超声波辅助提取法提取柚子中果胶的工艺研究

何立坚

超声波辅助提取法提取柚子中果胶的工艺研究

何立坚

引言

果胶是由半乳糖醛酸组成的高分子物质，是植物细胞壁的组成成分，是一种白色至浅黄色的粉末，稍带酸味，没有固定的熔点和溶解度，不能溶于乙醇等有机溶剂，具有水溶性，工业上即可分离［1］。它具有降低血清胆固醇、降低血糖、降低癌症的发病率、提高免疫反应等作用。果胶通常是添加在果酱和果冻作为胶凝剂。它也被用作脂肪替代物使用在冰激凌和沙拉酱中［2］。在营养方面，果胶已被证实能够降低血液胆固醇和低密度脂蛋白及胆固醇分数。根据联合国粮农组织规定，果胶被认为是一个安全的添加剂，可以每天服用没有限制［4］。

果胶全世界的年平均需求量大约达到20000t，而随着科学技术的发展，人类科学研究的进步使得果胶的需求量不断的提高。无论是在国际市场还是在国内的市场果胶都有广泛的应用，但是限于国内生产果胶技术的不成熟，我国每年从国外进口的果胶大概占到总需求量的70%-80%［5］。因此我国现在大力开发果胶资源，补充市场的需求。而通常柚子的果肉被人所食用，而果皮却未被充分利用，柚子皮中含有大量的果胶，但目前对柚子皮中果胶提取的研究却少见报道［6］。本实验通过酸提取和超声波辅助提取方法提取果胶，目的在于提高柚子的经济效益，并解决果皮丢弃带来的环境污染问题［7～10］。那么要如何利用柚子皮生产果胶使其变废为宝，成为目前研究的热点。现在国内制取果胶的主要方法有酸提取法、微生物提取法、微波提取法、酶提取法、离子交换树脂提取法［11］及超声波提取法等如图1。超声波提取法提取的主要理论依据是超声的空化效应、热效应、机械作用［12］如图2。当大量的能量的超声波作用于物体时，物体介质会被撕裂成许多小空穴，这些小空穴瞬时闭合，并产生高达几千大气压的瞬间压力，即空化现象［13］。超声空化中微小气泡的爆裂会产生极大的压力，使植物细胞壁及整个生物体的破裂在瞬间完成，缩短了破碎时间，同时超声波产生的振动作用加强了细胞内物质的释放，提高了果胶提取的效率。本实验采用超声波辅助提取法提取果胶，目的在于研究果胶提取的最佳工艺条件。柚子产于我国的福建、江西、广东及广西等南方地区［7］，柚子清香、酸甜、营养价值丰富，药用价值也高，是人们喜欢的水果之一，也是医学界公认的最具食疗的效益水果［6］。

图1 果胶的结构式［11］

图2 半乳糖醛酸的结构式［12］

实验部分

1.主要的仪器和试剂（1）材料与试剂

柚子皮新鲜成熟的皮厚、色泽好的柚子

95%乙醇AR天津市永大化学试剂有限公司

盐酸AR广州市化学试剂厂

活性炭粉末AR天津福晨化学试剂产

蒸馏水自制

（2）实验仪器

pH试纸

电炉

AUY220万分之一分析天平

电子天平

GZX-9246电热恒温鼓风干燥箱超声波清洗仪2.实验方法（1）工艺路线

新鲜柚子皮→灭酶→漂洗→干燥→剪碎→超声波提取→滤液脱色→乙醇沉淀→干燥→粗果胶成品。

（2）具体操作方法

●原料预处理：未经处理的柚子皮中含有果胶酶，它能把不溶性的原果胶变成水溶性的果胶，因而在浸泡和漂洗过程中会使一部分水溶性果胶流失，且原料的成熟度越高，果胶酶的酶解作用越大，所以首先要对原料进行灭酶，钝化果胶酶的作用。

操作如下：将新鲜的柚子皮放到60℃烘箱中干燥（8～10）h，将干燥过后的柚子皮切成小块，将其放置在煮沸的水中灭酶10min，然后用（40～50）℃温水水漂洗3～4次至漂洗液颜色呈浅色，为了尽可能地除去柚子皮中部分可溶性的糖及色素类物质。用纱布挤压漂洗后的柚子。

●超声波提取：天然果胶类物质以原果胶、果胶、果胶酸的形态广泛存在于植物的果实、根、茎、叶中，是细胞壁的一种组成成分，它们伴随纤维素而存在，构成相邻细胞中间层粘结物，使植物组织细胞紧紧粘结在一起。原果胶是不溶于水的物质，但可加入酸、碱、盐等化学试剂及酶，并在一定温度下水解转变成水溶性果胶。盐酸可以很好地将植物细胞壁中与钙、镁离子螯合形成的水不溶性果胶提取出来，而超声波超声空化中微小气泡的爆裂会产生极大的压力，使植物细胞壁及整个生物体的破裂在瞬间完成，缩短了破碎时间，同时超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散和溶解，从而显著提高提取效率。

操作如下：称取10.0000g柚子皮于烧杯中，加入一定体积的盐酸溶液，将其放入水浴锅中恒温搅拌，再将烧杯放到超声波清洗仪中提取，提取时间结束后迅速趁热将提取物进行离心分离得上清液，调pH值为3.5～4.0。

●脱色纯化∶在提取果胶的同时，植物组织中的色素也被提取出来，溶于提取液中，若不对提取液进行脱色处理，就会使得成品果胶的色泽加深，影响果胶的外观和质量。我们常用吸附法来对果胶进行脱色。常见的吸附剂有活性炭、硅藻土、白土等。一般步骤是：将果胶提取液与吸附剂混合均匀，在一定温度（60～75）℃下保温一段时间，使提取液中的色素尽量吸附到吸附剂上，然后用过滤的方法将吸附剂除去。试验中我们采用活性炭，活性炭的表面积大，吸附能力强，可脱去提取液中的部分色素。

操作如下：在果胶提取液中加入少量的活性炭于60℃保温10 min进行脱色和除异味。

●沉淀：将果胶沉淀出来的方法主要有醇沉淀法、盐析法、电解质沉淀法和胶体沉淀法，在工业中常采用醇沉淀法和盐析法［11］。实验中我们采用的是醇沉淀法，醇沉淀法的基本原理是利用果胶不溶于醇类溶剂的特点，将大量的醇加入到果胶的水溶液中形成醇一水的混合剂将果胶沉淀出来。醇沉淀法是最早实现工业化生产的一种方法。操作如下：待浓缩液冷却后，在不断搅拌下加入95%乙醇，加入乙醇的量约为原体积的1倍，使酒精浓度达50%～60%（可用酒精计测定），静置60min，高速离心后，沉淀用无水乙醇洗涤2次。

●干燥：将沉淀打散放置在表面皿，放于60℃的烘箱内干燥（6～8）h至含水量达到10%左右得出果胶成品。

3.产率的计算［14］

重量法：用电子天平称量所得果胶的质量，并计算果胶的产率。

m果胶：粗果胶成品的质量；

m袖子皮：称取柚皮粉的质量。

结果与讨论

1.单因素实验

（1）料液比对柚子果皮果胶得率的影响：

分别准确称取10g切碎的柚子果皮，再分别按照料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25再将pH值调至2.0，加热至75℃提取40min，研究不同的料液比对果胶得率的影响，如图3。

图3 料液比对果胶得率的影响

由图可知，随着料液比的增大果胶的得率也随之增大，在1∶15的料液比时，得到的果胶最多，也就是此时的果胶得率最大，但随之料液比继续增大，果胶得率反而有所下降，这是因为料液比太小时，物质的粘度大，提取之后的过滤困难；料液比增大之后，过滤容易，但果胶被稀释，会增大乙醇的用量，增加了能耗，所以从果胶提取效率，经济效益综合考虑，确定最佳的料液比为1∶15。

（2）pH值对柚子皮果胶得率的影响

分别称取10g切碎的柚子果皮，按照料液比1∶20，调节pH1.0、2.0、3.0、4.0，加热至75℃提取40min，研究不同的pH值对果胶得率的影响如图4。

图4 pH值对果胶得率的影响

由图可知，随着pH值的增加果胶的得率也在增加，在pH=2时，果胶的得率最高。而后随着pH值的增大，果胶的得率反而下降。果胶在稀酸中能够水解，将柚子果皮中的原果胶质水解为水溶性果胶，从而使果胶从果皮中转到水箱中，生成可溶于水的果胶。溶液的pH值过高，提取时间将会延长，果胶的稳定性下降，容易分解成果胶酸，使得产率下降，同时也会使取得的果胶的颜色加深，所以，果胶提取溶液的pH值可以控制在2.0左右。

（3）超声波时间对果胶得率的影响

分别准确称取10g柚子皮，按料液比1∶20，pH2.0的溶液加热至75℃提取40min，放入超声波功率为200W的超声波清洗器中提取20min、30min、40min、50min，研究不同的超声波时间对果胶得率的影响如图5。

由图5知，果胶得率随着超声波时间的增长先增加后减少，在30min时达到最大，因为时间的延长会使柚子果皮里的果胶充分水解，使得果胶的得率提高；而提取时间过长则会使果胶解酯、裂解，造成果胶产率的下降。

图5 超声波作用时间对果胶得率的影响

（2）正交实验

从以上单因素实验结果可以看出，超声波时间（A）、料液比（B）、pH值（C）三个因素对果胶提取有一定影响，因此对三因素分别设定了三个水平进行正交实验，对果胶提取工艺条件进行进一步筛选，采用L9（34）正交表设计安排实验。因素水平表见表1，正交实验表及结果见表2。

表1 正交因素实验水平表

表2 L9（34）正交实验表及结果

?

从表2的数据分析可知，RB＞RA＞RC，所以超声波时间、料液比、pH值这三个因素对果胶提取的影响顺序为：料液比（B）＞超声时间（A）＞pH值（C）.即料液比对果胶的提取影响最大，pH值最小，从柚子皮里提取果胶的较好的工艺条件应该是A2B3C2。

应用研究及进展［15］

本实验对从柚子皮里提取果胶的工艺条件的讨论，通过单因素实验和正交试验，得出最佳的工艺条件。实验过程中用到的试剂主要是乙醇，而乙醇我们进行了回收利用，实验在一定的程度上减少了资源的浪费。采用了可循环使用的方法。实验中得出其他条件不变的情况下，料液比为1：15时果胶的得率最大；在料液比和超声波作用时间相同的条件下pH值为2时果胶得率最大；当料液比和pH值相同时，超声波作用时间为30min时果胶得率最大。通过正交实验看出料液比、超声波作用时间、pH值这三个因素对果胶提取影响的顺序为：料液比＞超声波作用时间＞pH值。即料液比对果胶的提取影响最大，pH值最小，从柚子皮里提取果胶的较好的工艺条件应该是料液比为1∶20，超声波作用时间为30min，pH值为2.0.

（作者单位：厦门华厦学院）

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