超声波辅助提取梨渣中 酯类物质的工艺研究

赵国群,张晓腾,关军锋

(1.河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050018;2.河北省农林科学院遗传生理研究所,河北石家庄 050051)



超声波辅助提取梨渣中 酯类物质的工艺研究

赵国群1,张晓腾1,关军锋2,*

(1.河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050018;2.河北省农林科学院遗传生理研究所,河北石家庄 050051)

以新鲜鸭梨渣为原料,食用酒精为溶媒,研究了梨渣中酯类物质超声波辅助提取工艺。在单因素实验基础上结合正交实验,探索了超声功率、超声处理时间、料液比、提取温度、酒精浓度和真空浓缩温度对提取效果的影响,并且考察了提取条件对梨渣中多酚和糖类提取的影响。实验结果表明,鸭梨渣中酯类物质最佳提取工艺条件:超声功率80 W、超声处理10 min、料液比1∶10、提取温度25 ℃、酒精浓度95%、真空浓缩温度40 ℃。在此条件下,酯类、多酚和糖类提取量分别为3815.73 μg/g、603.33 μg/g和53.12 mg/g(鲜重)。将酒精提取液在40 ℃、0.1 MPa条件下进行真空浓缩,提取物浓缩液(梨营养风味剂)产量为19.05 g/100 g(鲜重),其中含有16028.34 μg/g总酯、3104.88 μg/g多酚和266.46 mg/g还原糖。采用超声波辅助提取技术可有效地从梨渣中提取酯类、多酚等营养风味物质。

梨渣,提取,超声,酯类,多酚,糖类

梨(Pyrus spp)肉质细脆,香甜可口,富含多种矿物质、维生素和蛋白质[1]。梨果实中还含有丰富的多酚类物质,Lin等[2]检测出53种多酚类物质(34种类黄酮和19种羟甲基肉桂酸)。梨中多酚类物质在果心含量最高,果皮次之,果肉最少[3]。多酚类物质具有抗氧化、抗肿瘤、抗病毒、抗心血管疾病、提高免疫力等多种生理功能[4]。此外,多酚类物质也是一种风味物质,对果实及其果酒的感官质量(颜色、香气和口感)有较大影响[5]。

梨是我国种植面积和产量仅次于苹果和柑橘的第三大水果。梨的深加工是采后增值的重要途径,梨汁是目前梨果加工的主要产品之一[6]。在梨汁加工过程中产生大量梨渣,其总量约为原果质量的40%～50%。以年产10000 t天然梨汁工厂为例,其每年扔掉的梨渣可达2000～3000 t[7]。梨渣中不但残存较多糖、酸、香气物质,而且还含有丰富的多酚等生理活性物质[8]。为了充分利用梨渣这一资源,国内外开展了许多研究。这些研究多数集中于从梨渣中提取多酚类物质或膳食纤维,而忽视了梨渣中天然香气物质及残糖的利用[9-11]。超声波具有空化作用、热效应和机械搅拌等作用,在提取天然物质时,具有快速、常温、能耗低、提取效率高等特点[12]。本研究以新鲜的鸭梨渣为原料,对超声波辅助提取梨渣中酯类、多酚类和糖类的工艺进行研究,并研制梨营养风味剂。该营养风味剂拟添加于梨汁饮料等产品中,以增强产品的天然香气,强化产品营养,提高产品品质。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜鸭梨渣 由赵县旭海果汁有限公司提供;没食子酸标准品 中国药品生物制品检定所;葡萄糖(AR) 天津市永大化学试剂有限公司;95%食用酒精 石家庄新宇三阳实业有限公司。

HW.SY-P1型电热恒温水浴锅 北京东方精瑞科技发展有限公司;UV-6000PC型紫外可见分光光度计 上海元析仪器有限公司;KQ5200DE型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;R201C型真空旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 梨渣中营养风味物质的提取 称取100 g新鲜鸭梨渣放入1000 mL的烧杯中,按要求加入95%食用酒精作为提取溶剂,搅拌混匀,用保鲜膜封口。将烧杯放入超声波清洗器中,控制一定的温度,在不同超声波功率下提取一定的时间。提取结束后,抽滤,得到含有酯类、多酚类和糖类的提取液。使用真空旋转蒸发仪对提取液进行真空浓缩(0.1 MPa,50 ℃),当旋转蒸发仪不再有冷凝液流出时,停止浓缩。所获得的浓缩液即为梨营养风味剂,测定其中总酯、总多酚和还原糖含量。

1.2.2 单因素实验 本研究的主要目的是从梨渣中提取香气物质,赋予梨汁及其饮料等梨加工品天然的梨果香气,因此在选择适宜提取条件时,仅以酯类提取量作为评价指标。

1.2.2.1 超声功率对提取效果的影响 称取100 g鲜梨渣放入1000 mL的烧杯中,按1∶5料液比(g/mL)加入95%食用酒精。将烧杯放入超声波清洗器中,控制温度为35 ℃,分别以0、80、120、160和200 W超声处理20 min。

1.2.2.2 超声处理时间对提取效果的影响 称取100 g鲜梨渣放入1000 mL的烧杯中,按1∶5料液比(g/mL)加入95%食用酒精。将烧杯放入超声波清洗器中,控制温度为35 ℃,以80 W超声分别处理5、10、20、30和40 min。

1.2.2.3 料液比对提取效果的影响 称取100 g鲜梨渣放入1000 mL的烧杯中,按照料液比(g/mL)1∶5、1∶8、 1∶10、1∶12、1∶15分别加入95%食用酒精。将烧杯放入超声波清洗器中,控制温度为35 ℃,以80 W超声处理10 min。

1.2.2.4 提取温度对提取效果的影响 称取100 g鲜梨渣放入1000 mL的烧杯中,按1∶8料液比(g/mL)加入95%食用酒精。将烧杯放入超声波清洗器中,温度分别控制为20、25、35、45、55和65 ℃,以80 W超声处理10 min。

1.2.2.5 酒精浓度对提取效果的影响 称取100 g鲜梨渣放入1000 mL的烧杯中,按1∶8料液比(g/mL)分别加入体积分数为35%、55%、75%和95%食用酒精。将烧杯放入超声波清洗器中,控制温度为25 ℃,以80 W超声处理10 min。

1.2.2.6 真空浓缩温度对酯类提取的影响 称取100 g鲜梨渣放入1000 mL的烧杯中,按1∶8料液比(g/mL)加入95%食用酒精。将烧杯放入超声波清洗器中,控制温度为25 ℃,以80 W超声处理10 min。抽滤后,将滤液使用真空旋转蒸发仪进行真空浓缩,分别控制真空浓缩温度为40、45、50、55和60 ℃。

1.2.3 正交优化实验 在上述单因素实验的基础上,设计L9(34)实验(表1),考察超声功率、超声时间、料液比和提取温度四个因素对梨渣中酯类提取量的影响,确定其最佳提取工艺条件。

表1 正交设计实验因素与水平Table 1 Factors and levels in the orthogonal design

1.3 分析方法与计算

总酯含量的测定采用GBT 10345-2007方法。总多酚含量的测定采用Folin-Ciocalteu比色法[13],以没食子酸浓度(C,mg/mL)为横坐标、吸光度值(A)为纵坐标绘制标准曲线,得标准曲线方程:A=0.0013C+0.00764(R2=0.99964)。

还原糖含量的测定采用DNS比色法[14],以葡萄糖浓度(C,mg/mL)为横坐标、吸光度值(A)为纵坐标绘制标准曲线,得标准曲线方程:A=1.378C-0.0008(R2=0.99978)。

酯类提取量(μg/g)=样品浓缩液中总酯的质量/鲜鸭梨渣质量

多酚提取量(mg/g)=样品浓缩液中多酚的质量/鲜鸭梨渣质量

糖类提取量(mg/g)=样品浓缩液中还原糖的质量/鲜鸭梨渣质量

总酯损失率(%)=冷凝液中总酯的质量/提取液中总酯的质量

1.4 数据处理

每组做3个平行,变量以平均值±标准差(x±s)表示,采用SPSS 19.0软件对每组结果进行F检验,检验每组之间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 超声功率对提取效果的影响 超声波能够产生机械振动,并具有强烈的空化效应,能够造成细胞结构的破坏,从而加速目标成分的溶出[15]。本研究所使用的超声波设备的最低功率为80 W。如图1所示,在超声功率为80 W时,与未使用超声处理的相比,超声处理后酯类、多酚、糖类提取量均大幅度提高,超声波辅助提取效果良好。从原理上来看,超声波功率越高越容易获得较大的声强,但超声功率对物质提取的影响不总是呈正比关系,这既与超声波与介质相互作用的程度有关,也与提取物的性质有关。从图1中可以看出,酯类提取的最适超声功率为80 W,多酚提取的最适超声功率为160 W,而糖类提取的最适超声功率为120 W。当超声功率较大时,酯类、多酚的提取量显著下降,尤其是酯类;当超声功率达到200 W时,酯类提取量仅为80W时的21.3%。酯类提取量的大幅度降低,可能是由于高功率下超声波的降解作用造成[16]。多酚提取量的下降,则是因为超声波的热效应导致多酚中的热敏性物质结构破坏、多酚物质氧化或分解所致[17]。从图1中还可看出,当超声功率为120～200 W时,糖类提取量没有显著变化,这说明120～200 W功率的超声波不会造成糖类的降解。由于所使用超声波设备的最低功率为80 W,无法进一步降低超声功率,因此,超声处理的适宜功率为80 W。

图1 超声功率对酯类、多酚和糖类提取效果的影响Fig.1 Effect of ultrasonic power on extraction of esters,polyphenols and sugars from pear residues

2.1.2 超声处理时间对提取效果的影响 超声处理时间对酯类、多酚和糖类提取的影响见图2。如图2所示,随着超声时间的延长,梨渣中酯类、多酚的提取量都呈先上升后下降的趋势,而糖类提取量呈现先上升后趋于平缓的趋势。超声波产生的破坏细胞壁作用随处理时间的延长而增大,因而也会加快酯类、多酚和糖类的溶出,但继续延长超声时间会造成酯类、多酚的破坏。特别是,长时间超声处理对酯类造成的破坏非常大,当超声处理时间为40 min时,酯类的提取量仅为10 min时的42.4%。郑迎春等[4]研究了从梨叶超声辅助提取多酚的工艺,发现最佳超声处理时间30 min,与本研究结果一致。由于本研究的主要目的是提取酯类物质,因此,适宜的超声处理时间为10 min。

图2 超声处理时间对酯类、多酚和糖类提取效果的影响Fig.2 Effect of ultrasonication time on extraction of esters,polyphenols and sugars from pear residues

2.1.3 料液比对提取效果的影响 料液比是有机溶剂提取法中一个很重要的参数,直接关系到生产成本的高低。如图3所示,当料液比从1∶5增加到1∶8时,酯类、多酚和糖类的提取量均随之增加,并达到最大值;当料液比超过1∶8时,多酚和糖类的提取量不再提高,这可能是因为溶剂与原料的比例越大,浓度差就越大,从而促进传质过程,但比例过大时,超声波产生的效应不再明显,导致多酚和糖类的提取量不再增加[15]。从图3中可以看出,当料液比超过1∶8时,酯类提取量明显下降。造成这种现象的原因可能是酯类与乙醇沸点相近,料液比的增大使酯类在旋转蒸发时损失率增大。此外,料液比过高也会增加溶剂回收成本。因此,适宜的料液比为1∶8。

图3 料液比对酯类、多酚和糖类提取效果的影响Fig.3 Effect of solid-to-solvent ratio on extraction of esters,polyphenols and sugars from pear residues

2.1.4 提取温度对提取效果的影响 如图4所示,提取温度的影响因物质种类的不同而有很大差别。在20～25 ℃范围内,随着提取温度的升高,酯类提取量稍有增加。然而,当提取温度超过25 ℃后,酯类提取量则大幅度降低。在20～65 ℃范围内,随着提取温度的升高,多酚提取量快速增加,而糖类提取量保持不变。黄彭等[18]研究从米枣中提取多酚的工艺,确定米枣中多酚的最适提取温度为60 ℃,与本研究的结果接近;然而,范金波等[15]从牛蒡根中提取多酚时,发现当提取温度超过40 ℃,总酚提取率降低,并认为是提取温度过高破坏了多酚成分所致;这种不同研究结果的差异,可能是由于多酚物质的具体组成不同所造成的。而酯类由于热稳定性差,较高的提取温度促进了酯类的分解,进而导致其提取量降低。鸭梨果实中的糖类大多是葡萄糖和果糖,这些糖易溶于水,且提取温度为25～65 ℃,因而,提取温度对糖类的提取量几乎没有影响。因此,酯类物质的适宜提取温度为25 ℃。

图4 提取温度对酯类、多酚和糖类提取效果的影响Fig.4 Effect of temperature on extraction of esters,polyphenols and sugars from pear residues

2.1.5 酒精浓度对提取效果的影响 酒精浓度的变化会引起提取剂物理性质,如密度、粘度、介电常数等的变化,从而影响提取率。从表2可发现,酒精浓度对酯类的提取有很大影响。当酒精浓度由95%降低至75%时,酯类提取量大幅度下降;当酒精浓度降低至55%以下时,已不能从梨渣中提取酯类物质。鸭梨的主要香气成分为己醛、1-己醇、壬醛、乙酸己酯和2-戊基呋喃,其中己醛的质量分数最高[19]。鸭梨的这些香气物质大多都难溶或微溶于水,而溶于乙醇等有机溶剂。酒精浓度越低,这些香气物质的溶解度越低,以至于在提取物中检测不出。此外,酒精浓度降低意味着提取液含水量增大,水含量的增大提高了旋转蒸发的温度,使得部分酯类进入到冷凝液中,从而造成酯类的损失。当酒精浓度为55%～75%时,多酚提取量较高;酒精浓度过低时,多酚提取量低,可能是因为多酚类物质与蛋白质、多糖等以氢键形成稳定的复合物,而水断裂氢键的作用较弱,提取液中水的比例过高时,不足以破坏多酚类物质与蛋白、多糖等的连接,多酚提取率低;酒精浓度过高时,多酚提取量也低,可能是由于溶液极性增强,多酚类物质的溶解度下降,从而导致多酚提取量降低[20]。由于糖类易溶于水,因此,当酒精浓度从95%降低为75%时,糖类提取量增加,但酒精浓度进一步降低时,糖类提取量不再继续增加。因此,适宜的酒精浓度确定为95%。

表2 酒精浓度对酯类、多酚和糖类提取效果的影响Table 2 Effect of ethanol concentration on extraction of esters,polyphenols and sugars from pear residues

注:同列不同字母表示差异显著(p<0.05),表3同;“-”表示未检测出。

2.1.6 真空浓缩温度对酯类提取的影响 考虑到梨的香气物质属于热敏物质,因而采用真空浓缩的方式进行提取液的浓缩。多酚类物质和糖类不挥发,因而真空浓缩时不会造成损失,故不予考虑。真空浓缩温度对酯类物质提取的影响见表3。从表3中可以看出,真空浓缩温度越高,冷凝液中总酯含量越大,总酯的损失率也越高,这是由于温度越高,酯类挥发性越强,随酒精蒸馏出的酯类越多。当浓缩温度40 ℃时,在馏出液中检测不出酯类,这意味着总酯几乎没有损失。因而,适宜的真空浓缩温度为40 ℃。

表3 真空浓缩温度对酯类提取的影响Table 3 Effect of vacuum concentration temperature on esters extraction

2.2 正交实验及结果分析

根据单因素实验结果,选取了影响比较大的超声功率、超声时间、料液比和提取温度四个指标,并以其最优值设计正交实验。极差分析结果(表4)表明,各因素对酯类提取量的影响从大到小依次为B超声时间、C料液比、A超声功率、D提取温度。方差分析表5显示超声时间对酯类提取量影响表现为极显著(p<0.01),超声功率和料液比对酯类提取量影响表现为显著(p<0.05),而提取温度的影响则不显著。正交实验结果得出的最佳提取工艺为A1B2C3D2,即:超声功率80 W,超声时间10 min,料液比1∶10 (g/mL)和提取温度25 ℃。该组合为正交实验表以外组合,需进行验证实验,按此条件重复操作3次,平均酯类提取量3815.73 μg/g,高于正交实验其他组合的结果。在此最佳提取工艺下,多酚提取量为603.33 μg/g,糖类提取量为53.12 mg/g。真空浓缩后所获得的浓缩液即为梨营养风味剂,其产量为19.05 g/100 g(鲜梨渣)。

表4 L9(34)正交实验结果Table 4 Results of orthogonal experiment

表5 方差分析表Table 5 Analysis table of variance

注:F0.05(2,2)=19.00,F0.01(2,2)=99.00;**为差异极显著(p<0.01);*为差异显著(p<0.05)。2.3 梨营养风味剂的组成及感官品质

经过测定,所制备的梨营养风味剂含有16028.34 μg/g总酯、3104.88 μg/g多酚和266.46 mg/g还原糖。该营养风味剂为黄褐色的粘稠液体,梨香浓郁,味道甜中带有明显的苦味,这种苦味应来自多酚类物质。

3 结论

以新鲜鸭梨渣为原料,以食用酒精为溶媒,研究了梨渣中酯类物质超声波辅助提取工艺,并且考察了提取条件对梨渣中多酚和糖类提取的影响。鸭梨渣中酯类物质最佳提取工艺条件为:超声功率80 W、超声处理10 min、料液比1∶10、提取温度25 ℃、酒精浓度95%。在此条件下,酯类、多酚和糖类提取量分别为3815.73 μg/g、603.33 μg/g和53.12 mg/g(鲜重)。将酒精提取液在40 ℃、0.1 MPa条件下进行真空浓缩,得到提取物浓缩液(梨营养风味剂),其产量为19.05 g/100 g(鲜重),其中含有16028.34 μg/g总酯、3104.88 μg/g多酚和266.46 mg/g还原糖。

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Study on ultrasonic-assisted extraction of
ester substances from pear residues

ZHAO Guo-qun1,ZHANG Xiao-teng1,GUAN Jun-feng2,*

(1.College of Bioscience and Bioengineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China; 2.Institute of Genetics and Physiology,Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050051,China)

Ultrasonic-assisted extraction of ester substances using edible ethanol as solvent was carried out from fresh Ya pear’s residues in this study. Orthogonal experiment was used based on the single factor results to study the effects of ultrasonic power,ultrasonic time,solid-to-solvent ratio,extraction temperature,and ethanol concentration and vacuum concentration temperature on the extraction of ester substances. The effects of ultrasonic-assisted extraction conditions on the extraction of polyphenols and sugars were also investigated. The results showed that the optimal extraction conditions were ultrasonic power 80 W,ultrasonic time 10 min,solid-to-solvent ratio 1∶10,extraction temperature 25 ℃ and ethanol concentration 95%，vacuum concentration temperature 40 ℃. Under the optimal extraction conditions,extraction yields of esters,polyphenols and sugars were 3815.73 μg/g,603.33μg/g and 53.12 mg/g(fresh weight)respectively. The extraction solution was vacuum concentrated at 40 ℃ and 0.1 MPa. The yield of extract concentrate(nutrient and flavour agent of pear)was 19.05 g/100 g(fresh weight),and it contained 16028.34 μg/g esters,3104.88 μg/g polyphenols and 266.46 mg/g reducing sugars. Using ultrasonic-assisted extraction can effectively extract nutrient and flavour substances such as esters and polyphenols from pear residues.

pear residue;extraction;ultrasonication;esters;polyphenols;sugars

2016-10-14

赵国群(1963-)，男，博士，教授，研究方向：食品生物技术，E-mail：gqzhao18@126.com。

*通讯作者:关军锋(1966-)，男，博士，研究员，研究方向：果品贮藏加工，E-mail：junfeng@126.com。

国家现代农业[梨]产业技术体系建设专项(cars-29)。

TS255.36

B

1002-0306(2017)10-0269-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.10.043