活性炭－超声波联合处理对蜜柚果汁脱苦效果的研究

顾苗青 冯赛男 余小林 李娇娇

（1.华南农业大学食品学院，广东 广州 510642；2.华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 510641）

柚子（citrus grandis）为柑橘属（citrus）常绿果树，是中国南方的特色水果，深受国内外广大消费者喜爱。柚子榨汁经加热处理后会产生明显苦味，使得柚子果汁的加工受到限制，因此柚类果汁的脱苦技术问题已成为目前研究的热点［1－3］。柚类果汁苦味成分主要为柚皮苷，虽然柚皮苷作为一种二氢黄酮类化合物，具有一定抗氧化、降血胆固醇等生理活性功能，但柚子果汁的苦味一般不易被消费者所接受，因而在加工中需要进行脱苦处理。目前中国国内有关柑桔类果汁的苦味脱除方法主要有：吸附脱苦法、酶脱苦法、代谢脱苦法、修饰脱苦法、添加苦味抑制剂法等［4－8］。但对柚子汁采用超声－活性炭联合处理的相关研究迄今未见报道。本试验拟通过研究活性炭吸附法与活性炭－超声波联合技术的脱苦效果，探讨适宜的脱苦工艺参数，旨在为生产高品质柚类果汁提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

梅州蜜柚：购自广州市水果批发市场；

颗粒活性炭：广州市祥元活性炭有限公司；

甲醇：色谱纯，德国Merck公司。

1.2 试验设备

超声波清洗器：KQ3200DB型，昆山市超声仪器有限公司；

高效液相色谱仪（包括 LC－10Avp二元泵，SCL－10Avp系统控制器）：LC－10ATvp型，岛津仪器（苏州）有限公司；

电热恒温水浴槽：HH.S11型，常州诺基仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 柚汁的制备工艺

蜜柚去皮→取出果肉→切割成小块→榨汁→离心分离（3 500r／min，20min），取上清液待用

1.3.2 单因素试验

（1）活性炭添加量对果汁脱苦效果的影响：活性炭单独处理时，于100mL柚汁中分别加入0.5，1.0，1.5，2.0，2.5g活性炭，并分别置于50℃水浴锅100min。活性炭－超声波联合处理时，取相同量的果汁与活性炭分别置于温度50℃的超声波清洗仪中，超声功率为120W、处理时间100min。

（2）作用温度对果汁脱苦效果的影响：活性炭单独处理时，于100mL柚汁中加入2.0g活性炭，置于20，30，40，50，60℃水浴锅中100min。活性炭－超声波处理时，取相同量的果汁与活性炭，分别置于上述温度的超声波清洗仪中100min，超声功率为120W。

（3）作用时间对果汁脱苦效果的影响：活性炭单独处理时，于100mL柚汁中加入2.0g活性炭，置于50℃水浴锅中分 别 作 用 10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，110，120min。活性炭－超声波处理时，取相同量的果汁与活性炭置于温度50℃的超声波清洗仪中分别作用上述时间，超声功率为120W。

（4）超声功率对果汁脱苦效果的影响：在100mL果汁中加入2.0g活性炭，分别置于50℃、功率60，75，90，105，120，135，150W的超声波清洗仪中处理40min。

1.3.3 活性炭－超声联合处理法的响应面优化试验 根据单因素试验结果，选定活性炭添加量、作用温度、作用时间和超声功率4个因素的因素水平，利用Design Expert软件，采用中心组合试验Box－Behnken设计方案以及四因素三水平的响应面分析方法求取优化的工艺参数。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 柚皮苷含量 采用高效液相色谱法测得柚皮苷含量。样液经0.45μm滤膜过滤，进样量10μL；测定条件：Waters C18色谱柱，流动相为甲醇－超纯水（1∶1，V／V），流速0.7mL／min，检测波长280nm，柱温35℃［9，10］。

1.4.2 柚皮苷脱除率 根据HPLC测得的柚皮苷标准品和各样品的峰面积，利用外标法算出样品柚皮苷的质量浓度，根据式（1）计算柚皮苷脱除率。

式中：

A—— 柚皮苷脱除率，%；

C0—— 未处理柚子汁中的柚皮苷含量，mg／100g；

C——脱苦处理后柚子汁中的柚皮苷含量，mg／100g。

1.4.3 可溶性固形物含量 采用阿贝折光仪测定，按GB／T 12143.1——89执行。

1.4.4 总酸含量 采用酸碱滴定法，按 GB／T 12456——90执行。

1.4.5 总糖含量 采用直接滴定法，按 GB／T 6149——1986执行。

1.4.6 VC含 量 采 用 2，6－二 氯 靛 酚 滴 定 法，按 GB 14754——1993执行。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 活性炭添加量对果汁脱苦效果的影响 活性炭单独处理及活性炭－超声波联合处理时，活性炭添加量对蜜柚果汁柚皮苷脱除率的影响见图1。

图1 活性炭添加量对柚皮苷脱除率的影响Figure 1 Effect of activated carbon dosage on removal rate of naringin

由图1可知，柚皮苷的脱除率随着活性炭添加量的增加而增大，当添加量高于1.5%时，柚皮苷脱除率趋于平稳。相同活性炭添加量作用下，活性炭－超声波联合处理的果汁柚皮苷脱除率明显高于活性炭单独处理，表明超声波对活性炭吸附柚皮苷有着一定的促进作用。

2.1.2 作用温度对果汁脱苦效果的影响 由图2可知，活性炭单独处理的温度在20～40℃时，柚皮苷脱除率增大明显；而当温度超过40℃时，脱除率不再随温度升高而增高而趋于稳定。活性炭－超声波联合处理的温度为20～50℃时，柚皮苷脱除率随温度的升高而增大，当温度超过50℃时，脱除率略有下降。相同温度下，活性炭－超声波联合处理的果汁柚皮苷脱除率明显高于活性炭单独处理，表明超声波对活性炭吸附柚皮苷有着一定的促进作用。

图2 处理温度对柚皮苷脱除率的影响Figure 2 Effect of temperature on removal rate of naringin

图3 处理时间对柚皮苷脱除率的影响Figure 3 Effect of times on removal rate of naringin

2.1.3 作用时间对果汁脱苦效果的影响 由图3可知，柚皮苷脱除率随处理时间的延长呈先快速上升而后趋于稳定的趋势。活性炭单独处理80min时，脱除率约达60%，随后随着处理时间的延长，脱除率变化趋于稳定。联合处理的时间小于30min时，随着时间延长，柚皮苷脱除率上升趋势明显。当处理时间达30min时，柚皮苷率脱除率约为85%，而后变化平缓。相同时间下，活性炭－超声波联合处理的果汁柚皮苷脱除率明显高于活性炭单独处理，表明超声波对活性炭吸附柚皮苷有着一定的促进作用。

2.1.4 超声功率对果汁脱苦效果的影响 活性炭－超声波联合处理时，超声功率对蜜柚果汁柚皮苷脱除率的影响见图4。

图4 超声功率对柚皮苷脱除率的影响Figure 4 Effect of ultrasonic power on removal rate of naringin

由图4可知，当超声功率低于120W时，柚皮苷脱除率随超声功率增加而增大，进一步提高超声功率其脱除率反而有所下降。

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1 响应面设计及结果 根据以上单因素试验的结果，设计四因素三水平编码表见表1，响应面分析试验设计与结果见表2。

表1 试验因素水平编码表Table 1 Experimental factors and levels

利用SPSS软件对表2中的试验数据进行多元回归拟合，得到活性炭添加量、处理时间、处理温度、超声功率与柚皮苷脱除率（Y）之间的二次多项回归方程：

2.2.2 方差分析 模型的可靠性可从方差分析及相关系数来考察。由表3可知，模型的显著水平P为0.026 3，小于0.05，说明所选用的二次多项模型具有显著性，该试验方法是可靠的。该模型的决定系数R2为86.52%，说明此模型与实际试验拟合较好；因失拟项P＝0.3395＞0.05，说明试验失拟项不显著，因此可用该回归方程代替试验真实点对试验结果进行分析。

表2 响应面分析试验设计与试验结果Table 2 Experimental design andresults of Box－Behnken

回归方程系数显著性检验结果表明，4种因素影响次序为活性炭添加量（X1）＞ 处理温度（X2）＞处理功率（X4）＞处理时间（X3）。

2.2.3 响应面分析 分别将活性炭添加量X1、处理温度X2、处理时间X3、超声功率X4四因素的任意两个因素固定为0水平，求余下两个因素的交互效应，得到4个因素交互效应对柚皮苷脱除率Y影响的响应曲面图见图5。

表3 回归模型的方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation for the yield of xylan

图5直观地反映了各因素对响应值的影响。比较6组图可知，活性炭添加量对蜜柚汁脱苦的影响最为显著，表现为曲面较陡峭。

2.2.4 确定最优条件及验证实验 根据模型计算得到的优化工艺条件为活性炭添加量1.81%、处理温度45.95℃、处理时间37.84min、超声功率125.265W，此时模型预测值为83.63%。

在上述优化条件下，结合实际操作，将工艺参数修正为活性炭添加量1.8%、处理温度45℃、处理时间38min、超声功率120W。在此条件下进行了5次平行验证实验，柚皮苷脱除率平均值为83.57%，RSD为0.9%，与理论预测值（83.63%）相比误差仅为0.06%，由此验证了响应面优化模型预测值的可靠性。

2.2.5 优化脱苦条件下柚子汁的理化指标 用活性炭－超声波联合处理的优化条件处理后，柚子汁的理化指标变化见表4。

图5 活性炭添加量X1、作用温度X2、作用时间X3、超声功率X4两两交互作用图Figure 5 Interactions between the four factors（Activated carbon dosage X1，temperature X2，time X3and ultrasonic power X4）

表4 处理前后柚子汁理化指标Table 4 Grapefruit juice index before and after treatment

由表4可知，活性炭－超声波联合处理会造成柚子果汁主要成分含量有一定程度下降，其中对抗坏血酸的影响较明显，其损失率为32.1%，但酸的下降幅度较小。

3 讨论

3.1 处理温度对柚皮苷脱除效果的影响

在本试验中，活性炭单独处理以及与超声波联合处理均表现为柚皮苷脱除率在一定温度范围内（20～40℃）增大明显，但当温度超过40℃时，脱除率不再随温度升高而增高。分析其原因为活性炭对柚皮苷的吸附是一种物理吸附过程，其动力学控制因子在很大程度上受到苦味物质分子扩散、吸附在活性炭表面速率的影响，温度高，分子热运动加快，活性炭的吸附效果明显。当超声施加于活性炭体系时，温度在50℃以下时，温度升高对活性炭吸附具有促进作用，这一方面可能是由于温度提升，促进了柚皮苷的分子热运动，增加了与活性炭的碰撞几率，从而导致脱除率提高；另一方面可能是由于超声的空化作用，增大了活性炭吸附面积的缘故，使得脱除率增加。而当温度高于50℃ 时，温度升高会导致空化泡崩溃，故空化降解作用降低［11、12］，表现为脱除率增长速率变为缓慢。

3.2 超声功率对柚皮苷脱除效果的影响

超声功率的大小关系到超声作用的强弱，在超声波－活性炭联合处理中，增大超声功率，超声的震动作用随之增大，由此增加了柚皮苷分子在体系中的热运动，与活性炭的碰撞几率增加，有利于吸附；同时由于超声波的“声空化”作用，使活性炭原有的微小间隙被扩张，扩大了活性炭的比表面积，提高了活性炭的吸附容量。对活性炭吸附平衡体系施加超声波后，超声空化作用产生的能量能够通过传声介质施加于被吸附的分子上，使部分被吸附的溶质脱附。体系的相平衡明显朝着固相吸附量减少的方向移动，超声波的功率越大，这种相平衡关系变化的幅度也越大［13，14］。但当超声波的强度达到一定值时，活性炭开始出现明显的破碎。因此当超声功率大于120W时，柚皮苷脱除率表现为下降。

4 结论

（1）活性炭－超声波联合处理对柚皮苷的脱除效果优于活性炭单一处理。

（2）活性炭－超声波联合处理的优化参数：活性炭添加量为1.8%，处理温度为45℃，处理时间为38min，超声功率120W，模型预测的柚皮苷脱除率为83.63%；在优化工艺条件下进行5次平行实验的平均脱苦率为83.57%，与理论预测值相比误差仅为0.06%。

（3）活性炭－超声波联合处理后柚子汁的糖、酸、VC含量有所下降。

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