超声波辅助提取苹果渣中果胶的研究

常大伟, 张 爽, 孔令知

(陕西科技大学 生命科学与工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

果胶是人体七大营养素中膳食纤维的主要成分，具有良好的抗腹泻、抗癌、治疗糖尿病和减肥等生理功效[1]；同时作为植物细胞壁多糖类家族中结构最为复杂的一种多糖，它具有优良的胶凝性、乳化性，可以作为食品、医药、化妆品、印染等工业常用的辅料[2].我国是苹果生产和加工大国，每年产生大量的苹果渣，干苹果渣中含有15～18%的果胶[3]，从苹果渣中提取果胶，可以变废为宝，既保护了环境又可提高企业的经济效益.

国内关于果胶提取的研究与国外相比较晚，目前主要有化学法、酶法、盐析法、醇析法等.传统酸法提取过程中果胶分子易发生部分水解和降解，存在果胶含量低、色泽差、品质低的问题[4]；酶解法条件温和，但由于酶法提取果胶反应时间较长，酶制剂用量大，阻碍了其在国内的应用[5]；醇析法乙醇用量太大，存在所用醇回收难的问题；盐析法生产工艺较醇析法复杂，并且脱盐的难度大，易导致残留大量的金属离子，生产出的果胶灰分高，色泽深[6].

Agnieszka Nawirska等研究了超声波技术在提取中的应用，得出超声波在提取过程中成本低，耗时短，浪费少等优点[7].目前关于苹果渣果胶的超声波提取研究较少，本文对苹果渣进行了超声波辅助酸法提取，研究了不同萃取剂、料液比、pH值、超声时间、超声温度、超声功率对果胶得率的影响，通过正交试验得到最佳提取工艺，为综合利用资源以及利用超声波方法提取苹果渣中果胶提供了理论依据.

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

苹果渣，盐酸、硫酸、磷酸、草酸、无水乙醇等均为分析纯.

1.2 主要仪器

6S323S型电子天平、PB-10型酸度计、RE-52型旋转蒸发器、KQ-250TDV型高频数控超声波清洗机、SC-3610型低速离心机、101-AB型电热鼓风干燥箱.

1.3 实验方法

1.3.1 原料预处理

将苹果渣烘干，用高速万能粉碎机粉碎，过60目筛待用.

1.3.2 酸法提取果胶

取5 g经预处理的苹果渣，按一定料液比加入不同的酸萃取剂，在pH为2.0时提取果胶.本研究中用重量法测定果胶的含量[8]，并计算果胶的得率，以确定最佳酸萃取剂.

1.3.3 超声波辅助酸法提取果胶

在上述酸法的基础上，超声波辅助提取，提取结束后趁热离心过滤，所得滤液即为果胶提取液.进行料液比、pH值、超声时间、超声温度以及超声波功率对苹果渣中果胶得率影响的单因素和正交试验，正交试验设计表如表1所示.

表1 超声波辅助提取果胶正交试验因素与水平

1.3.4 果胶的沉淀

将果胶提取液在旋转蒸发仪中，50 ℃下浓缩为原体积的二分之一，然后迅速降温冷却至室温，加入1.2倍体积的沉淀剂[9]，搅拌均匀，沉淀1～2 h，再用无水乙醇洗涤2～3次，进一步除去色素及其他杂质成分.将滤干的果胶干燥后粉碎，过60目筛即得到果胶产品.

2 结果与讨论

2.1 酸法提取果胶萃取剂的确定

选取盐酸、硫酸、磷酸、草酸为酸萃取剂，果胶的得率如图1所示.图1表明，在相同的pH值时，酸的种类对果胶得率的影响无较大差异，但强酸(盐酸和硫酸)比弱酸(磷酸和草酸)萃取效果好，原因可能是强酸中游离的H+较多，加速了原果胶向果胶酯酸的转化，最终水解为果胶酸[10,11].但考虑到硫酸一般为工业用酸，不属于合法的食品加工助剂，因此本实验采用盐酸来萃取苹果渣中的果胶.

图1 不同萃取剂对果胶得率的影响

2.2 超声波辅助提取果胶的单因素实验结果

2.2.1 料液比对果胶得率的影响

在固定其他条件下，考察料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30，结果见图2.当料液比为1∶10时，果胶提取液已成糊状，无法分离，得不到果胶产品，所以料液比应从1∶15开始比较合适.随着料液比的增大，果胶得率先增加后降低.当料液比过小时，溶液中所含果胶浓度低，加醇沉淀后转化成果胶的量相应下降；当料液比过大时，不利于果胶质形成果胶，溶液中果胶浓度较大，不利于果胶沉淀析出，且过滤困难[12].综合考虑，选用料液比为1∶20较为合适.

图2 不同料液比对果胶得率的影响

2.2.2 pH值对果胶得率的影响

选取pH值为1.5、1.8、2.0、2.2、2.5等进行实验，果胶得率的变化趋势如图3所示.由图3可以看出，萃取剂的pH值对果胶得率有很大影响.提取果胶的最佳pH为1.8，这可能是因为在强酸环境中，生成的水溶性果胶会进一步分解为单糖，部分纤维素、半纤维素分解成己糖和戊糖，使果胶品质下降，得率降低；而在弱酸的环境中，与果胶作用的H+减少，降低了水溶性果胶的转化率[13].因此，提取果胶的较好pH值宜为1.8.

图3 不同pH值对果胶得率的影响

2.2.3 超声时间对果胶得率的影响

按照超声时间分别为20 min、30 min、40 mim、50 min、60 min等进行苹果渣中果胶的提取，结果见图4.由图4可知，果胶得率随提取时间的延长而增加.当提取时间达到50 min时，原果胶水解已比较充分，果胶得率达到最大值；随着时间继续延长，果胶进一步水解为果胶酸，果胶得率降低[14].因此,合适的超声时间宜为50 min.

图4 不同超声时间对果胶得率的影响

2.2.4 超声温度对果胶得率的影响

提取温度分别设为40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃，结果如图5所示.由图5可知，随着温度升高，果胶的得率增加较快，当超声温度高于60 ℃时，得率又缓慢下降.这是因为温度的升高有利于原果胶的水解，当提取温度过高时，由于果胶的耐热性较差，会引起果胶本身结构的破坏，使得率降低[15].因此，合适的提取温度为60 ℃.

图5 不同超声温度对果胶得率的影响

2.2.5 超声功率对果胶得率的影响

超声总功率为250 W，选择超声功率60%、70%、80%、90%、100%进行实验，结果如图6所示.由图6可知，随着超声功率的提高，果胶得率升高较快，当达到90%时，果胶的得率开始变化缓慢，原因可能是超声功率较低时，空化效应不明显，冲击波不能完全破碎细胞壁，使果胶溶出；当超声功率很大，水解过于强烈，使得果胶裂解成多糖分子而使得率下降[16,17].因此，当选取超声功率为90%时，即225 W时,提取果胶较为合适.

图6 不同超声功率对果胶得率的影响

2.3 超声波辅助提取果胶的正交试验结果

在单因素实验基础上，综合考虑各因素相互作用对果胶得率的影响，进行L16(45)正交试验，结果见表2.

表2 超声波辅助提取果胶正交试验结果

由表2的极差分析可以看出，影响果胶得率诸因素的主次关系为 B>E>C>A>D，即pH值>超声功率>超声时间>料液比>超声温度.提取果胶的最优工艺组合条件为：A2B3C4D1E3，即料液比1∶20、pH为2.0、超声时间60 min、超声温度50 ℃、超声功率90%.在此最优工艺组合条件下进行实验，果胶的得率可达到13%以上.

2.4 果胶沉淀剂选择的结果

本文考察了内含0.5 mol/L盐酸的95%乙醇和95%乙醇两种沉淀剂对果胶得率的影响，结果如表3所示.

表3 不同沉淀剂对果胶得率的影响

由表3可见，利用果胶不溶于醇类等有机溶剂，将乙醇加入果胶提取溶液中，使果胶沉淀析出，可以加速过滤过程.当含有0.5 mol/L盐酸的95%乙醇做为沉淀剂时，果胶得率提高了13.03%，并且减少了乙醇的使用量，该法为减少沉淀剂的消耗量提供依据.乙醇对果胶的絮凝作用在痕量电解质存在时才能沉淀完全，原因可能是电解质能够促进部分非水溶性的果胶向水溶性果胶转变.当提取液中果胶浓度较小时，含有0.5 mol/L盐酸的95%乙醇更适用于作为沉淀剂.

3 结论

本文探讨了不同萃取剂、料液比、pH值、超声时间、超声温度、超声功率对果胶得率的影响，得到超声波辅助提取苹果渣中果胶的最适条件：料液比为1∶20，用盐酸调 pH值为2.0，超声温度50 ℃，超声时间60 min，超声波功率为90%(即225 W).该工艺条件下，果胶得率可达13%以上，这为从苹果渣中提取果胶提供了新的途径.

研究了不同沉淀剂对果胶得率的影响，使用内含0.5 mol/L盐酸的95%乙醇作为沉淀剂，可以让沉淀的絮凝状更为明显，沉淀更为完全，便于过滤，并且大大减少了过滤的时间，增大了果胶的得率，还能减少沉淀剂的用量，为工业化生产节约了成本.

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