超聲波提取蘋果果膠工藝優(yōu)化及凝膠特性測定

劉超，李釤，韓玉謙，*

（1.中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266003；2.青島大學(xué)醫(yī)學(xué)院，山東青島 266071）

果膠一直是人類食品的天然成分，世界上所有國家都允許使用果膠作為食品添加劑。除生產(chǎn)上的特殊要求外，F(xiàn)AO/WHO食品添加劑聯(lián)合委員會推薦果膠為不受添加量限制的安全食品添加劑[1]。果膠在食品中用做凝膠劑、增稠劑、組織成型劑、乳化劑和穩(wěn)定劑[2]。在奶制品中使用HM果膠作為某些酸奶制品的穩(wěn)定劑，而LM果膠能防止果肉在酸奶中漂浮和不均勻分布[3]。與淀粉和其它植物膠相比，用果膠作穩(wěn)定劑的水果、酸奶制品具有優(yōu)良的風(fēng)味和質(zhì)構(gòu)，在配制酸奶的過程中，LM果膠與其它膠配合使用可以防止乳清析出[4]。在醫(yī)藥工業(yè)上，果膠對維持血液中正常的膽固醇含量具有非常好的效果，并且果膠作為天然物質(zhì)能夠防止陽離子中毒，能有效地去除腸胃和呼吸道中的鉛和汞，據(jù)報道，降解后的果膠和鐵的復(fù)合物對于治療缺鐵性貧血效果非常好，而果膠、氫氧化鋁和氧化鎂的混合物對于治療胃潰瘍和十二指腸潰瘍效果顯著[5-7]。此外，果膠在化妝品方面也有非常重要的作用。

隨著蘋果種植面積和產(chǎn)量的大幅度上升，目前我國蘋果產(chǎn)品（如果汁等）加工中每年排出蘋果渣有100多萬t，絕大部分直接用作飼料或用于堆肥甚至被廢棄，只有少量蘋果渣被用于深加工，造成了資源的嚴重浪費和環(huán)境的污染。因此，利用含果膠豐富的蘋果渣作原料生產(chǎn)果膠，具有重要社會經(jīng)濟價值。本實驗用超聲波輔助提取蘋果渣中的果膠，并對所提果膠的凝膠特性進行了測定，旨在為超聲波輔助提取技術(shù)在果膠產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果渣：市售紅富士蘋果攪碎、過濾、漂洗、烘干、粉碎[8]。半乳糖醛酸、咔唑、濃硫酸、濃鹽酸、檸檬酸、無水乙醇：均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

FW135型中草藥粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司；KQ－300GVDV型三頻恒溫數(shù)控超聲波清洗機：河南兄弟儀器設(shè)備有限公；SM－5200DTS雙頻超聲波清洗機：南京舜瑪儀器設(shè)備有限公司；pHS－3C型pH計、722S型可見分光光度計：上海精密科學(xué)儀器有限公司；AdventurerTM分析天平：奧豪斯國際貿(mào)易（上海）有限公司；SSW－420－2S微電腦電熱恒溫水槽：上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；LGJ－12T冷凍干燥機：北京松源華興科技發(fā)展有限公司；RE－52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：鞏義市英峪予華儀器廠；SHZ－Ⅲ型循環(huán)水真空泵：上海亞榮生化儀器廠；TMS－PRO型物性分析儀：美國Foodtech公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

市售紅富士蘋果→洗凈、切碎、榨汁→預(yù)處理→超聲波輔助提取果膠→過濾→濃縮→醇沉→冷凍干燥 →果膠

1.3.2 方法

1.3.2.1 原料預(yù)處理

蘋果剛榨完汁后得到的蘋果渣含有大量的糖苷、淀粉、色素、酸類、鹽類等物質(zhì)，需用35℃的溫水漂洗2遍～3遍；然后加熱至90℃保溫10 min，使果膠酶滅活；再用35℃的溫水漂洗2遍～3遍，進一步洗去雜質(zhì)；烘干，粉碎后，過60目篩，待用。

1.3.2.2 超聲波提取

稱取一定量預(yù)處理后干蘋果渣，按一定料液比加入蒸餾水并攪拌均勻，用鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH，在一定溫度下超聲提取果膠，趁熱抽濾，濾液在50℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，濃縮至4%（體積分數(shù)），迅速冷卻至室溫。

1.3.2.3 醇沉

向濃縮后濾液加入4倍體積的95%乙醇，沉淀1 h～2 h，然后用無水乙醇洗滌1遍～2遍，進一步除去色素及其它雜質(zhì)成分。

1.3.2.4 冷凍干燥

將濾干的果膠在－20℃下預(yù)凍24 h，再送入真空冷凍干燥箱進行干燥，凍干機冷阱溫度控制在－53℃左右，干燥室真空度保持在1 Pa，冷凍干燥72 h。

1.3.3 超聲波提取果膠工藝優(yōu)化

在前期單因素試驗基礎(chǔ)上，確定料液比、提取溫度、超聲時間、提取液pH為考察因素，選用L9（34）正交表安排正交試驗。以果膠提取率為評價指標，確定超聲波輔助提取果膠的最佳提取工藝。試驗設(shè)計的因素水平表見表1。

表1 超聲波輔助提取果膠正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test for extraction with ultrasonic

1.4 分析方法

1.4.1 果膠含量的測定

1.4.1.1 標準曲線的繪制[9]

以半乳糖醛酸質(zhì)量濃度為橫坐標、吸光度為縱坐標制定標準曲線，繪制半乳糖醛酸標準曲線，詳見圖1。

由圖1得，回歸方程為y=0.004 5x+0.001 6，R2=0.995 6。

1.4.1.2 樣品中半乳糖醛酸的測定[10]

準確稱取果膠樣品1.0 g于200 mL的燒杯中，加入100 mL 0.5 mol/L硫酸溶液以水解果膠。在沸水浴上加熱30 min后，冷卻至室溫。移入容量瓶并定容到100 mL。準確吸取該溶液1 mL，加入6 mL濃硫酸，邊加入邊用自來水冷卻。冷卻至室溫，以下步驟同1.4.1.1中標準稀釋液的測定。在標準曲線上查出半乳糖醛酸的濃度（mg/L）。

1.4.1.3 計算[11]

式中：C為標準曲線上查得的半乳糖醛酸的濃度，（mg/L）；V為樣品定容體積，L；W1為果膠樣品的質(zhì)量，mg；W為果膠產(chǎn)品的總量，g；m為蘋果渣樣品的質(zhì)量，g。

1.4.2 果膠凝膠性能的測定

1.4.2.1 凝膠的制備[12]

將3.000 0 g提取的果膠與31 mL蒸餾水混合均勻，加入35.7 g砂糖，加熱使糖融化并濃縮成54.7 g，加入12.5%檸檬酸0.8 mL，迅速倒入50 mL燒杯中，攪勻，室溫下冷卻18 h～24 h，即成凝膠。

1.4.2.2 測定條件[11]

探頭直徑為25 mm；試驗速度為1.5 mm/s；初始速度為5.0 mm/s；穿透距離30 mm；上提5 mm/s；溫度為20℃。質(zhì)構(gòu)儀測定的典型曲線如圖2所示，測定參數(shù)定義如下。

凝膠穩(wěn)定度（脆性）：a1，曲線中出現(xiàn)第1個明顯的斷裂值；凝膠彈性：A1，凝膠破裂點下的峰面積（Area）1～2；硬度：a2，第1次壓縮循環(huán)中出現(xiàn)峰值所代表的力；凝膠強度：A2，壓縮總正峰面積（Area）1～3；黏性：A3，第 1次壓縮的負峰面積（Area）3～4，代表探頭從食品中離開時難易程度；黏滯力：a3，第1次壓縮負峰的峰值。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲頻率對果膠提取率的影響

目前，文獻報道的關(guān)于超聲波頻率對蘋果果膠提取率的影響不一[13－14]。為了確認超聲波頻率高低對蘋果果膠提取率的影響，本試驗在料液比 1∶15（g/mL）、超聲時間40 min、提取溫度50℃、pH2.0的條件下，考察了25、45、80、100 kHz 4個頻率對果膠提取率的影響，結(jié)果見表2。

由表2結(jié)果可以看出，超聲頻率對果膠的提取率幾乎沒有影響，所以本試驗不將其作為研究條件。

2.2 超聲波輔助提取果膠試驗結(jié)果

超聲時間、提取溫度、料液比、pH的L9（34）正交試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)結(jié)果處理見表3。

表2 不同超聲頻率對果膠提取率的影響Table 2 Effect of ultrasonic frequency on the yield of pectin

表3L9（34）正交試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)結(jié)果Table 3Results of L9（34）orthogonal array design tests for optimal pectin extraction with ultrasonic

由表3的極差值可知，影響果膠提取率諸因素的主次關(guān)系為D＞B＞A＞C，即pH對提取率影響最大，其次是提取溫度、超聲時間，料液比的影響最小。由K值可知，最優(yōu)工藝組合條件為A3B3C2D1，即正交試驗中的第9組試驗，提取率為15.12%，是上述9組試驗中的最高值。因此，超聲波輔助提取果膠的最佳工藝條件為超聲時間 100 min、提取溫度 80℃、料液比 1∶20（g/mL）、pH1.5。

2.3 超聲波輔助提取果膠的凝膠性能

由質(zhì)構(gòu)儀測得的超聲波輔助提取果膠的凝膠性能結(jié)果如圖3和表4。

表4 超聲波輔助提取果膠的凝膠性能Table 4 The texture behaviour of pectin preparing with ultrasonic-extraction

凝膠彈性是表示凝膠在外力作用下發(fā)生形變，當外力撤去后恢復(fù)原來狀態(tài)的能力。凝膠強度是凝膠承受施加外力的能力。黏性是施加于流體的應(yīng)力和由此產(chǎn)生的變形速率以一定的關(guān)系聯(lián)系起來的流體的一種宏觀屬性。凝膠穩(wěn)定度即脆性，是凝膠在外力作用下僅產(chǎn)生很小的變形即斷裂破壞的性質(zhì)。硬度是表示物體變形所需要的力。黏滯力是表示凝膠表面和其他物體附著時剝離它們所需要的力。汪海波[14]已經(jīng)對低酯果膠凝膠質(zhì)構(gòu)性能進行了研究，通過比較表4中數(shù)據(jù)與低酯果膠的凝膠質(zhì)構(gòu)性能數(shù)據(jù)可以看出所提果膠的凝膠性能良好。

3 結(jié)論

采用超聲波輔助提取蘋果渣中果膠的最佳工藝條件為料液比為 1∶20（蘋果渣∶蒸餾水，g/mL）、提取溫度80℃、超聲時間100 min、pH1.5。在此條件下果膠的提取率為15.12%。據(jù)文獻報道[15-16]，酶法和微波法提取蘋果渣中的果膠得率分別為11.74%和13.48%，可見，超聲波輔助法提取蘋果果膠具有一定的優(yōu)勢。超聲頻率對果膠的提取率幾乎沒有影響。對本試驗所提果膠進行的凝膠特性測定表明，所提果膠具有良好的凝膠性能。利用超聲波輔助提取蘋果渣中的果膠，進一步拓寬了蘋果渣的綜合開發(fā)利用范圍，具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。

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