微波辅助提取葡萄柚皮果胶的工艺优化

林 敏，陈妮娜

（1.漳州第八中学，福建漳州 363000；2.漳州城市职业学院，福建漳州 363000）

果胶是广泛存在于植物细胞壁的初生壁和细胞中间片层的杂多糖，是一类聚半乳糖醛酸多糖，其半乳糖醛酸残基常被一些基团酯化[1]。通常按其酯化度分为高酯果胶和低酯果胶。果胶作为我国允许使用的天然食品添加剂，广泛用于食品行业中乳产品的增稠剂、乳化剂和凝胶剂，因具有增强胃肠蠕动、降低血脂“三高”、抗菌解毒等保健医用功能，亦被广泛应用在医药保健等领域中。果胶的需求量较大，国内大部分果胶原料来自于苹果皮和橘皮[2-3]。我国果胶资源虽然丰富，但加工利用率较低，如能将果皮用于提取果胶并生产，将会带来巨大的经济效益，因此近年来人们对果胶提取工艺的研究日益深入。漳州是花果之乡、水果极其丰富。漳州本地平和葡萄柚是柚和橙的杂交品种，葡萄柚也称西柚，黄金葡萄柚藏“黄金”，不仅营养价值高，而且具有果个适中、皮薄肉厚细腻、汁多清甜和果肉香气浓郁等特点。漳州又是食品之城，常将葡萄柚加工成果汁饮料、果脯蜜饯、软糖等副产品，加工过程中大量的葡萄柚皮可用来提取果胶，充分利用资源，不造成浪费及环境污染。目前提取果胶的方法很多，如酸法、酶与微生物法、螯合剂法、微波法和离子交换法，这些单一法提取果胶各有利和弊[4-8]。微波用于果胶的提取具有快速、选择性高、成本低等优点[9]。本研究以漳州本地平和葡萄柚皮为原料，利用两两结合法将不同提取剂辅助微波加热法提取果胶，确定提取葡萄柚皮果胶适宜的提取剂，通过单因素试验和正交试验，对葡萄柚皮渣的果胶进行工艺条件优化，以期为果胶的制备和生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

漳州平和葡萄柚皮，市售；六偏磷酸钠、草酸铵、十二烷基苯磺酸钠、盐酸、无水乙醇，均为化学纯；纤维素酶、果胶酶，食品级。

1.2 仪器与设备

A2204B 型电子天平，上海精科股份有限公司；NDJ-8S 型数显式旋转粘度计，上海精天电子仪表有限公司；PHSJ-3F 型pH 计，上海雷磁仪电科学仪器有限公司；WBFY-205 型微波反应器，南京旋光技术股份有限公司；101-3 型电热烘箱，沧州华韵实验仪表有限公司；R201 型旋转蒸发仪，杭州庚雨仪表有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 葡萄柚皮果胶的提取工艺

（1）葡萄柚皮预处理。将葡萄柚皮洗净、剪碎至2 ～3 mm，用沸水煮10 min 左右灭果胶酶。

（2）制作果胶。调整浸提液的料液比、pH 值、提取剂浓度后置于微波炉中，设置微波强度和时间提取葡萄柚皮果胶。得到的浸提液用3 层纱布过滤、脱色后在60 ℃下真空浓缩、冷却，加入95%乙醇，搅拌、静置、沉淀析出、抽滤，最后果胶沉淀物用75%乙醇洗涤，60 ℃真空干燥、粉碎得果胶成品。

1.3.2 果胶提取率的计算、物理化学性质和结构测定

果胶灰分、水分、酸碱度依据GB 25533—2010进行测定；溶胶黏度和成膜性参照黄振霞等[10]采用的方法测定；果胶酯化度用直接滴定法测定[11]；根据孟丽聪等[12]的方法计算果胶提取率；果胶的结构以傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪法测定。

1.3.3 单因素试验

每次称取相同质量的葡萄柚皮，固定液料比15 ∶1（mL ∶g）、浸提液的pH 值2.0、微波功率700 W、微波时间3 min、浸提液十二烷基磺酸钠质量百分比浓度为0.2%，考察料液比（5 ∶1、10 ∶1、15 ∶1、20 ∶1 和25 ∶1）、浸提液pH（0.5、1.0、2.0、3.0 和4.0）、微波功率（170 W、350 W、700 W、1 050 W 和1 350 W）、微波时间（1 min、 2 min、3 min、4 min 和5 min）、十二烷基磺酸钠质量百分比浓度（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%）5 个单因素试验，探究其对果胶提取率的影响。

1.3.4 正交试验

以果胶提取率为指标，设计3 因素3 水平正交试验，优化葡萄柚皮果胶提取工艺。

2 结果与分析

2.1 不同提取剂协同微波法制备葡萄柚皮果胶的结果

表1 是不同提取剂协同微波法（以相同的液料比、浸提液pH 值及微波条件）制备葡萄柚皮果胶的提取率及理化性质。不同提取剂协同微波法制得的葡萄柚皮果胶酯化度均大于50%，属于高酯化度果胶。单纯酸法和微波法制备的果胶提取率及其他理化性质都不如其他两两混合制备方法。加入果胶酶或纤维素酶，利用酶法协同微波法制得葡萄柚皮果胶纯度较高，灰分较低、色泽较好。加入草酸铵、六偏磷酸钠螯合剂协同微波法，可提高果胶的提取率、酯化度和黏性，但灰分相对较高，色泽也一般，可能是螯合物作提取剂脱色率较差，且易破坏果胶的纯度和生理活性。十二烷基磺酸钠作为一种阴离子表面活性剂具有分散、乳化、凝聚的作用，可降低固-液相的界面张力，协同微波加热时在微波的电效应和化学效应双重作用下，更易增大分子有机物质的溶解渗出，使果胶溶出更完全、更迅速，提高提取率。以此方法制得果胶的理化指标均比较理想且溶胶的成膜性能也较好。试验说明提取剂协同微波两两混合制备方法均能促进葡萄柚皮中果胶的加快溶出，避免传统单一酸法或微波法制备葡萄柚皮果胶存在的不足[13]。考虑果胶提取率、理化性质及今后进一步制备果胶膜后续试验，本研究选择十二烷基磺酸钠协同微波法制备葡萄柚皮果胶。

表1 不同提取剂协同微波法提取葡萄柚皮果胶的提取率及理化性质

2.2 红外光谱图

十二烷基磺酸钠协同微波法提取葡萄柚皮果胶的红外光谱分析见图1。在1 656 cm-1和1 778 cm-1处有两个明显的红外吸收峰，与夏天添[14]提供的橙皮果胶在1 650 cm-1和1 750 cm-1存在自由羧基官能团和酯化羧基官能团的红外吸收峰基本一致，说明所得到的多糖物质为果胶。酯化羧基官能团的红外吸收峰大小还可以判断所制果胶的酯化度大小，可以看出在1 778 cm-1处的吸收有一定强度，说明本实验所得到的葡萄柚皮果胶为高酯果胶，这也与前面的理化试验结果一致。

图1 果胶的傅立叶红外光谱图

2.3 单因素试验结果

2.3.1 液料比对果胶提取率的影响

由图2 可知，随着浸出液比重的增加，果胶提取率先升高后降低，液料比为10 ∶1（mL ∶g）时达到最大值。表明当浸提液适量时，果皮受微波加热温度上升较快，葡萄柚皮中不溶性的果胶快速水解形成果胶连同可溶性果胶一起快速溶解到浸提液中，因此果胶产率较高。当液料比为20 ∶1（mL ∶g）时，浸提液体积多易导致提取出的果胶浓度低，有机溶剂难以将果胶沉淀析出，导致果胶提取率下降。因此液料比在10 ∶1（mL ∶g）左右为宜。

图2 液料比对果胶提取率的影响

2.3.2 浸提液pH 值对果胶提取率的影响

由图3 可知，随着浸提液酸度的降低，果胶的提取率有所降低。酸度对葡萄柚皮的提取率影响较大，果皮中果胶与之复合的纤维素、蛋白质等物质被酸性浸提液解离而释放，水不溶性大分子果胶的糖苷键也被水解，使果胶降解而溶出。但在实验中发现，浸提液酸度较大时（pH ≤1.0），可能导致果胶过分水解，干燥后的颜色呈现褐色，对果胶的品质产生影响；当pH 值大于2.0 时，果胶浸提率开始降低，可能浸提液酸度不够导致果胶水解不完全，因此pH值在2.0 左右比较适宜。

图3 浸提液pH 值对果胶提取率的影响

2.3.3 微波功率对果胶提取率的影响

由图4 可知，随着微波功率的增大，果胶提取率出现了两次急剧增大的梯度，微波功率在1 050 W时达到最大峰而后又迅速下降。说明微波功率高在短时间内不仅会促使果皮中的细胞破裂，而且这种穿透性加热使得浸提液及果皮升温较快，分子间频繁碰撞产生大量的摩擦热使果胶易渗出果皮，溶解在浸提液中，而果胶带有极性羧基，微波加热会对极性分子产生作用力，在十二烷基磺酸钠萃取剂作用下提取液极性更强，微波功率产生的热效应和扩散效应更明显，这些均有利于果胶的溶出。但微波功率太大果皮会因为高频电磁场的作用在短时间内熟化，因此微波功率不宜太高，选择在1 050 W 左右。

图4 微波功率对果胶提取率的影响

2.3.4 微波时间对果胶提取率的影响

由图5 可知，微波时间为4 min 时果胶提取率最大。实验显示若微波时间不够，则无法将果胶完全溶出；微波加热时间过长，浸出液持续保持高温状态，大量浓缩浸出液极易发生爆沸，部分果胶可能因此降解甚至生理活性被破坏，大大降低提取率。因此选择微波时间为4 min 为宜。

图5 微波时间对果胶提取率的影响

2.3.5 十二烷基磺酸钠质量百分比浓度对果胶提取率的影响

由图6 可知，随着十二烷基磺酸钠质量百分比浓度的上升，果胶的提取率也逐步上升。当浸出液中未添加十二烷基磺酸钠或十二烷基磺酸钠质量百分比浓度小于0.2%时，果胶具有有限的溶解能力，果胶产率较低。十二烷基磺酸钠质量百分比浓度在0.4%时达到峰值，而后又稍微降低。果胶多糖大部分以多聚半乳糖醛酸镁或钙盐形式存在且水溶性差，以十二烷基磺酸钠表面活性剂为提取剂，由于其亲水端为磺酸基，当它溶于水后磺酸基一端会通过气液两相吸附而与水作用，降低水的表面张力，增加果胶分子溶出。当浓度达到一定程度，临界胶束时会在水表面形成胶束，又不利于有机大分子的溶出。最终确定十二烷基磺酸钠质量百分比浓度在0.4%。

图6 十二烷基磺酸钠质量百分比浓度对果胶提取率的影响

2.4 正交试验结果

选取液料比、提取液pH 值、微波功率进行3 因素3 水平正交试验，正交试验设计见表2，试验结果见表3、表4。因素A料液比、因素B浸提液pH 值有显著性差异，对果胶提取率影响最大，因素C微波功率无显著性差异，3 因素对葡萄柚果皮果胶提取率的影响由大到小排序为浸提液pH 值＞液料比＞微波功率。葡萄柚果皮果胶提取的最优工艺条件组合是A1B1C3，即浸提液十二烷基磺酸钠质量百分比浓度0.4%、液料比8 ∶1（mL ∶g）、浸提液pH值1.5、微波功率1 200 W、微波时间4 min，测得果胶平均产率为13.61%，制得的果胶呈现浅白色，灰分含量4.02%，水分含量5.58%，pH 值4.13，黏度 62.85 mPa·S，成膜性好。

表2 正交试验设计

表3 正交试验结果

表4 正交试验方差分析结果

3 结论

相同条件下，考虑果胶的提取率及理化性质，选取十二烷基磺酸钠协同微波法提取葡萄柚皮果胶。以单因素和正交试验优化提取工艺，在葡萄柚皮提取果胶过程中，十二烷基磺酸钠辅助微波加热法提取果胶的最佳工艺条件为液料比8 ∶1（mL ∶g）、浸提液pH 值1.5、微波功率1 200 W、微波时间4 min，浸提液十二烷基磺酸钠质量百分比浓度0.4%，制得的果胶理化性质良好。