超声波辅助酸法提取陈皮中果胶的工艺优化

李萍，汪青青，闫静坤，张兰，舒展，胡矗垚



超声波辅助酸法提取陈皮中果胶的工艺优化

李萍，汪青青，闫静坤，张兰，舒展，胡矗垚

（天津农学院基础科学学院，天津 300384）

以陈皮为原料，研究超声波辅助酸法对果胶提取效果的影响。在单因素试验基础上，利用正交试验优化提取工艺并对果胶理化性质进行测定。结果表明，果胶提取最佳工艺条件为：溶液pH值1.5、料液比1∶25（g∶mL）、超声温度75 ℃、超声功率231 W、物料粉碎度60～80目、超声时间40 min，在此条件下果胶提取率达到20.60%。影响果胶提取率的因素次序为：料液比＞超声温度＞物料粉碎度＞溶液pH值＞超声功率＞超声时间。红外光谱分析证实了果胶的成功提取。超声波辅助酸法与传统酸法相比，果胶提取率提高了4.25%、纯度提高了12.29%、酯化度提高了10.19%，且试验制备的果胶属于高甲氧基果胶。超声波辅助酸法是提取陈皮果胶的可行方法。

陈皮；果胶；超声辅助酸法；提取；工艺优化

果胶是半乳糖醛酸以1，4-糖苷键连接而成的多糖类物质，具有增稠、胶凝和稳定特性，作为添加剂在食品、医药和化妆品领域得到广泛应用。研究表明，果胶具有抗癌活性[1]。提取果胶的原料主要有苹果渣[2]、新鲜的柑橘皮[3]、甜菜[4]等。陈皮是柑橘及其栽培变种的干燥成熟果皮，是我国传统的中药材，对陈皮成分的研究主要集中在橙皮苷[5]、多糖[6]、挥发油[7]、黄酮类物质[8]等方面，而对陈皮中果胶的提取研究较少。

果胶的提取方法有酸法[9]、酶解法[10]、微波辅助法[11]和超声波辅助法[12]等。酸法是提取果胶的传统方法，但时间较长；酶解法条件温和，但成本较高[13]；微波辅助法具有高效、低耗、轻污染等特点，但加热温度不易控制。超声波辅助法是利用机械振动和空化效应破坏植物组织细胞的完整性，加快有效成分溶出，操作简便，提取率较高，近年来应用广泛。王海燕等[14]发现，超声波辅助酸法提取榴莲皮果胶的效果优于传统酸法；王媛莉等[15]报道了超声波对草酸铵法提取豆腐柴果胶具有较强的辅助作用；Peng等[16]发现超声波/微波辅助酸法与传统酸法相比，提取的甜菜浆果胶具有更高的分子量、黏度、乳化性能和稳定性。目前，关于超声波辅助酸法提取陈皮果胶的报道较少。本研究采用超声波辅助酸法提取陈皮中的果胶，以果胶提取率为指标，在单因素试验基础上，用正交试验优化提取工艺并对果胶理化性质进行测定，旨在为陈皮中果胶的超声波辅助酸法提取及果胶的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

陈皮，购于天津市南开区王顶堤药店，95%乙醇、盐酸均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

粉碎机（北京燕山正德机械设备有限公司）；pHS-3C型pH 计（上海精密科学仪器有限公司）；Elmasonic P180H型超声波清洗器（德国Elma公司）；R-215型旋转蒸发仪（瑞士Buchi公司）；IRAffinity-1型傅里叶变换红外光谱仪（日本岛津公司）；鼓风干燥箱（天津市华北实验仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 果胶的提取

材料预处理：陈皮除杂，洗净，干燥，粉碎，过筛，备用。

果胶的提取：陈皮粉末按照一定料液比加入蒸馏水，用盐酸调节溶液至一定pH值，设置条件，超声提取。所得混合物趁热纱布过滤，体积浓缩至半，冷至室温，加入2倍浓缩液体积的95%乙醇，静置，析胶，抽滤，收集滤饼，60 ℃干燥，得果胶，按公式（1）计算提取率。

果胶提取率（%）＝果胶质量（g）/陈皮粉末质量（g）×100 （1）

1.3.2 果胶提取的单因素试验

1.3.2.1 不同pH值下提取果胶

称取6份陈皮粉末（20～40目），每份5 g（准至0.000 1 g，下同），按照料液比1∶25（g∶mL）加入蒸馏水，调节溶液pH值分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0，超声条件：60 ℃、231 W、25 min，按1.3.1中的方法提取果胶并计算提取率。

1.3.2.2 不同料液比下提取果胶

称取7份陈皮粉末（20～40目），每份5 g，分别按照液料比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40（g∶mL）加入蒸馏水，调节溶液pH值为1.5，超声条件为：60 ℃、231 W、25 min，按1.3.1中的方法提取果胶并计算提取率。

1.3.2.3 不同超声温度下提取果胶

称取7份陈皮粉末（20～40目），每份5 g，按照液料比1∶30（g∶mL）加入蒸馏水，调节溶液pH值为1.5，超声条件：231 W、25 min，超声温度分别为50、55、60、65、70、75、80 ℃，按1.3.1中的方法提取果胶并计算提取率。

1.3.2.4 不同超声功率下提取果胶

称取6份陈皮粉末（20～40目），每份5 g，按照液料比1∶30（g∶mL）加入蒸馏水，调节溶液pH值为1.5，超声条件为：75 ℃、25 min，功率分别为165、198、231、264、297、330 W，按1.3.1中的方法提取果胶并计算提取率。

1.3.2.5 不同物料粉碎度下提取果胶

称取6份不同粉碎度的陈皮粉末（＜20、20～40、40～60、60～80、80～100、＞100目），每份5 g，按照液料比1∶30（g∶mL）加入蒸馏水，调节溶液pH值为1.5，超声条件为：264 W、75 ℃、25 min，按1.3.1中的方法提取果胶并计算提取率。

1.3.2.6 不同超声时间下提取果胶

称取8份陈皮粉末（60～80目），每份5 g，按照液料比1∶30（g∶mL）加入蒸馏水，调节溶液pH值为1.5，超声条件为：264 W、80 ℃，时间分别为10、25、40、55、70、85、100、115 min，按1.3.1中的方法提取果胶并计算提取率。

1.3.3 果胶提取的正交试验

在单因素试验基础上，以果胶提取率为评价指标，选择溶液pH值、料液比、超声温度、超声功率、物料粉碎度、超声时间为考察因素，用L18（37）正交表安排试验，优化超声波辅助酸法提取陈皮果胶的工艺，因素水平设计见表1 。

1.3.4 果胶两种提取方法的比较

为了比较超声波辅助酸法和传统酸法对果胶提取效果的影响，同时采用传统酸法提取果胶，具体操作如下[14]：陈皮粉末按一定料液比加入蒸馏水，盐酸调节溶液至一定pH值，水浴加热提取，所得混合物后续操作同1.3.1超声波法。

1.3.5 果胶理化性质的测定

采用果胶酸钙法测定果胶含量[17]，滴定法测定果胶酯化度和甲氧基含量[18]。

表1 正交试验因素水平表

1.3.6 果胶红外光谱分析

用KBr压片法测定果胶红外光谱，扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，次数32。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 溶液pH值对果胶提取率的影响

天然果胶中的原果胶不溶于水，但可在酸作用下水解成水溶性果胶，因此溶液的酸性环境对果胶提取尤为重要[19]。溶液pH值对果胶提取率的影响结果见图1。

图1 溶液pH值对果胶提取率的影响

由图1可知，随着溶液pH值的增加，果胶提取率先增大后减小，pH值为1.5时，提取效果最好（10.25%）。这是由于溶液酸度过低，水解反应不完全，果胶提取率较低，但过高的酸度可能导致果胶的脱酯裂解，提取率下降[9]。因此，提取果胶时溶液的最佳pH值为1.5。

2.1.2 料液比对果胶提取率的影响

料液比对果胶提取率的影响见图2。由图2可知，随着溶剂用量的增加，果胶提取率先增大后减小，液料比为1∶30时达到最大（10.97%）。料液比过小，溶剂用量不足，提取率低；但料液比过大，不仅造成溶剂的浪费，也会增加后续溶液浓缩的能耗和果胶的损失。因此，选择液料比为1∶30比较适宜。

2.1.3 超声温度对果胶提取率的影响

图3显示了超声温度对果胶提取率的影响结果。由图3可见，果胶提取率随着超声温度的升高先增加后减小，75 ℃时最高（15.26%）。温度升高，有利于不溶性果胶转变成可溶性果胶进入溶液，提取率增大，但温度过高时，在超声波长时间作用下可能会导致果胶水解加快，提取率下降。因此，最佳超声温度选择75 ℃。

图3 超声温度对果胶提取率的影响

2.1.4 超声功率对果胶提取率的影响

超声功率对果胶提取率的影响结果如图4所示。由图4可知，随着超声功率的增加，果胶提取率增大，264 W达到最大（14.02%），此后再增大功率，提取率反而下降。这是因为功率过高可能会导致果胶水解加快。因此，超声功率以选择264 W为宜。

图4 超声功率对果胶提取率的影响

2.1.5 物料粉碎度对果胶提取率的影响

物料粉碎度对果胶提取率的影响如图5所示。

图5 物料粉碎度对果胶提取率的影响

由图5可知，随着物料粉碎程度的增加，果胶提取率先增大后减小，60～80目时达到最大（16.88%）。物料粒度小，可以增加与溶剂的接触面积，利于果胶的溶出，但过大的粉碎度会造成物料颗粒间的粘连，不利于提取溶剂的渗入和渗出。因此，选择60～80目为最佳物料粉碎度。

2.1.6 超声时间对果胶提取率的影响

图6显示了超声时间对果胶提取率的影响。由图6可见，随着超声时间的延长，果胶提取率增加，55 min时达到最大（22.53%），此后继续增加时间，提取率反而下降。这是因为超声时间过短，果胶提取不完全，提取率低，时间延长，有利于果胶的溶出，但过长时间的超声可能会造成果胶水解加快，导致提取率降低。因此，选择超声时间为55 min比较适宜。

图6 超声时间对果胶提取率的影响

2.2 正交试验结果与分析

2.2.1 正交试验结果

采用正交试验优化超声波辅助酸法提取陈皮中果胶的工艺条件，结果见表2。

表2 正交试验结果

续表2

水平因素果胶提取率/%ABCDEF 15231232 9.95 16313231 9.84 1732131210.10 1833212312.71 k114.45515.18512.44314.33213.23313.868 k214.62014.11315.46213.16515.23513.470 k311.80011.57712.97013.37812.40713.537 R 2.820 3.608 3.018 1.167 2.828 0.398

由表2可知，果胶提取的最佳工艺条件为：A2B1C2D1E2F1，即溶液pH值1.5、料液比1∶25 （g∶mL）、超声温度75 ℃、超声功率231 W、物料粉碎度60～80目、超声时间40 min。极差分析表明，影响果胶提取率的因素次序为：B＞C＞E＞A＞D＞F，即料液比＞超声温度＞物料粉碎度＞溶液pH值＞超声功率＞超声时间。

2.2.2 验证试验

对最佳工艺条件进行5次验证，平均提取率为20.60%，为0.76%，表明最佳工艺条件正确、稳定。此外，本试验采用超声波辅助酸法提取果胶的提取率与孙悦等[20]报道的结果一致，而高于张宇等[21]报道的结果。

2.3 果胶两种提取方法的比较

超声波辅助酸法与传统酸法测定的果胶含量（纯度）、酯化度和甲氧基含量进行比较，试验结果见表3。

表3 超声波辅助酸法与传统酸法的比较结果 %

从表3可以看出，在相同pH值（1.5）、料液比（1∶25）、温度（75 ℃）、物料粉碎度（60～80目）和提取时间（40 min）条件下，超声波辅助酸法与传统酸法相比，果胶提取率提高4.25%、果胶含量（纯度）提高12.29%、酯化度提高10.19%。可见，超声波辅助酸法是提取陈皮中果胶的可行方法。此外，由于甲氧基含量的不同，果胶表现出的凝胶特性也不同。果胶中甲氧基含量在7.00%～16.32%范围内称为高甲氧基果胶，甲氧基含量低于7.00%称为低甲氧基果胶[21]。根据试验结果可知，超声波辅助酸法和传统酸法制备的果胶都属于高甲氧基果胶，即加酸、加糖之后可以在较低温度下凝结，具有良好的胶凝特性。

2.4 果胶的红外光谱分析

图7为超声波辅助酸法提取陈皮中果胶的红外光谱图。

图7 果胶红外光谱图

从图7可以看出，3 419.61 cm-1附近强而宽的吸收是O—H的伸缩振动；2 935.65 cm-1是饱和C—H的伸缩振动；1 747.01和1 632.01 cm-1分别是酯基中C＝O的对称和反对称伸缩振动；1 443.42 cm-1是羧基中C—O的伸缩振动，1 231.83 cm-1是羧基中O—H的弯曲振动；1 103.04和1 015.64 cm-1是吡喃型糖环的醚键和O—H的吸收；919.04 cm-1是D-吡喃型糖的特征吸收。红外光谱分析表明，超声波辅助酸法提取的果胶具有糖类物质的特征吸收，这一结果与孙悦等[20]和赵光远等[22]报道的一致。

3 结论

采用超声波辅助酸法提取陈皮中果胶，在单因素试验基础上，利用正交试验优化提取工艺并对果胶理化性质进行了测定。结果表明，果胶提取的最佳工艺条件为：溶液pH值1.5、料液比1∶25 （g∶mL）、超声温度75 ℃、超声功率231 W、物料粉碎度60～80目、超声时间40 min，在此条件下果胶提取率达到20.60%。影响果胶提取率的因素次序为：料液比＞超声温度＞物料粉碎度＞溶液pH值＞超声功率＞超声时间。红外光谱分析证实了果胶的成功提取。超声波辅助酸法与传统酸法相比，果胶提取率高出4.25%，纯度提高12.29%，酯化度高出10.19%，且制备的果胶属于高甲氧基果胶。综上所述，超声波辅助酸法是提取陈皮中果胶的可行方法。

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责任编辑：宗淑萍

Optimization on Ultrasonic-assisted Acid Extraction of Pectin from Tangerine Peel

LI Ping, WANG Qing-qing, YAN Jing-kun, ZHANG Lan, SHU Zhan, HU Chu-yao

（College of Basic Science, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Ultrasonic-assisted acid method was applied for the extraction of pectin from tangerine peel in order to study the effect of ultrasonic-assisted acid extraction on pectin extraction. Based on the results of single factor experiments, orthogonal experiment was used to optimize the extraction process with extraction rate as an indicator and physical and chemical properties of the pectin were also determined. Results showed that the optimum extraction conditions were as follows: pH of the solution was 1.5, ratio of material to solvent was 1∶25（g∶mL）, ultrasonic temperature was 75 ℃, ultrasonic power was 231 W, powder granularity of the material was 60~80 mesh and ultrasonic time was 40 min and under these conditions theextraction rate could reach 20.60%. The factors impacting extraction rate were in the order of ratio of material to solvent＞ultrasonic temperature＞powder granularity＞pH of the solution＞ultrasonic power＞ultrasonic time. The extraction of pectin from tangerine peel was successfully confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）. Meanwhile, the pectin extracted by ultrasonic- assisted acid method exhibited higher extraction rate（increasing 4.25%）, displayed greater purity（enhancing 12.29%）, showed higher esterification degree（improving 10.19%）than traditional acid method, respectively, and the pectin prepared belonged to the high methoxyl pectin. Ultrasonic-assisted acid extraction is a feasible method for extracting pectin from tangerine peel.

tangerine peel; pectin; ultrasonic-assisted acid method; extraction; process optimization

1008-5394（2017）03-0079-06

TS202.3

A

2016-11-19

李萍（1979-），女，天津市人，讲师，硕士，主要从事天然产物有效成分的提取和应用研究。E-mail：liping790520@126.com。