted extraction and water extraction

由表4可知，采用確定的最佳工藝提取時(shí)，胡蘿卜中果膠提取率均高于其它正交試驗(yàn)提取率，說明試驗(yàn)確定的最佳工藝較合理，穩(wěn)定性較高。同時(shí)可知微波輔助提取法與傳統(tǒng)水提法相比，不僅大大縮短了提取時(shí)間，而且果膠提取率也增加了7.98%，表明微波輔助提取法省時(shí)高效。

3 結(jié)論

微波輔助提取胡蘿卜中果膠的最佳工藝條件為：料液比 1∶350（g/mL），提取液 pH1.5，提取時(shí)間 3.5 min，微波功率325 W。此條件下，胡蘿卜中果膠的提取率可達(dá)20.46%。與傳統(tǒng)水提法相比，提取時(shí)間大大縮短，果膠提取率增加了7.98%。表明微波輔助提取法是一種省時(shí)高效的胡蘿卜果膠提取方法。

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