超声辅助技术在果胶提取中的研究进展

岳贤田 ， 杨继亮

(巢湖学院 ， 安徽 合肥　238000)



超声辅助技术在果胶提取中的研究进展

岳贤田 ， 杨继亮*

(巢湖学院 ， 安徽 合肥238000)

摘要：超声辅助技术在天然产物提取中具有广泛的应用，在果胶的提取中主要有三个阶段：加速浸润、渗透阶段；促使溶解、溶解阶段；增进扩散、置换阶段。本文结合国内外有关文献，对超声辅助提取果胶的原理(三大效应)进行了解释，对其提取特点和应用作了概括，并对超声辅助提取果胶的技术在未来的走向进行了展望，以期为广大科研工作者开展科研工作提供参考。

关键词：超声辅助 ； 果胶 ； 提取 ； 进展

果胶是以原果胶、果胶和果胶酸的形态存在于植物以及水果的果实、根、茎和叶中的多糖类高分子化合物，果胶是细胞壁的重要组成部分，和纤维素相伴随而存在，构成细胞中间层黏结物，可以说是植物组织紧紧抱团的黏结剂。果胶的成分主要由α-1, 4糖苷键链接的半乳糖醛酸和鼠季糖、半乳糖、阿拉伯糖等中性糖形成的聚合物及其它非糖成分如甲醇、乙酸、阿魏酸等物质。果胶的结构主要由主链和侧链两部分组合而成，由α-1，4糖苷键链接的D-半乳糖醛酸单元直链形成高聚半乳糖醛酸主链，侧链主要由鼠季糖半乳糖醛酸聚糖构成[1]。果胶作为一种天然的高分子化合物，具有良好的胶黏性和乳化稳定作用，在食品、医药、日化、纺织行业具有广泛的用途。目前国内外果胶的提取方法有很多，超声波提取果胶的方法已在不同种类的植物和水果中有所研究，所以有必要结合国内外有关文献对超声辅助技术在果胶中的提取应用进行综述。

1基本原理

超声技术是利用电磁波和机械波的作用需要能量载体介质来进行传播，在传递过程中存在着正负压强交变周期，在正相位时，对介质分子进行挤压，增加介质原来的密度；在负相位时，介质分子稀疏离散，介质分子密度减小，这就是超声波在溶剂和样品之间产生声波空化效应，导致细胞壁内气泡的产生、增长和破灭，固体样品分散，增大样品和溶剂间的接触面积，提高目标物从固相到液相的传递速率。超声波特殊的提取天然产物的物理性质是基于以下三大效应：

1.1机械效应

在超声波的作用下，细胞内的介质质点在其传播空间内产生振动，强化了介质的扩散和传播速率，在超声波传递过程中可以产生一种辐射压强，对物料具有很强的破坏作用，使得细胞组织变形，和植物组织内蛋白变性，同时给予细胞介质和内悬体一定的加速度，使得介质分子的运动速度远远大于内悬体的运动速度，从而利用两者在运动过程中的摩擦效应，使得生物分子解聚细胞壁上有效成分较快地转移到溶剂中来，这就是超声机械效应的作用原理。

1.2空化效应

在常态下，细胞介质内部存在一些气泡，这些气泡在超声波的作用下产生振动，在声压达到一定数量时，细胞介质内气泡由于定向扩散增大形成振动腔，这种气泡在闭合时会在其周围形成几千个大气压的压力，形成微激波造成细胞壁破裂，由于时间短暂有利于有效成分的溶出，这就是超声空化效应的作用原理。

1.3热效应

超声波在细胞介质中的传播过程是一个能量的传播和扩散过程，其声能在传播的过程中不断地被细胞介质中的质点吸收，细胞介质将所吸收的能量转化为热能，从而导致细胞介质内部组织温度升高，增大了有效成分的溶解速度，由于这种效应是在短暂时间内完成，可以使得被提取的有效成分活性保持不变，这就是超声热效应的作用原理。

除此之外，超声还可以产生许多次级效应，如乳化、扩散、击碎、化学效应等，这些次级效应同时也促进细胞内有效成分的溶解，促使有效成分进入介质，加快提取的过程，提高有效成分的提取率。

2超声辅助技术在果胶提取中的特点

超声辅助技术由于其适用范围广，在医药、食品、油脂加工中有广泛的应用，与目标萃取物和溶剂的性质关系较小，可以有效地提取果胶中的有效成分[2-3]。作为一门新方法、新工艺，与水煮醇沉工艺相比，具有以下特点：

2.1提高破碎速度和提取效率

超声辅助技术有利于果胶的充分利用，果胶提取物中的有效成分含量高。Homa Bagherian 等[4]比较了传统的溶剂提取、微波辅助提取和超声辅助提取技术在葡萄皮果胶提取中的应用，结果发现，超声辅助提取技术的提取率高，超声预处理25 min葡萄皮果胶的提取率可以达到27.81%，比传统的提取方法(葡萄皮果胶的提取率为17.92%)高出许多。张初署等[5]以菠萝皮为原料，采用超声辅助技术进行正交实验，实验结果表明，在超声处理90 min后，菠萝皮果胶的提取率可以达到90%。

2.2提取温度低

与传统的提取方法相比，超声辅助技术不易破坏果胶中的热敏性成分结构，不影响产品成分的质量。并且该法常压萃取、操作简单、提取安全，能充分利用果胶的有效成分，减少溶剂的使用量，不易造成污染。Tao Xia等[6]采用超声辅助技术对茶叶中的咖啡碱和多酚物质进行了提取，结果发现茶叶的风味没有变化，这说明超声波是一种绿色提取技术，对物质的有效成分不构成破坏。杨明等[7]采用超声技术提取石榴果实中的果胶，采用正交实验得到最佳的提取条件，发现这种技术是可行的，可以降低温度，提高果胶的提取率及安全性。

2.3提取时间短

提取过程是物理过程，在提取过程中没有发生化学反应，提取的果胶在短时间内活性保持不变，能够提高果胶的有效成分及产品质量的稳定性，同时提高果胶的品质，其工艺简单，可降低生产成本，提高效益。Yuting Xu等[8]通过动力学实验研究发现，超声、微波、热效应都可以提高葡萄皮果胶的提取率、溶解率和果胶的降解率，但是超声辅助技术同时还可以提高产率，缩短时间(与热效应相比可减少时间51.79 min，降低温度30 ℃)。

3超声辅助技术在果胶提取中的应用

超声辅助技术在果胶提取中有广泛的应用，从有关的文献可以看出，国外把超声辅助技术应用于果胶的提取相对比较少，但是国外从分子结构水平和流变性方面进行了研究，这一点我们将在结论和展望中提及，而国内相关的文献相对比较丰富，除了单一的超声辅助提取外，协同了其它的一些方法。

3.1超声波辅助法

岳贤田[9]曾采用超声波辅助法对香蕉皮中的果胶进行了提取，系统地研究了不同的萃取剂、溶剂、超声时间、超声功率、料液比、乙醇浓度和pH值对果胶提取率的影响，并在此基础上进行了实验研究，得到最佳的提取工艺，香蕉皮果胶的提取率可以达到20.5%。常大伟等[10]采用超声辅助技术对苹果渣中的果胶进行了研究，通过单因素实验和正交实验得出最佳的提取工艺，果胶的提取率可以达到13%以上。魏秋红等[11]采用超声辅助技术对橙皮果胶进行了提取，提取率可以达到21.3%，与传统的直接加热提取法相比，超声辅助提取技术是一种节能、省时、高效的方法。

3.2超声辅助协同酶法

余先纯等[12]采用超声波对柚皮进行处理，加入复合酶提取果胶，可以有效地减少对环境的污染，超声处理20 min，酶加入量为0.9%的条件下，每克柚皮果胶的提取量可以达到236.2 mg，远高于同等工艺条件下常规水浴法提取的果胶提取量。罗静等[13]采用超声辅助半纤维素酶法提取南瓜皮中的果胶，研究了半纤维素酶溶液的浓度、料液比、浸提时间、浸提温度、超声功率和超声时间对南瓜皮果胶提取率的影响。结果发现，超声处理10 min、酶溶液浓度为0.7%时，果胶的提取率达到11.21%，是一种省时、高效、绿色环保的提取方法。戴少庆等[14]对超声波辅助复合酶法提取桠柑皮果胶工艺进行了优化研究，结果发现，这种纤维素和半纤维素复合酶法较常规的单纯酶法工艺时间缩短4~5 h。

3.3超声辅助酸法

超声波是一种绿色、高效、经济的方法，酸法提取果胶是一种常规的方法，两者结合提取果胶有不同的效果，黄黎慧等[15]以干椪柑皮为原料，在超声波的作用下，用盐酸溶液水解和乙醇沉淀提取果胶。探讨了物料粒度、液料比、pH 值、浸提温度和超声波提取时间等因素对椪柑皮果胶提取工艺的影响，超声处理30 min，果胶的提取率达17.02%，与传统直接加热提取相比，缩短了提取时间、降低了提取温度，产品色泽较浅，品质优良。

3.4超声辅助盐析法

传统提取果胶是用水提醇沉法，这种方法耗时、原辅料消耗大、能耗高、工艺条件不易控制。采用超声波法辅助盐析可有效避免这些缺点，林曼斌等[16]主要研究了用超声波辅助盐析法从仙人掌中提取果胶的效果，通过正交实验，对其工艺条件进行探讨，得出果胶沉析的最佳条件是pH值4.5，温度60 ℃，铝盐量9 mL，此时果胶的产率是9.15%。

3.5超声辅助响应曲面法

李建凤等[17]利用响应曲面法优化超声波辅助提取柠檬皮渣果胶的工艺条件，以pH值、液料比、提取时间为影响因素，以果胶提取率为响应值，通过响应面分析法得到柠檬皮渣果胶的提取条件：pH值为1.0、液料比为20∶1、提取时间为50 min。此条件下的5次平行实验中柠檬皮渣果胶粗产品提取率的平均值为26.45%，实际测定值与理论计算值能够很好地吻合。耿敬章等[18]采用响应面法优化超声波辅助提取橘皮果胶的工艺，响应面法优化后果胶的最佳提取工艺条件为：pH值1.0、超声波频率20.7 W、提取温度70 ℃，此时果胶类化合物的提取率可达18.2%。

3.6表面活性剂增效超声波法

岳贤田[19]曾利用表面活性剂的增溶和乳化作用对果胶的提取进行了研究，结果发现超声处理50 min后，加入十二烷基磺酸钠，表面活性剂的用量为0.8%，香蕉皮果胶的提取率可以达到20.67%，整个提取过程绿色、省时、成本低、能耗小，可以称之为一种绿色经济高效的方法。

4结论与展望

果胶作为一种天然的高分子化合物，在许多行业有广泛的用途，超声辅助技术在果胶提取中是一种经济有效的方法。因此，研究人员对经过果胶处理后的分子结构和功效进行研究，特别是对经过提取后果胶的理化性质进行了深入的研究，国外已对果胶的流变性能和降酯工艺进行了研究[20-23]。

超声作为一门新型的技术，在提取有效成分的同时，也带来一些不必要成分的溶出，超声波物性参数的技术开发不够灵敏，提取设备的精确度还有待提高。针对这些问题，有必要在未来完善超声机理，将超声技术与其它分离技术相结合，并与现代色谱分析技术联合起来，对提取出来的果胶进行成分鉴定和分析，开发大规模的自动调控设备，完善提取产物的高质、高效和高产。

参考文献：

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Research Progress of Ultrasound Assisted Technology in the Extraction of Pectin

YUE Xiantian , YANG Jiliang*

(Chaohu University , Hefei238000 , China)

Abstract:Ultrasonic assisted technology has extensive application in the extraction of natural products,it has three stages in the extraction of pectin:accelerate the infiltration,infiltration stage;promote to dissoluten,the dissolution stage;enhancing diffusion,replacement stage.In this paper,combined with related literature at home and abroad,the principle of ultrasounde assisted extraction of pectin are explained.The extraction characteristics and application are summarized.And the ultrasound assisted extraction of pectin is prospected in the future.In order to provide reference for the researchers to carry out scientific research work.

Key words:ultrasound assisted ; pectin ; extraction ; progress

中图分类号：TS255.1

文献标识码：A

文章编号：1003-3467(2016)01-0016-04

作者简介：岳贤田(1980-)，男，讲师，在读博士，研究方向：绿色化学；联系人：杨继亮(1984-)，女，讲师，博士，研究方向：生物质能源和活性炭材料，电话：15051804879。

收稿日期：2015-11-20