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.湖北大學知行學院,武漢 430011;2.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,南昌 330047)

湖北省秭歸縣作為中國著名的“臍橙之鄉”,歷史悠久,位于長江三峽河谷地區。此臍橙因果大無核、皮薄、果肉鮮嫩等特點以及良好的食用和藥用價值,成為人們日常選購的水果之一[1]。在秭歸臍橙的食用和加工過程中,大量臍橙皮作為廢棄物被丟棄,導致嚴重的環境污染和資源浪費[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。近年來,商業果膠的主要提取來源是蘋果、南瓜果肉、甜菜果肉、蔬菜組織等,對秭歸臍橙皮果膠提取的研究鮮有報道[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值,也可促進秭歸臍橙產業鏈的經濟發展。

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利用,果膠在食品、醫藥和化妝品等工業開發方面具有廣泛的應用和實踐價值[6-8]。果膠不僅可作為一種天然食品添加劑,如凝膠劑、穩定劑和乳化劑等,而且具有多種生理活性作用,如抗菌、抗腫瘤、抗氧化、調節免疫活性等[9-10]。目前,國內超過80%的果膠需依賴進口且價格昂貴。因此,提取秭歸臍橙皮果膠不僅具有巨大的發展潛力,而且有著非常廣闊的商業前景。

目前,傳統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雜、耗時長,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環境污染嚴重。超聲波提取法即在超聲過程中利用超聲波產生的“空化作用”,使細胞充分破碎,內容物流出[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單、成本低、耗時短、提取率高等優點。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 儀器與設備

UP500H超聲波清洗器 南京壘君達超聲電子設備有限公司;PHS-25 pH酸度計 上海儀電科學儀器股份有限公司;TG16G臺式高速離心機 常州市金壇高科儀器廠;DK-S22電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司;JYT-10A電子分析天平 上海光正醫療儀器有限公司;101-1EBS電熱鼓風干燥箱 上海科恒實業發展有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 臍橙皮果膠提取工藝流程

1.3.1.1 臍橙皮預處理

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值調至酸性,使之充分發生水解反應。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。浸提一定時間后,將其置于4 000 r/min離心機中高速離心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(%)=干果膠質量(g)/臍橙皮粉質量(g)×100%。

1.3.2 單因素試驗

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 ℃)、提取時間(30,40,50,60,70 min)對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

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

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

1.3.4 響應面試驗

在單因素和正交試驗的基礎上,根據Box-Behnken設計原則,以臍橙皮果膠提取率為響應值,pH值(A)、料液比(B)和提取溫度(C)為考察因素,設計三因素三水平的響應面試驗,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 結果與分析

2.1 果膠提取單因素試驗結果與分析

2.1.1 pH值對果膠提取率的影響

由圖1可知,pH值在1.0～2.0之間時,隨著pH值的增加,提取率逐漸增加,pH值為2.0時,果膠提取率達到最大值,約為22.89%。pH值在2.0～5.0之間時,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,非水溶性果膠越容易轉化成水溶性果膠,使果膠提取率提高[15]。值得注意的是,pH值的酸度過強時,果膠會發生大量水解,造成提取率下降。而pH值在酸性較弱的情況下,非水溶性果膠轉化為水溶性果膠的能力隨之降低,則會大大降低提取率[16]。因此,pH作為果膠提取非常關鍵的控制點,選擇pH 2.0最佳。

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

2.1.2 料液比對果膠提取率的影響

由圖2可知,料液比在1∶10～1∶20時,隨著料液比的增加,提取率逐漸升高,料液比為1∶20時,果膠提取率達到最大值,約為22.12%。料液比在1∶20～1∶50之間時,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小會造成橙皮粉不能充分溶解且不易攪拌均勻,致使溶液黏度過大,使果膠不易析出。同樣地,當料液比過大時,果膠與乙醇的接觸面積增大,過分溶解使濃度變低,易析出更多雜質[17]。因此,臍橙皮果膠提取率最優料液比為1∶20。

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

2.1.3 提取溫度對果膠提取率的影響

由圖3可知,提取溫度在40～70 ℃時,隨著提取溫度的升高,提取率逐漸升高,提取溫度為70 ℃時,果膠提取率達到最大值,約為23.31%。提取溫度在70～80 ℃之間時,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動和溶解,加速果膠的溶出,致使果膠提取率升高。當溫度過高時,果膠分子在高溫下遭到破壞,其更容易發生脫脂反應和聚合物降解,造成果膠提取率下降[18]。因此,臍橙皮果膠提取率最優溫度為70 ℃。

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

2.1.4 提取時間對果膠提取率的影響

由圖4可知,提取時間在30～50 min時,隨著提取時間的增加,提取率逐漸升高,提取時間為50 min時,果膠提取率達到最大值,約為23.51%。提取時間在50～70 min之間時,隨著提取時間的增加,提取率反而大幅下降。這主要是由于提取時間過短導致空化時間短,果膠分子未完全受到超聲波處理,使果膠析出減少;當提取時間過長時,果膠過度溶解,長鏈被破壞,導致雜質析出增多,影響果膠品質[19]。因此,臍橙皮果膠提取率最優提取時間為50 min。

圖4 提取時間對果膠提取率的影響Fig.4 Effect of extraction time on the extraction rate of pectin

2.2 臍橙皮果膠正交試驗

2.2.1 正交試驗結果與分析

在單因素試驗優化的基礎上,對pH值、料液比、提取溫度和提取時間進行多因素正交試驗,試驗結果見表3。通過極差分析得出,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 ℃,提取時間為60 min。

表3 正交試驗結果與分析Table 3 Orthogonal test results and analysis

2.2.2 驗證試驗

取10.0 g臍橙皮,根據正交試驗結果得出的最優條件進行試驗,先將提取液pH調至1.5、料液比為1∶20放置在超聲處理器中,在提取溫度為70 ℃、提取時間為60 min的條件下,果膠提取率平均值為24.23%。

2.3 響應面試驗結果分析

2.3.1 回歸模型的建立與方差分析

根據Box-Behnken軟件設計原理,確定pH值、料液比和提取溫度作為響應因素,果膠提取率作為響應值,進行響應面工藝優化試驗,試驗設計與結果見表4。

表4 響應面試驗設計表Table 4 Response surface test design table

運用Design Expert V8.0.6軟件對表4中的試驗數據進行線性擬合,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。對二次回歸方程進行分析,結果見表5。

表5 響應面試驗結果方差分析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果。根據F值可以得出,各因素對臍橙皮果膠提取率影響順序為B(料液比)>A(pH值)>C(提取溫度)[20-21]。

2.3.2 響應面分析

pH值、料液比和提取溫度3個因素之間的交互作用對臍橙皮果膠提取影響的響應面及等高線見圖5～圖7。結果表明,所選3個因素的交互作用不大,與方差分析的結果相一致。料液比相較于pH值和提取溫度的曲線較陡峭,表明料液比對臍橙皮果膠提取的影響最顯著。當固定料液比時,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 最佳工藝的確認及驗證

采用Design Expert軟件,通過模型預測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 ℃。在該條件參數下進行3次平行試驗,臍橙皮果膠提取率為25.38%。

3 結論與展望

通過單因素試驗、正交試驗和響應面試驗優化了超聲波輔助酸法提取臍橙皮果膠的工藝。運用Design Expert軟件建立了臍橙皮果膠提取的最優工藝條件,最優條件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間、簡化繁雜的工藝流程,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領域中的應用提供了理論依據。