超声波辅助提取佛手废渣中果胶的工艺研究

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(1.金华市食品药品检验检测研究院,浙江 金华 321000;2.浙江工业大学 生物工程学院,浙江 杭州 310014)

佛手,又称佛手柑,为芸香科植物佛手的干燥成熟果实,在我国栽培历史悠久,分布较广,浙江、江苏、四川、广东和福建等省都有种植,根据产地不同,可分川佛手、广佛手、建佛手和金佛手[1].佛手作为传统中药材,含多种生物活性成分,具有疏肝理气功效.目前佛手的销售主要有3块:产品深加工、国内销售和出口国外[2].随着佛手加工业深入发展,以往佛手加工以单一产品为主的生产方式不利于整个产业链的发展,特别是冷榨生产饮料会产生大量的废渣,由于这些废渣的可发酵性,造成资源浪费和环境污染问题.然而,佛手废渣中仍含有一些潜在的高附加值的化合物,像精油、果胶及黄酮类物质等[3],如果能将这些天然产物进行分离提取并有效利用,将大大提高佛手产品的附加值.果胶是由α-1,4-糖苷键连接而成的半乳糖醛酸与鼠李糖、阿拉伯糖和半乳糖等其他中性糖相连接的聚合物,主要成分为D-半乳糖醛酸(D-galactuonicaid).果胶具有良好的乳化、稳定、增稠和凝胶作用,广泛应用于食品、纺织等行业,同时,果胶还具有抗菌、止血、解毒和降血脂等作用,还是一种优良的药物制剂基质[4].

当前果胶的提取方法主要有酸提取法、离子交换法、草酸铵提取法、酶法、微生物提取法和微波提取法等[5-9],这些方法在提取柑橘[10]、苹果[11]、向日葵和甜菜果胶上都得到了很好的应用,但关于从佛手废渣中提取果胶的方法却鲜有报道.笔者通过超声波酸提法从佛手废渣中提取果胶,并采用正交试验对果胶的提取工艺进行优化.

1 材料与方法

1.1 材 料

佛手废渣,浙江金手宝生物科技有限公司;KH-600DB型超声波清洗器,昆山禾创超声仪器有限公司;FD115型电热恒温干燥箱,德国BINDER公司;2-16KL型高速离心机,德国Sigma公司;ME204型电子分析天平,梅特勒-托利多有限公司;PHSJ-3F型pH计,雷磁-上海仪电科学仪器股份有限公司;食品级尼龙超密过滤网(160目),台州市雨洁滤网有限公司;中速定性滤纸(φ 15 cm),杭州特种纸业有限公司;盐酸、氢氧化钠、无水乙醇,上海国药集团化学试剂有限公司.

1.2 果胶提取工艺

1) 原料预处理:将榨汁后的佛手废渣,按1∶3 g/mL与水混合,煮沸10 min后,沥干,60 ℃下干燥至恒重,收集干燥佛手废渣.

2) 佛手果胶提取工艺流程:准确称取一定量的干燥佛手废渣,按一定料液比加水浸泡,在一定的pH值、温度、超声时间和超声功率下进行提取,提取后用双层尼龙超密过滤网(160目)过滤,收集滤液,调节滤液的pH值至4.0,注入1倍体积的无水乙醇至滤液中,搅拌、静置6 h,使果胶沉淀析出,将得到的果胶沉淀和乙醇混合物经滤纸过滤,收集果胶,在干燥箱内60 ℃干燥至恒重,称取质量.

1.3 果胶提取率的计算

果胶提取率为提取得到的干燥果胶质量占供提取的佛手干渣质量的百分比.

1.4 单因素试验设计

以佛手果胶提取率为指标,提取原料用佛手干渣10 g,固定超声功率600 W,依次改变料液比(1∶20,1∶30,1∶40,1∶50,1∶60,1∶70 g/mL),浸提pH值(1.0,1.5,2.0,3.0,4.0),浸提温度(50,60,70,80,90 ℃),超声时间(30,40,50,60,70,80,90 min),分别考察料液比、浸提pH值、浸提温度和超声浸提时间对果胶提取率的影响.各单因素试验重复3次,并取平均值.

1.5 正交试验设计

在单因素试验基础上,以料液比、浸提pH值、浸提温度和超声浸提时间为因素进行4因素3水平正交试验,进一步确定最佳提取工艺条件.

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 料液比对果胶提取率的影响

在浸提温度75 ℃、浸提pH 2.0、超声功率600 W、超声时间60 min的条件下,按料液比1∶20,1∶30,1∶40,1∶50,1∶60,1∶70 g/mL进行超声波酸提试验,考察料液比对果胶提取率的影响.

料液比对果胶提取率的影响如图1所示,随着料液比从1∶20变化到1∶40时,果胶提取率从7.72%增加到12.29%,但当提取溶剂进一步增加时,果胶提取率趋于平稳,增加不明显.料液比太低时,难以保证果胶全部转移至提取液中,物料黏度大、过滤困难、残留增加,导致果胶提取不完全、提取率不高;料液比过高时,佛手渣中的其他杂质容易溶于提取液中,不利于后期果胶的纯化.同时,料液比过高,也会导致后续醇析中乙醇消耗量的增加,沉淀效果不佳,且浪费资源和不利于环保,因此最佳料液比为1∶40 g/mL.

图1 料液比对果胶提取率的影响 Fig.1 Effect of material/liquid rate on extraction rate of pectin

2.1.2 浸提pH对果胶提取率的影响

在料液比1∶40 g/mL、浸提温度75 ℃、超声功率600 W、超声时间60 min的条件下,研究不同pH值(pH1.0,1.5,2.0,3.0,4.0)对果胶提取率的影响,结果见图2.从图2中可以看出:当提取液在低pH值范围内,果胶提取率相对较高,说明佛手果胶易溶于酸性溶液,当pH值大于3.0时,水解反应缓慢,果胶提取率明显下降,但酸度过大时,水解反应过于剧烈,果胶易脱去酯基和裂解成果胶酸,导致凝聚度下降,使得在醇析工序中不易沉淀出来,从而降低果胶提取率.因此,最佳pH值为1.5,此时果胶提取率为13.08%.

图2 浸提pH对果胶提取率的影响Fig.2 Effect of pH on extraction rate of pectin

2.1.3 浸提温度对果胶提取率的影响

图3 浸提温度对果胶提取率的影响Fig.3 Effect of temperature on extraction rate of pectin

在料液比1∶40 g/mL、浸提pH 1.5、超声功率600 W、超声时间60 min的条件下,研究不同浸提温度(50,60,70,80,90 ℃)对果胶提取率的影响,结果见图3.从图3可以看出:温度为50～80 ℃时,果胶提取率呈明显上升的趋势,当温度为80 ℃时,果胶提取率为14.59%,但随着温度继续上升,果胶提取率的增加并不明显,说明提取温度为80 ℃较适宜.提高提取温度,有利于果胶的水解溶出和提取率的增加.但果胶作为一种高分子化合物,热稳定性较差,所以当提取温度过高时,容易导致果胶降解，结构破坏,不利于提取率的增加.因此,从实验结果和节能两方面考虑,最佳的浸提温度为80 ℃.

2.1.4 超声浸提时间对果胶提取率的影响

在料液比1∶40 g/mL、浸提pH 1.5、浸提温度80 ℃、超声功率600 W的条件下,研究超声浸提时间(30,40,50,60,70,80,90 min)对果胶提取率的影响,结果见图4.随着超声提取时间的延长,果胶的提取率呈逐渐上升的趋势,但当时间超过80 min后,果胶的提取率几乎不变.实验结果表明:80 min为最佳超声时间.超声时间过短,佛手渣中的果胶未能完全溶脱出来.超声时间过长,果胶的提取率增加并不明显,可能有两方面原因:一是大部分果胶已溶脱出来,所以提取率增加不明显;二是超声时间过长有可能会导致溶液中的果胶在较高温度和酸性条件下降解,从而影响了提取率.

图4 超声提取时间对果胶提取率的影响Fig.4 Effect of time on extraction rate of pectin

2.2 正交试验结果与分析

通过单因素试验,分别考察了料液比、浸提pH、浸提温度和超声浸提时间对果胶提取率的影响,得到了各因素的最佳控制范围.根据单因素的试验结果,以果胶提取率为考察指标,设计4因素3水平正交试验,其因素水平见表1,结果见表2.

表1 正交实验设计因素及水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交试验结果Table 2 The results of orthogonal experiment

对正交试验结果进行分析,由极差R可以看出,B的极差最大,其次为C,A,D.极差越大,反映该因素水平变动时,果胶提取率的变化越大.各因素强弱顺序依次为B,C,A,D,即温度>pH>料液比>超声时间.因此得出的最佳工艺组合为A3B3C1D3,即果胶提取的最佳工艺条件是:料液比为1∶50 g/mL,温度为90 ℃,pH为1.0,超声时间为90 min.在此最优工艺条件下进行验证试验,得到三组数据:18.17%,18.31%,18.78%,平均值为18.42%.

3 结 论

依据单因素试验结果,采用正交试验法优化了超声波酸提佛手废渣中果胶的工艺条件,获得了一套最优提取工艺参数,在此最佳提取工艺条件下,果胶的提取率达到了18.42%.利用超声波提取可以有效缩短提取时间,具有成本低、效率高、工艺简单及环境污染小等优点,为佛手废渣的综合利用提供了一定的参考价值.

参考文献：

[1] 梁永枢,许楚炜,段启.佛手研究进展[J].中国现代中药,2006,8(5):23-27.

[2] 郑祥,鲍毅新,赵东海.金华佛手生产现状及其产业化发展对策[J].资源与开发市场,2003,19(5):317-318.

[3] MANDALARI G, BENNETT R N, BISIGNANO G. Characterization of flavonoids and pectins form bergamot(CitrusbergamiaRisso)peel, a major by-product of essential oil extraction[J].Journal of agricultural and food chemistry,2006,54(1):197-2003.

[4] 陈靖,陈孔荣.果胶——一种有开发前途的药物制剂基质[J].现代应用药学,1997,14(3):22-23.

[5] 王鸿飞,李和生,谢果凰,等.桔皮中果胶提取技术的实验分析[J].农业机械学报,2005,36(3):82-85.

[6] 王健,黄国林.果胶生产工艺研究进展[J].化工时刊,2007,21(2):70-73.

[7] 徐雅琴,任建辉,崔崇士.南瓜果胶不同提取方法的研究[J].食品科学,2009,30(14):91-93.

[8] 邸铮,付才力,李娜,等.酶法提取苹果皮渣果胶的特性研究[J].食品科学,2007,28(4):133-137.

[9] WANG Sijin, CHEN Fang, WU Jihong, et al. Optimization of pectin extraction assisted by microwave from apple pomace using response surface methodology[J].Journal of food engineering,2007,782(2):693-700.

[10] 余小娜,杨晓露,成明.超声波辅助提取柑橘中果胶的研究[J].许昌学院学报,2017,36(3):87-90.

[11] 孙智慧,张卫红,周彩华,等.超声波辅助提取苹果渣果胶研究[J].咸阳师范学院学报,2017,32(40):71-74.