鄧 剛，焦聰聰，許杭琳，徐雙雙

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004)

超聲輔助提取佛手廢渣果膠的工藝優(yōu)化

鄧 剛，焦聰聰，許杭琳，徐雙雙

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004)

目的：對佛手廢渣果膠提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。方法：分別通過響應(yīng)面試驗和正交試驗對果膠的超聲輔助酸提和乙醇沉析工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果：響應(yīng)面試驗優(yōu)化后的超聲輔助酸提工藝條件為浸提時間37min、浸提溫度63℃、超聲功率395W、pH1.6。正交試驗優(yōu)化后的醇析條件為濃縮比1∶4、醇析溫度15℃、醇析時間1.5h、醇析液pH2.0、醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)70%。結(jié)論：經(jīng)驗證在最佳工藝條件下，果膠提取得率22.1%，果膠醇析得率85.7%。

果膠；提?。怀暡?；工藝

佛手(Bergamot)，學(xué)名Citrus medica L. Var. Sarcodactylis (Noot) Swingle，是蕓香科植物香櫞的變種。因產(chǎn)地的不同分為廣佛手、川佛手、金佛手、建佛手[1]。其中金佛手以其優(yōu)良的品質(zhì)成為佛手中的上品。作為傳統(tǒng)的名貴中藥，佛手中的多種生物活性成分使其具有疏肝理氣，和胃止痛之功效。

佛手廢渣是佛手飲料業(yè)主要的廢棄物，由于它的可發(fā)酵性，造成很多經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題。然而，佛手廢渣中仍含有一些潛在的高附加值的化合物，像精油、果膠、黃酮類物質(zhì)等[2]。果膠是復(fù)雜的多聚糖，是雙子葉植物細(xì)胞壁一種主要成分。由部分甲基化或乙?；セ陌肴樘侨┧釟埢ㄟ^a-1,4糖苷鍵連接形成骨架，一些具有代表性的中性糖類如阿拉伯聚糖、半乳聚糖和阿拉伯半乳聚糖附在上面形成側(cè)鏈[3]。由于果膠具有流變學(xué)特性和凝膠化作用，可以作為天然的增稠劑和乳化劑應(yīng)用于食品行業(yè)[4-5]，也用做酸奶產(chǎn)品和脂肪替代品的穩(wěn)定劑[6]。

目前果膠的提取方法主要有酸提取法、微生物提取法、微波提取法、超聲波提取法和酶法等[7-11]。本實驗采用超聲波輔助酸提和乙醇沉析的方法從佛手廢渣中提取果膠，并利用響應(yīng)面試驗和正交試驗分別對果膠的提取和醇析工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

佛手飲料廢渣 浙江省金華市金佛手農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司。

咔唑 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)品 瑞士Fluka公司；其他藥品均為分析純。

UV-7504型紫外-可見分光光度計 上海欣茂儀器有限公司；SB25-12YDTD型超聲波清洗機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；HWS-28電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科技有限公司；DZF-6050B型真空干燥箱、RE-52B型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 果膠提取

原料的預(yù)處理：121℃處理5min[12]，真空烘干備用，并測定其水分含量。

超聲輔助酸提：精確稱取預(yù)處理后的佛手廢渣5g，加水，并用HCl調(diào)pH值。在特定的超聲功率和溫度條件下浸提一定時間。冷卻后過濾，濾液為果膠浸提液。

乙醇沉析：取在最佳酸提條件下得到的果膠浸提液200mL旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)進(jìn)行濃縮，然后向濃縮后的果膠浸提液中柱狀注入95%的工業(yè)乙醇，在一定的溫度、pH值條件下靜置一定時間。離心，沉淀用無水乙醇洗滌，60℃真空干燥后稱量。

1.2.2 果膠酸提的單因素試驗

在其他因素不變的條件下，考察料液比和浸提次數(shù)對果膠醇析得率的影響。

1.2.3 果膠酸提的響應(yīng)面試驗

通過預(yù)試驗所確定的因素水平，采用4因素5水平設(shè)計響應(yīng)面試驗，按1.2.1節(jié)超聲輔助酸提方法進(jìn)行試驗，因素水平見表1。

表1 果膠酸提響應(yīng)面試驗因素水平表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in the response surface analysis

1.2.4 果膠醇析的正交試驗

取響應(yīng)面試驗優(yōu)化后試驗條件所得果膠浸提液，按1.2.1節(jié)乙醇沉析方法進(jìn)行試驗。設(shè)計5因素4水平L16(45)正交試驗，試驗設(shè)計的因素水平見表2。

表2 果膠醇析正交試驗因素水平表Table 2 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in the orthogonal array design

1.2.5 果膠含量的測定及果膠得率的計算

利用咔唑比色法[13]，制作半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線[14]，果膠含量以半乳糖醛酸的含量計。

式中：C為浸提液半乳糖醛酸質(zhì)量濃度/(μg/mL)；V為浸提液體積/mL；K為待測樣品稀釋倍數(shù)；md為原料干質(zhì)量/g。

式中：m為果膠成品的干質(zhì)量/g；C0為浸提液半乳糖醛酸質(zhì)量濃度/(μg/mL)；V0為浸提液體積/mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 料液比對果膠得率的影響

浸提pH2.0、浸提溫度70℃、超聲功率400W、浸提時間30min、浸提次數(shù)為1的條件下按料液比1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶80(g/mL)進(jìn)行超聲輔助酸提試驗，考察料液比對果膠提取得率的影響。

料液比對果膠提取得率的影響如圖1所示，隨著料液比從1∶10變化到1∶50，果膠提取得率由11.1%增加到17.5%，但隨著提取溶劑的進(jìn)一步增加，果膠提取得率變化趨于平緩，果膠提取得率增加不明顯。因此最佳的料液比為1∶50。

圖1 料液比對果膠提取得率的影響Fig.1 Effect of material/liquid ratio on extraction rate of pectin

2.1.2 浸提次數(shù)對果膠得率的影響

在浸提液pH2.0、浸提溫度70℃、超聲功率400W、浸提時間30min、料液比1∶50的條件下分別浸提1、2、3、4次進(jìn)行超聲輔助酸提試驗，考察浸提次數(shù)對果膠提取得率的影響。

浸提次數(shù)對果膠提取得率的影響如圖2所示，浸提一次的得率為16.6%、浸提兩次的得率為22.0%，但隨著浸提次數(shù)的增加果膠提取得率增加不再明顯，說明浸提兩次后材料中果膠已經(jīng)基本溶出，因此最佳的浸提次數(shù)為2次。

圖2 浸提次數(shù)對果膠提取得率的影響Fig.2 Effect of number of repeated extractions on extraction rate of pectin

2.2 果膠酸提的響應(yīng)面試驗

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

按1.2.3節(jié)進(jìn)行響應(yīng)面試驗，結(jié)果見表3，對試驗結(jié)果進(jìn)行分析得到二次回歸方程：

表3 響應(yīng)面試驗設(shè)計及果膠提取得率Table 3 Experimental design for response surface analysis and corresponding results

表4 響應(yīng)面試驗方差分析表Table 4 Variance analysis for the fitted regression equation

由表4可知，X1、X1X3、X2X3、、、、為顯著性影響因素，并且該二次回歸方程模型項顯著，失擬項不顯著，因此該回歸模型能較好地與實測值擬合。

2.2.2 響應(yīng)面分析

用Design Expert 7.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二元多次擬合，所得到的二次回歸方程的相應(yīng)面及等高線圖見圖3。

固定水平：超聲功率300W；浸提pH1.5。a.浸提時間與浸提溫度

圖3 各兩因素交互作用的響應(yīng)面及等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots for the pariwise effect of three extraction conditions on extraction rate of pectin

由圖3a可知，當(dāng)溫度由40℃上升至65℃，果膠提取得率隨時間逐漸增加，但是當(dāng)溫度高于65℃后，隨著時間的增加，果膠提取得率下降。由圖3b可知，當(dāng)超聲功率在100～350W時，隨著浸提時間的增加果膠提取得率先增加后減少，當(dāng)超聲功率大于350W時，果膠提取得率隨浸提時間的增加而增加。當(dāng)浸提時間在10～35min時，隨超聲功率的增加果膠提取得率先增加后減少，當(dāng)浸提時間大于35min時，果膠提取得率隨超聲功率的增加而增加。由圖3c可知，時間對果膠提取得率的影響比較顯著，浸提時間在35min左右時，果膠提取得率最大。由圖3d可知，隨著功率和溫度的增加，果膠提取得率先增加后減少，在400W、65℃左右時果膠提取得率最大。由圖3e可知，隨著pH值和溫度的增加，果膠提取得率先增加后減少，在pH1.5、65℃左右時果膠提取得率最大。由圖3f可知，隨著功率和pH值的增加，果膠提取得率先增加后減少，在400W、pH1.5左右時果膠提取得率最大。

利用Design Expert 7.0軟件，根據(jù)響應(yīng)面實驗數(shù)據(jù)得出最佳的工藝條件：浸提時間36.8min，浸提溫度63.1℃、超聲功率396.2W、pH1.6。在此條件下從佛手廢渣中提取果膠，果膠提取得率的理論值為22.4%?？紤]到實際可操作性，最佳的工藝條件定為浸提時間37min、浸提溫度63℃、超聲功率395W、pH1.6。經(jīng)驗證從佛手廢渣中提取果膠的得率為22.1%，與理論值比較相近。

2.3 果膠醇析正交試驗結(jié)果

表5 正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table 5 Orthogonal array design and corresponding results

由表5極差分析可知5因素對果膠醇析得率的影響為A(濃縮比)＞B(醇析溫度)＞C(醇析時間)＞E(醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù))＞D(醇析液pH)。表6的方差分析結(jié)果表明，濃縮比對果膠醇析過程的影響顯著，醇析溫度、醇析時間、醇析液pH值和醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)為不顯著因素。

表6 正交試驗結(jié)果方差分析表Table 6 Variance analysis for precipitation recovery of pectin with various process conditions

果膠的醇析受濃縮比的影響比較顯著，醇析溫度、醇析時間、醇析液pH和醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)也對果膠醇析得率有一定的影響，并且醇析液pH值對果膠的品質(zhì)有影響，pH1.0時果膠的樣色為黑褐色，當(dāng)pH＞1.0時果膠的顏色趨于正常。由正交試驗得出的最佳醇析工藝條件為A2B2C2D2E3，即濃縮比1∶4、醇析溫度15℃、醇析時間1.5h、醇析液pH2.0、醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)70%。在此條件下果膠醇析最大得率85.7%。

3 結(jié) 論

采用響應(yīng)面試驗，以浸提時間、浸提溫度、超聲頻率、浸提pH值為試驗因素，以果膠提取得率為響應(yīng)值，得到從金佛手廢渣中提取果膠的四元二次數(shù)學(xué)回歸模型。并對模型進(jìn)行分析，得到超聲輔助酸提取金佛手廢渣果膠的最佳工藝條件為浸提時間37min、浸提溫度63℃、超聲功率395W、pH1.6，果膠的超聲輔助提酸提得率22.1%。

對果膠醇析的主要影響因素濃縮比、醇析溫度、醇析時間、醇析液pH值、醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)5個因素，采用L16(45)正交試驗對果膠的醇析工藝進(jìn)行優(yōu)化。最佳的工藝條件為濃縮比1∶4、醇析溫度15℃、醇析時間1.5h、醇析液pH2.0、醇析液乙醇體積分?jǐn)?shù)70%，果膠醇析得率85.7%。

[1]梁永樞, 許楚煒, 段啟. 佛手研究進(jìn)展[J]. 中國現(xiàn)代中藥, 2006, 8(5)∶23-27.

[2]MANDALARI G, BENNETT R N, BISIGNANO G, et al. Characterization of flavonoids and pectins from bergamot (Citrus bergamia Risso) peel, a major by-product of essential oil extraction[J]. J Agric Food Chem, 2006, 54(1)∶ 197-203.

[3]CARPITA N C, GIBEAUT D M. Structural models of primary cell walls in flowering plants∶ consistency of molecular structure with the physical properties of the walls during growth[J]. J Plant, 1993, 3(1)∶ 1-30.

[4]THAKUR B R, RAKESH K S, HANADA A K. Chemistry and uses of pectin[J]. Crit ReV Food Sci Nutr, 1997, 37(1)∶ 47-73.

[5]MAY C D. Industrial pectins∶ Sources, production and applications[J]. Carbohydr Polym, 1990, 12(1)∶ 79-99.

[6]余映慧, 高雪. 果膠生產(chǎn)工藝及其在食品中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué), 2009, 30(23)∶ 351-352.

[7]王鴻飛, 李和生, 謝果凰, 等. 桔皮中果膠提取技術(shù)的實驗分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2005, 36(3)∶ 82-85.

[8]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, 78(2)∶ 693-700.

[9]王健, 黃國林. 果膠生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展[J]. 化工時刊, 2007, 21(2)∶ 70-73.

[10]邸錚, 付才力, 李娜, 等. 酶法提取蘋果皮渣果膠的特性研究[J]. 食品科學(xué), 2007, 28(4)∶ 133-137.

[11]徐雅琴, 任建輝, 崔崇士. 南瓜果膠不同提取方法的研究[J]. 食品科學(xué), 2009, 30(14)∶ 91-93.

[12]畢雙同. 贛南臍橙皮果膠提取工藝及其性質(zhì)研究[D]. 南昌∶ 南昌大學(xué), 2008.

[13]大連輕工業(yè)學(xué)院, 華南理工大學(xué), 無錫輕工業(yè)學(xué)院, 等. 食品分析[M].北京∶ 中國輕工業(yè)出版社, 1994∶ 213.

[14]ZHOU Jinhua, ZHOU Chunshan, XIE Lianwu, et al. Study on extraction conditions of pectin from shaddock peel[J]. Nat Prod Res Dev, 2006, 18(3)∶ 483-486.

[15]儲君. 涫溪蜜柚中果膠的提取工藝研究[D]. 無錫∶ 江南大學(xué), 2008.

Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction for Pectin from Bergamot Residue

DENG Gang，JIAO Cong-cong，XU Hang-lin，XU Shuang-shuang
(College of Chemistry and Life Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

Objective∶ To optimize pectin extraction from bergamot residue left after juice squeezing. Methods∶ Pectin extraction was achieved by ultrasonic-assisted acid extraction followed by ethanol precipitation. Response surface methodology and orthogonal array design were used to optimize the process conditions of ultrasonic-assisted acid extraction and ethanol precipitation. Results∶ The optimal ultrasonic-assisted acid extraction conditions were extraction at 63 ℃ and pH 1.6 for 37 min with an ultrasonic power of 395 W. The optimal ethanol precipitation conditions were precipitation at 15 ℃ and pH 2.0 for 1.5 h with a concentration ratio of 1∶4. Conclusion∶ Under the optimal conditions, the extraction yield and precipitation recovery of pectin were 22.1% and 85.7%, respectively.

pectin；extraction；ultrasonic；process

TS209

A

1002-6630(2011)14-0103-05

2010-09-21

浙江省自然科學(xué)基金項目(Y407016)；2009年度浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃(新苗人才計劃)項目(2009R404063)

鄧剛(1975—)，男，副教授，博士，研究方向為生物資源再利用。E-mail：denggang@zjnu.cn