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(1.金華市食品藥品檢驗檢測研究院,浙江 金華 321000;2.浙江工業(yè)大學 生物工程學院,浙江 杭州 310014)

佛手,又稱佛手柑,為蕓香科植物佛手的干燥成熟果實,在我國栽培歷史悠久,分布較廣,浙江、江蘇、四川、廣東和福建等省都有種植,根據(jù)產(chǎn)地不同,可分川佛手、廣佛手、建佛手和金佛手[1].佛手作為傳統(tǒng)中藥材,含多種生物活性成分,具有疏肝理氣功效.目前佛手的銷售主要有3塊:產(chǎn)品深加工、國內(nèi)銷售和出口國外[2].隨著佛手加工業(yè)深入發(fā)展,以往佛手加工以單一產(chǎn)品為主的生產(chǎn)方式不利于整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,特別是冷榨生產(chǎn)飲料會產(chǎn)生大量的廢渣,由于這些廢渣的可發(fā)酵性,造成資源浪費和環(huán)境污染問題.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、果膠及黃酮類物質等[3],如果能將這些天然產(chǎn)物進行分離提取并有效利用,將大大提高佛手產(chǎn)品的附加值.果膠是由α-1,4-糖苷鍵連接而成的半乳糖醛酸與鼠李糖、阿拉伯糖和半乳糖等其他中性糖相連接的聚合物,主要成分為D-半乳糖醛酸(D-galactuonicaid).果膠具有良好的乳化、穩(wěn)定、增稠和凝膠作用,廣泛應用于食品、紡織等行業(yè),同時,果膠還具有抗菌、止血、解毒和降血脂等作用,還是一種優(yōu)良的藥物制劑基質[4].

當前果膠的提取方法主要有酸提取法、離子交換法、草酸銨提取法、酶法、微生物提取法和微波提取法等[5-9],這些方法在提取柑橘[10]、蘋果[11]、向日葵和甜菜果膠上都得到了很好的應用,但關于從佛手廢渣中提取果膠的方法卻鮮有報道.筆者通過超聲波酸提法從佛手廢渣中提取果膠,并采用正交試驗對果膠的提取工藝進行優(yōu)化.

1 材料與方法

1.1 材 料

佛手廢渣,浙江金手寶生物科技有限公司;KH-600DB型超聲波清洗器,昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司;FD115型電熱恒溫干燥箱,德國BINDER公司;2-16KL型高速離心機,德國Sigma公司;ME204型電子分析天平,梅特勒-托利多有限公司;PHSJ-3F型pH計,雷磁-上海儀電科學儀器股份有限公司;食品級尼龍超密過濾網(wǎng)(160目),臺州市雨潔濾網(wǎng)有限公司;中速定性濾紙(φ 15 cm),杭州特種紙業(yè)有限公司;鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇,上海國藥集團化學試劑有限公司.

1.2 果膠提取工藝

1) 原料預處理:將榨汁后的佛手廢渣,按1∶3 g/mL與水混合,煮沸10 min后,瀝干,60 ℃下干燥至恒重,收集干燥佛手廢渣.

2) 佛手果膠提取工藝流程:準確稱取一定量的干燥佛手廢渣,按一定料液比加水浸泡,在一定的pH值、溫度、超聲時間和超聲功率下進行提取,提取后用雙層尼龍超密過濾網(wǎng)(160目)過濾,收集濾液,調節(jié)濾液的pH值至4.0,注入1倍體積的無水乙醇至濾液中,攪拌、靜置6 h,使果膠沉淀析出,將得到的果膠沉淀和乙醇混合物經(jīng)濾紙過濾,收集果膠,在干燥箱內(nèi)60 ℃干燥至恒重,稱取質量.

1.3 果膠提取率的計算

果膠提取率為提取得到的干燥果膠質量占供提取的佛手干渣質量的百分比.

1.4 單因素試驗設計

以佛手果膠提取率為指標,提取原料用佛手干渣10 g,固定超聲功率600 W,依次改變料液比(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),浸提溫度(50,60,70,80,90 ℃),超聲時間(30,40,50,60,70,80,90 min),分別考察料液比、浸提pH值、浸提溫度和超聲浸提時間對果膠提取率的影響.各單因素試驗重復3次,并取平均值.

1.5 正交試驗設計

在單因素試驗基礎上,以料液比、浸提pH值、浸提溫度和超聲浸提時間為因素進行4因素3水平正交試驗,進一步確定最佳提取工藝條件.

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 料液比對果膠提取率的影響

在浸提溫度75 ℃、浸提pH 2.0、超聲功率600 W、超聲時間60 min的條件下,按料液比1∶20,1∶30,1∶40,1∶50,1∶60,1∶70 g/mL進行超聲波酸提試驗,考察料液比對果膠提取率的影響.

料液比對果膠提取率的影響如圖1所示,隨著料液比從1∶20變化到1∶40時,果膠提取率從7.72%增加到12.29%,但當提取溶劑進一步增加時,果膠提取率趨于平穩(wěn),增加不明顯.料液比太低時,難以保證果膠全部轉移至提取液中,物料黏度大、過濾困難、殘留增加,導致果膠提取不完全、提取率不高;料液比過高時,佛手渣中的其他雜質容易溶于提取液中,不利于后期果膠的純化.同時,料液比過高,也會導致后續(xù)醇析中乙醇消耗量的增加,沉淀效果不佳,且浪費資源和不利于環(huán)保,因此最佳料液比為1∶40 g/mL.

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

2.1.2 浸提pH對果膠提取率的影響

在料液比1∶40 g/mL、浸提溫度75 ℃、超聲功率600 W、超聲時間60 min的條件下,研究不同pH值(pH1.0,1.5,2.0,3.0,4.0)對果膠提取率的影響,結果見圖2.從圖2中可以看出:當提取液在低pH值范圍內(nèi),果膠提取率相對較高,說明佛手果膠易溶于酸性溶液,當pH值大于3.0時,水解反應緩慢,果膠提取率明顯下降,但酸度過大時,水解反應過于劇烈,果膠易脫去酯基和裂解成果膠酸,導致凝聚度下降,使得在醇析工序中不易沉淀出來,從而降低果膠提取率.因此,最佳pH值為1.5,此時果膠提取率為13.08%.

圖2 浸提pH對果膠提取率的影響Fig.2 Effect of pH on extraction rate of pectin

2.1.3 浸提溫度對果膠提取率的影響

圖3 浸提溫度對果膠提取率的影響Fig.3 Effect of temperature on extraction rate of pectin

在料液比1∶40 g/mL、浸提pH 1.5、超聲功率600 W、超聲時間60 min的條件下,研究不同浸提溫度(50,60,70,80,90 ℃)對果膠提取率的影響,結果見圖3.從圖3可以看出:溫度為50～80 ℃時,果膠提取率呈明顯上升的趨勢,當溫度為80 ℃時,果膠提取率為14.59%,但隨著溫度繼續(xù)上升,果膠提取率的增加并不明顯,說明提取溫度為80 ℃較適宜.提高提取溫度,有利于果膠的水解溶出和提取率的增加.但果膠作為一種高分子化合物,熱穩(wěn)定性較差,所以當提取溫度過高時,容易導致果膠降解，結構破壞,不利于提取率的增加.因此,從實驗結果和節(jié)能兩方面考慮,最佳的浸提溫度為80 ℃.

2.1.4 超聲浸提時間對果膠提取率的影響

在料液比1∶40 g/mL、浸提pH 1.5、浸提溫度80 ℃、超聲功率600 W的條件下,研究超聲浸提時間(30,40,50,60,70,80,90 min)對果膠提取率的影響,結果見圖4.隨著超聲提取時間的延長,果膠的提取率呈逐漸上升的趨勢,但當時間超過80 min后,果膠的提取率幾乎不變.實驗結果表明:80 min為最佳超聲時間.超聲時間過短,佛手渣中的果膠未能完全溶脫出來.超聲時間過長,果膠的提取率增加并不明顯,可能有兩方面原因:一是大部分果膠已溶脫出來,所以提取率增加不明顯;二是超聲時間過長有可能會導致溶液中的果膠在較高溫度和酸性條件下降解,從而影響了提取率.

圖4 超聲提取時間對果膠提取率的影響Fig.4 Effect of time on extraction rate of pectin

2.2 正交試驗結果與分析

通過單因素試驗,分別考察了料液比、浸提pH、浸提溫度和超聲浸提時間對果膠提取率的影響,得到了各因素的最佳控制范圍.根據(jù)單因素的試驗結果,以果膠提取率為考察指標,設計4因素3水平正交試驗,其因素水平見表1,結果見表2.

表1 正交實驗設計因素及水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗結果Table 2 The results of orthogonal experiment

對正交試驗結果進行分析,由極差R可以看出,B的極差最大,其次為C,A,D.極差越大,反映該因素水平變動時,果膠提取率的變化越大.各因素強弱順序依次為B,C,A,D,即溫度>pH>料液比>超聲時間.因此得出的最佳工藝組合為A3B3C1D3,即果膠提取的最佳工藝條件是:料液比為1∶50 g/mL,溫度為90 ℃,pH為1.0,超聲時間為90 min.在此最優(yōu)工藝條件下進行驗證試驗,得到三組數(shù)據(jù):18.17%,18.31%,18.78%,平均值為18.42%.

3 結 論

依據(jù)單因素試驗結果,采用正交試驗法優(yōu)化了超聲波酸提佛手廢渣中果膠的工藝條件,獲得了一套最優(yōu)提取工藝參數(shù),在此最佳提取工藝條件下,果膠的提取率達到了18.42%.利用超聲波提取可以有效縮短提取時間,具有成本低、效率高、工藝簡單及環(huán)境污染小等優(yōu)點,為佛手廢渣的綜合利用提供了一定的參考價值.

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