周存山，余筱潔，馬海樂，王允祥，韓 平

(1.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013;2.浙江農(nóng)林大學農(nóng)業(yè)與食品科學學院，浙江臨安311300)

果膠是酸性雜多糖類，在多糖家族中結(jié)構(gòu)最為多樣復雜，主要存在于高等植物的細胞壁及細胞內(nèi)層(常見3種存在狀態(tài)為原果膠、果膠和果膠酸)，基本結(jié)構(gòu)單位是由α-D吡喃半乳糖醛酸以α-1，4糖苷鍵連接而成主鏈，以部分甲基化形式存在［1］，具有膠凝、增稠、穩(wěn)定以及抗腹瀉、抗腫瘤、解重金屬毒、抗菌等功能活性作用，是FAO/WHO推薦的安全無毒的食品添加劑，在食品、化妝品、醫(yī)藥等領域均有廣泛應用［2］.

果膠在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽萌找嬖黾?，果膠研究愈來愈受到人們的重視.柚果皮是制取果膠的理想原料，目前我國柚果皮的綜合利用尚未引起足夠的重視，尚有用來制備活性炭的研究，但大量的柚果皮仍被丟棄并霉爛變質(zhì)，造成資源的浪費和環(huán)境的污染［3-4］.

果膠加工與生產(chǎn)的關鍵是從植物等組織中浸提果膠的過程，直接影響終端產(chǎn)品的成本和經(jīng)濟效益，盡管這方面已有較多研究，但幾乎集中在浸提工藝條件優(yōu)化的研究上［5-7］，很少有給出完整的有關這一復雜的物理化學過程的理論模型.酸法浸提果膠的過程受很多因素影響，如物料特性、浸提溫度、pH、浸提時間、酸的種類、料液比等，在應用中應予以重視并加以控制，否則易發(fā)生局部水解，致使果膠分子量降低，從而影響果膠的產(chǎn)率和品質(zhì)［8］.為此，文中研究果膠浸提過程的動力學特性，對浸提溫度、pH、浸提時間等參數(shù)進行優(yōu)化，運用浸提過程的動力學模型，通過該模型預測浸提過程的最佳得率，給出浸提溫度、pH、浸提時間等因素對過程動力學參數(shù)影響的定量規(guī)律，揭示浸提過程的本質(zhì)，同時優(yōu)化結(jié)果與常規(guī)正交設計結(jié)果驗證，對果膠浸提的工業(yè)化及其生產(chǎn)控制將有一定的理論指導意義.

1 材料與方法

1.1 材料

柚果皮原料:柚子，福建琯溪蜜柚(Citrus grandisL.Osbeck)，柚果皮洗凈，剪成直徑約3～5 mm的碎片，倒入燒杯，加2倍體積95℃的水，保溫10 min，濾去液體，水漂洗，以除去芳香物質(zhì)、小分子糖分、枯萎物質(zhì)及色素等非膠體物質(zhì)，60℃干燥至恒重，粉碎(60目篩網(wǎng))，即為本研究柚果皮原料，4～7℃保存?zhèn)溆?

濃硫酸為優(yōu)級純;咔唑、無水乙醇、鹽酸、D-半乳糖醛酸等均為分析純級試劑.

1.2 試驗方法

1.2.1 柚果皮果膠浸提

稱取一定量的柚果皮原料，按料液比加水配制，鹽酸調(diào)pH，恒溫水浴，定時，取樣，3 000 r·min-1離心10 min，分離上清液，4倍體積的乙醇沉淀3 h，3 000 r·min-1離心10 min，分離沉淀，果膠含量測定，計算果膠浸提得率.

1.2.2 浸提因素影響

因素:① pH:料液比1∶60，鹽酸調(diào)節(jié)pH=1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，浸提溫度 90 ℃，浸提時間60 min;② 浸提時間t:料液比1∶60，pH=2.0，浸提溫度90 ℃，浸提時間40，60，80，90，100 min;③ 浸提溫度 θ:料液比 1 ∶60，pH=2.0，浸提溫度 50，70，80，90，95℃，浸提時間60 min;④ 料液比w:料液比1 ∶40，1 ∶50，1 ∶60，1 ∶70，1 ∶80，pH=2.0，浸提溫度90℃，浸提時間60 min.

1.2.3 浸提條件優(yōu)化

在單因素基礎上，選取以浸提溫度、浸提時間、pH為因素，設計三水平，以果膠浸提得率為指標，采用L9(33)正交表設計試驗.

1.3 果膠咔唑比色法測定

果膠經(jīng)水解生成半乳糖醛酸，在強酸中與咔唑試劑發(fā)生縮合反應，生成紫紅色化合物，其呈色強度與半乳糖醛酸含量成正比［6］，可應用與果膠含量比色定量(y=0.004 4x+0.001 5，r2=0.994 5).

果膠浸提得率計算:

式中:Y為果膠浸提得率，以半乳糖醛酸計，%;C為比色法測定半乳糖醛酸質(zhì)量濃度，μg·mL-1;V為果膠浸提液總體積，mL;K為浸提液稀釋倍數(shù);m為柚果皮原料質(zhì)量，g.

1.4 浸提動力學模型構(gòu)建

浸提過程是溶質(zhì)(果膠)從固相(柚果皮)向液相(浸提溶劑)轉(zhuǎn)移，此過程影響因素多且物理化學過程復雜，需進行假設與簡化:①溶劑從液相傳遞到固液界面，接著擴散到固相內(nèi)部，溶質(zhì)擴散溶解;②溶質(zhì)從固相擴散到固液相界面，接著擴散到液相主體，溶質(zhì)溶解于溶劑.

然而，果膠浸提更為復雜，浸提過程又可分為2個階段:原果膠(水不溶性果膠)從植物組織(柚果皮)中轉(zhuǎn)變成果膠(可溶性果膠)和果膠從植物組織(柚果皮)中擴散到浸提溶劑，同時伴隨果膠降解過程等［9］.

設C0為組織(柚果皮)中的初始果膠質(zhì)量濃度，原果膠轉(zhuǎn)變成可溶性果膠并從植物組織中擴散到溶液中的浸提速率常數(shù)為k1，可溶性果膠降解成低分子果膠，降解速率常數(shù)為k2.

設Y(t)為經(jīng)時間t浸提后溶劑中果膠的質(zhì)量分數(shù)，X(t)為經(jīng)時間t浸提后植物組織中原果膠的質(zhì)量分數(shù)，假定擴散按一級動力學反應進行，那么，原果膠向可溶性果膠轉(zhuǎn)移可用下面的微分方程描述:

溶劑中果膠的質(zhì)量分數(shù)Y(t)被認為是積累和同時降解的過程:

因式(2)，(3)過程同時發(fā)生，需合并考慮.

將式(2)分離變量，代入式(3)，積分可得到X(t)，同時Y(t)和果膠降解D(t)隨時間t變化:

從式(5)可得到式(7)所描述的動力學過程.果膠大分子未降解(k2=0)時，浸提條件最佳.但式(7)所描述的過程是極端理論情況，因大分子果膠在浸提條件(pH、溫度、光照等)下部分降解是必然性的，因而要從式(5)中尋找Y(t)最大值，即相應的時間tmax，此時果膠的含量最高Ymax.進行極值規(guī)劃求解得

按式(8)，(9)計算可獲得動力學優(yōu)化參數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 果膠浸提過程參數(shù)優(yōu)化

為獲得較好的浸提條件和效果，研究浸提時間、料液比、pH、浸提溫度對柚果皮果膠浸提效果的影響見表1，結(jié)果在浸提溶液 pH=2.0、浸提時間80 min、浸提溫度90℃、料液比1∶40時獲得較好的浸提效果.

表1 各因素對柚果皮果膠浸提效果的影響

從表1可以看出料液比影響不明顯，可固定1∶40，因此在進一步正交設計中確定為固定因素.另外，選浸提溫度(A)、浸提時間(B)及pH值(C)影響因素為研究對象，選取3個水平，按L9(33)進行正交設計，結(jié)果見表2.

從表2直觀分析可發(fā)現(xiàn)影響果膠浸提得率的因素主次順序為pH、浸提溫度、浸提時間.最佳浸提工藝條件為A2B3C1:pH=2.0、浸提溫度90℃、浸提時間90 min，料液比1∶40，且經(jīng)試驗驗證，在此條件下，柚果皮果膠浸提得率為11.85%.

表2 L9(33)正交設計及結(jié)果分析

2.2 果膠浸提動力學模型

2.2.1 基于浸提溫度的影響

在正交設計優(yōu)化條件下，以浸提溫度(70，80，90℃)作為變量，得到浸提溫度對果膠得率的影響，圖1為在不同浸提溫度下，果膠得率隨浸提時間的變化規(guī)律.由圖1可知:在100 min內(nèi)果膠浸提得率是隨浸提時間同步增加;同時在固定的浸提時間內(nèi)，果膠得率是隨溫度同步增加.可能是溫度的升高促使柚果皮中的不溶性果膠水解成可溶性果膠轉(zhuǎn)移到液相［10］.但時間繼續(xù)延長，出現(xiàn)得率下降，說明果膠大分子降解，且在乙醇沉淀時小分子果膠被去除.

圖1浸提時間與浸提溫度對果膠浸提得率的影響

2.2.2 模型的參數(shù)確定及有效性驗證

為獲得浸提模型動力參數(shù)，從式(5)即可得到相應速率常數(shù)k1和k2，同時由式(8)-(9)計算得到tmax和Ymax，計算結(jié)果見表3.

表3 柚果皮果膠浸提動力學參數(shù)

為檢驗式(5)所得到的動力學模型的有效性，按數(shù)理統(tǒng)計方法對其理論預測值與試驗實際值進行殘差分析和F檢驗，結(jié)果見表4.

表4 柚果皮果膠浸提動力學模型統(tǒng)計分析

隨浸提時間延長，殘差未見明顯的對零系統(tǒng)偏差，也沒正和負系統(tǒng)趨向，這說明所得到的動力學模型描述該浸提過程是有效的［11-12］.而由F檢驗的相關系數(shù)r可知，試驗的離散數(shù)據(jù)在97%置信度水平上可由式(5)解釋.

表觀活化能(Ea)可從阿累尼烏斯方程求得，由表3的數(shù)據(jù)，以lnk1對1/T作圖［13］，得回歸方程:lnk1=-3 769.7×1/T+2.339 5，r2=0.982 7.從方程的斜率就可計算出活化能，本浸提過程Ea為31.34 kJ·mol-1.活化能可預測酸法浸提果膠的難易程度［14］，活化能越低，越容易越過能壘，反應越容易進行.對于浸提過程的動力學和活化能的研究，對果膠浸提的規(guī)?；庸ぜ跋鄳a(chǎn)品生產(chǎn)控制有一定的指導意義［15］.

2.2.3 模型預測能力驗證

由表4可知，所構(gòu)建果膠浸提動力學模型是有效的，在確定速率常數(shù)k1和k2的基礎上，計算了不同浸提溫度下，浸提果膠量Y(t)的變化量和原果膠X(t)的變化量，同時也計算了降解果膠D(t)的變化量.圖2分別給出了不同浸提溫度條件下果膠的計算值和實測值關系，同時給出了90℃時，果膠浸提X(t)和D(t)與浸提時間的變化規(guī)律.由圖2可發(fā)現(xiàn)，模型的預測結(jié)果與實測值近似吻合，因此，認為本研究所構(gòu)建動力學模型能夠很好地模擬果膠浸提的動力學過程，即浸提過程模擬有效，預測能力強.通過建立浸提果膠過程的動力學模型，可以揭示提取過程的本質(zhì)，對果膠提取的工業(yè)優(yōu)化及其生產(chǎn)過程將有一定的指導作用。

圖2 柚果皮果膠浸提動力學方程擬合曲線

另外，由圖2可知，果膠的降解速率是隨著溫度的升高幾乎以恒定的降解速率在變化，而由表3發(fā)現(xiàn)降解速率常數(shù)k2是隨溫度的升高而降低，這一矛盾出現(xiàn)可能與果膠得率比色法間接測定方法有關.浸提過程直接測定果膠的降解比較困難.加之浸提所得到的果膠分子的均一性(分子量大小、分布，果膠種類)是由浸提溫度所影響或決定，但酸解浸提法本身仍有很多需要研究的方面，而這種方法可能也對k2的值有影響.

3 結(jié)論

1)有效性(殘差分析及F檢驗)檢驗表明本研究所構(gòu)建模型可應用于分析柚果皮果膠浸提動力學分析.

2)采用正交設計優(yōu)化，獲得影響果膠浸提得率的因素主次順序為pH、浸提溫度、浸提時間.同時獲得基于正交設計的優(yōu)化參數(shù)和結(jié)果可與動力學優(yōu)化結(jié)果相互驗證.

3)采用的理論模型能充分描述果膠的浸提過程.確立浸提過程的浸提速率常數(shù)及其隨溫度變化的規(guī)律，獲得基于動力學分析的優(yōu)化結(jié)果:tmax為90.25 min，Ymax為11.83%，與正交設計結(jié)果吻合.

References)

［1］ Kulkarni SG，Vijayanand P.Effect of extraction conditions on the quality characteristics of pectin from passion fruit peel(Passiflora edulis f.flavicarpa L.)［J］.LWT Food Science and Technology，2010，43(7):1026-1031.

［2］ Iglesias M T，Lozano JE.Extraction and characterization of sunflower pectin［J］.Journal of Food Engineering，2004，62:215-223.

［3］ Burana-osot J，Soonthornchareonnon N，Chaidedgumjorn A，et al.Determination ofgalacturonic acid from pomelo pectin in term of galactose by HPAEC with fluorescence detection［J］.Carbohydrate Polymers，2010，81(2):461-465.

［4］ Foo K Y，Hameed B H.Microwave assisted preparation of activated carbon from pomelo skin for the removal of anionic and cationic dyes［J］.Chemical Engineering Journal，2011，173(2):385-390.

［5］ 劉煥云，李慧荔，頓博影.微波加熱法提取柚果皮果膠的工藝［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24(8):302-304.Liu Huanyun，Li Huili，Dun Boying.Extraction of pectin from shaddock peel by microwave heating ［J］.Transactions of the CSAE，2008，24(8):302-304.(in Chinese)

［6］ Pinheiro E P，Silva IM A D，Gonzaga L V，et al.Optimization of extraction of high-ester pectin from passion fruit peel(Passiflora edulisflavicarpa)with citric acid by using response surface methodology［J］.BioresourceTechnology，2008，99(13):5561-5566.

［7］ Wang S，Chen F，Wu J，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.

［8］ Torralbo D F，Batista K A，Di-Medeiros M C B，et al.Extraction and partial characterization of Solanum lycocarpum pectin［J］.Food Hydrocolloids，2012，27(2):378-383.

［9］ Martínez M，Gullón B，Yán'ez R，et al.Kinetic assessment on the autohydrolysis of pectin-rich by-products［J］.Chemical Engineering Journal，2010，162:480-486.

［10］ Mollea C，Chiampo F，Conti R.Extraction and characterization of pectins from cocoa husks:a preliminary study［J］.Food Chemistry，2008，107(3):1353-1356.

［11］ Guo X，Han D，Xi H，et al.Extraction of pectin from navel orange peel assisted by ultra-high pressure，microwave or traditional heating:a comparison［J］.Carbohydrate Polymers，2012，88(2):441-448.

［12］ Kumar A，Chauhan G S.Extraction and characterization of pectin from apple pomace and its evaluation as lipase(steapsin)inhibitor［J］.Carbohydrate Polymers，2010，82(2):454-459.

［13］ 張麗華，李順峰，劉興華，等.獼猴桃果漿中葉綠素和顏色的熱降解動力學［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(6):289-292.Zhang Lihua，Li Shunfeng，Liu Xinghua，et al.Kinetics of chlorophyll degradation and color loss in heated kiwifruit puree［J］.Transactions of the CSAE，2012，28(6):289-292.(in Chinese)

［14］ 馬海樂，黃六容，朱春梅.多酚氧化酶的高強度脈沖磁場滅活及動力學模型［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(S1):325-328.Ma Haile，Huang Liurong，Zhu Chunmei.Inactivation of polyphenol oxidase by high-intensity pulsed magnetic field and kinetic model［J］.Transactions of the CSAE，2010，26(S1):325-328.(in Chinese)

［15］ Minkov S，Minchev A，Paev K.Modelling of the hydrolysis and extraction of apple pectin［J］.Journal of Food Engineering，1996，29(1):107-113.