超声波辅助酶法提取橙皮果胶的工艺研究

王祥雨，徐新奥，陈 鑫，詹婧娴，祝方清

（湖北大学知行学院粮食与食品工程学院，湖北武汉 430011）

果胶作为一种天然的植物细胞壁多糖，占橙皮干质量的10%~30%。其作为一种聚合物，通常以原果胶、果胶和果胶酸的形式存在于橙皮类水果中[1]。根据天然果胶酯化度的高低程度，其还可大致分为高酯果胶、低酯果胶和半低酯酰胺化度果胶[2]。果胶具有促进体内胃肠黏膜蠕动、促进胃肠营养分解吸收等功能作用，对高血压、肠癌、糖尿病症和老年肥胖症均有较好的调理效果[3]。在化妆品行业中，果胶还可保护皮肤免受阳光紫外线辐射、愈合创口和美容美颜等功能。

橙皮是橙子罐头制作中的主要副产物，占橙子的总质量25%~40%。2022 年我国橙子总产量大约为750 万t，约占全球总产量的1/7。在橙皮当中，含有丰富纯天然的有益成分，如橙皮苷、果胶、柠檬酸等[4]。近年来，人们对天然产物资源的可持续发展观正在不断增强，橙皮的开发利用受到了广泛的重视。大部分橙皮可被用于动物的饲养或者将其进行填埋处理，但作为动物饲料可能会发生霉变、腐烂或产生异味，填埋也将带来严重的环境污染问题。因此，副产物橙皮的加工利用需要进一步探讨和研究。值得注意的是，橙皮中的果胶具有胶凝、抗癌和抗腹泻等功效。若可提取果胶成分，将带动整个相关产业的发展，实现经济效益和社会效益的提升。

果胶的提取过程是一个非水溶性果胶转化为水溶性果胶、水溶性果胶进而向液相转移的过程[5]。传统的果胶提取方法有酸萃取法、碱萃取法、盐析法、微生物法、微波的辅助提取法、酶法和离子交换树脂法等[6-8]，其中，酸萃取法是提取果胶方法中效率最高的方法之一。同时，超声波辅助法提取果胶的提取率可达20%及以上，容易控制提取条件且污染小，但国内该方法研究仍有发展空间，目前有关超声波辅助酶法提取果胶的工艺研究也正在逐渐受到业内人士的关注和重视[9-10]。因此，利用超声波法辅助酶法提取酸性果胶。

以橙子作为研究对象，采用超声波辅助酶法提取天然果胶，采用单因素试验及正交试验探究其最优的果胶提取工艺。单因素试验的四因素分别为料液比、溶剂pH 值、超声波浸提温度和超声波浸提时间，在该条件下得出最优果胶提取率，并绘制曲线图。正交试验即建立于单因素试验之上，获得最佳工艺参数下的果胶提取率。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：橙子；95%乙醇、柠檬酸钠（分析纯），国药集团化学试剂有限公司提供；纤维素酶，南宁庞博生物工程有限公司提供。。

仪器：FA1104 型分析天平，上海精科天平有限公司产品；SHA-B 型双功能水浴恒温锅，常州国华电器有限公司产品；TG16G 型台式高速离心机，常州市金坛高科仪器厂产品；UP500H 型超声波清洗仪，南京垒君达超声电子设备有限公司产品；D2X-6020B 型真空干燥箱，上海福玛实验设备有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 果胶提取工艺流程

橙子清洗去皮→橙皮预处理（沸水去酶→切粒后热水漂洗除去糖分和色素→沥水后置于60 ℃烘箱干燥至恒重→粉碎后过90 目筛，备用） →高温灭酶处理→橙皮粉与溶剂料液比配置、稀盐酸调节pH 值以及控制超声波的温度和时间→超声波辅助酶法提取→高温灭酶处理→高速旋转离心过滤处理→沉淀分离→分离提纯处理→60 ℃烘箱干燥至恒重→获得果胶成品，即可称量计算。

1.2.2 橙皮原材料的预处理

选取新鲜橙子后，对其进行清水漂洗取橙皮，将干净橙皮置于水浴锅中，升温至90 ℃保持10 min，利用沸水漂洗；随后，将橙皮切成2~3 mm 小颗粒，用热水漂洗数次直至水流无色，除去水溶性色素和糖分等；橙皮颗粒洗净后沥干水分，将其均匀分散地放入60 ℃烘箱中。烘干后，将其用粉碎机粉碎，90 目过筛，将橙皮粉置于干燥器中，备用。

1.2.3 超声波辅助酶法处理

称取10.0 g 干燥的橙皮粉，先加入一定的料液比，再加入适量的纤维素酶。搅拌均匀后，利用柠檬酸缓冲液调节其pH 值，并在特定温度下进行超声波处理。随后，将溶液置于85~90 ℃水浴锅中进行水浴灭酶10 min。在25 ℃条件下，以转速4 000 r/min离心10 min。取上清液，在搅拌的状态下加入95%的无水乙醇，静置30 min，待其析出絮状沉淀，再以转速4 000 r/min 离心10 min。取下层胶状沉淀物质，并置于60 ℃烘箱中进行干燥至恒质量，计算其果胶提取率。

1.2.4 单因素试验设计

单因素试验为五因素五水平试验，对各个因素的不同水平下果胶提取率的变化进行记录，在固定的超声波仪器功率下，选取5 个因素（橙皮粉与溶剂的料液比、加酶量、溶液的pH 值、超声波的浸提温度和超声波的浸提时间） 探究料液比（1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30）、加酶量（0.03，0.05，0.07，0.09，0.11 g）、溶剂pH 值（4.1，4.3，4.5，4.7，4.9）、超声波提取温度（35，40，45，50，55 ℃）、超声波提取时间（30，35，40，45，50 min） 对果胶提取率的影响，并绘制曲线图。根据料液比、pH 值、提取温度和提取时间对果胶提取率的影响，得出每个因素的最优条件。

（1） 料液比对果胶提取率的影响。称取10 g 橙皮粉，将橙皮粉与蒸馏水的料液比进行梯度稀释，加入0.07 g 纤维素酶，并用稀盐酸将pH 值调至4.5，超声波提取温度为45 ℃，超声波提取时间为40 min。超声完成后，将其进行高速离心，取上清液加入乙醇。静置30 min 后，将析出的沉淀再次高速离心，取胶状物进行烘干，称量并计算。分析料液比为1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30 对果胶提取率的影响，并绘制曲线图。

（2） 加酶量对果胶提取率的影响。称取10 g 橙皮粉，选取最佳料液比1∶20。高温灭酶冷却后，加入一定量的纤维素酶，并用稀盐酸将pH 值调至4.5，超声波提取温度为45 ℃，超声波提取时间为40 min。超声完成后，将其进行高速离心，取上清液加入乙醇。静置30 min 后，将析出的沉淀再次高速离心，取胶状物进行烘干，称量并计算。分析纤维素酶含量为0.03，0.05，0.07，0.09 g 以及0.11 g 对果胶提取率的影响，并绘制曲线图。

（3） pH 值对果胶提取率的影响。称取10 g 橙皮粉，选取最佳料液比1∶20。高温灭酶冷却后，加入0.07 g 纤维素酶。将溶液pH 值调至一定条件，超声波提取温度为45 ℃，超声波提取时间为40 min。超声完成后，将其进行高速离心，取上清液加入乙醇。静置30 min 后，将析出的沉淀再次高速离心，取胶状物进行烘干，称量并计算。分析溶液pH 值为4.1，4.3，4.5，4.7，4.9 对果胶提取率的影响，并绘制曲线。

（4） 提取温度对果胶提取率的影响。称取10 g橙皮粉，选取最佳料液比1∶20。高温灭酶冷却后，加入0.07 g 纤维素酶，并用稀盐酸将pH 值调至4.5。将超声波浸提温度调至一定条件，超声40 min。超声完成后，将其进行高速离心，取上清液加入乙醇。静置30 min 后，将析出的沉淀再次高速离心，取胶状物进行烘干，称量并计算。分析超声波提取温度为35，40，45，50，55 ℃对果胶提取率的影响，并绘制曲线图。

（5） 提取时间对果胶提取率的影响。称取10 g橙皮粉，选取最佳料液比1∶20。高温灭酶冷却后，加入0.07 g 纤维素酶。将溶液pH 值调至4.5，超声波提取温度为45 ℃，超声波浸提时间调至一定时间。超声完成后，将其进行高速离心，取上清液加入乙醇。静置30 min 后，将析出的沉淀再次高速离心，取胶状物进行烘干，称量并计算。分析超声波提取时间为30，35，40，45，50 min 对果胶提取率的影响，并绘制曲线图。

1.2.5 正交试验设计

在单因素试验优化的基础上，利用四因素三水平正交表L9（34）对橙皮粉与溶剂的加酶量、pH 值、超声波浸取温度和超声波浸取时间进行正交试验。

称取10 g 橙皮粉，按照表1 配制料液比（1∶15，1∶20，1∶25）、溶剂pH 值（1.5，2.0，2.5）、超声波提取温度（60，70，80 ℃） 和超声波提取时间（40，50，60 min），探究在互相影响情况下4 个因素对果胶提取率的影响，确定最优提取工艺。

表1 正交试验的组合因素与水平设计

正交试验的组合因素与水平设计见表1。

2 结果与分析

2.1 果胶提取单因素试验结果与分析

2.1.1 料液比对果胶提取率的影响

料液比对果胶提取率的影响见表2，料液比对果胶提取率的影响见图1。

图1 料液比对果胶提取率的影响

表2 料液比对果胶提取率的影响

由图1 可知，料液比为1∶10~1∶20（g∶mL）时，随着料液比增加提取率逐渐增加；料液比为1∶20（g∶mL） 时，果胶提取率达到最大值；料液比为1∶20~1∶50（g∶mL） 时，随着料液比增加提取率反而逐渐减少。这主要是料液比越小，果胶提取液的黏度越高，提取液分子扩散率将会越低，不利于超声波传导和果胶溶解。若料液比过低，则会导致果胶的提取液过于黏稠，使得果胶提取率过低，会大大增加果胶提取的工艺成本。当适当增加料液比时，可以提高纤维素酶对果胶的提取率。因此，选择最优料液比为1∶20（g∶mL）。

2.1.2 加酶量对果胶提取率的影响

加酶量对果胶提取率的影响见表3，加酶量对果胶提取率的影响见图2。

图2 加酶量对果胶提取率的影响

表3 加酶量对果胶提取率的影响

由图2 可知，当加酶量＜0.07 g 时，随着纤维素酶的增加，果胶提取率逐渐升高；当加酶量＞0.07 g 时，随着纤维素酶的增加，果胶提取率逐渐下降。在通常情况下，酶的酶促反应速率与酶的添加量呈正比关系。随着纤维素酶含量的增加，果胶的提取率加快，因为纤维素酶会破坏橙皮细胞的细胞壁，导致果胶从中溶解，从而提高提取率。但纤维素酶含量过高时，橙皮溶解物已经完全与纤维素酶结合在一起，果胶提取率不会大幅度发生变化。因此，选取最优加酶量为0.07 g。

2.1.3 pH 值对果胶提取率的影响

pH 值对果胶提取率的影响见表4，pH 值对橙皮果胶提取率的影响见图3。

图3 pH 值对橙皮果胶提取率的影响

表4 pH 值对果胶提取率的影响

由图3 可知，pH 值为4.1~4.9 时，橙皮中果胶提取率随着pH 值的增大，呈现先增大后减小的趋势；当pH 值为4.5 时，果胶提取率达到最大值，这是由于pH 值低于4.5 时，溶液的酸性太强影响了纤维素酶的活性；pH 值高于4.5 时，提取液酸性减弱，使得橙皮中原果胶的水解程度随着提取液pH 值的升高而降低，从而导致了纤维素酶提取果胶效率降低。因此提取液pH 值选为4.5。

2.1.4 提取时间对果胶提取率的影响

提取时间对果胶提取率的影响见表5，提取时间对果胶提取率的影响见图4。

图4 提取时间对果胶提取率的影响

表5 提取时间对果胶提取率的影响

由图4 可知，当提取时间为30~45 min 时，随着超声时间的增加，果胶提取率也逐渐增大。当超声波提取时间超过45 min 时，果胶提取率显著下降。适当的超声能量可以改变纤维素酶的构象，当纤维素酶的构象发生变化时，纤维素酶的活性中心就会暴露出来，这就增加了橙皮物质与纤维素酶的活性中心结合在一起的机会，从而加快了酶反应进程。但是，超声物理能量作用达到一定程度后，其作用有减弱的趋势，超声波作用时间过长，会导致橙皮物质结构发生改变，与纤维素酶结合部位减少。因此提取时间选为40 min。

2.1.5 提取温度对果胶提取率的影响

提取温度对果胶提取率的影响见表6，提取温度对果胶提取率的影响见图5。

图5 提取温度对果胶提取率的影响

表6 提取温度对果胶提取率的影响

由图5 可知，提取温度有先升高后降低的趋势，当提取温度为45 ℃时，不能使果胶稀释出，降低了果胶提取率。在45 ℃以上时，溶液中的纤维素酶活性下降，影响了果胶的提取。因此，提取温度选择45 ℃。

2.2 正交试验结果与分析

通过单因素试验结果发现，加酶量、pH 值、提取温度和提取时间对果胶提取效果有着较大影响，由此选用此四因素做正交试验，进一步考查其影响因素。

果胶提取正交试验数据直观分析见表7。

表7 果胶提取正交试验数据直观分析

由表7 可知，4 个因素对果胶的提取率的影响分别是提取温度（C） ＞加酶量（A） ＞提取时间（D） ＞pH 值（B）。根据择优选择最高果胶提取率的原则，橙皮果胶的最佳提取水平是A1B1C2D1，加酶量为0.05，pH 值为4.3，提取温度为50 ℃，提取时间为35 min。在此条件下，果胶提取率达到最高，为17.42%。

3 结论

在五因素五水平的单因素试验及正交试验中，提取温度对果胶影响曲线图坡度最大，其对提取率影响最大。因此，提取温度是提取果胶成败的关键因素。通过对果胶的提取率进行分析，得出了超声波辅助纤维素酶提取的最佳工艺条件。适当的超声波条件不仅有利于橙皮果胶的提取，还可以提高纤维素酶活力。在最优条件为加酶量为0.05，pH 值为4.3，提取温度50 ℃，提取时间为35 min 条件下，橙皮果胶的最佳提取率为17.42%。以超声波辅助酶法提取橙皮果胶工艺的方法提取果胶不仅能缩短繁杂的工艺流程，还能显著提升果胶的提取率，为日后超声波辅助酶法提取果胶在食品工业领域的应用提供理论依据。