超声波辅助酸法提取橙皮果胶的工艺研究

祝方清,孟迎平,刘娜,黄朝汤*

(1.湖北大学知行学院,武汉 430011;2.南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,南昌 330047)

湖北省秭归县作为中国著名的“脐橙之乡”,历史悠久,位于长江三峡河谷地区。此脐橙因果大无核、皮薄、果肉鲜嫩等特点以及良好的食用和药用价值,成为人们日常选购的水果之一[1]。在秭归脐橙的食用和加工过程中,大量脐橙皮作为废弃物被丢弃,导致严重的环境污染和资源浪费[2]。但脐橙皮中含有丰富的有效成分,包括果胶、香精油、橙皮苷和色素等多种物质。近年来,商业果胶的主要提取来源是苹果、南瓜果肉、甜菜果肉、蔬菜组织等,对秭归脐橙皮果胶提取的研究鲜有报道[3]。因此,本文将选取秭归脐橙皮提取果胶,既可有效提高秭归脐橙的利用价值,也可促进秭归脐橙产业链的经济发展。

果胶是一种呈白色或浅黄色的天然植物多糖,广泛存在于高等植物细胞壁中,按酯化度的不同可将其分为低酯果胶和高酯果胶两种类型[4-5]。随着功能性多糖的开发利用,果胶在食品、医药和化妆品等工业开发方面具有广泛的应用和实践价值[6-8]。果胶不仅可作为一种天然食品添加剂,如凝胶剂、稳定剂和乳化剂等,而且具有多种生理活性作用,如抗菌、抗肿瘤、抗氧化、调节免疫活性等[9-10]。目前,国内超过80%的果胶需依赖进口且价格昂贵。因此,提取秭归脐橙皮果胶不仅具有巨大的发展潜力,而且有着非常广阔的商业前景。

目前,传统的果胶提取方法主要有酸提取法、水提取法、碱提取法和超声波提取法等[11-12]。其中,单一的酸提取工艺较复杂、耗时长,且果胶的酯化度低[13];水提取法不仅不能使果胶最大量地溶出,而且提取的果胶纯度低;碱法提取果胶成本较大且对环境污染严重。超声波提取法即在超声过程中利用超声波产生的“空化作用”,使细胞充分破碎,内容物流出[14]。随着果胶提取工艺的不断深入研究,超声波辅助酸法提取果胶具有操作简单、成本低、耗时短、提取率高等优点。因此,本文利用超声波辅助酸法提取秭归脐橙皮果胶。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

秭归脐橙:产于湖北省宜昌市秭归县;盐酸(分析纯);95%乙醇(分析纯);51目筛。

1.2 仪器与设备

UP500H超声波清洗器 南京垒君达超声电子设备有限公司;PHS-25 pH酸度计 上海仪电科学仪器股份有限公司;TG16G台式高速离心机 常州市金坛高科仪器厂;DK-S22电热恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司;JYT-10A电子分析天平 上海光正医疗仪器有限公司;101-1EBS电热鼓风干燥箱 上海科恒实业发展有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 脐橙皮果胶提取工艺流程

1.3.1.1 脐橙皮预处理

新鲜秭归脐橙剥皮→清洗漂洗→煮沸10 min→切粒(2～3 mm)→沸水漂烫→烘箱干燥至恒重→粉碎→过筛→脐橙皮粉末→置于干燥器皿中备用。

1.3.1.2 果胶提取工艺

取10.0 g脐橙皮粉末,加入一定体积的蒸馏水和稀盐酸,将pH值调至酸性,使之充分发生水解反应。随后,在500 W功率和40 kHz频率条件下,将溶液置于一定温度的超声波清洗器中浸提。浸提一定时间后,将其置于4 000 r/min离心机中高速离心15 min。取上清液,加入1.5倍体积的95%乙醇溶液,充分混匀,静置2 h。待其析出絮状沉淀后,进行离心,取出胶状沉淀物,并置于55 ℃恒温烘箱中干燥至恒重,即获得果胶成品。

果胶提取率(%)=干果胶质量(g)/脐橙皮粉质量(g)×100%。

1.3.2 单因素试验

在超声波清洗器一定的条件下,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)、提取温度(40,50,60,70,80 ℃)、提取时间(30,40,50,60,70 min)对脐橙皮果胶提取率的影响,确定各因素的最佳范围。

1.3.3 正交试验

利用四因素三水平正交试验设计探究pH值(1.5,2.0,2.5)、料液比(1∶15、1∶20、1∶25)、提取温度(60,70,80 ℃)和提取时间(40,50,60 min)在互相影响情况下对脐橙皮果胶提取率的影响,最终确定最优提取工艺,正交试验水平见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.4 响应面试验

在单因素和正交试验的基础上,根据Box-Behnken设计原则,以脐橙皮果胶提取率为响应值,pH值(A)、料液比(B)和提取温度(C)为考察因素,设计三因素三水平的响应面试验,因素水平见表2。

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

2 结果与分析

2.1 果胶提取单因素试验结果与分析

2.1.1 pH值对果胶提取率的影响

由图1可知,pH值在1.0～2.0之间时,随着pH值的增加,提取率逐渐增加,pH值为2.0时,果胶提取率达到最大值,约为22.89%。pH值在2.0～5.0之间时,随着pH值的增加,提取率反而大幅下降。这主要是由于pH值在酸度较大的范围内,非水溶性果胶越容易转化成水溶性果胶,使果胶提取率提高[15]。值得注意的是,pH值的酸度过强时,果胶会发生大量水解,造成提取率下降。而pH值在酸性较弱的情况下,非水溶性果胶转化为水溶性果胶的能力随之降低,则会大大降低提取率[16]。因此,pH作为果胶提取非常关键的控制点,选择pH 2.0最佳。

图1 pH值对果胶提取率的影响Fig.1 Effect of pH value on the extraction rate of pectin

2.1.2 料液比对果胶提取率的影响

由图2可知,料液比在1∶10～1∶20时,随着料液比的增加,提取率逐渐升高,料液比为1∶20时,果胶提取率达到最大值,约为22.12%。料液比在1∶20～1∶50之间时,随着料液比的增加,提取率逐渐下降。这主要是由于料液比过小会造成橙皮粉不能充分溶解且不易搅拌均匀,致使溶液黏度过大,使果胶不易析出。同样地,当料液比过大时,果胶与乙醇的接触面积增大,过分溶解使浓度变低,易析出更多杂质[17]。因此,脐橙皮果胶提取率最优料液比为1∶20。

图2 料液比对果胶提取率的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of pectin

2.1.3 提取温度对果胶提取率的影响

由图3可知,提取温度在40～70 ℃时,随着提取温度的升高,提取率逐渐升高,提取温度为70 ℃时,果胶提取率达到最大值,约为23.31%。提取温度在70～80 ℃之间时,果胶提取率随提取温度的增加而下降。这主要是由于一定的温度有利于果胶分子的运动和溶解,加速果胶的溶出,致使果胶提取率升高。当温度过高时,果胶分子在高温下遭到破坏,其更容易发生脱脂反应和聚合物降解,造成果胶提取率下降[18]。因此,脐橙皮果胶提取率最优温度为70 ℃。

图3 提取温度对果胶提取率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on the extraction rate of pectin

2.1.4 提取时间对果胶提取率的影响

由图4可知,提取时间在30～50 min时,随着提取时间的增加,提取率逐渐升高,提取时间为50 min时,果胶提取率达到最大值,约为23.51%。提取时间在50～70 min之间时,随着提取时间的增加,提取率反而大幅下降。这主要是由于提取时间过短导致空化时间短,果胶分子未完全受到超声波处理,使果胶析出减少;当提取时间过长时,果胶过度溶解,长链被破坏,导致杂质析出增多,影响果胶品质[19]。因此,脐橙皮果胶提取率最优提取时间为50 min。

图4 提取时间对果胶提取率的影响Fig.4 Effect of extraction time on the extraction rate of pectin

2.2 脐橙皮果胶正交试验

2.2.1 正交试验结果与分析

在单因素试验优化的基础上,对pH值、料液比、提取温度和提取时间进行多因素正交试验,试验结果见表3。通过极差分析得出,影响果胶提取率的主次顺序是A(pH值)>C(提取温度)>B(料液比)>D(提取时间),最佳提取配方是A1B2C2D3,即pH值为1.5,料液比为1∶20,提取温度为70 ℃,提取时间为60 min。

表3 正交试验结果与分析Table 3 Orthogonal test results and analysis

2.2.2 验证试验

取10.0 g脐橙皮,根据正交试验结果得出的最优条件进行试验,先将提取液pH调至1.5、料液比为1∶20放置在超声处理器中,在提取温度为70 ℃、提取时间为60 min的条件下,果胶提取率平均值为24.23%。

2.3 响应面试验结果分析

2.3.1 回归模型的建立与方差分析

根据Box-Behnken软件设计原理,确定pH值、料液比和提取温度作为响应因素,果胶提取率作为响应值,进行响应面工艺优化试验,试验设计与结果见表4。

表4 响应面试验设计表Table 4 Response surface test design table

运用Design Expert V8.0.6软件对表4中的试验数据进行线性拟合,得到脐橙皮果胶提取的回归方程为Y=+13.40-0.3A+0.48B+0.28C-0.43AB+0.53AC+0.33BC-3.37A2-0.76B2-0.79C2。对二次回归方程进行分析,结果见表5。

表5 响应面试验结果方差分析Table 5 Variance analysis of response surface test results

由表5可知,所建立模型的F值为4.66(P<0.05),失拟项的F值为0.43(P>0.05),表明该模型建立成功,可作为果胶提取工艺研究的结果。根据F值可以得出,各因素对脐橙皮果胶提取率影响顺序为B(料液比)>A(pH值)>C(提取温度)[20-21]。

2.3.2 响应面分析

pH值、料液比和提取温度3个因素之间的交互作用对脐橙皮果胶提取影响的响应面及等高线见图5～图7。结果表明,所选3个因素的交互作用不大,与方差分析的结果相一致。料液比相较于pH值和提取温度的曲线较陡峭,表明料液比对脐橙皮果胶提取的影响最显著。当固定料液比时,pH值的曲线比提取温度陡峭,表明pH值比提取温度的影响大。

图5 pH值与料液比交互作用的响应面及等高线Fig.5 Response surface diagram and contour plot of the interaction between pH value and liquid-solid ratio

图6 pH值和提取温度交互作用的响应面及等高线Fig.6 Response surface diagram and contour plot of the interaction between pH value and extraction temperature

图7 料液比和提取温度交互作用的响应面及等高线Fig.7 Response surface diagram and contour plot of the interaction between solid-liquid ratio and extraction temperature

2.3.3 最佳工艺的确认及验证

采用Design Expert软件,通过模型预测脐橙皮果胶提取的最佳工艺为pH值2、料液比1∶20、提取温度70 ℃。在该条件参数下进行3次平行试验,脐橙皮果胶提取率为25.38%。

3 结论与展望

通过单因素试验、正交试验和响应面试验优化了超声波辅助酸法提取脐橙皮果胶的工艺。运用Design Expert软件建立了脐橙皮果胶提取的最优工艺条件,最优条件pH值2、料液比1∶20、提取温度70 ℃下,橙皮果胶的提取率为25.38%。以超声波辅助酸法提取果胶的工艺不仅能缩短提取时间、简化繁杂的工艺流程,而且能显著提升果胶的提取率,为日后超声波辅助酸法在食品工业领域中的应用提供了理论依据。