檸檬皮渣果膠提取預(yù)處理工藝研究

董 丹，關(guān)統(tǒng)偉，雷 激，車振明*

（西華大學(xué)微生物研究所，食品生物技術(shù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039）

檸檬（Citrus limon）屬于柑橘屬植物，是蕓香科柑桔屬的常綠小喬木。檸檬皮含有豐富的鈣質(zhì)、鐵、糖類、果膠及豐富的維生素B1、B2、C等多種營(yíng)養(yǎng)成分，具有很好的食用價(jià)值和生產(chǎn)價(jià)值。檸檬皮渣中的果膠含量達(dá)30%[1-2]，是果膠工業(yè)生產(chǎn)的主要原料之一。果膠是一類成分很復(fù)雜的天然高分子聚合物，廣泛存在于高等植物初級(jí)細(xì)胞壁中。果膠本質(zhì)上是一種呈線性結(jié)構(gòu)的多聚糖類，主要是由D-半乳糖醛酸以α-1,4-糖苷鍵連接聚合而成略帶酸性的大分子多糖，還常帶有其他中性多糖支鏈，如D-半乳糖、D-山梨糖、L-阿拉伯糖、L-鼠李糖、木糖等[3-5]。果膠分子的結(jié)構(gòu)取決于果膠提取原料的種類、組織類型和提取工藝等[6]。果膠廣泛應(yīng)用于食品、化妝、醫(yī)藥等工業(yè)[7-8]。已報(bào)道的可以提取果膠的原料超過40種[9-10]。目前我國(guó)果膠生產(chǎn)企業(yè)為數(shù)不多；生產(chǎn)規(guī)模??；生產(chǎn)技術(shù)工藝相對(duì)落后；采用檸檬濕渣經(jīng)干燥耗能高；得到的果膠含量低，滿足不了市場(chǎng)需要。本試驗(yàn)針對(duì)上述生產(chǎn)中存在的問題，通過對(duì)果膠生產(chǎn)工藝的優(yōu)化來降低干燥能耗、干燥耗時(shí)和提高果膠含量，為檸檬皮渣的干燥節(jié)能技術(shù)提供理論依據(jù)，從而降低工業(yè)化生產(chǎn)成本，提高工業(yè)生產(chǎn)利潤(rùn)，滿足廣大市場(chǎng)的需要。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮檸檬：市售；愈創(chuàng)木酚、無水氯化鈣、無水碳酸鈉、體積分?jǐn)?shù)95%的乙醇、六偏磷酸鈉、過氧化氫、氫氧化鈉、鄰苯二甲酸氫鉀以及磷酸鈉等為分析純：成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；DC-P3新型全自動(dòng)測(cè)色色差計(jì)：北京市興光測(cè)色儀器公司；WY080T手持折光儀：成都萬辰光學(xué)儀器廠；PowerBay-SSM微型電力監(jiān)測(cè)儀（功率計(jì)）：深圳市北電儀表有限公司。

1.3 方法

1.3.1 檸檬皮渣提取果膠預(yù)處理工藝流程及操作要點(diǎn)

新鮮檸檬→檸檬皮磨油清洗→檸檬去汁→檸檬皮渣滅酶→皮渣破碎→一級(jí)干燥→二級(jí)干燥→檸檬干渣→干渣粉碎→果膠的提取[11]

具體操作要點(diǎn)：將新鮮市購(gòu)的檸檬用0.05%的碳酸鈉溶液浸泡10 min，料液比為3∶1（g∶mL），除去檸檬皮表的蠟質(zhì)，用清水漂凈，之后手工磨油（磨油過程中不要破壞檸檬果肉），用清水洗凈。將檸檬皮渣切成1 mm厚的薄片，將切片的檸檬皮渣與80 ℃中浸泡5 min滅酶。在樣品中含有大量水分時(shí)采用高溫干燥能盡快除去大部分水分，隨后采用低溫干燥即可去除剩余部分水分，也可較好的減少溫度對(duì)樣品中果膠成分的破壞，因此干燥過程采用兩段式干燥，將滅酶后的檸檬皮渣在70 ℃條件下干燥至含水量為60%，隨后將溫度降至60℃，干燥至物料含水量為10%～12%，得到檸檬干渣。

果膠的提取：采用果膠鹽析沉淀法[12]。按檸檬皮渣與水的質(zhì)量比1∶70加蒸餾水，在室溫條件下用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%鹽酸調(diào)pH值為2.5，將樣液放入75 ℃恒溫水浴鍋中加熱萃取40 min制得果膠萃取液。鹽析過程為按6%的比例加入硫酸鋁并攪拌使其充分溶解，冷卻至室溫，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH至5.0左右，靜置40 min，待果膠完全沉淀后離心棄去上清液，沉淀用脫鹽液（脫鹽液中含3 mL鹽酸、60 mL乙醇和37 mL蒸餾水的比例配制）洗滌2～3次，抽濾，再以體積分?jǐn)?shù)75%的乙醇洗滌2次，于55 ℃烘干即得果膠成品。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

分別考察不同切片厚度（簡(jiǎn)稱“粒度”）（1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm）、滅酶時(shí)間（1 min、3 min、5 min、7min、9.0 min）、一級(jí)干燥溫度（60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃）、二級(jí)干燥溫度（50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃）對(duì)果膠含量、干燥耗能、干燥時(shí)間的影響。

1.3.3 預(yù)處理工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定各因素對(duì)果膠含量、干燥耗能、干燥時(shí)間有顯著影響的因素和范圍，然后對(duì)這些因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，通過結(jié)果分析得出從檸檬皮渣中提取果膠的預(yù)處理最佳工藝。正交試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 果膠提取預(yù)處理工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test for pectin extraction preteatment technology optimization

1.3.4 指標(biāo)的測(cè)定

（1）果膠含量的測(cè)定

樣品中果膠含量的測(cè)定采用硫酸-咔唑比色法，具體方法參考文獻(xiàn)[13]。

（2）干燥耗能測(cè)定

一級(jí)干燥耗能計(jì)算：檸檬皮渣干燥的耗能采用功率計(jì)測(cè)定，計(jì)算公式如下：

耗電量（kW·h）=終止電量-初始電量

二級(jí)干燥耗能的計(jì)算與一級(jí)相同。總耗能為一級(jí)和二級(jí)干燥耗能之和。

（3）干燥時(shí)間的測(cè)定

干燥總時(shí)間的測(cè)定：從一級(jí)干燥開始計(jì)時(shí)，將原料的含水量干燥至60%左右，然后開始二級(jí)干燥使其含水量達(dá)到10%～12%時(shí)停止，記錄兩級(jí)干燥過程中總時(shí)間（min）。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 粒度對(duì)果膠提取預(yù)處理的影響

圖1 粒度對(duì)果膠含量(A)、干燥耗能(B)以及干燥時(shí)間(C)的影響Fig.1 Effect of particle size on pectin content(A),drying energy consumption(B) and drying time(C)

粒度對(duì)果膠提取預(yù)處理的影響見圖1，由圖1（A）可知，隨著粒度從1 mm增加至5 mm的過程中，果膠的含量整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)粒度為3 mm時(shí)，果膠的含量最高，這是因?yàn)樵?～3 mm范圍內(nèi)粒度越小，在用水漂洗的過程中，流失的果膠質(zhì)越多，最終得到的果膠含量就會(huì)越低。在3～5 mm范圍內(nèi)檸檬皮渣粒度增大，在后續(xù)滅酶的過程中，無法徹底達(dá)到完全滅酶的效果，所含有的果膠酶會(huì)破壞果膠，造成果膠的流失。由圖1（B）和（C）可知，隨著檸檬皮渣粒度的增大，干燥耗能和干燥耗時(shí)都出現(xiàn)了上升的趨勢(shì)。原料粒度越大，在干燥的過程中，與空氣接觸的表面積減小，因此在干燥的過程中水分蒸發(fā)越發(fā)的緩慢，干燥時(shí)間增大，干燥耗能增加。因此綜合考慮粒度對(duì)果膠含量及耗時(shí)、耗能的影響，粒度在1～3 mm比較適宜。

2.1.2 滅酶時(shí)間對(duì)果膠提取預(yù)處理的影響

圖2 滅酶時(shí)間對(duì)果膠含量(A)、干燥耗能(B)以及干燥時(shí)間(C)的影響Fig.2 Effect of enzyme deactivation time on pectin content(A),drying energy consumption(B) and drying time(C)

果膠酶的活性耐受溫度為80～85 ℃[14-15]，從節(jié)約能源上考慮，設(shè)定滅酶溫度為80 ℃。滅酶時(shí)間的長(zhǎng)短一方面影響酶活性，一方面影響整個(gè)過程的耗時(shí)和耗能，因此選擇合適的滅酶時(shí)間很重要。滅酶時(shí)間對(duì)果膠提取的影響見圖2（A），由圖2（A）得知，隨著滅酶時(shí)間從1～9 min，果膠含量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)；在滅酶5 min時(shí)果膠含量最高，說明在5 min時(shí)，原料中的果膠酶已基本失活，此時(shí)得到的果膠含量為最大；在滅酶時(shí)間＞5 min時(shí)果膠含量降低是因?yàn)闇缑笗r(shí)間過長(zhǎng)會(huì)破壞原料的組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致果膠質(zhì)的流出，使果膠含量降低。從圖2（B）和（C）可知，隨著滅酶時(shí)間的延長(zhǎng)，整個(gè)過程的時(shí)間和耗能都增加。對(duì)于耗時(shí)和耗能而言，滅酶時(shí)間越短越好，因此綜合三項(xiàng)指標(biāo)，滅酶時(shí)間在1～5 min范圍比較合適。

2.1.3 一級(jí)干燥溫度對(duì)果膠提取預(yù)處理的影響

圖3 一級(jí)干燥溫度對(duì)果膠含量(A)、干燥耗能(B)以及干燥時(shí)間(C)的影響Fig.3 Effect of first level drying temperature on pectin content(A),drying energy consumption(B) and drying time(C)

一級(jí)干燥過程是將原料的含水量干燥至60%左右。從圖3（A）可知，一級(jí)干燥溫度在60～80 ℃范圍內(nèi)時(shí)，果膠的含量受溫度的影響很?。辉?0 ℃時(shí)果膠含量達(dá)到最大，隨著溫度從80 ℃升至100 ℃，果膠的含量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，因?yàn)樵诖藴囟确秶鷥?nèi)，高溫會(huì)破壞果膠質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使果膠的含量降低。從圖3（B）和（C）可以看出，隨著溫度的升高，干燥過程中的能耗呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，干燥時(shí)間隨溫度的升高而縮短。因此，在考慮節(jié)約資源的前提下，選擇一級(jí)干燥溫度在60～80 ℃最為合適。

2.1.4 二級(jí)干燥溫度對(duì)果膠提取預(yù)處理的影響

二級(jí)干燥過程是將一級(jí)干燥過后的原料由含水量的60%干燥至含水量為10%～12%，此含水量便于原料的后期儲(chǔ)存。由圖4可知，隨著干燥溫度的升高，干燥時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在50 ℃升至70 ℃過程中，果膠含量隨溫度的變化很小，在70 ℃時(shí)達(dá)到最大。在70 ℃以后，果膠含量的降低。而耗能在60 ℃時(shí)耗能最低，在50 ℃和70 ℃時(shí)干燥耗能差距不大，溫度高于70℃時(shí)，干燥耗能急劇增加。綜合以上因素二級(jí)干燥溫度在50～70 ℃最為合適。

圖4 二級(jí)干燥溫度對(duì)果膠含量(A)、干燥耗能(B)以及干燥時(shí)間(C)的影響Fig.4 Effect of second level drying temperature on pectin content(A),drying energy consumption(B) and drying time(C)

2.2 檸檬皮渣果膠提取預(yù)處理工藝正交試驗(yàn)

2.2.1 檸檬皮渣果膠提取預(yù)處理正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)以上單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定因素與水平，選取粒度、滅酶時(shí)間、一級(jí)干燥溫度、二級(jí)干燥溫度作為正交試驗(yàn)的4個(gè)因素，以果膠含量、干燥耗能、耗時(shí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)，從而對(duì)檸檬皮渣果膠提取預(yù)處理工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果與分析見表2，按照綜合平衡法以不同因素為指標(biāo)的極差分析見表3。

表2 檸檬皮渣果膠提取預(yù)處理工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal experiment for pectin extraction pretreatment condition optimization from lemon peel

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)及以上的方差分析結(jié)果，按照果膠含量越高，干燥耗能、干燥時(shí)間越少的原則，對(duì)其按單指標(biāo)進(jìn)行極差分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

因素A在果膠含量中是主要因素，按照該指標(biāo)要求應(yīng)定1水平為優(yōu)水平。同理，因素B按干燥時(shí)間中是主要因素，按干燥耗時(shí)指標(biāo)的要求也應(yīng)是1水平；因素D在干燥耗能中是主要因素，按其指標(biāo)要求應(yīng)定1水平為優(yōu)水平；而因素C對(duì)果膠含量、干燥耗能、干燥時(shí)間的影響都是相同的，這樣綜合平衡因素水平的較優(yōu)組合就有三個(gè)A1B1C1D1、A1B1C2D1和A1B1C3D1。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到果膠含量最高的組合為A1B1C2D1；干燥耗能和耗時(shí)最少的組合都為A1B1C3D1，而A1B1C2D1和A1B1C3D1試驗(yàn)結(jié)果中果膠含量差距很小，因此綜合各指標(biāo)的要求得到的最優(yōu)組合應(yīng)為A1B1C3D1，在該條件下得到的果膠含量為12.24%，干燥耗能0.34 kW·h，干燥時(shí)間100 min。

表3 綜合平衡法各因素極差分析匯總Table 3 Overall balance method of each factor range analysis summary

2.2.2 檸檬皮渣果膠提取預(yù)處理工藝正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

以不同因素為評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析分別見表4～表6。

影響果膠含量的4個(gè)因素由高到低的順序依次為：A粒度＞D二級(jí)干燥溫度＞C一級(jí)干燥溫度＞B滅酶時(shí)間。該生產(chǎn)工藝中得到果膠含量最高的組合為A1B2C1D3，即粒度1 mm、滅酶時(shí)間3 min、一級(jí)干燥溫度60 ℃、二級(jí)干燥溫度70 ℃時(shí)，得到的果膠含量最高。由表4可知，滅酶時(shí)間和二級(jí)干燥溫度對(duì)結(jié)果的影響達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），而粒度和一級(jí)干燥溫度則影響顯著（P＜0.05）。

表4 以果膠含量為指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 4 Analysis of variance of orthogonal experiment results using pectin content as index

表5 以干燥耗能為指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 5 Analysis of variance of orthogonal experiment results using drying energy consumption as index

影響檸檬皮渣果膠提取預(yù)處理工藝中干燥耗能的4個(gè)因素由高到低的順序依次為：D二級(jí)干燥溫度＞B粒度＞C一級(jí)干燥溫度＞A滅酶時(shí)間。通過R值可以發(fā)現(xiàn)，該生產(chǎn)工藝中得到干燥耗能的組合為A2B1C2D1，即粒度2 mm、滅酶時(shí)間1 min、一級(jí)干燥溫度70 ℃、二級(jí)干燥溫度60 ℃時(shí)，得到的干燥耗能最低。由表4可知，二級(jí)干燥溫度達(dá)到顯著水平（P＜0.05），而粒度、滅酶和一級(jí)干燥溫度則影響不顯著。

表6 以干燥耗時(shí)為指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 6 Analysis of variance of orthogonal experiment results using drying time as index

影響檸檬皮渣果膠提取預(yù)處理工藝中干燥耗時(shí)的4個(gè)因素由高到低的順序依次為：B粒度＞D二級(jí)干燥溫度＞C一級(jí)干燥溫度＞A滅酶時(shí)間。通過R值可以發(fā)現(xiàn)，該生產(chǎn)工藝中得到干燥耗時(shí)最短的組合為A3B1C3D3，即粒度3 mm、滅酶時(shí)間1 min、一級(jí)干燥溫度80 ℃、二級(jí)干燥溫度70 ℃時(shí)，得到干燥耗時(shí)最短。由表6可知，粒度和二級(jí)干燥溫度達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），而滅酶時(shí)間和一級(jí)干燥溫度則影響不顯著。

3 結(jié)論

通過L9（34）正交試驗(yàn)確認(rèn)檸檬皮渣提取的最佳工藝為檸檬皮渣粒度1 mm、滅酶時(shí)間1 min、一級(jí)干燥溫度80 ℃、二級(jí)干燥溫度50℃，在此條件下，所得的果膠含量為12.24%、干燥耗能0.34 kW·h、干燥耗時(shí)100 min，較企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)得率略高，干燥耗能和干燥耗時(shí)要少。檸檬皮渣果膠提取預(yù)處理工藝的優(yōu)化對(duì)企業(yè)果膠生產(chǎn)過程中產(chǎn)量的提高，生產(chǎn)成本的降低，節(jié)能減排有著十分重要的意義。

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