商业树脂对鲜榨柠檬汁的脱苦效果*

贺红宇，高佳，朱永清，罗芳耀，李华佳，袁怀瑜

(四川省农业科学院农产品加工研究所，四川成都，610066)

柠檬(Citrus limon，Burm F)，系芸香科柑橘属常绿小乔木果树的果实，是继橙、柑之后的第三大柑橘品种［1］。我国柠檬主产于西南地区，其中四川省安岳县柠檬鲜果产量占全国总产量的80%以上，是目前我国柠檬鲜果最大的集中产区［2］。柠檬因其富含丰富的营养物质和独特的风味，同时兼具食用和药用价值而深受人们喜爱［3-4］。

柠檬鲜果加工主要以生产柠檬干片和果汁饮料制造为主。饮料制造也是世界柑橘类水果加工的主要方向［5］。但由于柠檬鲜果皮、籽、果肉中均含有大量的柚皮苷和柠檬苦素类似物等苦味物质，在榨汁、灭菌、贮藏等加工过程中产生“后苦味”现象［6］，严重制约了柠檬果汁饮料加工产业的发展。目前柑橘鲜榨汁的脱苦方法主要有代谢法、添加苦味抑制剂法、包埋法、酶法和树脂吸附法，其中以树脂吸附脱苦法兼具脱苦效果好，处理时间短，可循环利用，易于批量生产等优点，在工业生产中应用最广泛［7］。尽管树脂脱苦法已广泛应用到柑橘饮料工业生产中，但关于柠檬鲜榨汁树脂脱苦研究报道并不多见。不同的树脂材料化学构成和吸附极性不同［8］，不同柑橘品种苦味成分含量也不同［9］。因此，针对特定柑橘品种筛选适宜的树脂脱苦材料及脱苦工艺尤为重要。本实验以工业生产的鲜榨柠檬原汁为研究对象，采用适宜柑橘类果汁脱苦的13种国产商业树脂，通过静态吸附与洗脱粗筛实验，静态吸附动力学曲线测定，静态吸附等温线测定，考察不同树脂的脱苦性能，从中筛选出对柠檬鲜榨汁脱苦性能好且对营养成分损失小的优良树脂。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

尤力克柠檬鲜榨原汁，购于四川省安岳县绿海源科技开发有限公司。

树脂 R1、R2、R3、R4、R5、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14，购于天津某树脂有限公司;树脂 R6，购于西安某树脂有限公司。各种型号树脂的特性参数见表1，其中R1～R8为大孔吸附树脂，R9～R13为离子交换树脂。

柚皮苷(＞98%)上海晶纯实业有限公司;柠檬苦素(＞98%)上海晶纯实业有限公司;NaOH、柠檬酸、二甘醇、无水乙醇、氯仿、对二甲氨基苯甲醛、三氯化铁、石油醚、2，4-二硝基苯肼、浓H2SO4均为分析纯。

1.2 设备

TG16G台式离心机，湖南凯达科学仪器有限公司;SHA-B恒温振荡水浴锅，常州国华电器有限公司;PHS-3C微机型pH计，上海康仪仪器有限公司;CP213电子天平，上海精天电子仪器有限公司;TU-1810紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限公司;BSD—150振荡培养箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂;蠕动泵，上海达程实验设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 树脂预处理

树脂购回后经无水乙醇浸泡24 h，充分溶涨后用蒸馏水洗至无醇味。再用体积分数5%的HCl和3%的NaOH溶液淋洗，中途用蒸馏水洗至中性后用乙醇浸泡备用。

表1 13种商业树脂的型号及物性参数Table 1 Type and physical parameters of commercial resins

1.3.2 树脂筛选

(1)静态吸附:称取2份5 g干树脂经预处理后分别置于100 mL三角烧瓶中，加入60 mL灭酶处理后的柠檬汁于25℃恒温振荡(转速为130 r/min)24 h达吸附平衡。过滤后取滤液测定柠檬汁中柚皮苷和柠檬苦素含量，计算树脂对苦味物质的吸附量和吸附率。

(2)静态洗脱:将(1)中吸附平衡的树脂用80 mL超纯水冲洗两次，洗去表面残留果汁。再将树脂置于100 mL具塞三角瓶中加入60 mL体积分数95%乙醇于25℃恒温振荡(转速为130 r/min)培养24 h达到洗脱平衡。之后将树脂过滤收集平衡液，测定平衡液中柚皮苷和柠檬苦素含量并计算洗脱量和洗脱率。计算树脂对苦味物质的洗脱量和洗脱率:

式中:Q表示树脂的静态吸附量，(mg/g(干树脂);Vo表示测定果汁的体积，mL);co表示测定果汁原汁中吸附质(该试验中为柚皮苷和柠檬苦素)的浓度，mg/mL;ce表示达吸附平衡时果汁中吸附质的浓度，mg/mL;m表示树脂的质量，g(以干树脂计);η1，表示树脂的静态吸附率，%。

式中:Q1表示树脂的静态洗脱量，mg/g(干树脂);m表示树脂的质量，(g，以干树脂计);V1表示所加洗脱液的体积，(mL);C1表示达吸附平衡时洗脱液中吸附质的质量浓度，mg/mL;η2表示树脂的静态洗脱率，%。

1.3.3 树脂脱苦静态动力学曲线的测定

取R1、R3、R5、R6四种大孔树脂5 g经预处理后分别置于250 mL具塞三角瓶中，加入200 mL灭酶处理后的柠檬汁于25℃恒温振荡(转速为130 r/min)培养。分别于振荡培养后 1、3、5、7、9、11、13、15 h 吸取果汁上清液，测定柚皮苷和柠檬苦素含量，计算树脂对柠檬汁中柚皮苷和柠檬苦素的吸附率，以吸附量和吸附时间为指标，绘制树脂静态吸附动力学曲线。

1.3.4 树脂吸附等温线的测定

称取不等量的干树脂(0.5、1、2、3、4、5 g)预处理后分别置于250 mL具塞三角瓶中，加入120 mL灭酶处理后的柠檬汁于25℃恒温振荡(转速为130 r/min)培养24 h达吸附平衡，过滤后测定滤液中柚皮苷和柠檬苦素的平衡浓度ce，计算平衡吸附量Qe，绘制树脂的吸附等温线。

1.3.5 测定项目及分析方法

柚皮苷含量，改进Davis法［10］;柠檬苦素含量，对二甲氨基苯甲醛比色法［11］;Vc 含量，2，4-二硝基苯肼比色法［12］;可溶性糖含量，蒽酮乙酸乙酯比色法［13］;可滴定酸含量，酸碱滴定法［13］;可溶性固形物，PAL-1折光仪测定;pH值，PHS-3C型精密pH计测定。

2 结果与分析

2.1 树脂筛选

图1、图2、表2分别为13种商业树脂对柠檬汁中的柚皮苷和柠檬苦素的吸附率、洗脱率及脱苦后对柠檬汁中营养物质的影响。从图1、图2、表2可以看出，大孔吸附树脂对柚皮苷和柠檬苦素的吸附率、洗脱率优于离子交换树脂，对营养成分的影响小于离子交换树脂，且大孔树脂R1、R3、R5、R6对柚皮苷和柠檬苦素吸附效果最好，对营养成分影响较小。相关研究表明，影响吸附效率的主要因素为树脂的比表面积大小，比表面积越大，对果汁中柚皮苷和柠檬苦素等苦味物质的吸附位点就越多，脱苦效果越好［5］。从表1可以看出，这4种树脂的比表面积均≥450 m2/g，孔径在≥13 mm，且这4种大孔吸附树脂均为非极性树脂，以范德华力进行吸附，吸附效果较好。因此选择R1、R3、R5、R6四种大孔吸附树脂做下一步研究。

图1 不同树脂对柠檬汁中柚皮苷的吸附率和洗脱率Fig.1 Different resins on the rate of adsorption and elution of naringin

图2 不同树脂对柠檬汁中柠檬苦素的吸附率和洗脱率Fig.2 The rate of adsorption and elution on limonins for lemon juice by different resins

表2 树脂脱苦后对柠檬汁中营养物质的影响Table 2 Influence on nutridon of Lemon juice after debittering with resin

2.2 树脂脱苦静态动力学曲线的测定

4种大孔树脂对柚皮苷和柠檬苦素的静态吸附动力学曲线如图3、图4所示。从图3可以看出，在最初阶段(0～5 h)，R1、R5、R6三种大孔树脂对柚皮苷的吸附率都增加得很快，但随着吸附时间的加长，吸附率逐渐趋于稳定。4种大孔树脂吸附柚皮苷达到吸附平衡的时间为R1＜R6=R5＜R3，达到平衡时的吸附率大小依次为R6＞R1＞R5＞R3。从图4可以看出，在最初3 h内，4种大孔树脂对柠檬苦素的吸附率都增加得较快，随着吸附时间的增加，吸附率逐渐趋于稳定，4种大孔树脂吸附柠檬苦素达到吸附平衡的时间为R3＜R1＜R6＜R5，达到平衡时吸附率大小依次为R6＞R5＞R1＞R3。R1、R6达到对柚皮苷和柠檬苦素的吸附平衡时间都较短，达到吸附平衡时，R1、R6对柠檬汁中柚皮苷和柠檬苦素的吸附率都较大。因此，选择R1、R6作为比较理想的吸附剂做进一步的研究。

图3 大孔吸附树脂对柠檬汁中柚皮苷的静态动力学曲线Flg.3 Static kinetic curves of macroporous resin on naringin

图4 大孔吸附树脂对柠檬汁中柠檬苦素的静态动力学曲线Flg.4 Static kinetic curves of macroporous resin on limonins

2.3 树脂吸附等温线的测定

图5、图6为R1、R6大孔树脂对柚皮苷和柠檬苦素的静态吸附等温线。由图5可以得出，树脂吸附量随着溶液中柚皮苷平衡质量浓度的增大也随之升高，并逐步趋于稳定，说明这两种树脂对柚皮苷的吸附符合Langmuir模型［14］，具有单分子层吸附的特征，因此可以用经典的吸附经验方程式Langmuir方程来表示:

式中:Qe为平衡时吸附量(mg/g干树脂)，Qm为最大吸附量(mg/g干树脂)，ce为柚皮苷平衡溶液浓度(μg/mL)，K为经验常数。通过计算，R1、R6的最大吸附量 Qm分别为:22.72、34.77(mg/g干树脂);经验常数 K 分别为:0.010、0.015。根据 1/Qe～1/ce的相关系数可以得出，R6树脂等温吸附线与Langmuir方程拟合水平最显著，R2=0.995 4，所以R6树脂对柚皮苷的吸附更加有利。

图5 R1、R6大孔吸附树脂对柠檬汁中柚皮苷的等温吸附曲线Fig.5 The sorption isotherms of naringin of R1，R6 microporous resins on Lemon juice

从图6可以看出，随着柠檬苦素平衡质量浓度的增大，树脂吸附量呈上升趋势，说明这两种树脂对柠檬苦素的吸附具有多分子层吸附特征，可以采用经典的吸附经验方程式Freundlich方程［15］:

式中:Qe为树脂达到平衡时的吸附量，mg/g(干树脂)，Kf是与吸附量和吸附强度有关的常数;Ce为树脂吸附平衡时柠檬汁中柠檬苦素质量浓度，μg/mL;n是用来表示所得吸附等温线的非线性大小。通过计算，R1、R6 的 Kf分别为 0.13、0.24，n 分别为0.52、0.56，由柠檬苦素等温吸附线 LgQe～ Lgce的相关系数可得，R1、R6树脂等温吸附线均与Freundlich方程拟合水平显著，相关系数R2分别为0.991 1、0.993 6。说明R1、R6两种树脂对柠檬苦素吸附均有利。

综上所述，R6树脂对柚皮苷和柠檬苦素的吸附等温线分别与Langmuir方程、Freundlich方程拟合最好，具有良好的静态吸附性能，有利于柠檬汁中柚皮苷和柠檬苦素的吸附。

图6 R1、R6大孔吸附树脂对柠檬中柠檬苦素的等温吸附曲线Fig.6 The sorption isotherms of limonins in Lemon juice by R1，R6 microporous resins

3 结论与讨论

(1)采用树脂对柠檬汁进行脱苦研究，通过静态吸附和洗脱实验结果表明，大孔吸附树脂对柚皮苷和柠檬苦素的吸附率、洗脱率优于离子交换树脂，且对营养成分的影响较小，与王昭［5］的研究结果一致，这可能与树脂的吸附性能相关。树脂对柚皮苷和柠檬苦素的吸附是发生在其颗粒活性位点所构成的表面上，吸附能力大小与树脂的空间结构和材料性质有密切的联系，树脂的比表面积和孔径是其主要影响因素［16］。

(2)以对柚皮苷和柠檬苦素吸附效果和对营养成分影响大小为评价指标，从国内13种商业树脂中优选出大孔树脂R1、R3、R5、R6四种。这4种树脂的比表面积均≥450 m2/g，比表面积大意味着柚皮苷和柠檬苦素与树脂的吸附位点增多，其孔径均≥13mm，表示有良好的扩散条件。通过对这4种大孔树脂进行静态动力学曲线和静态吸附等温线的测定，得出大孔树脂R6对柚皮苷和柠檬苦素达到平衡时的吸附率最大，分别为82.87%和69.13%，时间较短，分别为11 h和7 h，且吸附等温线分别与Langmuir方程、Freundlich方程拟合最好，相关系数分别为0.995 4、0.993 6，具有良好的静态吸附性能，有利于柠檬汁中柚皮苷和柠檬苦素的吸附。

(3)R6树脂不仅能有效的去除柠檬汁中苦味物质而对其他营养成分无明显影响，而且有利于吸附在树脂中的柚皮苷和柠檬苦素的回收和分离纯化，实际应用性强，适用于柠檬在商业生产领域中的脱苦。

［1］ 于玉涵.柠檬中黄酮类化合物和辛弗林的检测和含量特征分析［D］.重庆:西南大学硕士学位论文，2011:15－19.

［2］ 刘义武，王碧.柠檬营养成分与综合利用研究进展［J］.内江师范学院学报.2012，27(8):46－51.

［3］ 石健泉，曾沛繁.柠檬的经济价值及栽培管理［J］.广西热带农业，2006(1):8－9.

［4］ Anon N.Iranian herbal pharmacopoeia［J］.Ministry of Health Publication，2002(1):114－121.

［5］ 王昭.高果肉含量酸橙汁加工关键技术研究［D］.武汉:华中农业大学硕士论文，2007:22－23.

［6］ Guadagni D G;Maier V P;Turnbaugh J G.Effects of some citrus constitutes on taste thresholds for limonin and naringin bitterness［J］.Sci Food Agric，1973，24:1 277 －1 288.

［7］ 高彦祥，陈静，吴伟莉，等.吸附树脂在柑桔汁脱苦中的应用［J］.饮料工业，2005，8(3):1－5.

［8］ 吴厚玖，王华，孙志高，等.几种树脂对柚苷的吸附作用研究［J］.食品与发酵工业，1997，23(4):38－39.

［9］ 梁泽建.柑桔汁脱苦技术的研究［D］.成都:四川农业大学硕士论文，2007:5－7.

［10］ Tsen H Y，Yu G K.Limonin and naringin removal from grapefruit juice with naringinase entrapped in celluloset riacetate fibers［J］.Food Sci，1991，56:31 － 34.

［11］ 汪钊，何晋浙，郑裕国，等.柑桔果醋加工中柠檬苦素的微生物酶降解研究［J］.中国酿造，2002，120(4):21－23.

［12］ GB/T 12392-1990.蔬菜、水果及其制品中总抗坏血酸的测定方法［S］.北京:中国标准出版社，1994.

［13］ 曹建康，姜微波，赵玉梅.果蔬采后生理生化实验指导［M］.北京:中国轻工业出版社，2011:28－55.

［14］ 王重，史作，施荣富，等.酚醛型吸附树脂VB12吸附性能研究［J］.高分子学报，2004，2(1):67－69.

［15］ 高彦祥，陈静，李绍振，等.大孔吸附树脂对橙汁的脱苦效率［J］.食品与发酵工业，2005，31(3):71－74.

［16］ 董乃霞.琯溪蜜柚果汁脱苦及加工工艺的研究［D］.江南大学硕士论文，2009:18－19.