柠檬皮渣果胶提取预处理工艺研究

董 丹，关统伟，雷 激，车振明*

（西华大学微生物研究所，食品生物技术四川省高校重点实验室，四川 成都 610039）

柠檬（Citrus limon）属于柑橘属植物，是芸香科柑桔属的常绿小乔木。柠檬皮含有丰富的钙质、铁、糖类、果胶及丰富的维生素B1、B2、C等多种营养成分，具有很好的食用价值和生产价值。柠檬皮渣中的果胶含量达30%[1-2]，是果胶工业生产的主要原料之一。果胶是一类成分很复杂的天然高分子聚合物，广泛存在于高等植物初级细胞壁中。果胶本质上是一种呈线性结构的多聚糖类，主要是由D-半乳糖醛酸以α-1,4-糖苷键连接聚合而成略带酸性的大分子多糖，还常带有其他中性多糖支链，如D-半乳糖、D-山梨糖、L-阿拉伯糖、L-鼠李糖、木糖等[3-5]。果胶分子的结构取决于果胶提取原料的种类、组织类型和提取工艺等[6]。果胶广泛应用于食品、化妆、医药等工业[7-8]。已报道的可以提取果胶的原料超过40种[9-10]。目前我国果胶生产企业为数不多；生产规模小；生产技术工艺相对落后；采用柠檬湿渣经干燥耗能高；得到的果胶含量低，满足不了市场需要。本试验针对上述生产中存在的问题，通过对果胶生产工艺的优化来降低干燥能耗、干燥耗时和提高果胶含量，为柠檬皮渣的干燥节能技术提供理论依据，从而降低工业化生产成本，提高工业生产利润，满足广大市场的需要。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜柠檬：市售；愈创木酚、无水氯化钙、无水碳酸钠、体积分数95%的乙醇、六偏磷酸钠、过氧化氢、氢氧化钠、邻苯二甲酸氢钾以及磷酸钠等为分析纯：成都市科龙化工试剂厂。

1.2 仪器与设备

DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱：上海齐欣科学仪器有限公司；DC-P3新型全自动测色色差计：北京市兴光测色仪器公司；WY080T手持折光仪：成都万辰光学仪器厂；PowerBay-SSM微型电力监测仪（功率计）：深圳市北电仪表有限公司。

1.3 方法

1.3.1 柠檬皮渣提取果胶预处理工艺流程及操作要点

新鲜柠檬→柠檬皮磨油清洗→柠檬去汁→柠檬皮渣灭酶→皮渣破碎→一级干燥→二级干燥→柠檬干渣→干渣粉碎→果胶的提取[11]

具体操作要点：将新鲜市购的柠檬用0.05%的碳酸钠溶液浸泡10 min，料液比为3∶1（g∶mL），除去柠檬皮表的蜡质，用清水漂净，之后手工磨油（磨油过程中不要破坏柠檬果肉），用清水洗净。将柠檬皮渣切成1 mm厚的薄片，将切片的柠檬皮渣与80 ℃中浸泡5 min灭酶。在样品中含有大量水分时采用高温干燥能尽快除去大部分水分，随后采用低温干燥即可去除剩余部分水分，也可较好的减少温度对样品中果胶成分的破坏，因此干燥过程采用两段式干燥，将灭酶后的柠檬皮渣在70 ℃条件下干燥至含水量为60%，随后将温度降至60℃，干燥至物料含水量为10%～12%，得到柠檬干渣。

果胶的提取：采用果胶盐析沉淀法[12]。按柠檬皮渣与水的质量比1∶70加蒸馏水，在室温条件下用质量分数5%盐酸调pH值为2.5，将样液放入75 ℃恒温水浴锅中加热萃取40 min制得果胶萃取液。盐析过程为按6%的比例加入硫酸铝并搅拌使其充分溶解，冷却至室温，用质量分数10%的氢氧化钠溶液调节pH至5.0左右，静置40 min，待果胶完全沉淀后离心弃去上清液，沉淀用脱盐液（脱盐液中含3 mL盐酸、60 mL乙醇和37 mL蒸馏水的比例配制）洗涤2～3次，抽滤，再以体积分数75%的乙醇洗涤2次，于55 ℃烘干即得果胶成品。

1.3.2 单因素试验

分别考察不同切片厚度（简称“粒度”）（1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm）、灭酶时间（1 min、3 min、5 min、7min、9.0 min）、一级干燥温度（60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃）、二级干燥温度（50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃）对果胶含量、干燥耗能、干燥时间的影响。

1.3.3 预处理工艺优化正交试验

根据单因素试验结果确定各因素对果胶含量、干燥耗能、干燥时间有显著影响的因素和范围，然后对这些因素设计正交试验，通过结果分析得出从柠檬皮渣中提取果胶的预处理最佳工艺。正交试验因素与水平见表1。

表1 果胶提取预处理工艺优化正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test for pectin extraction preteatment technology optimization

1.3.4 指标的测定

（1）果胶含量的测定

样品中果胶含量的测定采用硫酸-咔唑比色法，具体方法参考文献[13]。

（2）干燥耗能测定

一级干燥耗能计算：柠檬皮渣干燥的耗能采用功率计测定，计算公式如下：

耗电量（kW·h）=终止电量-初始电量

二级干燥耗能的计算与一级相同。总耗能为一级和二级干燥耗能之和。

（3）干燥时间的测定

干燥总时间的测定：从一级干燥开始计时，将原料的含水量干燥至60%左右，然后开始二级干燥使其含水量达到10%～12%时停止，记录两级干燥过程中总时间（min）。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 粒度对果胶提取预处理的影响

图1 粒度对果胶含量(A)、干燥耗能(B)以及干燥时间(C)的影响Fig.1 Effect of particle size on pectin content(A),drying energy consumption(B) and drying time(C)

粒度对果胶提取预处理的影响见图1，由图1（A）可知，随着粒度从1 mm增加至5 mm的过程中，果胶的含量整体呈现先上升后下降的趋势，当粒度为3 mm时，果胶的含量最高，这是因为在1～3 mm范围内粒度越小，在用水漂洗的过程中，流失的果胶质越多，最终得到的果胶含量就会越低。在3～5 mm范围内柠檬皮渣粒度增大，在后续灭酶的过程中，无法彻底达到完全灭酶的效果，所含有的果胶酶会破坏果胶，造成果胶的流失。由图1（B）和（C）可知，随着柠檬皮渣粒度的增大，干燥耗能和干燥耗时都出现了上升的趋势。原料粒度越大，在干燥的过程中，与空气接触的表面积减小，因此在干燥的过程中水分蒸发越发的缓慢，干燥时间增大，干燥耗能增加。因此综合考虑粒度对果胶含量及耗时、耗能的影响，粒度在1～3 mm比较适宜。

2.1.2 灭酶时间对果胶提取预处理的影响

图2 灭酶时间对果胶含量(A)、干燥耗能(B)以及干燥时间(C)的影响Fig.2 Effect of enzyme deactivation time on pectin content(A),drying energy consumption(B) and drying time(C)

果胶酶的活性耐受温度为80～85 ℃[14-15]，从节约能源上考虑，设定灭酶温度为80 ℃。灭酶时间的长短一方面影响酶活性，一方面影响整个过程的耗时和耗能，因此选择合适的灭酶时间很重要。灭酶时间对果胶提取的影响见图2（A），由图2（A）得知，随着灭酶时间从1～9 min，果胶含量呈现出先增后减的趋势；在灭酶5 min时果胶含量最高，说明在5 min时，原料中的果胶酶已基本失活，此时得到的果胶含量为最大；在灭酶时间＞5 min时果胶含量降低是因为灭酶时间过长会破坏原料的组织结构，导致果胶质的流出，使果胶含量降低。从图2（B）和（C）可知，随着灭酶时间的延长，整个过程的时间和耗能都增加。对于耗时和耗能而言，灭酶时间越短越好，因此综合三项指标，灭酶时间在1～5 min范围比较合适。

2.1.3 一级干燥温度对果胶提取预处理的影响

图3 一级干燥温度对果胶含量(A)、干燥耗能(B)以及干燥时间(C)的影响Fig.3 Effect of first level drying temperature on pectin content(A),drying energy consumption(B) and drying time(C)

一级干燥过程是将原料的含水量干燥至60%左右。从图3（A）可知，一级干燥温度在60～80 ℃范围内时，果胶的含量受温度的影响很小；在80 ℃时果胶含量达到最大，随着温度从80 ℃升至100 ℃，果胶的含量呈现逐渐下降的趋势，因为在此温度范围内，高温会破坏果胶质的结构，使果胶的含量降低。从图3（B）和（C）可以看出，随着温度的升高，干燥过程中的能耗呈现上升趋势，干燥时间随温度的升高而缩短。因此，在考虑节约资源的前提下，选择一级干燥温度在60～80 ℃最为合适。

2.1.4 二级干燥温度对果胶提取预处理的影响

二级干燥过程是将一级干燥过后的原料由含水量的60%干燥至含水量为10%～12%，此含水量便于原料的后期储存。由图4可知，随着干燥温度的升高，干燥时间呈现下降趋势。在50 ℃升至70 ℃过程中，果胶含量随温度的变化很小，在70 ℃时达到最大。在70 ℃以后，果胶含量的降低。而耗能在60 ℃时耗能最低，在50 ℃和70 ℃时干燥耗能差距不大，温度高于70℃时，干燥耗能急剧增加。综合以上因素二级干燥温度在50～70 ℃最为合适。

图4 二级干燥温度对果胶含量(A)、干燥耗能(B)以及干燥时间(C)的影响Fig.4 Effect of second level drying temperature on pectin content(A),drying energy consumption(B) and drying time(C)

2.2 柠檬皮渣果胶提取预处理工艺正交试验

2.2.1 柠檬皮渣果胶提取预处理正交试验结果与分析

根据以上单因素试验结果，确定因素与水平，选取粒度、灭酶时间、一级干燥温度、二级干燥温度作为正交试验的4个因素，以果胶含量、干燥耗能、耗时作为评价指标进行正交试验，从而对柠檬皮渣果胶提取预处理工艺条件进行优化，结果与分析见表2，按照综合平衡法以不同因素为指标的极差分析见表3。

表2 柠檬皮渣果胶提取预处理工艺优化正交试验结果与分析Table 2 Results and analysis of orthogonal experiment for pectin extraction pretreatment condition optimization from lemon peel

根据表2的试验结果数据及以上的方差分析结果，按照果胶含量越高，干燥耗能、干燥时间越少的原则，对其按单指标进行极差分析，计算结果如表3所示。

因素A在果胶含量中是主要因素，按照该指标要求应定1水平为优水平。同理，因素B按干燥时间中是主要因素，按干燥耗时指标的要求也应是1水平；因素D在干燥耗能中是主要因素，按其指标要求应定1水平为优水平；而因素C对果胶含量、干燥耗能、干燥时间的影响都是相同的，这样综合平衡因素水平的较优组合就有三个A1B1C1D1、A1B1C2D1和A1B1C3D1。在此条件下进行验证试验，得到果胶含量最高的组合为A1B1C2D1；干燥耗能和耗时最少的组合都为A1B1C3D1，而A1B1C2D1和A1B1C3D1试验结果中果胶含量差距很小，因此综合各指标的要求得到的最优组合应为A1B1C3D1，在该条件下得到的果胶含量为12.24%，干燥耗能0.34 kW·h，干燥时间100 min。

表3 综合平衡法各因素极差分析汇总Table 3 Overall balance method of each factor range analysis summary

2.2.2 柠檬皮渣果胶提取预处理工艺正交试验结果方差分析

以不同因素为评价指标的正交试验结果方差分析分别见表4～表6。

影响果胶含量的4个因素由高到低的顺序依次为：A粒度＞D二级干燥温度＞C一级干燥温度＞B灭酶时间。该生产工艺中得到果胶含量最高的组合为A1B2C1D3，即粒度1 mm、灭酶时间3 min、一级干燥温度60 ℃、二级干燥温度70 ℃时，得到的果胶含量最高。由表4可知，灭酶时间和二级干燥温度对结果的影响达到极显著水平（P＜0.01），而粒度和一级干燥温度则影响显著（P＜0.05）。

表4 以果胶含量为指标的正交试验结果方差分析Table 4 Analysis of variance of orthogonal experiment results using pectin content as index

表5 以干燥耗能为指标的正交试验结果方差分析Table 5 Analysis of variance of orthogonal experiment results using drying energy consumption as index

影响柠檬皮渣果胶提取预处理工艺中干燥耗能的4个因素由高到低的顺序依次为：D二级干燥温度＞B粒度＞C一级干燥温度＞A灭酶时间。通过R值可以发现，该生产工艺中得到干燥耗能的组合为A2B1C2D1，即粒度2 mm、灭酶时间1 min、一级干燥温度70 ℃、二级干燥温度60 ℃时，得到的干燥耗能最低。由表4可知，二级干燥温度达到显著水平（P＜0.05），而粒度、灭酶和一级干燥温度则影响不显著。

表6 以干燥耗时为指标的正交试验结果方差分析Table 6 Analysis of variance of orthogonal experiment results using drying time as index

影响柠檬皮渣果胶提取预处理工艺中干燥耗时的4个因素由高到低的顺序依次为：B粒度＞D二级干燥温度＞C一级干燥温度＞A灭酶时间。通过R值可以发现，该生产工艺中得到干燥耗时最短的组合为A3B1C3D3，即粒度3 mm、灭酶时间1 min、一级干燥温度80 ℃、二级干燥温度70 ℃时，得到干燥耗时最短。由表6可知，粒度和二级干燥温度达到极显著水平（P＜0.01），而灭酶时间和一级干燥温度则影响不显著。

3 结论

通过L9（34）正交试验确认柠檬皮渣提取的最佳工艺为柠檬皮渣粒度1 mm、灭酶时间1 min、一级干燥温度80 ℃、二级干燥温度50℃，在此条件下，所得的果胶含量为12.24%、干燥耗能0.34 kW·h、干燥耗时100 min，较企业实际生产得率略高，干燥耗能和干燥耗时要少。柠檬皮渣果胶提取预处理工艺的优化对企业果胶生产过程中产量的提高，生产成本的降低，节能减排有着十分重要的意义。

[1]魏海香，木泰华，孙艳丽，等.果胶制备的研究进展[J].食品研究与开发，2006，27（4）：157-160.

[2]徐 丹，车振明，胡瑞君，等.柠檬皮中高脂果胶提取工艺的研究[J].食品工业科技，2007（6）：182-184，194.

[3]ROUND A N,RIGBY N M,MACDOUGALL A J,et al.A new view of pectin structure revealed by acid hydrolysis and atomic force microscopy[J].Carbohyd Res,2010,345(4):487-497.

[4]WILLATS W G T,KNOX P,MIKKELSEN J D.Pectin:new insights into an old polymer are starting to gel[J].Trends Food Sci Technol,2006,17(3):97-104.

[5]RIDLEY B L,ONEILL M A,MOHNEN D A.Pectins structure[J].Biosynthesis,2001,57(6):929-967.

[6]VORAGEN A G J,COENEN G J,VERHOEF R P,et al.Pectin a versatile polysaccharide present in plant cell walls[J].Struct Chem,2009,20(2):263-275.

[7]MISHRA R K,DATT M,BANTHIA K.Synthesis and characterization of pectin/PVP hydrogel membranes for drug delivery system[J].Aaps Pharmsci,2008,9(2):395-403.

[8]万国富.柠檬果胶原料预处理方法的研究[D].成都：西华大学硕士论文，2007.

[9]郭祖锋，梁新红，孙俊良，等.提取工艺对甘薯果胶物化特性影响的研究[J].食品科技，2012，37（8）：204-207.

[10]韦诗琪，郭璇华.菠萝蜜丝果胶提取工艺优化[J].食品研究与开发，2011，32（6）：61-64.

[11]CONRAD K.Correlation between the distribution of lignin and pectin and distribution of sorbed metal ions(lead and zinc)on coir(Cocos nuciferaL.)[J].Bioresource Technol,2008,99(17):8476-8484.

[12]杨韩晖.南瓜果胶盐析法提取工艺的研究[J].农产品加工，2007（9）：44-47.

[13]庞荣丽，张巧莲，郭琳琳，等.水果及其制品中果胶含量的比色法测定条件优化[J].果树学报，2012，28（2）：302-305.

[14]邓红梅，马 超，王 春，等.香蕉皮果提取条件的优化[J].湖北农业科技，2013，52（2）：415-417.

[15]刘义武，王 碧.柠檬皮中果胶提取工艺研究[J].内江师范学院学报，2011（10）：20-23.