超声波提取苹果果胶工艺优化及凝胶特性测定

2012-09-05刘超李钐韩玉谦

食品研究与开发 2012年12期

刘超，李钐，韩玉谦，*

（1.中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛 266003；2.青岛大学医学院，山东青岛 266071）

果胶一直是人类食品的天然成分，世界上所有国家都允许使用果胶作为食品添加剂。除生产上的特殊要求外，FAO/WHO食品添加剂联合委员会推荐果胶为不受添加量限制的安全食品添加剂[1]。果胶在食品中用做凝胶剂、增稠剂、组织成型剂、乳化剂和稳定剂[2]。在奶制品中使用HM果胶作为某些酸奶制品的稳定剂，而LM果胶能防止果肉在酸奶中漂浮和不均匀分布[3]。与淀粉和其它植物胶相比，用果胶作稳定剂的水果、酸奶制品具有优良的风味和质构，在配制酸奶的过程中，LM果胶与其它胶配合使用可以防止乳清析出[4]。在医药工业上，果胶对维持血液中正常的胆固醇含量具有非常好的效果，并且果胶作为天然物质能够防止阳离子中毒，能有效地去除肠胃和呼吸道中的铅和汞，据报道，降解后的果胶和铁的复合物对于治疗缺铁性贫血效果非常好，而果胶、氢氧化铝和氧化镁的混合物对于治疗胃溃疡和十二指肠溃疡效果显著[5-7]。此外，果胶在化妆品方面也有非常重要的作用。

随着苹果种植面积和产量的大幅度上升，目前我国苹果产品（如果汁等）加工中每年排出苹果渣有100多万t，绝大部分直接用作饲料或用于堆肥甚至被废弃，只有少量苹果渣被用于深加工，造成了资源的严重浪费和环境的污染。因此，利用含果胶丰富的苹果渣作原料生产果胶，具有重要社会经济价值。本实验用超声波辅助提取苹果渣中的果胶，并对所提果胶的凝胶特性进行了测定，旨在为超声波辅助提取技术在果胶产业化中的应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苹果渣：市售红富士苹果搅碎、过滤、漂洗、烘干、粉碎[8]。半乳糖醛酸、咔唑、浓硫酸、浓盐酸、柠檬酸、无水乙醇：均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FW135型中草药粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司；KQ－300GVDV型三频恒温数控超声波清洗机：河南兄弟仪器设备有限公；SM－5200DTS双频超声波清洗机：南京舜玛仪器设备有限公司；pHS－3C型pH计、722S型可见分光光度计：上海精密科学仪器有限公司；AdventurerTM分析天平：奥豪斯国际贸易（上海）有限公司；SSW－420－2S微电脑电热恒温水槽：上海博讯实业有限公司医疗设备厂；LGJ－12T冷冻干燥机：北京松源华兴科技发展有限公司；RE－52A旋转蒸发器：巩义市英峪予华仪器厂；SHZ－Ⅲ型循环水真空泵：上海亚荣生化仪器厂；TMS－PRO型物性分析仪：美国Foodtech公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

市售红富士苹果→洗净、切碎、榨汁→预处理→超声波辅助提取果胶→过滤→浓缩→醇沉→冷冻干燥 →果胶

1.3.2 方法

1.3.2.1 原料预处理

苹果刚榨完汁后得到的苹果渣含有大量的糖苷、淀粉、色素、酸类、盐类等物质，需用35℃的温水漂洗2遍～3遍；然后加热至90℃保温10 min，使果胶酶灭活；再用35℃的温水漂洗2遍～3遍，进一步洗去杂质；烘干，粉碎后，过60目筛，待用。

1.3.2.2 超声波提取

称取一定量预处理后干苹果渣，按一定料液比加入蒸馏水并搅拌均匀，用盐酸溶液调节pH，在一定温度下超声提取果胶，趁热抽滤，滤液在50℃下旋转蒸发，浓缩至4%（体积分数），迅速冷却至室温。

1.3.2.3 醇沉

向浓缩后滤液加入4倍体积的95%乙醇，沉淀1 h～2 h，然后用无水乙醇洗涤1遍～2遍，进一步除去色素及其它杂质成分。

1.3.2.4 冷冻干燥

将滤干的果胶在－20℃下预冻24 h，再送入真空冷冻干燥箱进行干燥，冻干机冷阱温度控制在－53℃左右，干燥室真空度保持在1 Pa，冷冻干燥72 h。

1.3.3 超声波提取果胶工艺优化

在前期单因素试验基础上，确定料液比、提取温度、超声时间、提取液pH为考察因素，选用L9（34）正交表安排正交试验。以果胶提取率为评价指标，确定超声波辅助提取果胶的最佳提取工艺。试验设计的因素水平表见表1。

表1 超声波辅助提取果胶正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test for extraction with ultrasonic

1.4 分析方法

1.4.1 果胶含量的测定

1.4.1.1 标准曲线的绘制[9]

以半乳糖醛酸质量浓度为横坐标、吸光度为纵坐标制定标准曲线，绘制半乳糖醛酸标准曲线，详见图1。

由图1得，回归方程为y=0.004 5x+0.001 6，R2=0.995 6。

1.4.1.2 样品中半乳糖醛酸的测定[10]

准确称取果胶样品1.0 g于200 mL的烧杯中，加入100 mL 0.5 mol/L硫酸溶液以水解果胶。在沸水浴上加热30 min后，冷却至室温。移入容量瓶并定容到100 mL。准确吸取该溶液1 mL，加入6 mL浓硫酸，边加入边用自来水冷却。冷却至室温，以下步骤同1.4.1.1中标准稀释液的测定。在标准曲线上查出半乳糖醛酸的浓度（mg/L）。

1.4.1.3 计算[11]

式中：C为标准曲线上查得的半乳糖醛酸的浓度，（mg/L）；V为样品定容体积，L；W1为果胶样品的质量，mg；W为果胶产品的总量，g；m为苹果渣样品的质量，g。

1.4.2 果胶凝胶性能的测定

1.4.2.1 凝胶的制备[12]

将3.000 0 g提取的果胶与31 mL蒸馏水混合均匀，加入35.7 g砂糖，加热使糖融化并浓缩成54.7 g，加入12.5%柠檬酸0.8 mL，迅速倒入50 mL烧杯中，搅匀，室温下冷却18 h～24 h，即成凝胶。

1.4.2.2 测定条件[11]

探头直径为25 mm；试验速度为1.5 mm/s；初始速度为5.0 mm/s；穿透距离30 mm；上提5 mm/s；温度为20℃。质构仪测定的典型曲线如图2所示，测定参数定义如下。

凝胶稳定度（脆性）：a1，曲线中出现第1个明显的断裂值；凝胶弹性：A1，凝胶破裂点下的峰面积（Area）1～2；硬度：a2，第1次压缩循环中出现峰值所代表的力；凝胶强度：A2，压缩总正峰面积（Area）1～3；黏性：A3，第 1次压缩的负峰面积（Area）3～4，代表探头从食品中离开时难易程度；黏滞力：a3，第1次压缩负峰的峰值。

2 结果与分析

2.1 超声频率对果胶提取率的影响

目前，文献报道的关于超声波频率对苹果果胶提取率的影响不一[13－14]。为了确认超声波频率高低对苹果果胶提取率的影响，本试验在料液比 1∶15（g/mL）、超声时间40 min、提取温度50℃、pH2.0的条件下，考察了25、45、80、100 kHz 4个频率对果胶提取率的影响，结果见表2。

由表2结果可以看出，超声频率对果胶的提取率几乎没有影响，所以本试验不将其作为研究条件。

2.2 超声波辅助提取果胶试验结果

超声时间、提取温度、料液比、pH的L9（34）正交试验设计及数据结果处理见表3。

表2 不同超声频率对果胶提取率的影响Table 2 Effect of ultrasonic frequency on the yield of pectin

表3L9（34）正交试验设计及数据结果Table 3Results of L9（34）orthogonal array design tests for optimal pectin extraction with ultrasonic

由表3的极差值可知，影响果胶提取率诸因素的主次关系为D＞B＞A＞C，即pH对提取率影响最大，其次是提取温度、超声时间，料液比的影响最小。由K值可知，最优工艺组合条件为A3B3C2D1，即正交试验中的第9组试验，提取率为15.12%，是上述9组试验中的最高值。因此，超声波辅助提取果胶的最佳工艺条件为超声时间 100 min、提取温度 80℃、料液比 1∶20（g/mL）、pH1.5。

2.3 超声波辅助提取果胶的凝胶性能

由质构仪测得的超声波辅助提取果胶的凝胶性能结果如图3和表4。

表4 超声波辅助提取果胶的凝胶性能Table 4 The texture behaviour of pectin preparing with ultrasonic-extraction

凝胶弹性是表示凝胶在外力作用下发生形变，当外力撤去后恢复原来状态的能力。凝胶强度是凝胶承受施加外力的能力。黏性是施加于流体的应力和由此产生的变形速率以一定的关系联系起来的流体的一种宏观属性。凝胶稳定度即脆性，是凝胶在外力作用下仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。硬度是表示物体变形所需要的力。黏滞力是表示凝胶表面和其他物体附着时剥离它们所需要的力。汪海波[14]已经对低酯果胶凝胶质构性能进行了研究，通过比较表4中数据与低酯果胶的凝胶质构性能数据可以看出所提果胶的凝胶性能良好。

3 结论

采用超声波辅助提取苹果渣中果胶的最佳工艺条件为料液比为 1∶20（苹果渣∶蒸馏水，g/mL）、提取温度80℃、超声时间100 min、pH1.5。在此条件下果胶的提取率为15.12%。据文献报道[15-16]，酶法和微波法提取苹果渣中的果胶得率分别为11.74%和13.48%，可见，超声波辅助法提取苹果果胶具有一定的优势。超声频率对果胶的提取率几乎没有影响。对本试验所提果胶进行的凝胶特性测定表明，所提果胶具有良好的凝胶性能。利用超声波辅助提取苹果渣中的果胶，进一步拓宽了苹果渣的综合开发利用范围，具有较好的产业化前景。

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