超聲波輔助提取梨渣中 酯類物質(zhì)的工藝研究

趙國群,張曉騰,關軍鋒

(1.河北科技大學生物科學與工程學院,河北石家莊 050018;2.河北省農(nóng)林科學院遺傳生理研究所,河北石家莊 050051)

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超聲波輔助提取梨渣中 酯類物質(zhì)的工藝研究

趙國群1,張曉騰1,關軍鋒2,*

(1.河北科技大學生物科學與工程學院,河北石家莊 050018;2.河北省農(nóng)林科學院遺傳生理研究所,河北石家莊 050051)

以新鮮鴨梨渣為原料,食用酒精為溶媒,研究了梨渣中酯類物質(zhì)超聲波輔助提取工藝。在單因素實驗基礎上結合正交實驗,探索了超聲功率、超聲處理時間、料液比、提取溫度、酒精濃度和真空濃縮溫度對提取效果的影響,并且考察了提取條件對梨渣中多酚和糖類提取的影響。實驗結果表明,鴨梨渣中酯類物質(zhì)最佳提取工藝條件:超聲功率80 W、超聲處理10 min、料液比1∶10、提取溫度25 ℃、酒精濃度95%、真空濃縮溫度40 ℃。在此條件下,酯類、多酚和糖類提取量分別為3815.73 μg/g、603.33 μg/g和53.12 mg/g(鮮重)。將酒精提取液在40 ℃、0.1 MPa條件下進行真空濃縮,提取物濃縮液(梨營養(yǎng)風味劑)產(chǎn)量為19.05 g/100 g(鮮重),其中含有16028.34 μg/g總酯、3104.88 μg/g多酚和266.46 mg/g還原糖。采用超聲波輔助提取技術可有效地從梨渣中提取酯類、多酚等營養(yǎng)風味物質(zhì)。

梨渣,提取,超聲,酯類,多酚,糖類

梨(Pyrus spp)肉質(zhì)細脆,香甜可口,富含多種礦物質(zhì)、維生素和蛋白質(zhì)[1]。梨果實中還含有豐富的多酚類物質(zhì),Lin等[2]檢測出53種多酚類物質(zhì)(34種類黃酮和19種羥甲基肉桂酸)。梨中多酚類物質(zhì)在果心含量最高,果皮次之,果肉最少[3]。多酚類物質(zhì)具有抗氧化、抗腫瘤、抗病毒、抗心血管疾病、提高免疫力等多種生理功能[4]。此外,多酚類物質(zhì)也是一種風味物質(zhì),對果實及其果酒的感官質(zhì)量(顏色、香氣和口感)有較大影響[5]。

梨是我國種植面積和產(chǎn)量僅次于蘋果和柑橘的第三大水果。梨的深加工是采后增值的重要途徑,梨汁是目前梨果加工的主要產(chǎn)品之一[6]。在梨汁加工過程中產(chǎn)生大量梨渣,其總量約為原果質(zhì)量的40%～50%。以年產(chǎn)10000 t天然梨汁工廠為例,其每年扔掉的梨渣可達2000～3000 t[7]。梨渣中不但殘存較多糖、酸、香氣物質(zhì),而且還含有豐富的多酚等生理活性物質(zhì)[8]。為了充分利用梨渣這一資源,國內(nèi)外開展了許多研究。這些研究多數(shù)集中于從梨渣中提取多酚類物質(zhì)或膳食纖維,而忽視了梨渣中天然香氣物質(zhì)及殘?zhí)堑睦肹9-11]。超聲波具有空化作用、熱效應和機械攪拌等作用,在提取天然物質(zhì)時,具有快速、常溫、能耗低、提取效率高等特點[12]。本研究以新鮮的鴨梨渣為原料,對超聲波輔助提取梨渣中酯類、多酚類和糖類的工藝進行研究,并研制梨營養(yǎng)風味劑。該營養(yǎng)風味劑擬添加于梨汁飲料等產(chǎn)品中,以增強產(chǎn)品的天然香氣,強化產(chǎn)品營養(yǎng),提高產(chǎn)品品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮鴨梨渣 由趙縣旭海果汁有限公司提供;沒食子酸標準品 中國藥品生物制品檢定所;葡萄糖(AR) 天津市永大化學試劑有限公司;95%食用酒精 石家莊新宇三陽實業(yè)有限公司。

HW.SY-P1型電熱恒溫水浴鍋 北京東方精瑞科技發(fā)展有限公司;UV-6000PC型紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;KQ5200DE型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;R201C型真空旋轉蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 梨渣中營養(yǎng)風味物質(zhì)的提取 稱取100 g新鮮鴨梨渣放入1000 mL的燒杯中,按要求加入95%食用酒精作為提取溶劑,攪拌混勻,用保鮮膜封口。將燒杯放入超聲波清洗器中,控制一定的溫度,在不同超聲波功率下提取一定的時間。提取結束后,抽濾,得到含有酯類、多酚類和糖類的提取液。使用真空旋轉蒸發(fā)儀對提取液進行真空濃縮(0.1 MPa,50 ℃),當旋轉蒸發(fā)儀不再有冷凝液流出時,停止?jié)饪s。所獲得的濃縮液即為梨營養(yǎng)風味劑,測定其中總酯、總多酚和還原糖含量。

1.2.2 單因素實驗 本研究的主要目的是從梨渣中提取香氣物質(zhì),賦予梨汁及其飲料等梨加工品天然的梨果香氣,因此在選擇適宜提取條件時,僅以酯類提取量作為評價指標。

1.2.2.1 超聲功率對提取效果的影響 稱取100 g鮮梨渣放入1000 mL的燒杯中,按1∶5料液比(g/mL)加入95%食用酒精。將燒杯放入超聲波清洗器中,控制溫度為35 ℃,分別以0、80、120、160和200 W超聲處理20 min。

1.2.2.2 超聲處理時間對提取效果的影響 稱取100 g鮮梨渣放入1000 mL的燒杯中,按1∶5料液比(g/mL)加入95%食用酒精。將燒杯放入超聲波清洗器中,控制溫度為35 ℃,以80 W超聲分別處理5、10、20、30和40 min。

1.2.2.3 料液比對提取效果的影響 稱取100 g鮮梨渣放入1000 mL的燒杯中,按照料液比(g/mL)1∶5、1∶8、 1∶10、1∶12、1∶15分別加入95%食用酒精。將燒杯放入超聲波清洗器中,控制溫度為35 ℃,以80 W超聲處理10 min。

1.2.2.4 提取溫度對提取效果的影響 稱取100 g鮮梨渣放入1000 mL的燒杯中,按1∶8料液比(g/mL)加入95%食用酒精。將燒杯放入超聲波清洗器中,溫度分別控制為20、25、35、45、55和65 ℃,以80 W超聲處理10 min。

1.2.2.5 酒精濃度對提取效果的影響 稱取100 g鮮梨渣放入1000 mL的燒杯中,按1∶8料液比(g/mL)分別加入體積分數(shù)為35%、55%、75%和95%食用酒精。將燒杯放入超聲波清洗器中,控制溫度為25 ℃,以80 W超聲處理10 min。

1.2.2.6 真空濃縮溫度對酯類提取的影響 稱取100 g鮮梨渣放入1000 mL的燒杯中,按1∶8料液比(g/mL)加入95%食用酒精。將燒杯放入超聲波清洗器中,控制溫度為25 ℃,以80 W超聲處理10 min。抽濾后,將濾液使用真空旋轉蒸發(fā)儀進行真空濃縮,分別控制真空濃縮溫度為40、45、50、55和60 ℃。

1.2.3 正交優(yōu)化實驗 在上述單因素實驗的基礎上,設計L9(34)實驗(表1),考察超聲功率、超聲時間、料液比和提取溫度四個因素對梨渣中酯類提取量的影響,確定其最佳提取工藝條件。

表1 正交設計實驗因素與水平Table 1 Factors and levels in the orthogonal design

1.3 分析方法與計算

總酯含量的測定采用GBT 10345-2007方法?？偠喾雍康臏y定采用Folin-Ciocalteu比色法[13],以沒食子酸濃度(C,mg/mL)為橫坐標、吸光度值(A)為縱坐標繪制標準曲線,得標準曲線方程:A=0.0013C+0.00764(R2=0.99964)。

還原糖含量的測定采用DNS比色法[14],以葡萄糖濃度(C,mg/mL)為橫坐標、吸光度值(A)為縱坐標繪制標準曲線,得標準曲線方程:A=1.378C-0.0008(R2=0.99978)。

酯類提取量(μg/g)=樣品濃縮液中總酯的質(zhì)量/鮮鴨梨渣質(zhì)量

多酚提取量(mg/g)=樣品濃縮液中多酚的質(zhì)量/鮮鴨梨渣質(zhì)量

糖類提取量(mg/g)=樣品濃縮液中還原糖的質(zhì)量/鮮鴨梨渣質(zhì)量

總酯損失率(%)=冷凝液中總酯的質(zhì)量/提取液中總酯的質(zhì)量

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組做3個平行,變量以平均值±標準差(x±s)表示,采用SPSS 19.0軟件對每組結果進行F檢驗,檢驗每組之間差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 超聲功率對提取效果的影響 超聲波能夠產(chǎn)生機械振動,并具有強烈的空化效應,能夠造成細胞結構的破壞,從而加速目標成分的溶出[15]。本研究所使用的超聲波設備的最低功率為80 W。如圖1所示,在超聲功率為80 W時,與未使用超聲處理的相比,超聲處理后酯類、多酚、糖類提取量均大幅度提高,超聲波輔助提取效果良好。從原理上來看,超聲波功率越高越容易獲得較大的聲強,但超聲功率對物質(zhì)提取的影響不總是呈正比關系,這既與超聲波與介質(zhì)相互作用的程度有關,也與提取物的性質(zhì)有關。從圖1中可以看出,酯類提取的最適超聲功率為80 W,多酚提取的最適超聲功率為160 W,而糖類提取的最適超聲功率為120 W。當超聲功率較大時,酯類、多酚的提取量顯著下降,尤其是酯類;當超聲功率達到200 W時,酯類提取量僅為80W時的21.3%。酯類提取量的大幅度降低,可能是由于高功率下超聲波的降解作用造成[16]。多酚提取量的下降,則是因為超聲波的熱效應導致多酚中的熱敏性物質(zhì)結構破壞、多酚物質(zhì)氧化或分解所致[17]。從圖1中還可看出,當超聲功率為120～200 W時,糖類提取量沒有顯著變化,這說明120～200 W功率的超聲波不會造成糖類的降解。由于所使用超聲波設備的最低功率為80 W,無法進一步降低超聲功率,因此,超聲處理的適宜功率為80 W。

圖1 超聲功率對酯類、多酚和糖類提取效果的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on extraction of esters,polyphenols and sugars from pear residues

2.1.2 超聲處理時間對提取效果的影響 超聲處理時間對酯類、多酚和糖類提取的影響見圖2。如圖2所示,隨著超聲時間的延長,梨渣中酯類、多酚的提取量都呈先上升后下降的趨勢,而糖類提取量呈現(xiàn)先上升后趨于平緩的趨勢。超聲波產(chǎn)生的破壞細胞壁作用隨處理時間的延長而增大,因而也會加快酯類、多酚和糖類的溶出,但繼續(xù)延長超聲時間會造成酯類、多酚的破壞。特別是,長時間超聲處理對酯類造成的破壞非常大,當超聲處理時間為40 min時,酯類的提取量僅為10 min時的42.4%。鄭迎春等[4]研究了從梨葉超聲輔助提取多酚的工藝,發(fā)現(xiàn)最佳超聲處理時間30 min,與本研究結果一致。由于本研究的主要目的是提取酯類物質(zhì),因此,適宜的超聲處理時間為10 min。

圖2 超聲處理時間對酯類、多酚和糖類提取效果的影響Fig.2 Effect of ultrasonication time on extraction of esters,polyphenols and sugars from pear residues

2.1.3 料液比對提取效果的影響 料液比是有機溶劑提取法中一個很重要的參數(shù),直接關系到生產(chǎn)成本的高低。如圖3所示,當料液比從1∶5增加到1∶8時,酯類、多酚和糖類的提取量均隨之增加,并達到最大值;當料液比超過1∶8時,多酚和糖類的提取量不再提高,這可能是因為溶劑與原料的比例越大,濃度差就越大,從而促進傳質(zhì)過程,但比例過大時,超聲波產(chǎn)生的效應不再明顯,導致多酚和糖類的提取量不再增加[15]。從圖3中可以看出,當料液比超過1∶8時,酯類提取量明顯下降。造成這種現(xiàn)象的原因可能是酯類與乙醇沸點相近,料液比的增大使酯類在旋轉蒸發(fā)時損失率增大。此外,料液比過高也會增加溶劑回收成本。因此,適宜的料液比為1∶8。

圖3 料液比對酯類、多酚和糖類提取效果的影響Fig.3 Effect of solid-to-solvent ratio on extraction of esters,polyphenols and sugars from pear residues

2.1.4 提取溫度對提取效果的影響 如圖4所示,提取溫度的影響因物質(zhì)種類的不同而有很大差別。在20～25 ℃范圍內(nèi),隨著提取溫度的升高,酯類提取量稍有增加。然而,當提取溫度超過25 ℃后,酯類提取量則大幅度降低。在20～65 ℃范圍內(nèi),隨著提取溫度的升高,多酚提取量快速增加,而糖類提取量保持不變。黃彭等[18]研究從米棗中提取多酚的工藝,確定米棗中多酚的最適提取溫度為60 ℃,與本研究的結果接近;然而,范金波等[15]從牛蒡根中提取多酚時,發(fā)現(xiàn)當提取溫度超過40 ℃,總酚提取率降低,并認為是提取溫度過高破壞了多酚成分所致;這種不同研究結果的差異,可能是由于多酚物質(zhì)的具體組成不同所造成的。而酯類由于熱穩(wěn)定性差,較高的提取溫度促進了酯類的分解,進而導致其提取量降低。鴨梨果實中的糖類大多是葡萄糖和果糖,這些糖易溶于水,且提取溫度為25～65 ℃,因而,提取溫度對糖類的提取量幾乎沒有影響。因此,酯類物質(zhì)的適宜提取溫度為25 ℃。

圖4 提取溫度對酯類、多酚和糖類提取效果的影響Fig.4 Effect of temperature on extraction of esters,polyphenols and sugars from pear residues

2.1.5 酒精濃度對提取效果的影響 酒精濃度的變化會引起提取劑物理性質(zhì),如密度、粘度、介電常數(shù)等的變化,從而影響提取率。從表2可發(fā)現(xiàn),酒精濃度對酯類的提取有很大影響。當酒精濃度由95%降低至75%時,酯類提取量大幅度下降;當酒精濃度降低至55%以下時,已不能從梨渣中提取酯類物質(zhì)。鴨梨的主要香氣成分為己醛、1-己醇、壬醛、乙酸己酯和2-戊基呋喃,其中己醛的質(zhì)量分數(shù)最高[19]。鴨梨的這些香氣物質(zhì)大多都難溶或微溶于水,而溶于乙醇等有機溶劑。酒精濃度越低,這些香氣物質(zhì)的溶解度越低,以至于在提取物中檢測不出。此外,酒精濃度降低意味著提取液含水量增大,水含量的增大提高了旋轉蒸發(fā)的溫度,使得部分酯類進入到冷凝液中,從而造成酯類的損失。當酒精濃度為55%～75%時,多酚提取量較高;酒精濃度過低時,多酚提取量低,可能是因為多酚類物質(zhì)與蛋白質(zhì)、多糖等以氫鍵形成穩(wěn)定的復合物,而水斷裂氫鍵的作用較弱,提取液中水的比例過高時,不足以破壞多酚類物質(zhì)與蛋白、多糖等的連接,多酚提取率低;酒精濃度過高時,多酚提取量也低,可能是由于溶液極性增強,多酚類物質(zhì)的溶解度下降,從而導致多酚提取量降低[20]。由于糖類易溶于水,因此,當酒精濃度從95%降低為75%時,糖類提取量增加,但酒精濃度進一步降低時,糖類提取量不再繼續(xù)增加。因此,適宜的酒精濃度確定為95%。

表2 酒精濃度對酯類、多酚和糖類提取效果的影響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異顯著(p<0.05),表3同;“-”表示未檢測出。

2.1.6 真空濃縮溫度對酯類提取的影響 考慮到梨的香氣物質(zhì)屬于熱敏物質(zhì),因而采用真空濃縮的方式進行提取液的濃縮。多酚類物質(zhì)和糖類不揮發(fā),因而真空濃縮時不會造成損失,故不予考慮。真空濃縮溫度對酯類物質(zhì)提取的影響見表3。從表3中可以看出,真空濃縮溫度越高,冷凝液中總酯含量越大,總酯的損失率也越高,這是由于溫度越高,酯類揮發(fā)性越強,隨酒精蒸餾出的酯類越多。當濃縮溫度40 ℃時,在餾出液中檢測不出酯類,這意味著總酯幾乎沒有損失。因而,適宜的真空濃縮溫度為40 ℃。

表3 真空濃縮溫度對酯類提取的影響Table 3 Effect of vacuum concentration temperature on esters extraction

2.2 正交實驗及結果分析

根據(jù)單因素實驗結果,選取了影響比較大的超聲功率、超聲時間、料液比和提取溫度四個指標,并以其最優(yōu)值設計正交實驗。極差分析結果(表4)表明,各因素對酯類提取量的影響從大到小依次為B超聲時間、C料液比、A超聲功率、D提取溫度。方差分析表5顯示超聲時間對酯類提取量影響表現(xiàn)為極顯著(p<0.01),超聲功率和料液比對酯類提取量影響表現(xiàn)為顯著(p<0.05),而提取溫度的影響則不顯著。正交實驗結果得出的最佳提取工藝為A1B2C3D2,即:超聲功率80 W,超聲時間10 min,料液比1∶10 (g/mL)和提取溫度25 ℃。該組合為正交實驗表以外組合,需進行驗證實驗,按此條件重復操作3次,平均酯類提取量3815.73 μg/g,高于正交實驗其他組合的結果。在此最佳提取工藝下,多酚提取量為603.33 μg/g,糖類提取量為53.12 mg/g。真空濃縮后所獲得的濃縮液即為梨營養(yǎng)風味劑,其產(chǎn)量為19.05 g/100 g(鮮梨渣)。

表4 L9(34)正交實驗結果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;**為差異極顯著(p<0.01);*為差異顯著(p<0.05)。2.3 梨營養(yǎng)風味劑的組成及感官品質(zhì)

經(jīng)過測定,所制備的梨營養(yǎng)風味劑含有16028.34 μg/g總酯、3104.88 μg/g多酚和266.46 mg/g還原糖。該營養(yǎng)風味劑為黃褐色的粘稠液體,梨香濃郁,味道甜中帶有明顯的苦味,這種苦味應來自多酚類物質(zhì)。

3 結論

以新鮮鴨梨渣為原料,以食用酒精為溶媒,研究了梨渣中酯類物質(zhì)超聲波輔助提取工藝,并且考察了提取條件對梨渣中多酚和糖類提取的影響。鴨梨渣中酯類物質(zhì)最佳提取工藝條件為:超聲功率80 W、超聲處理10 min、料液比1∶10、提取溫度25 ℃、酒精濃度95%。在此條件下,酯類、多酚和糖類提取量分別為3815.73 μg/g、603.33 μg/g和53.12 mg/g(鮮重)。將酒精提取液在40 ℃、0.1 MPa條件下進行真空濃縮,得到提取物濃縮液(梨營養(yǎng)風味劑),其產(chǎn)量為19.05 g/100 g(鮮重),其中含有16028.34 μg/g總酯、3104.88 μg/g多酚和266.46 mg/g還原糖。

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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

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

*通訊作者:關軍鋒(1966-)，男，博士，研究員，研究方向：果品貯藏加工，E-mail：junfeng@126.com。

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)[梨]產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項(cars-29)。

TS255.36

B

1002-0306(2017)10-0269-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.10.043