酸水解法提取柑橘皮果胶的工艺优化

酸水解法提取柑橘皮果胶的工艺优化
李殿怡; 豆颜雨; 王艺会; 邵美丽; 袁海龙; 李杰
【期刊名称】《《化学与生物工程》》
【年(卷),期】2019(036)010
【总页数】5页(P51-54,68)
【关键词】柑橘皮; 果胶; 酸水解法; 提取工艺; 优化
【作者】李殿怡; 豆颜雨; 王艺会; 邵美丽; 袁海龙; 李杰
【作者单位】南阳理工学院生物与化学工程学院河南南阳 473004
【正文语种】中文
【中图分类】R284.2
随着农业产业化的发展，我国柑橘栽培面积逐年扩大[1-2]。

柑橘皮是利用柑橘生
产果汁的副产品，柑橘皮含有丰富的果胶成分，主要是高酯果胶和低酯果胶[3-6]。

果胶是一种支链多糖，大多由半乳糖、糖醛酸和阿拉伯聚糖组成。

天然果胶主要以原果胶、果胶酸的形态存在于植物的细胞壁和细胞内层，具有将细胞粘合在一起的作用，在各种水果中约占植物纤维的40%[7]。

纯果胶外观呈白色至黄褐色，无臭，轻微特异性气味。

由于果胶具有很好的凝聚性和乳化稳定性，在食品、医药、日化等行业被广泛应用[8-10]。

果胶的提取方法有酸法[11]、离子交换法[12]、微生物法[13-14]等。

近年来，为
提高果胶质量和收率，研究人员努力开发提取新技术，并取得了一定成就[15]。

我
国果胶资源丰富，尚未充分开发利用，年产量低且价格昂贵，而目前市场上对高质量果胶的需求量较高。

因此，研发操作简单、成本低的果胶提取新工艺是亟待解决的课题[16]。

考虑到柑橘皮中存在的钙盐果胶、镁盐果胶均不溶于稀酸液，故在稀酸液中加入适量的六偏磷酸，通过六偏磷酸与Ca2+、Mg2+作用生成络合物发生“屏蔽”，将与其结合的果胶分子游离出来，提高收率[17]。

鉴于此，作者采用酸水解法提取柑橘皮果胶，探讨液料比、pH值、提取温度、提取时间等因素对柑橘皮果胶提取率的影响；在此基础上，进行4因素4水平正交实验，对提取工艺进
行优化，以期为提高柑橘资源的附加值提供理论参考[17-18]。

1 实验
1.1 原料、试剂与仪器
柑橘皮。

无水乙醇、乙醚、氢氧化钠、醋酸、氯化钙等均为分析纯。

酸度计，电子天平，恒温水浴锅，离心机，电热恒温鼓风干燥箱等。

1.2 酸水解法提取柑橘皮果胶
工艺流程：原料预处理→酸法提取→浓缩→陈化→煮沸→过滤→95%乙醇洗涤→
干燥→成品。

原料预处理：称取新鲜柑橘皮20 g(干品为8 g)，用清水洗净，放入250 mL烧杯中，加120 mL水，加热至90 ℃，保温5～10 min；冷却后切成3～5 mm大小，用50 ℃左右的热水漂洗数次，每次漂洗后都要用尼龙布挤干，再进行下一次漂洗，直至水无色，皮无异味；低温干燥，备用。

操作步骤：取果胶提取液45 mL，过滤后用旋转蒸发仪浓缩至15 mL，置于500 mL烧杯中，加入100 mL 0.1 mol·L-1的氢氧化钠溶液，静置30 min；然后加入50 mL 1 mol·L-1的醋酸，静置5 min；再在搅拌下缓缓加入25 mL 1 mol·L-1
的氯化钙溶液，静置60 min，进行陈化；加热煮沸5 min，趁热过滤；最后用95%
的乙醇洗涤至洗出液无色为止；将滤渣同滤纸一起放入坩埚中，在(45±5) ℃的烘箱中干燥至恒重，按下式计算果胶提取率(以果胶酸计)：
式中:m1为果胶酸钙、滤纸及坩埚质量，g；m2为滤纸及坩埚的质量，g；m为样品质量，g；V1为果胶提取液测定体积，mL；V为果胶提取液总体积，mL；
0.923 3为果胶酸钙换算为果胶酸时的换算系数，果胶酸钙C17H22O11Ca的钙含量约7.67%、果胶酸含量约92.33%。

1.3 工艺优化
1.3.1 单因素实验
固定其它条件不变，分别考察液料比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1，mL∶g，下同)、pH值(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0)、提取温度(50 ℃、60 ℃、
70 ℃、80 ℃、90 ℃)、提取时间(30 min、60 min、90 min、120 min、150 min)对柑橘皮果胶提取率的影响，每个实验重复3次，取平均值。

1.3.2 正交实验
在单因素实验的基础上，以果胶提取率为评价指标，设计4因素4水平L16(45)正交实验，其因素与水平见表1。

表1 正交实验的因素与水平
Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiments水平因素A.液料比mL∶gB.pH值C.提取温度℃D.提取时间
min110∶12.08090225∶12.56060320∶11.09030415∶11.570120
2 结果与讨论
2.1 单因素实验结果
2.1.1 液料比对果胶提取率的影响
在提取时间为90 min、提取温度为80 ℃、pH值为1.5的条件下，考察液料比对
果胶提取率的影响，结果如图1所示。

图1 液料比对果胶提取率的影响Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on extraction rate of pectin
从图1可知，随着液料比的增大，果胶提取率先升高后降低，在液料比为20∶1
时达到最高。

这是因为，当液料比小于20∶1时，由于水太少，柑橘皮不能全部
溶于水溶液中，导致提取率不高；当液料比大于20∶1时，提取液中所含果胶浓
度太低，提取困难，导致提取率下降。

2.1.2 pH值对果胶提取率的影响
在提取时间为90 min、液料比为20∶1、提取温度为80 ℃的条件下，考察pH
值对果胶提取率的影响，结果如图2所示。

图2 pH值对果胶提取率的影响Fig.2 Effect of pH value on extraction rate of pectin
从图2可知，随着pH值的增大，果胶提取率先升高后降低，在pH值为1.5时达到最高。

这是因为，半乳糖醛酸基之间的化学键是相当耐酸的，当pH值低于1.0时，果胶发生去酯反应，致使果胶降解，提取率下降；当pH值在 1.0～1.5时,柑橘皮中不可溶性原果胶转变为可溶性果胶，随着pH值的增大，提取率逐渐升高，此时果胶色浅；当pH值高于2.0时，果胶不稳定，开始降解，导致提取率下降。

2.1.3 提取温度对果胶提取率的影响
在提取时间为90 min、液料比为20∶1、pH值为1.5的条件下，考察提取温度对果胶提取率的影响，结果如图3所示。

图3 提取温度对果胶提取率的影响 Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of pectin
从图3可知，随着提取温度的升高，果胶提取率先升高后降低，在提取温度为80 ℃时达到最高。

这是因为，提取温度升高，使得柑橘皮中不溶于水的原果胶发生溶解，
提取率相应升高；但提取温度过高，柑橘皮中果胶发生水解，引起果胶结构破坏而被糊化，导致果胶降解，提取率下降。

2.1.4 提取时间对果胶提取率的影响
在液料比为20∶1、提取温度为80 ℃、pH值为1.5的条件下，考察提取时间对果胶提取率的影响，结果如图4所示。

图4 提取时间对果胶提取率的影响Fig.4 Effect of extraction time on extraction rate of pectin
从图4可知，随着提取时间的延长，果胶提取率先升高后降低，在提取时间为90 min时达到最高。

这是因为，提取时间过短，果胶不能完全被提取出来，导致提取率较低；延长提取时间，有利于柑橘皮中原果胶迅速溶解，使得提取率升高；但提取时间过长，柑橘皮中的果胶被氢离子解酯、裂解，导致提取率下降。

2.2 正交实验结果
在单因素实验的基础上，进行L16(45)正交实验，结果见表2。

表2 正交实验结果与分析
Tab.2 Results and analysis of orthogonal experiments序号ABCD空列提取率
/%1111114.102122221.9231333312.434144443.485212348.146221435.357 234127.6382432113.9693134213.2810324317.90113312418.2212342135.2 713414234.8214423144.2415432418.6516441329.82k1
5.4827.8559.3725.3108.652k2 8.7704.8535.9959.7308.162k3
11.16811.73210.9789.5726.968k4
6.8838.1335.957
7.690
8.520R5.6866.8795.0214.4201.684
从表2可知，各因素对果胶提取率的影响大小依次为：pH值>液料比>提取温度>提取时间，最优工艺组合为A3B3C3D2。

考虑到D2与D3相差不大，加热30
min比加热60 min的能耗要小，因此，确定最优工艺条件为A3B3C3D3，即液
料比20∶1、pH值1.0、提取温度90 ℃、提取时间30 min。

正交实验的方差分析见表3。

表3 正交实验的方差分析
Tab.3 Variance analysis of orthogonal experiments变异来源ssdfS2FFa显著性
A77.759324.25310.301F0.05(3,3)=9.280∗B96.021332.00713.595∗C75.67332 5.22410.714∗D51.100317.0337.236误差7.06332.354总变异302.61615
从表3可知，液料比、pH值、提取温度对果胶提取率影响显著，提取时间影响不显著。

在最优工艺条件下进行3次验证实验，果胶提取率平均值为18.93%，变异系数为3%，与正交实验中的最大提取率18.22%相差不大，而且稳定性较好，所得果胶
色泽更浅。

表明所优化的酸水解法提取柑橘皮果胶的工艺条件可行。

3 结论
在单因素实验的基础上，以果胶提取率为评价指标，以液料比、pH值、提取温度、提取时间为考察因素，通过L16(45)正交实验确定酸水解法提取柑橘皮果胶的最优工艺条件为：液料比20∶1(mL∶g)、pH值1.0、提取温度90 ℃、提取时间30 min，此时提取率可达18.93%。

该研究为提高柑橘资源的附加值提供了理论参考。

相关职能部门应积极行动起来，出台相关针对性扶持政策，促进果胶生产企业的创新发展。

参考文献：
【相关文献】
[1] 王大鹏.中国柑橘出口现状及对策研究——基于出口国家或地区角度[J].北方经贸,2019(2):17-19.
[2] 沈兆敏.我国柑橘生产现状及未来发展预测[J].果农之友,2019(2):1-4.
[3] 李继伟,任璇,周绍庆,等.柑橘皮黄酮石灰水提取工艺及果胶去除效果的研究[J].食品研究与开
发,2019,40(10):101-104.
LI J W,REN X,ZHOU S Q,et al.Study on flavonoids extraction process from citrus peels by lime water method and the efficiency of pectin removing in the process[J].Food Research and Development,2019,40(10):101-104.
[4] 肖凯,赵良忠,尹乐斌,等.柑橘类皮渣综合利用研究进展[J].邵阳学院学报(自然科学
版),2013,10(3):73-78.
XIAO K,ZHAO L Z,YIN L B,et al.Advances in comprehensive utilization of citrus
pomace[J].Journal of Shaoyang University(Natural Science Edition),2013,10(3):73-78. [5] 王远,郑雯,蔡珺珺,等.辣木叶黄酮结构分析及其对胰脂肪酶的抑制作用[J].食品科
学,2018,39(2):31-37.
WANG Y,ZHENG W,CAI J J,et al.Structural analysis and anti-pancreatic activity of flavonoids from Moringa oleifera Lam.leaves[J].Food Science,2018,39(2):31-37.
[6] COLODEL C,VRIESMANN L C,TEOFILO R F,et al.Extraction of pectin from ponkan(Citrus reticulata Blanco cv.Ponkan) peel:optimization and structural
characterization[J].International Journal of Biological Macromolecules,2018,117:385-391.
[7] 洪亚男.豆腐柴叶果胶的提取及其理化特性研究[D].杭州:浙江工商大学,2018.
HONG Y N.Extraction and characterization of pectin from Premna microphylla Turcz leaves[D].Hangzhou:Zhejiang Gongshang University,2018.
[8] PAGLIARO M,CIRIMINNA R,FIDALGO A M A,et al.Pectin production and global market[J].Agro Food Industry Hi Tech,2016,27(5):17-20.
[9] APOVIAN C M.Obesity:definition,comorbidities,causes,and burden[J].American Journal of Managed Care,2016,22(S7):176-185.
[10] 李英华,朱威.果胶的抗肿瘤活性研究进展[J].世界科学技术-中医药现代化,2014,16(2):442-447. LI Y H,ZHU W.Progress on anti-tumor activity of pectin[J].World Science and Technology-Modernization of Traditional Chinese Medicine,2014,16(2):442-447.
[11] 任秋慧,卢韵朵,廖鲜艳,等.酸法提取苹果渣中的果胶及其性质分析[J].中国酿造,2018,37(1):86-91.
REN Q H,LU Y D,LIAO X Y,et al.Extraction of pectin from apple pormace by acid and analysis of its property[J].China Brewing,2018,37(1):86-91.
[12] 顾焰波,陈冬年,倪秋萍,等.离子交换法提取香蕉皮果胶工艺研究[J].广东农业科
学,2013,40(14):111-112.
GU Y B,CHEN D N,NI Q P,et al.Study on extraction of pectin from banana peel with ion-exchange method[J].Guangdong Agricultural Science,2013,40(14):111-112.
[13] 李继伟,任璇,李媛,等.SDS-微波协同碱法提取柑橘皮渣黄酮的研究[J].应用化
工,2017,46(9):1709-1712.
LI J W,REN X,LI Y,et al.Study on flavonoids extraction from citrus peels by alkali method assisted by SDS and microwave treatment[J].Applied Chemical Industry,2017,46(9):1709-1712.
[14] 李英,郭宗明,李立红,等.草酸铵法提取冬瓜皮果胶及其理化性质研究[J].食品研究与开
发,2017,38(20):47-50.
LI Y,GUO Z M,LI L H,et al.Ammonium oxalate extraction and analysis of physicochemical property of pectin from wax gourd peel[J].Food Research and
Development,2017,38(20):47-50.
[15] 李萍,汪青青,闫静坤,等.超声波辅助酸法提取陈皮中果胶的工艺优化[J].天津农学院学
报,2017,24(3):79-84.
LI P,WANG Q Q,YAN J K,et al.Optimization on ultrasonic-assisted acid extraction of pectin from tangerine peel[J].Journal of Tianjin Agricultural College,2017,24(3):79-84.
[16] 谢明勇,李精,聂少平.果胶研究与应用进展[J].中国食品学,2013,13(8):1-14.
XIE M Y,LI J,NIE S P.A review about the research and application of pectin[J].Chinese Food Science,2013,13(8):1-14.
[17] 沈锐,赵壮志,李磊,等.火龙果皮中果胶的提取工艺优化及理化性质分析[J].食品研究与开
发,2018,39(12):71-78.
SHEN R,ZHAO Z Z,LI L,et al.Optimization of extraction technology and physicochemical properties of pectin from peel of pitaya[J].Food Research and
Development,2018,39(12):71-78.
[18] BAYAR N,FRIJI M,KAMMOUN R.Optimization of enzymatic extraction of pectin from Opuntia ficusindica cladodes after mucilage removal[J].Food Chemistry,2018,241:127-134.。