乳酸提取柠檬皮果胶的工艺

刘义武，孔昭华，王碧，*

（1.内江师范学院化学化工学院，四川 内江 641100；2.果类废弃物资源化省高校重点实验室，四川 内江 641100）

果胶是主要由D-半乳糖醛酸以α-1，4-糖苷键连接聚合而成、呈线性结构的多聚糖类[1-3]。果胶作为一种水溶性膳食纤维，不仅是一种良好的功能性配料，而且还是一种富有营养健康价值的直接食用成分，被广泛应用于食品、化妆、医药等工业[1-6]。果胶被世界称为“人体健康的平衡素”，是人体健康不可或缺的健康因子。果胶分子的结构取决于果胶提取原料的种类、组织类型和提取工艺等[1]。随着人们保健意识的进一步增强，果胶越来越受到研究与加工行业的青睐。据不完全统计，近年我国果胶的年消耗4000 t以上，并以每年4%～5%的速度增长，80%依靠进口，其中柠檬果胶约2000t完全依靠进口。因此，大力开展果胶，特别是柠檬果胶的研究与开发，探索提高果胶产量和质量的新方法和新工艺，不仅能为我国食品加工领域广泛地应用优质果胶提供理论依据，而且将推动国产果胶生产的发展。

果胶原料的来源非常广泛，已报道的提取果胶原料超过40种[7-8]，但当前真正具有工业提取价值的是苹果渣和柑橘类果皮[9-10]。国内生产果胶主要是柑桔果胶和苹果果胶，柠檬果胶几乎没有。虽然柠檬皮渣中果胶的含量高达30%[11]，是优质的果胶工业生产原料，但国内从柠檬皮渣中提取果胶的报道甚少[12]。目前柠檬皮渣基本上被废弃，并且皮渣极易发霉变臭，对人畜和农作物都极为有害。采用有机酸——乳酸提取柠檬皮中的果胶，以期得到一种优化的用于提取柠檬皮中果胶的工艺,提高柠檬的综合利用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

柠檬购自四川安岳；乳酸、95%乙醇、无水乙醇、氢氧化钠，均为分析纯。

WT5002K电子天平：江苏常州万泰天平仪器有限公司;AE240电子分析天平：中国梅特勒一托利多仪器有限公司;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器：金坛市医疗仪器厂；PHS-10A数字式pH计：上海日岛科学仪器有限公司；TDL-5A低速大容量离心机：上海安亭科学仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

柠檬皮预处理→酸液萃取→趁热离心分离→加醇沉析→抽滤→洗涤→干燥、粉碎→成品

1.2.2 果胶提取

1.2.2.1 柠檬皮预处理

取新鲜柠檬若干，洗净后剥下柠檬皮，将剥下的柠檬皮洗净后切成1 cm左右的小块置于100℃沸水中煮沸5 min，去除果皮中的果胶酶以及还原性可溶糖，用清水漂洗至无色，65℃烘干，粉碎。

1.2.2.2 果胶的提取

准确称取5.00 g经预处理的柠檬皮粉末，加入适量水，用乳酸调节pH为2.0～3.0左右，在80℃～100℃下，萃取1 h～3 h，使原果胶转化为可溶性果胶。趁热将浆状液体置于离心机中离心，收集上清液；用蒸馏水洗涤残渣，将洗液离心，收集上清液，合并上清液。在搅拌下将95%乙醇加入冷至室温的果胶浓缩液中，控制乙醇含量50%左右，果胶呈絮状凝结析出。沉淀物静止后，用真空泵抽滤，用75%乙醇洗涤2次～3次，50℃烘干即得果胶成品。

1.2.3 正交试验

在对单因素分析和实验的基础上，采用L9（34）的正交试验设计，对影响果胶提取效果的主要因素：pH、提取温度、提取时间、液固比进行研究（见表1），以果胶提取率为考察主要指标，确定最佳工艺参数。

表1 果胶提取实验因素水平表Table 1 Factors and levels table of extracting pectin

1.2.4 果胶提取率和果胶纯度测定方法

果胶中半乳糖醛酸含量、酯化度按GB 25533-2010《食品添加剂果胶》中方法进行。果胶提取率的计算公式如下：

果胶提取率/%=果胶质量×100/柠檬皮粉末质量

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 pH对果胶提取率的影响

pH对果胶提取率的影响，见图1。

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

从图1可知，提取液的pH对果胶提取率的影响非常明显，果胶提取率随pH降低而增加较大，这主要是由于原果胶水解逐渐变强的原因。pH低于2时，乳酸（pka=2.5）的使用量迅速增加，提高果胶生产成本并增加了后处理难度。此外，pH过低，原果胶过度水解，致使果胶脱酯和裂解，使沉淀物外观色泽不合要求；pH过高，原果胶水解不完全，产量低。最佳pH应控制在2.0～2.2左右。

2.1.2 提取温度对果胶提取率的影响

提取温度对果胶提取率的影响，见图2。

图2 提取温度对果胶提取率的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of pectin

由图2可知，随着温度升高，果胶提取率增大，当温度达到95℃后，随温度升高，提取率变化很小。这是因为温度较低时，果胶水解不充分，从而导致提取率较低，但温度过高，高温对果胶结构的破坏作用大于果胶溶出速率，造成提取率有所下降。此外，温度过高对果胶胶凝度也有影响，温度宜控制在90℃～95℃。

2.1.3 提取时间对果胶提取率的影响

提取时间对果胶提取率的影响，见图3。

图3 提取时间对果胶提取率的影响Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of pectin

图3表明，随着水解时间的延长，果胶提取率先迅速的增大后减小，当水解时间为2.5 h时果胶提取率最高。时间太短，柠檬中的果胶不能被完全提取出来，使果胶提取率偏低；时间过长，果胶继续水解，生成果胶酸，果胶提取率也偏低，同时还增加了试验能耗。果胶的纯度随着提取时间的延长略有降低，果胶的纯度在80%～83%之间，远高于GB 25533-2010《食品添加剂果胶》中纯度（≥65%）要求，也高于美国药典USP 32-NF27中果胶纯度（≥74%）要求。所以最佳水解时间为2 h左右。

2.1.4 液固比对果胶提取率的影响

液固比直接影响可溶性果胶能否充分转移到液相，同时也影响浸取液过滤的速度，以及蒸发浓缩时的能耗。不同液固比条件下果胶提取率如图4所示。

图4 液固比对果胶提取率的影Fig.4 Effect of liquid-to-solid ratio on extraction rate of pectin

由图4可以看出，液固比在30∶1（mL/g）时提取率最高，液固比过低，难以保证原料中的果胶质全部转移到提取液中，提取不完全，产率低；液固比过大，溶液中的果胶浓度低，乙醇消耗量大，后续处理时会提高操作的能耗和费用,造成不必要的浪费[12]。图4也表明液固比对果胶的纯度影响很小。因此，液固比选择30∶1 为宜。

2.2 正交试验结果与分析

为了得到乳酸提取柠檬皮果胶的最优提取工艺，进行了L9（34）正交试验，提取率的正交试验见表2。

表2 正交试验结果Table 2 The results of orthogonal experiments

由表2可以看出，各因素对柠檬果胶提取率影响的顺序为：B＞A＞D＞C，即提取温度＞提取酸度（pH）＞液固比＞提取时间。根据极差分析，其最优组合为B3A1D3C3，即第 3组：提取温度 95 ℃，pH 2.0，液固比40∶1，提取时间2.5 h，该组合的提取率24.8%。但由于液固比、时间对果胶提取率的影响较小，适当降低液固比和提取时间，能提高提取效率和后期浓缩的效率，液固比可选用30∶1，提取时间可选用2 h。因此，最优组合为：B3A1D2C2，即提取温度95℃，pH 2.0，液固30∶1，提取时间 2 h，3次果胶平均提取率 23.8%，酯化度（果胶分子中酯化的半乳糖醛酸单体占全部半乳糖醛酸单体的百分比）72.7%，属于高酯快凝果胶。

3 结论

经单因素试验和正交试验，得到乳酸提取柠檬皮果胶最佳工艺条件为：pH 2.0，温度95℃，时间2 h，液固比30∶1，果胶提取率23.8%，酯化度72.7%。乳酸提取果胶色泽浅，实验范围内可以不脱色，简化了工艺，降低了生产成本，工艺稳定可行。

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