活性炭－超聲波聯合處理對蜜柚果汁脫苦效果的研究

顧苗青 馮賽男 余小林 李嬌嬌

（1.華南農業大學食品學院，廣東 廣州 510642；2.華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510641）

柚子（citrus grandis）為柑橘屬（citrus）常綠果樹，是中國南方的特色水果，深受國內外廣大消費者喜愛。柚子榨汁經加熱處理后會產生明顯苦味，使得柚子果汁的加工受到限制，因此柚類果汁的脫苦技術問題已成為目前研究的熱點［1－3］。柚類果汁苦味成分主要為柚皮苷，雖然柚皮苷作為一種二氫黃酮類化合物，具有一定抗氧化、降血膽固醇等生理活性功能，但柚子果汁的苦味一般不易被消費者所接受，因而在加工中需要進行脫苦處理。目前中國國內有關柑桔類果汁的苦味脫除方法主要有：吸附脫苦法、酶脫苦法、代謝脫苦法、修飾脫苦法、添加苦味抑制劑法等［4－8］。但對柚子汁采用超聲－活性炭聯合處理的相關研究迄今未見報道。本試驗擬通過研究活性炭吸附法與活性炭－超聲波聯合技術的脫苦效果，探討適宜的脫苦工藝參數，旨在為生產高品質柚類果汁提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

梅州蜜柚：購自廣州市水果批發市場；

顆粒活性炭：廣州市祥元活性炭有限公司；

甲醇：色譜純，德國Merck公司。

1.2 試驗設備

超聲波清洗器：KQ3200DB型，昆山市超聲儀器有限公司；

高效液相色譜儀（包括 LC－10Avp二元泵，SCL－10Avp系統控制器）：LC－10ATvp型，島津儀器（蘇州）有限公司；

電熱恒溫水浴槽：HH.S11型，常州諾基儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 柚汁的制備工藝

蜜柚去皮→取出果肉→切割成小塊→榨汁→離心分離（3 500r／min，20min），取上清液待用

1.3.2 單因素試驗

（1）活性炭添加量對果汁脫苦效果的影響：活性炭單獨處理時，于100mL柚汁中分別加入0.5，1.0，1.5，2.0，2.5g活性炭，并分別置于50℃水浴鍋100min。活性炭－超聲波聯合處理時，取相同量的果汁與活性炭分別置于溫度50℃的超聲波清洗儀中，超聲功率為120W、處理時間100min。

（2）作用溫度對果汁脫苦效果的影響：活性炭單獨處理時，于100mL柚汁中加入2.0g活性炭，置于20，30，40，50，60℃水浴鍋中100min。活性炭－超聲波處理時，取相同量的果汁與活性炭，分別置于上述溫度的超聲波清洗儀中100min，超聲功率為120W。

（3）作用時間對果汁脫苦效果的影響：活性炭單獨處理時，于100mL柚汁中加入2.0g活性炭，置于50℃水浴鍋中分 別 作 用 10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，110，120min。活性炭－超聲波處理時，取相同量的果汁與活性炭置于溫度50℃的超聲波清洗儀中分別作用上述時間，超聲功率為120W。

（4）超聲功率對果汁脫苦效果的影響：在100mL果汁中加入2.0g活性炭，分別置于50℃、功率60，75，90，105，120，135，150W的超聲波清洗儀中處理40min。

1.3.3 活性炭－超聲聯合處理法的響應面優化試驗 根據單因素試驗結果，選定活性炭添加量、作用溫度、作用時間和超聲功率4個因素的因素水平，利用Design Expert軟件，采用中心組合試驗Box－Behnken設計方案以及四因素三水平的響應面分析方法求取優化的工藝參數。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 柚皮苷含量 采用高效液相色譜法測得柚皮苷含量。樣液經0.45μm濾膜過濾，進樣量10μL；測定條件：Waters C18色譜柱，流動相為甲醇－超純水（1∶1，V／V），流速0.7mL／min，檢測波長280nm，柱溫35℃［9，10］。

1.4.2 柚皮苷脫除率 根據HPLC測得的柚皮苷標準品和各樣品的峰面積，利用外標法算出樣品柚皮苷的質量濃度，根據式（1）計算柚皮苷脫除率。

式中：

A—— 柚皮苷脫除率，%；

C0—— 未處理柚子汁中的柚皮苷含量，mg／100g；

C——脫苦處理后柚子汁中的柚皮苷含量，mg／100g。

1.4.3 可溶性固形物含量 采用阿貝折光儀測定，按GB／T 12143.1——89執行。

1.4.4 總酸含量 采用酸堿滴定法，按 GB／T 12456——90執行。

1.4.5 總糖含量 采用直接滴定法，按 GB／T 6149——1986執行。

1.4.6 VC含 量 采 用 2，6－二 氯 靛 酚 滴 定 法，按 GB 14754——1993執行。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 活性炭添加量對果汁脫苦效果的影響 活性炭單獨處理及活性炭－超聲波聯合處理時，活性炭添加量對蜜柚果汁柚皮苷脫除率的影響見圖1。

圖1 活性炭添加量對柚皮苷脫除率的影響Figure 1 Effect of activated carbon dosage on removal rate of naringin

由圖1可知，柚皮苷的脫除率隨著活性炭添加量的增加而增大，當添加量高于1.5%時，柚皮苷脫除率趨于平穩。相同活性炭添加量作用下，活性炭－超聲波聯合處理的果汁柚皮苷脫除率明顯高于活性炭單獨處理，表明超聲波對活性炭吸附柚皮苷有著一定的促進作用。

2.1.2 作用溫度對果汁脫苦效果的影響 由圖2可知，活性炭單獨處理的溫度在20～40℃時，柚皮苷脫除率增大明顯；而當溫度超過40℃時，脫除率不再隨溫度升高而增高而趨于穩定。活性炭－超聲波聯合處理的溫度為20～50℃時，柚皮苷脫除率隨溫度的升高而增大，當溫度超過50℃時，脫除率略有下降。相同溫度下，活性炭－超聲波聯合處理的果汁柚皮苷脫除率明顯高于活性炭單獨處理，表明超聲波對活性炭吸附柚皮苷有著一定的促進作用。

圖2 處理溫度對柚皮苷脫除率的影響Figure 2 Effect of temperature on removal rate of naringin

圖3 處理時間對柚皮苷脫除率的影響Figure 3 Effect of times on removal rate of naringin

2.1.3 作用時間對果汁脫苦效果的影響 由圖3可知，柚皮苷脫除率隨處理時間的延長呈先快速上升而后趨于穩定的趨勢。活性炭單獨處理80min時，脫除率約達60%，隨后隨著處理時間的延長，脫除率變化趨于穩定。聯合處理的時間小于30min時，隨著時間延長，柚皮苷脫除率上升趨勢明顯。當處理時間達30min時，柚皮苷率脫除率約為85%，而后變化平緩。相同時間下，活性炭－超聲波聯合處理的果汁柚皮苷脫除率明顯高于活性炭單獨處理，表明超聲波對活性炭吸附柚皮苷有著一定的促進作用。

2.1.4 超聲功率對果汁脫苦效果的影響 活性炭－超聲波聯合處理時，超聲功率對蜜柚果汁柚皮苷脫除率的影響見圖4。

圖4 超聲功率對柚皮苷脫除率的影響Figure 4 Effect of ultrasonic power on removal rate of naringin

由圖4可知，當超聲功率低于120W時，柚皮苷脫除率隨超聲功率增加而增大，進一步提高超聲功率其脫除率反而有所下降。

2.2 響應面優化試驗結果

2.2.1 響應面設計及結果 根據以上單因素試驗的結果，設計四因素三水平編碼表見表1，響應面分析試驗設計與結果見表2。

表1 試驗因素水平編碼表Table 1 Experimental factors and levels

利用SPSS軟件對表2中的試驗數據進行多元回歸擬合，得到活性炭添加量、處理時間、處理溫度、超聲功率與柚皮苷脫除率（Y）之間的二次多項回歸方程：

2.2.2 方差分析 模型的可靠性可從方差分析及相關系數來考察。由表3可知，模型的顯著水平P為0.026 3，小于0.05，說明所選用的二次多項模型具有顯著性，該試驗方法是可靠的。該模型的決定系數R2為86.52%，說明此模型與實際試驗擬合較好；因失擬項P＝0.3395＞0.05，說明試驗失擬項不顯著，因此可用該回歸方程代替試驗真實點對試驗結果進行分析。

表2 響應面分析試驗設計與試驗結果Table 2 Experimental design andresults of Box－Behnken

回歸方程系數顯著性檢驗結果表明，4種因素影響次序為活性炭添加量（X1）＞ 處理溫度（X2）＞處理功率（X4）＞處理時間（X3）。

2.2.3 響應面分析 分別將活性炭添加量X1、處理溫度X2、處理時間X3、超聲功率X4四因素的任意兩個因素固定為0水平，求余下兩個因素的交互效應，得到4個因素交互效應對柚皮苷脫除率Y影響的響應曲面圖見圖5。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation for the yield of xylan

圖5直觀地反映了各因素對響應值的影響。比較6組圖可知，活性炭添加量對蜜柚汁脫苦的影響最為顯著，表現為曲面較陡峭。

2.2.4 確定最優條件及驗證實驗 根據模型計算得到的優化工藝條件為活性炭添加量1.81%、處理溫度45.95℃、處理時間37.84min、超聲功率125.265W，此時模型預測值為83.63%。

在上述優化條件下，結合實際操作，將工藝參數修正為活性炭添加量1.8%、處理溫度45℃、處理時間38min、超聲功率120W。在此條件下進行了5次平行驗證實驗，柚皮苷脫除率平均值為83.57%，RSD為0.9%，與理論預測值（83.63%）相比誤差僅為0.06%，由此驗證了響應面優化模型預測值的可靠性。

2.2.5 優化脫苦條件下柚子汁的理化指標 用活性炭－超聲波聯合處理的優化條件處理后，柚子汁的理化指標變化見表4。

圖5 活性炭添加量X1、作用溫度X2、作用時間X3、超聲功率X4兩兩交互作用圖Figure 5 Interactions between the four factors（Activated carbon dosage X1，temperature X2，time X3and ultrasonic power X4）

表4 處理前后柚子汁理化指標Table 4 Grapefruit juice index before and after treatment

由表4可知，活性炭－超聲波聯合處理會造成柚子果汁主要成分含量有一定程度下降，其中對抗壞血酸的影響較明顯，其損失率為32.1%，但酸的下降幅度較小。

3 討論

3.1 處理溫度對柚皮苷脫除效果的影響

在本試驗中，活性炭單獨處理以及與超聲波聯合處理均表現為柚皮苷脫除率在一定溫度范圍內（20～40℃）增大明顯，但當溫度超過40℃時，脫除率不再隨溫度升高而增高。分析其原因為活性炭對柚皮苷的吸附是一種物理吸附過程，其動力學控制因子在很大程度上受到苦味物質分子擴散、吸附在活性炭表面速率的影響，溫度高，分子熱運動加快，活性炭的吸附效果明顯。當超聲施加于活性炭體系時，溫度在50℃以下時，溫度升高對活性炭吸附具有促進作用，這一方面可能是由于溫度提升，促進了柚皮苷的分子熱運動，增加了與活性炭的碰撞幾率，從而導致脫除率提高；另一方面可能是由于超聲的空化作用，增大了活性炭吸附面積的緣故，使得脫除率增加。而當溫度高于50℃ 時，溫度升高會導致空化泡崩潰，故空化降解作用降低［11、12］，表現為脫除率增長速率變為緩慢。

3.2 超聲功率對柚皮苷脫除效果的影響

超聲功率的大小關系到超聲作用的強弱，在超聲波－活性炭聯合處理中，增大超聲功率，超聲的震動作用隨之增大，由此增加了柚皮苷分子在體系中的熱運動，與活性炭的碰撞幾率增加，有利于吸附；同時由于超聲波的“聲空化”作用，使活性炭原有的微小間隙被擴張，擴大了活性炭的比表面積，提高了活性炭的吸附容量。對活性炭吸附平衡體系施加超聲波后，超聲空化作用產生的能量能夠通過傳聲介質施加于被吸附的分子上，使部分被吸附的溶質脫附。體系的相平衡明顯朝著固相吸附量減少的方向移動，超聲波的功率越大，這種相平衡關系變化的幅度也越大［13，14］。但當超聲波的強度達到一定值時，活性炭開始出現明顯的破碎。因此當超聲功率大于120W時，柚皮苷脫除率表現為下降。

4 結論

（1）活性炭－超聲波聯合處理對柚皮苷的脫除效果優于活性炭單一處理。

（2）活性炭－超聲波聯合處理的優化參數：活性炭添加量為1.8%，處理溫度為45℃，處理時間為38min，超聲功率120W，模型預測的柚皮苷脫除率為83.63%；在優化工藝條件下進行5次平行實驗的平均脫苦率為83.57%，與理論預測值相比誤差僅為0.06%。

（3）活性炭－超聲波聯合處理后柚子汁的糖、酸、VC含量有所下降。

1 白衛東，趙文紅，陳穎茵，等.新會柑果醋的研究［J］.中國調味品，2006（8）：12～15.

2 張菊華，單揚，李高陽.柑橘果汁中的類檸檬苦素及其脫苦方法［J］.食品與機械，2005，21（3）：72～75.

3 孫蘭萍.柑桔類果汁苦味物質的脫除研究［J］.食品工業科技，2003（1）：97～100.

4 白衛東，劉曉艷.柑桔汁脫苦方法研究進展［J］.食品工業科技，2006（9）：202～206.

5 王鴻飛.柚皮苷酶對柑桔類果汁脫苦效果的研究［J］.農業工程學報，2004，20（6）：174～177.

6 萬萍，張方曉.柑桔汁脫苦條件的研究［J］.食品與機械，2001（2）：14～15.

7 喬海鷗.柑桔類果汁的脫苦技術［J］.包裝與食品機械，2003（5）：27～30.

8 夏輝，田呈瑞.柑桔果汁苦味物質的去除方法［J］.現代生物醫學進展，2006（6）：50～52.

9 李和生，王鴻飛，周石磊，等.柑橘類果汁中的柚皮苷的分析［J］.農業機械學報，2006，37（4）：76～79.

10 陳靜，高彥祥，吳偉莉，等.高效液相色譜法測定柑橘汁中的檸檬苦素和柚皮苷［J］.色譜，2006，24（2）：157～160.

11 鄭文軒，吳勝舉.水處理活性炭的超聲波再生技術［J］.水處理技術，2008，34（8）：79～81.

12 廖世炎，李建芬，劉建軍，等.超聲條件下自制活性炭吸附甲基橙的性能研究［J］.武漢工業學院學報，2010，29（3）：34～37.

13 奚紅霞，李忠，謝蘭英.超聲波對活性炭吸附苯酚相平衡的影響［J］.化學工程，2001，29（5）：10～13.

14 Hua I，Hoffmann M R.Optimization of ultrasonic irradiation as an advanced oxidation technology［J］.Environ Sci.Techno.，1997（31）：2 237.