柑橘果膠高效提取及其酰胺化改性制備

蘇東林 李培駿 張麗萍 袁洪燕 朱玲風(fēng) 謝秋濤 潘蔣娟 劉 偉 朱向榮，5 張菊華 李高陽，5 單 楊*

（1 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 湖南省農(nóng)產(chǎn)品加工研究所 長沙410125 2 中南大學(xué)研究生院隆平分院 長沙410125 3 桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院 廣西桂林541004 4 果蔬加工與質(zhì)量安全國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 長沙410125 5 果蔬貯藏加工與質(zhì)量安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙410125）

果膠是一種無毒且具有卓越的凝膠性和乳化穩(wěn)定性的天然食品添加劑，相關(guān)研究表明，作為可溶性膳食纖維，果膠具有抗腹瀉、抗癌、治療糖尿病等功效，應(yīng)用范圍正不斷擴(kuò)大；此外，果膠在各種反應(yīng)機(jī)制及新陳代謝途徑中都有顯著效果，已成為一些藥物、保健品和化妝品中不可缺少的輔料[1-6]。據(jù)聯(lián)合國聯(lián)農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計，全球果膠年需求量達(dá)7 萬余t（市場缺口1.2 萬余t），在較長時間內(nèi)仍將以每年5%～10%的速度增長。目前我國每年消費(fèi)果膠4 000 t 以上，其中80%依賴進(jìn)口，需求量與世界平均水平相比呈高速增長趨勢。當(dāng)前商品果膠的原料主要是柑橘皮、檸檬皮和蘋果渣，而真正具有工業(yè)生產(chǎn)價值的天然果膠來源首推柑橘皮；我國柑橘產(chǎn)量居世界第一（2018年達(dá)4 138 萬t），年產(chǎn)皮渣超過1 300 萬t，內(nèi)含豐富的果膠、香精油和類黃酮等功效成分[4，7-9]。美國食品化學(xué)品法典 （Food Chemicals Codex，F(xiàn)CC）規(guī)定：DE 值高于50%的果膠稱為高酯果膠（High methoxyl pectin，HMP），反之，稱為低酯果膠（Low methoxyl pectin，LMP），后者包括酰胺化果膠（Amidated low methoxyl pectin，ALMP）。

傳統(tǒng)果膠提取通常使用酸性水或溶劑，排放造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[10]。為了克服這個問題，已出現(xiàn)幾種可持續(xù)和更快提取果膠的替代方法，如微波輔助提取法（MAE）[11-12]、亞臨界水提取法（SWE）[13]和酶輔助提取法（EAE）[14]。超聲輔助提?。║AE）是另一種廣泛使用的提取技術(shù)，它利用聲能和溶劑來增強(qiáng)細(xì)胞材料的釋放和擴(kuò)散，從而有助于提取[15-18]。有研究表明，單獨(dú)超聲提取得到的果膠產(chǎn)量通常比傳統(tǒng)加熱或MAE 方法低[19]。為解決其中的瓶頸問題，通過添加溶劑輔助物進(jìn)行果膠提取與分離，以提高提取率，例如檸檬酸、乙酸、離子液體和螯合劑[20-23]。近年來，表面活性劑被認(rèn)為是提取生物活性化合物（例如：多酚和凝集素）的有效添加劑[24-25]。在濃度等于或高于表面活性劑的臨界膠束濃度時，復(fù)合體系會形成膠束，這些膠束能夠與親水或親脂物質(zhì)建立化學(xué)和物理相互作用[26]。由于果膠在大范圍的極性內(nèi)具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，因此可使用合適的表面活性劑進(jìn)行提取。

果膠酰胺化改性是指將高酯果膠中的部分甲酯轉(zhuǎn)變?yōu)椴及范鴾p少甲氧基，一般在堿性條件下通過添加氨水、氨醇體系或者氨氣處理來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榘被鶊F(tuán)的進(jìn)入，ALMP 較普通低酯果膠能在更寬的鈣離子濃度范圍內(nèi)形成凝膠，提高水溶性，且作為一般人群食品添加劑無需指定每日攝入量，解決了普通低酯果膠鈣離子凝膠范圍要求嚴(yán)格（過高的鈣敏性），凝膠較弱和易結(jié)塊等缺點(diǎn)[27-30]。ALMP 的理化性質(zhì)、功能性質(zhì)、新型應(yīng)用及大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化是目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)[31-38]。

當(dāng)前，研究用表面活性劑介導(dǎo)的超聲輔助（SUAE）提取果膠的方法并不多見，我國對ALMP 工業(yè)化大批量連續(xù)生產(chǎn)的核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備還未完全自主掌控。本文一方面開展表面活性劑-超聲輔助提?。⊿-UAE）柑橘果膠的工藝研究，另一方面開展后續(xù)的酰胺化改性制備優(yōu)化和品質(zhì)分析，以期為柑橘副產(chǎn)物的高值化綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

柑橘皮，湖南海聯(lián)食品有限責(zé)任公司（湖南省懷化市），將其在90 ℃的熱水中浸泡5 min 以使酶失活，隨后置于50 ℃烘箱中空氣循環(huán)干燥24 h，將干燥的果皮研磨并過40 目篩；隨后將預(yù)處理的柑橘皮粉末包裝在密封袋中，貯存在于干燥的環(huán)境中備用。

表面活性劑、鹽酸、異丙醇、氨水和無水乙醇等化學(xué)試劑均為分析純級，國藥化學(xué)試劑有限公司；商品果膠（CP；S11083，從橙皮中提取）和聚半乳糖醛酸，上海源葉生物科技有限公司；單糖標(biāo)準(zhǔn)品，Aladdin Reagents 有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

KQ-400KDE 型控溫超聲波清洗儀（300 mm×240 mm×150 mm），昆山超聲波儀器有限公司；NICOLET 傅里葉紅外光譜分析儀，美國Thermo Fisher Scientific；Agilent 1100 色譜儀及配套設(shè)施，美國安捷倫；SU5000 型掃描電子顯微鏡，日立HITACHI；JEM-2100F 型場發(fā)射透射電子顯微鏡，日本電子JEOL；SHA-BA 數(shù)顯恒溫振蕩水浴鍋，金壇市富華儀器制造有限公司；LVDV-Ⅱ+PRO型黏度計，美國Brookfield 公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 傳統(tǒng)酸法提?。–E） 用0.1 mol/L HCl 將提取溶劑的pH 值調(diào)節(jié)至1.0，將LSR 設(shè)定為30 mL/g，并將混合物在90 ℃水浴中加熱180 min。提取后，使用8 層紗布（20 目）過濾獲得濾液。為除掉剩余的不溶物質(zhì)，將溶液在4 000 r/min 下離心15 min。上清液加入98%乙醇（1.5∶1，體積比）沉淀并靜置6 h，獲得果膠。沉淀的果膠在4 000 r/min下離心15 min，并用體積分?jǐn)?shù)60%的乙醇洗滌3次去除可溶性雜質(zhì)，每個梯度做3 個平行取平均值（文中提取均相同處理）。將提取的果膠放置于50 ℃的干燥箱中烘干12 h 后稱重。

1.3.2 S-UAE 法提取 研究表面活性劑吐溫-80、吐溫-20、聚乙二醇（PEG）4000、PEG8000、蔗糖脂肪酸酯（SE）和十二烷基硫酸鈉（SDS）對提取效果的影響，分別將不同質(zhì)量濃度（0.0，2.0，4.0，6.0，8.0，10.0 g/L）的表面活性劑加入提取溶液中，進(jìn)行超聲提取。預(yù)試驗(yàn)獲得優(yōu)化的UAE 參數(shù)為：pH 0.6，LSR 21.0 mL/g，功率280 W，時間15 min。

1.3.3 果膠的酰胺化改性 柑橘高酯果膠→過篩、溶解→氨-醇酰胺化→洗滌、干燥→品質(zhì)分析，研究溫度、pH 和果膠質(zhì)量濃度對產(chǎn)品的酰胺化度、酯化度、特性黏度及平均分子質(zhì)量的影響。預(yù)試驗(yàn)確定氨醇復(fù)合體系中氨水濃度3～4 mol/L、異丙醇體積分?jǐn)?shù)50%～60%，反應(yīng)時間≧100 min（不同時間終止反應(yīng)可以獲得不同類型的酰胺化產(chǎn)品）；在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以DA 值和黏度為考察指標(biāo)，開展反應(yīng)溫度、pH 值和果膠質(zhì)量濃度的單因素試驗(yàn)，尋求適宜的反應(yīng)參數(shù)。

1.4 果膠的理化性質(zhì)分析

1.4.1 半乳糖醛酸（GA）含量 采用Kumar 的咔唑比色法[39]，并做少許改進(jìn)。

1.4.2 酰胺化度（DA）、酯化度（DE）和黏度的測定DA 按照黃偉坤[40]的方法測定；DE 按照J(rèn)afari等[41]的方法測定，并做少許改進(jìn)；黏度按照徐鐵鷹[42]的方法測定，并做少許改進(jìn)。

1.4.3 高效尺寸排阻色譜（HPSEC） 通過HPSEC測定目標(biāo)產(chǎn)物的分子質(zhì)量分布[43]。

1.4.4 形態(tài)學(xué)觀察 為研究不同的提取方式對柑橘皮造成的影響，以獲得柑橘皮渣的形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在提取過程前、后拍攝原料的掃描電子顯微鏡圖像：挑選大小合適的顆粒，將其用雙面膠粘在循環(huán)樣品臺上，用金屬鍍膜法，在樣品顆粒上鍍上一層金屬；將樣品臺放入檢測區(qū)，在真空條件下，高能電子束將聚成細(xì)的電子束聚焦在樣品表面上，在其作用下，掃描樣品表面，同時將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像。該方法特點(diǎn)是使用雙面導(dǎo)電碳帶將樣品粘附到載體上并用金覆蓋以確保導(dǎo)電性。

1.5 RSM 和數(shù)據(jù)分析

RSM 用于確定果膠提取的最佳條件；Box-Behnken 設(shè)計（BBD）用于研究3 個獨(dú)立因素的最佳組合，包括pH 值（X1：0.5～1.5）、超聲時間（X2：9～15 min） 和LSR （X3：15～25 mL/g）；Design Expert軟件（Version 8.0.6）用于進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計和數(shù)據(jù)分析；單因素試驗(yàn)采用Origin 處理。試驗(yàn)的水平因子編碼具體如表1所示。

表1 Box-Behnkens 試驗(yàn)設(shè)計水平因子編碼表Table 1 Independent variables and their levels used in the Box-Behnken design

2 結(jié)果與分析

2.1 果膠提取

所有變量的RSM 試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測值如表2所示。

表2 Box-Behnkens 試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測值Table 2 B-B experimental designs with experimental data and predicted values

表3是方差結(jié)果分析（ANOVA），表明線性項和二次項對PY、GA 含量和DE 的影響極其顯著（P<0.01）；3 個參數(shù)的失擬項不顯著，分別是0.6261，0.1108 和0.7255；對應(yīng)結(jié)果表明只有2.76%，0.52%和5.25%的數(shù)據(jù)不能被該模型解釋 （R2分別為0.9724，0.9948，0.9475）。此外，調(diào)整后的決定系數(shù)值（Adjusted R2）分別為0.9370，0.9880，0.8800，表明模型擬合度高，具有較好的預(yù)測能力[44]。

PY，GA 和DE 的二階方程，見式1～3。

表3 PY，GA 和DE 的ANOVA 分析Table 3 Analysis of variance for PY，GA content and DE of citrus peel pectin

2.1.1 過程變量對果膠PY 的影響 表2顯示果膠的提取率在12.7%（No.16，17） 和17.0%（No.5）之間。通過求解方程（1）得到最佳參數(shù)是pH 0.6、時間15.0 min 和LSR 21.0 mL/g。在此條件下，根據(jù)BBD 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)果膠的提取率為17.1%。驗(yàn)證試驗(yàn)獲得的最高PY 為（16.9±0.4）%，表明預(yù)測值和試驗(yàn)值之間存在高度擬合。方差結(jié)果分析和方程（1）表明超聲時間對果膠產(chǎn)量影響最大。圖1a，1c顯示較長的超聲時間有利于果膠的提取。在之前的報告中，較長的提取時間有利于溶劑滲透到原料中，溶解秋葵凝乳多糖，然后從原始固體物質(zhì)中擴(kuò)散出來[45]。

LSR 和pH 值是影響果膠提取率的另外2 個因素。如圖1b，1c 所示，當(dāng)LSR 從15 mL/g 增加到20 mL/g 時，提取率增加。這可能由于超聲波在系統(tǒng)中快速通過，使?jié)B透到植物細(xì)胞中的溶劑增加，加速植物材料的破碎從而提高果膠產(chǎn)量[46]。然而，當(dāng)LSR 值超過20 時，超聲波產(chǎn)生的空化作用被破壞，這可能會降低果膠產(chǎn)量[10]。圖1a顯示當(dāng)pH 值從1.5 降至0.5 時，果膠產(chǎn)量明顯增加。該結(jié)果可以解釋為提取溶劑的較低pH 直接與不溶性果膠接觸，有利于不溶性果膠成分水解成可溶性果膠，從而增加果膠提取率[47]。

2.1.2 過程變量對果膠GA 含量的影響 表2顯示GA 含量在76.6%～87.2%之間，表明果膠可以用于食品工業(yè)。方差結(jié)果分析和方程2 表明pH 值對果膠GA 含量影響最大。

圖1 PY（a～c），GA（d～f）和DE（g～i）的響應(yīng)面和等高線圖Fig.1 Effect of process variables of ultrasound-assisted extraction on the PY （a-c），GA content （d-f），and DE （g-i） of citrus peel

圖1d和1e 顯示較低的pH 值有利于產(chǎn)生具有高GA 含量的果膠，表明這種極端的提取條件（pH<1.0） 有利于不溶性果膠成分水解成可溶性果膠。在較低的pH 值下，提取液中存在更多的H+離子，有利于原果膠的水解[48]。圖1e 和1f 表明LSR 是影響果膠GA 含量的另一個變量。本研究中，隨著LSR 從15.0 mL/g 增加到21.0 mL/g，GA含量逐漸增加，當(dāng)超過這個值時，GA 含量會降低，該結(jié)果與先前報告一致[44]。

2.1.3 過程變量對果膠DE 的影響 如表2所示，柑橘果膠的DE 從37.0%（No.5）至57.9%（No.17）。方程（3）和圖1g～1i 顯示3 個變量pH 值、超聲時間和LSR 對果膠DE 值的影響逐漸降低；較高的pH 值、較低的超聲時間和LSR 有利于產(chǎn)生具有高DE 值的果膠。該結(jié)果與先前研究結(jié)果一致，研究表明用無機(jī)酸提取甜菜果膠的DE 值隨著pH 值的增加（從1 到2）而增加[49]。通常，在非?？量痰奶崛l件下（如高功率，長時間，低pH值）獲得的果膠具有低酯化度，原因在于這些條件可以增加多聚半乳糖醛酸鏈的脫酯化[50]。

2.1.4 S-UAE 法提取柑橘果膠 本研究中獲得最大果膠提取率的優(yōu)化條件是：超聲功率280 W，pH 0.6，時間15.0 min，LSR 21.0 mL/g。為了提高果膠產(chǎn)量，分別在超聲提取之前將表面活性劑如吐溫-80、吐溫-20、PEG 4000、PEG 8000、SE 和SDS加入到提取原料中。從圖2可以看出，所有表面活性劑都不同程度提高了果膠產(chǎn)量。

添加吐溫-20（6 g/L）和SDS（8 g/L）顯著提高了超聲作用下的果膠產(chǎn)量。與對照相比，添加這2種表面活性劑后，果膠提取率分別增加至26.1%和26.4%。該結(jié)果與先前的研究一致，其結(jié)果顯示添加SDS 后，超聲輔助提取香蕉皮中的果膠顯著增加[51]。表面活性劑是具有親水性頭部和疏水性尾部的兩親性分子，當(dāng)表面活性劑的濃度等于或高于其臨界膠束濃度時，將形成膠束[24]。此外，這些膠束可以溶解不同類型的親水和親脂化合物，并增強(qiáng)目標(biāo)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到膠束中，從而提高提取率和回收率[52]。

圖2 S-UAE 方法所得果膠提取率Fig.2 Pectin yields by surfactant-mediated ultrasound-assisted extraction （S-UAE）

2.1.5 CE，UAE 和S-UAE 提取果膠的比較 為比較CE，UAE 和S-UAE （SDS，8 g/L）3 種方法所提取果膠的特性，在該工作中測定果膠提取率（PY）、GA 含量、DE 值和平均分子質(zhì)量（Mw）。如表4所示，使用UAE 法獲得的果膠提取率（16.9%）低于CE 提取率（22.5%），表明單獨(dú)使用UAE 沒有顯示出比CE 更高的提取效率。然而，S-UAE 的PY 增加至26.4%，比單獨(dú)使用超聲提高55.0%，這意味著S-UAE 顯著提高了果膠產(chǎn)量。此外，UAE或S-UAE 的GA 含量遠(yuǎn)高于CE，表明該果膠具有較高的品質(zhì)，在食品工業(yè)中添加具有優(yōu)勢[19]。

表4 不同方法提取柑橘果膠的品質(zhì)分析Table 4 The effects of different extraction methods on the qualitative and quantitative characteristics of extracted citrus pectin

在UAE/S-UAE 果膠中檢測到DE 值低于傳統(tǒng)法中提取的果膠，這意味著使用UAE 法中較低的pH（0.6）有利于果膠的脫酯化。如圖3和表4所示，UAE（142.2 ku）獲得的果膠的Mw 與CE（137.1 ku）相似。該結(jié)果與先前的報道不一致，該研究顯示UAE 的果膠Mw （279.47 ku） 低于CE（385.55 ku）[53]。這種不一致性可以解釋為該研究中的傳統(tǒng)法提取條件（90 ℃，pH 1.0，180 min）與先前研究條件（80 ℃，pH 1.5，90 min）有所不同。表4顯示經(jīng)S-UAE（180.9 ku）制備的果膠Mw 高于單獨(dú)UAE（142.2 ku）方法，這意味著在S-UAE 過程中更多的生物大分子保持完整。本研究中，所得柑橘果膠的Mw 在8～103ku 范圍內(nèi)，這與之前的研究報道一致[54]。

與CE 法相比，UAE 或S-UAE 法提取的果膠的產(chǎn)量和理化性質(zhì)發(fā)生了很大變化，這些新方法耗時相對較短，提取率較高，節(jié)能效果顯著。

2.1.6 提取后殘留物的SEM 分析 圖4為采用不同方法提取后的柑橘皮殘余物的SEM 圖像?？梢?，未處理的果皮樣品的結(jié)構(gòu)光滑、緊湊（圖4a），而經(jīng)過酸法提膠后，生物質(zhì)變得松散、分解，且在處理后有更多的纖維暴露（圖4b）。圖4c和圖4d可知，采用UAE 提取后橘皮剝落且多孔，S-UAE提取后皮渣受到更嚴(yán)重的損害。原因在于超聲能量滲透到殘留物和溶劑中，引起溫度和內(nèi)部壓力的快速升高，超聲刺激顯著破壞了微結(jié)構(gòu)，相關(guān)化合物迅速從內(nèi)部植物材料釋放到外部環(huán)境，故可顯著提高果膠的提取率[10]。

圖4 果膠提取前、后柑橘皮粉的掃描電鏡圖像Fig.4 Scanning electron micrographs of citrus peel powder before and after pectin extraction

2.2 酰胺化改性

酰胺化過程中存在3 種反應(yīng)，即氨解反應(yīng)、水解反應(yīng)和β-消除反應(yīng)。氨解反應(yīng)使得-CONH2增加（對應(yīng)的是目標(biāo)產(chǎn)物ALMP 增加），水解反應(yīng)導(dǎo)致-COOH 增加，二者的實(shí)質(zhì)是脫酯過程，使反應(yīng)物的酯化度下降，故可統(tǒng)稱為脫酯反應(yīng)；β-消除反應(yīng)是由于產(chǎn)生雙鍵導(dǎo)致果膠鏈斷裂，使得分子質(zhì)量變小。前期研究表明，同一醇濃度下，氨水濃度增加可降低水解、提高氨解，并且在較高的醇濃度條件下，即便氨水濃度較小，也可最大限度地抑制水解反應(yīng)，從而保證氨解反應(yīng)充分進(jìn)行；醇濃度的增加，可以在一定程度上抑制β-消除反應(yīng)，保留反應(yīng)物的分子質(zhì)量，然而脫酯速率降低，脫酯程度相對較小；一定范圍的低溫條件下，高濃度氨水可將β-消除反應(yīng)控制在較小程度，所得產(chǎn)品特性黏度高、DA 值大[28，31，55]。改性過程的一級反應(yīng)速率方程是K=t-1·ln（C0/C）（C0為初始DE 值，C 為在t 分鐘時的DE 值）；NH4OH 在氨醇復(fù)合體系液中存在的動態(tài)平衡是NH3+H2O?NH4++OH-。因此，要獲得理想的目標(biāo)產(chǎn)物ALMP，在綜合反應(yīng)體系里，必須精準(zhǔn)調(diào)控好氨醇比例及其濃度、反應(yīng)溫度、時間、pH 值和果膠質(zhì)量濃度等變量。

2.2.1 反應(yīng)溫度的影響 固定果膠質(zhì)量濃度15 g/L、反應(yīng)體系pH 11，在不同溫度下進(jìn)行酰胺化反應(yīng)。由圖5可知，隨著溫度升高，DA 值增大（甲酯基團(tuán)逐步被胺基取代）；同時隨著時間延長，由于存在水解反應(yīng)和β-消除反應(yīng)，產(chǎn)品的黏度降低，DE 值下降。本研究選取酰胺化反應(yīng)溫度10℃：1）更低的反應(yīng)溫度，如5 ℃所需能耗大；2）3 h內(nèi)可將DA 值增加到20%左右，便于連續(xù)化生產(chǎn)；3）果膠分子質(zhì)量的降解程度較小。

2.2.2 pH 值的影響 固定果膠質(zhì)量濃度15 g/L、反應(yīng)溫度10 ℃，在不同pH 值下進(jìn)行酰胺化反應(yīng)。由圖6可知，隨著pH 值的升高，DA 值增大；在不同pH 值條件下黏度下降比在不同溫度條件下的降低趨勢平緩，主要原因是低溫抑制了β-消除反應(yīng)。本研究選取pH 11.5 作為酰胺化的反應(yīng)條件：1）DA 值升高較快，縮短反應(yīng)時間；2）節(jié)約反應(yīng)原料，降低生產(chǎn)成本；3）減少反應(yīng)過程對果膠分子質(zhì)量的破壞。

2.2.3 果膠質(zhì)量濃度的影響 固定反應(yīng)溫度10℃、反應(yīng)體系pH 11.5，在不同果膠質(zhì)量濃度下進(jìn)行酰胺化反應(yīng)。由圖7可知，隨著果膠質(zhì)量濃度升高，DA 值逐漸下降，體系黏度隨之上升導(dǎo)致反應(yīng)進(jìn)度下降；同時，隨著反應(yīng)時間的延長，DA 值上升逐漸放緩。本研究選取果膠質(zhì)量濃度20 g/L 作為酰胺化的反應(yīng)條件：1）反應(yīng)比較充分，有利于目標(biāo)產(chǎn)物生成；2）果膠分子質(zhì)量破壞程度較??；3）有利于后續(xù)的濃縮，節(jié)約酒精用量并降低能耗。

2.2.4 產(chǎn)品品質(zhì)分析 在氨醇復(fù)合體系氨水濃度3～4 mol/L，異丙醇體積分?jǐn)?shù)50%～60%，反應(yīng)溫度10 ℃，pH 11.5，果膠質(zhì)量濃度20 g/L 以及反應(yīng)時間100～180 min 條件下，可獲得不同類型的酰胺化產(chǎn)品，分析得到其相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)如下：酰胺化度（DA）13%～22%、酯化度（DE）29%～39%、半乳糖醛酸（GA）含量69%～84%、黏度136～172 mPa·s、平均分子質(zhì)量（Mw）148～173 ku。

圖5 反應(yīng)溫度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響Fig.5 Reaction temperature effects on the product quality

圖6 反應(yīng)pH 值對產(chǎn)品質(zhì)量的影響Fig.6 Reaction pH value effects on the product quality

2.3 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

當(dāng)前，國內(nèi)果膠生產(chǎn)企業(yè)在提取后液固分離、大批量連續(xù)化生產(chǎn)以及酰胺化精準(zhǔn)調(diào)控等方面存在以下瓶頸：1）高固含、高黏度渣液分離耗時長，果膠損耗高，處理量少；2）高濃度果膠液的濃縮和離析洗滌難以實(shí)現(xiàn)大處理量、連續(xù)化生產(chǎn)；3）酰胺化精準(zhǔn)改性調(diào)控及規(guī)模化制備幾乎被國外壟斷。

“十二五”以來，在柑橘果膠加工領(lǐng)域，本課題組與戰(zhàn)略合作企業(yè)建立了“一級臥螺分離+二級蝶式分離+高濃度濃縮+離析純化”技術(shù)模式，實(shí)現(xiàn)高效和連續(xù)化生產(chǎn)，綜合生產(chǎn)效率提高15%以上。主要取得了以下幾個方面的重點(diǎn)突破：1） 實(shí)現(xiàn)了高固含、高黏度渣液多級分離產(chǎn)業(yè)化（廢渣水分含量降至85%，分離處理量提升2 倍至150 m3/h，果膠分離損耗降低1.5 個百分點(diǎn)以上）；2） 通過組合、優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了大流量高濃度果膠液濃縮和離析洗滌產(chǎn)業(yè)化的精準(zhǔn)控制和大處理量連續(xù)化生產(chǎn)，日處理柑橘干皮渣達(dá)33 t（可獲得柑橘高酯果膠約6 t）；3） 建成達(dá)到世界先進(jìn)水平的酰胺化果膠生產(chǎn)線（年生產(chǎn)能力1 000 t），通過工藝參數(shù)改進(jìn)優(yōu)化并協(xié)同關(guān)鍵裝備創(chuàng)新，研發(fā)了系列具有不同凝膠、鈣敏和流變學(xué)特性的酰胺化柑橘果膠產(chǎn)品，達(dá)到國外同型號產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；打破了國外技術(shù)封鎖和產(chǎn)品市場壟斷。

圖7 果膠質(zhì)量濃度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響Fig.7 Pectin mass concentration effects on the product quality

3 結(jié)論與討論

采用Box-Behnken 設(shè)計研究超聲提取變量（pH 值、時間和LSR）對柑橘果膠提取率（PY）、GA含量和DE 值的影響，結(jié)果表明，PY，GA 和DE 分別為12.7%～17.0%，76.6%～87.2%和37.0%～57.9%；果膠提取的最佳條件為超聲功率280 W，pH 0.6，時間15 min 和LSR 21.0 mL/g，提取率最大值僅為17.1%。在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)添加表面活性劑（SDS，8 g/L）后的超聲輔助提?。⊿-UAE），與傳統(tǒng)方法相比，對提取果膠的量和質(zhì)都有積極作用，具有較高的PY（26.4%）、GA 含量（78.2%）、DE 值（45.5%）和Mw（180.9 ku）。該研究中，S-UAE 表現(xiàn)出傳統(tǒng)方法所不具備的一些優(yōu)勢，例如：耗時相對較短，產(chǎn)量更高，質(zhì)量更好，節(jié)能效果顯著；因此，S-UAE 是一種高效且具有成本效益的提取方法。下階段的重點(diǎn)任務(wù)是產(chǎn)業(yè)化適用的改造與提升。

同時，以獲得的柑橘高酯果膠為原料，研究反應(yīng)溫度、pH 值和果膠質(zhì)量濃度對酰胺化產(chǎn)品質(zhì)量的影響；結(jié)果表明，在溫度10 ℃，pH 11.5 和果膠質(zhì)量濃度20 g/L 的條件下反應(yīng)100～180 min，獲得不同類型的酰胺化產(chǎn)品，其DA 值（13%～22%）、DE 值（29%～39%）、GA 含量（69%～84%）、黏度（136～172 mPa·s）、Mw（148～173 ku），符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。下一步應(yīng)聚焦ALMP 的功能性質(zhì)、個性化產(chǎn)品及其工業(yè)化生產(chǎn)的精準(zhǔn)控制與大批量連續(xù)生產(chǎn)，做更為深入和系統(tǒng)的研究。