活性炭负载壳聚糖对苹果汁的澄清效果研究

章斌，罗志，凡芳华

（韩山师范学院生物系，广东潮州 521041）

澄清工序是苹果汁生产中的一道关键工序，对产品外观、品质和稳定性都有很大影响。目前，常用的苹果汁澄清方法有热处理澄清、酶法澄清、壳聚糖澄清、超滤澄清等[1-3]；壳聚糖因其有良好的生物安全性和生物功能性，在澄清效果和使用安全性能等方面较其他澄清方式有着不可比拟的优越性。但有资料表明壳聚糖在酸性溶液中易流失，可操作性较差[4-6]。为此，笔者考虑用活性炭吸附壳聚糖，制备成活性炭负载壳聚糖澄清剂并用于苹果汁的澄清研究，以期为壳聚糖在果汁中的澄清作用提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料与设备

苹果：九成熟，购自韩山师院西区市场；

壳聚糖：脱乙酰度72.52%，浙江玉环化工厂生产；粉末活性炭：巩义市嵩山滤材活性炭厂；盐酸、氢氧化钠、乙酸：分析纯。

PHS-3C 型pH 计：上海雷磁仪器厂；KA-1000 型离心机：上海安亭科学仪器厂；UFJ-7200 型分光光度计：上海尤尼科仪器有限公司；HJ-6 型磁力加热搅拌器：金坛市梅香仪器有限公司；HH-2 型电热恒温水浴锅：常州华普达教学仪器有限公司；HR1861 型飞利浦榨汁机：珠海飞利浦家庭电器有限公司。

1.2 工艺流程

苹果→清洗→沸水烫漂10 s→去核→榨汁→100 目滤网粗滤→离心（4 000 r/min）→原汁→固定化壳聚糖澄清→磁力搅拌（1 000 r/min）→离心→测定上清液透光率

1.3 澄清方式

1.3.1 对照组1

往苹果原汁中加入一定量壳聚糖液，于一定温度、一定pH 条件下澄清一定时间，离心，测定透光率。

1.3.2 对照组2

往苹果原汁中加入一定量活性炭粉，在与1.3.1相同的温度、pH 条件下澄清相同时间，离心，测定透光率。

1.3.3 实验组

往苹果原汁中加入一定量的活性炭负载壳聚糖澄清剂，在与1.3.1 相同的温度、pH 条件下澄清相同时间，离心，测定透光率。

1.4 试验方法

1.4.1 1%（即为10 g/L）壳聚糖溶液的配制

称取粉状壳聚糖1.000 0 g，溶于50 mL 蒸馏水中，加入1 mL 冰醋酸，放入80 ℃～90 ℃的恒温水浴锅中，搅拌至溶解，再用蒸馏水定容至100 mL，保温45 min即可使用。

1.4.2 壳聚糖用量对苹果汁澄清效果的影响

取25 mL 苹果原汁，调节壳聚糖浓度为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 g/L，调pH 至4.0，搅拌均匀，40 ℃下静置60 min，取出后离心15 min，测定透光率，确定壳聚糖的最适用量。

1.4.3 活性炭负载壳聚糖澄清剂（以下简称负载澄清剂）的制备[7-8]

参考李增新的方法，并稍作改动：取1.4.2 中最适用量的壳聚糖液250 mL，加入20 g 粉末活性炭并磁力搅拌，使之充分浸润、混匀。静置20 min 后过滤，将滤饼于电热恒温干燥箱中60 ℃下干燥，粉碎过筛即得到活性炭负载壳聚糖澄清剂。

1.5 单因素试验

1.5.1 澄清剂用量对澄清效果的影响

取25mL 苹果原汁，分别按4、6、8、10、12、14、16 g/L的比例添加负载澄清剂，调pH 至4.0，40 ℃下磁力搅拌10 min，取出后离心15 min，于720 nm 波长下测定透光率，确定壳聚糖的最适用量。

1.5.2 澄清时间对澄清效果的影响

取25 mL 苹果原汁，按12 g/L 用量加入负载澄清剂，调pH 至4.0，40 ℃下分别进行2、4、6、8、10、12、14、16 min 的磁力搅拌，取出后离心15 min，于720 nm 波长下测定透光率，确定最佳澄清时间。

1.5.3 温度对澄清效果的影响

取25 mL 苹果原汁，澄清剂添加量12 g/L，调pH至4.0，分别在25、30、35、40、45、50、55、60 ℃条件下磁力搅拌10 min，取出后离心15 min，于720 nm 波长下测定透光率，确定最佳澄清温度。

1.5.4 pH 对澄清效果的影响

取25 mL 苹果原汁，澄清剂添加量12 g/L，调其pH 分别为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，50 ℃条件下磁力搅拌10 min，离心15 min，于720 nm 波长下测定透光率，确定最适pH。

1.6 优化试验

采用Box-Behnken 响应面法进行澄清工艺条件优化，并用SAS 8.1 统计软件对实验结果进行分析。

2 结果与分析

2.1 苹果汁透光率最适波长的确定

取一定量苹果原汁，离心，取上清液于440 nm～760 nm 测定透光率，结果见图1。

图1 苹果汁透光率与波长的关系Fig.1 Relationship between clarity and wavelength

由图1 可看出，苹果原汁透光率随测定波长的增大呈增大趋势，且于720 nm 处趋于稳定；故确定720 nm为最适测定波长。

2.2 壳聚糖用量对苹果汁澄清效果的影响

酸性条件下，壳聚糖分子链上的游离氨基结合氢离子而成为带正电荷的聚阳离子电解质，从而可与果汁中带负电荷的蛋白质、果胶等相互作用而絮凝，使果汁变澄清；随壳聚糖用量的增多，生成的聚阳离子电解质也随之增加，对果汁的澄清效果也愈好[9]。壳聚糖用量对苹果汁澄清效果的影响见图2。

如图2 所示，壳聚糖用量较小时，对胶体物质吸附不完全，澄清效果差；随其用量增大，苹果汁的透光率也随之增大；在用量为0.8 g/L 时的透光率达至最高。继续增大用量，壳聚糖溶液本身形成了一种胶体溶液，反而使苹果汁的透光率降低。因此，选择0.8 g/L为壳聚糖最佳用量水平。

图2 壳聚糖用量对苹果汁澄清效果的影响Fig.2 Effects of chitosan content on clarity

2.3 负载澄清剂添加量对澄清效果的影响

活性炭是一种比表面积大、孔隙结构发达的多孔碳质吸附材料，对溶液中的色素分子、溶解气体、悬浮物质等都有较强的吸附作用，从而使溶液得以澄清和脱除异味[10-11]。负载澄清剂用量对苹果汁澄清效果的影响见图3。

图3 负载澄清剂用量对苹果汁澄清效果的影响Fig.3 Effects of loaded clarify agent content on clarity

图3 表明，在相同用量条件下，活性炭负载壳聚糖澄清剂对苹果汁的澄清效果均优于单一的活性炭和单一的壳聚糖液；且随负载澄清剂用量的增大，固定在活性炭微晶结构内部的壳聚糖分子与氢离子结合所生成的聚阳离子电解质也随之增多，与果汁中的果胶等负电荷物质发生絮凝作用的程度加大，故使果汁得以逐渐澄清。另一方面，负载澄清剂用量的增大也增加了活性炭的吸附比表面积，加速了果汁中大分子颗粒的吸附沉集。当澄清剂的添加量为12 g/L 时，果汁中的大分子颗粒基本被吸附和沉降完全；继续增大用量，对透光率的提高无太大影响。因此，确定12 g/L为负载澄清剂的最佳用量。

2.4 澄清时间对澄清效果的影响

陈冬梅[12]和孙涛[13]认为壳聚糖在一定程度上能与果汁中的还原糖类物质发生羰氨反应而加深溶液颜色。澄清时间对苹果汁澄清效果的影响见图4。

图4 澄清时间对苹果汁澄清效果的影响Fig.4 Effects of clarifying time on clarity

图4 表明，随澄清时间的延长，活性炭的吸附作用和壳聚糖的絮能作用更加充分，且在10 min 时达至平衡，果汁透光率也增至最大；继续延长澄清时间，因壳聚糖与还原糖类物质发生羰氨反应的程度加深而使溶液透光率呈降低趋势，故选择负载澄清剂的最佳澄清时间为10 min。

2.5 温度对苹果汁澄清效果的影响

温度对负载澄清剂的澄清效果主要有以下三个方面的影响：（1）活性炭对物质的吸附是一个吸附与解吸同时进行的动态平衡过程，受温度等多种因素的影响。在较高的温度条件下，活性炭的解吸速度会表现出大于吸附速度，从而会引起溶液澄清度的降低；（2）果汁温度升高，果胶等大分子的布朗运动能力增加，既可导致壳聚糖对其的吸附作用减弱，也使部分被吸附在活性炭活性位上的分子颗粒克服活性炭物理吸附作用的能力增加，易于从活性位上解脱附，从而降低果汁透光率；（3）温度过高时，果胶易发生脱酯反应和聚合物的降解，降低其与壳聚糖的絮凝程度；同时，过高的温度会加深果胶的颜色，造成透光率降低。澄清温度对苹果汁澄清效果的影响见图5。

图5 澄清温度对苹果汁澄清效果的影响Fig.5 Effects of clarifying temperature on clarity

从图5 可看出：随果汁温度的升高，活性炭和壳聚糖；当温度超过50 ℃时，以上三方面的综合作用所引起的透光率下降占主导地位，故透光率反而逐渐降低。

2.6 pH 对苹果汁澄清效果的影响

图6 pH 对苹果汁澄清效果的影响Fig.6 Effects of pH on clarity

由图6 可见，不同的pH 对负载澄清剂的澄清效果有较明显的影响，且在pH 2.5～3.5 范围内的澄清效果最优。一方面，可能是在此范围条件下，壳聚糖分子中生成的聚阳离子电解质较多和活性炭表面化学基团的性能较活跃，对果汁大分子物质的吸附效果佳；另一方面，可能是在此较低的pH 条件下，原果胶的水解作用较强，与壳聚糖的结合絮凝更充分，更利于果汁的澄清。当pH 高于3.5 时，酸的作用对澄清剂的吸附性能减弱，果汁的透光率也随之下降。

2.7 优化实验

在单因素试验基础上，采用Box-Behnken 响应面设计法进行澄清工艺条件优化。各因子编码值见表1，试验结果见表2。

表1 Box-Behnken 中心组合因素水平编码表Table 1 Factors and levels of Box-Behnken central component experiments design

2.7.1 透光率回归模型的建立及可靠性检验

表2 Box-Behnken 中心组合设计方案及实验结果Table 2 Box-Behnken experiments design and the results of these experiments

上述回归模型的可靠性可通过方差分析及相关系数来考察，方差分析如表3 所示。

表3 回归模型方差分析结果Table 3 Analysis of variance for regression model

2.7.2 澄清条件的优化与验证

在选取的各因素范围内，对回归模型分析可得最佳澄清条件为：负载澄清剂用量12.01 g，澄清时间9.63 min，澄清温度54.96 ℃，pH 2.56；预测的透光率理论值为97.08%。为实际操作便利，选择工艺条件为负载澄清剂用量12 g，澄清时间9.6 min，澄清温度55 ℃，pH 2.56 进行3 次验证实验，测得透光率的平均值为96.47%，与预测值接近，说明该方程与实际情况拟合良好，适于活性炭负载壳聚糖澄清剂对苹果汁的澄清工艺进行回归分析和参数优化。

3 结论

1）本试验结果表明：活性炭负载壳聚糖澄清剂对苹果汁有较好的澄清效果，且明显优于单一的活性炭和单一壳聚糖的澄清效果。

3）经SAS 软件分析，优化得到的最佳提取工艺条件为：负载澄清剂用量12 g，澄清时间9.6 min，澄清温度55 ℃，pH 2.56，此条件下的平均透光率为96.47%。

[1]张雪,向瑞平,李和平.不同澄清剂对苹果汁澄清作用的研究[J].郑州牧业工程高等专科学校学报,2009,29(2)：7-9

[2]黄峰华.寒地特色中小型苹果果汁澄清工艺研究[J].食品科技,2009,34(2)：49-52

[3]李军,汪政富,张振华,等.鲜榨苹果汁陶瓷膜超滤澄清与除菌的中试试验研究[J].农业工程学报,2005,21(1)：136-141

[4]李培.活性炭负载壳聚糖对香蕉皮果醋澄清作用的研究[J].试验报告与理论研究,2007,10(5)：6-8

[5]Catherine J Salim,Hui Liu,John F Kennedy.Copmparative study of the adsorption on chitosan beads of phthalate esters and their degradation products[J].Carbohydrate Polymers,2010,81(3)：640-644

[6]Jacek Balcerzak,Maria Mucha.Study of adsorption and desorption heats of water in chitosan and its blends with hydroxypropylcellulose[J].Molecular Crystals&Liquid Crystals,2008,484(1)：99-106

[7]李增新,段春生,黄婕,等.沸石-壳聚糖吸附剂对保健食醋的澄清作用[J].食品工业科技,2006,27(12)：132-134

[8]李增新,高华.壳聚糖-麦饭石对水蜜桃汁的澄清作用[J].食品工业科技,2008,29(2)：111-113

[9]章斌,谢国丹,杨兵,等.壳聚糖的超声波降解及对芒果汁澄清效果的研究[J].食品工业科技,2012,33(3)：268-271

[10]N L Leggott,G S Shephard,S Stockenstrom.The reduction of patulin in apple juice by three different types of activated carbon[J].Food Additives and Contaminants,2001,18(9)：825-829

[11]Hacer çoklar,Mehmet Akbultuut.Effect on phenolics,hmf and some physico-chemical properties of apple juice concentrate of activated carbon applied at the different temperatures[J].Journal of Food Process Engineering,2010(33)：370-383

[12]陈冬梅.壳聚糖的降解及其抑菌性、抗氧化性研究[D].重庆：重庆工商大学,2009

[13]孙涛,陈春红,朱云,等.基于与葡萄糖美拉德反应的低聚壳聚糖衍生物的抗氧化性能[J].食品科学,2011,32(3)：14-18

[14]刘娅,董瑞,颜海燕,等.薄皮核桃壳活性炭处理啤酒工业废水的研究[J].石河子大学学报,2011,29(1)：94-97