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摘要：以石榴（Punica granatum L.）皮渣为原料，超声波辅助酸溶醇沉提取果胶，优化超声辅助提取石榴果胶的条件，为进一步开发利用石榴加工副产物提供依据。在单因素基础上，采用正交试验分析提取温度、提取时间、料液比、水酸比对果胶得率的影响。结果表明，在超声波频率为45 GHz下，提取温度55 ℃，提取时间75 min，水酸比为6∶1（mL∶mL）加入2 mol/L的亚硫酸，料液比1∶50（g∶mL），果胶得率达到34.41%。超声波辅助法提取石榴皮渣中果胶，得率较高，有开发价值。
关键词：石榴（Punica granatum L.）皮渣；果胶；超声波提取
中图分类号：TS255.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）07-0100-04
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.07.023
Optimization of Ultrasonic-Assisted Extraction of Pectin from Pomegranate Pomace by Orthogonal Experiments
MENG Fan-lei1，SUN Le-le2，ZHANG Li-hua2
（1.Zao Zhuang Vocational College，Zaozhuang 277800，Shandong，China；2.Zao Zhuang University，Zaozhuang 277160，Shandong，China）
Abstract： Ultrasonic-assisted extraction of acid-solution and alcohol precipitation was applied to extract pectin from pomegranate（Punica granatum L.） pomacel. The optimum conditions of ultrasonic-assisted extraction of pectin from pomegranate pomacel were determined and provided basis for further exploitation of by-products in pomegranate processing. Based on single factor test，orthogonal experiments were designed to optimize the influences of extracting temperature，extracting time，the ratio of solid to liquid and water to acid on the pectin yield. Results showed that at the ultrasonic frequency of 45 GHz，extracting temperature of 55 ℃， an extraction time of 75 min，water-acid ratio of 6∶1（mL∶mL），the add of sulphurous acid of 2 mol/L，solid-liquid ratio of 1∶50（g∶mL），the yield of pectin was 34.41%. By the study of ultrasonic-assisted extraction of pectin from pomegranate pomace，the extraction rate was high and pomegranate pomace had very high value of development and utilization.
Key words： pomegranate（Punica granatum L.） pomace；pectin；ultrasonic-assisted extraction
果胶是一类富含半乳糖醛酸的植物细胞壁多糖的总称[1]，廣泛存在于植物细胞壁的初生壁和细胞中间片层[2]。果胶是一种极具价值的水溶性膳食纤维，具有降血脂、降胆固醇、抗辐射、吸附重金属离子、润肠通便等作用，还可被大肠中的肠道菌群发酵生成短链的脂肪酸，降低肠道pH，杀死有害菌，并促进有益菌增殖[3]，也有研究表明果胶能够起到预防癌症的作用[4]。果胶作为天然食品添加剂和保健品，已广泛应用于食品、医药保健品和一些化妆品中。目前，国内的果胶需求量在5 000 t/年左右，其中80%来自进口，国内果胶生产能力不足，且产品质量较进口果胶要差，商业化生产果胶的原料主要是柑橘皮及苹果皮[5]。此外，有大量研究从豆腐柴[6]、香蕉皮[7]、向日葵[8]、甘薯[9，10]及薜荔籽[11，12]等副产物中提取果胶。根据不完全统计，中国石榴（Punica granatum L.）栽植总面积共6.7万hm2，居于世界第一位[13]，其中山东枣庄的石榴种植规模最大，种植面积约1万hm2，品种50多个，年产量约68 000 t。石榴果皮、根、花皆可入药，同时石榴果实除直接食用外，还被用来加工成石榴汁、石榴酒，石榴被加工后，产生10%～15%的皮渣，多被直接遗弃，其中含有较高比例的果胶，造成了资源浪费和环境污染。目前，有关石榴皮渣的果胶提取研究较少，本研究利用酸提取法，辅以超声波技术，根据单因素试验结果，通过正交试验，对石榴皮渣的果胶提取工艺进行优化，确定最优提取工艺，为石榴资源的充分利用提供试验依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
石榴皮渣由枣庄石榴加工企业提供，亚硫酸、氢氧化钠、无水乙醇（均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司），广泛pH试纸（上海三爱思试剂有限公司）。
1.2 仪器与设备
TDL-40B型台式离心机（上海安亭科学仪器厂）；DHG-9141A型电热恒温干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；YP2002型电子天平、FA1104型分析天平（上海越平科学仪器有限公司）；KS-300EI型超声波清洗机 （宁波海曙科生超声设备有限公司）；RE52CS-1型旋转蒸发器（上海亚荣生化仪器厂）；SHZ-DⅢ型循环水真空泵（巩义市予華仪器有限责任公司）。
1.3 方法
1.3.1 工艺流程 原料预处理→超声波辅助酸液提取→尼龙布过滤→粗滤液→离心分离→上清液→浓缩→醇沉→静置→离心分离→烘干→石榴皮渣果胶。
1）原料预处理：取石榴皮渣于干燥箱内低温烘至恒质量，将干燥后的石榴皮渣粉碎后，过200目筛。
2）果胶提取：取一定量石榴皮渣粉末，按照一定的料液比、水酸比，加入质量浓度为2 mol/L的亚硫酸，摇匀，置于40 kHz的超声波清洗器中，在一定温度下处理一段时间，经过80目尼龙布的过滤，取粗滤液进行离心，4 000 r/min离心20 min，取上清液，提取的上清液在蒸发仪上进行浓缩，浓缩至适宜体积后用70%的乙醇溶液漂洗3次，最终获得棉絮状沉淀，并在55 ℃的恒温干燥箱中烘至无水的干燥状态，进行称量。
1.3.2 单因素试验 考察料液比、水酸比、提取温度和提取时间对果胶得率的影响，通过单因素试验选取正交试验的因素和水平，每组试验重复3次。
1）提取温度对果胶得率的影响：称取石榴皮渣粉末2.000 g，设定提取温度为25、35、45、55、65 ℃，提取时间为45 min，提取溶剂水酸比为25∶1（mL∶mL，下同），其中亚硫酸的浓度为2 mol/L，料液比为1∶30（g∶mL，下同），按照“1.3.1”的方法进行提取和测定。
2）提取时间对果胶得率的影响：称取石榴皮渣粉末2.000 g，设定提取温度为45 ℃、提取时间为15、30、45、60、75 min，提取溶剂水酸比为25∶1，其中亚硫酸浓度为2 mol/L，料液比为1∶30，按照“1.3.1”的方法进行提取和测定。
3）水酸比对果胶得率的影响：称取石榴皮渣粉末2.000 g，设定提取温度为45 ℃、提取时间为45 min，提取溶剂水酸比为60∶1、60∶5、60∶9、60∶13、60∶17，其中亚硫酸浓度为2 mol/L，料液比为1∶30，按照“1.3.1”的方法进行提取和测定。
4）料液比对果胶得率的影响：称取石榴皮渣粉末2.000 g，设定提取温度为45 ℃、提取时间为45 min，提取溶剂水酸比为25∶1，其中亚硫酸的浓度为2 mol/L，料液比为1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60，按照“1.3.1”的方法进行提取和测定。
1.3.3 正交试验设计 在单因素试验的基础上，以提取温度、提取时间、水酸比、料液比4个因素的3个水平，按照L9（34）正交表设计正交试验，因素水平如表1所示。
1.3.4 果胶得率计算
得率=■×100%
式中，M1为石榴皮渣粉末的质量（g）；M2为果胶的质量（g）。
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果
2.1.1 提取温度对石榴皮渣果胶得率的影响 由图1可知，提取温度较低时，会使石榴皮渣果胶无法完全转移到提取液中，得率也较低；随着温度逐渐升高，果胶的提取效率会增加，果胶得率随之增加；在提取温度55 ℃时达到最大，但随着温度继续升高，果胶得率会有所下降，可能过高的温度会破坏果胶。
2.1.2 提取时间对石榴皮渣果胶得率的影响 由图2可知，提取时间过短，石榴皮渣果胶无法充分地转移到提取液中，得率较低；随着提取时间的延长，果胶得率会随之增加；当提取时间达到60 min后，果胶得率基本达到稳定；提取时间在75 min时，得率稍有升高，但是升高不明显。
2.1.3 水酸比对石榴皮渣果胶得率的影响 由图3可知，加酸量较少时，石榴皮渣果胶无法充分溶解进入酸中，不利于果胶的提取；随着加酸量的增加，果胶得率随之升高；在水酸比为60∶13时，果胶得率达到最高，但是当加酸量大于这个比例的时候，可能由于果胶会被分解，得率有所下降。
2.1.4 料液比对石榴皮渣果胶得率的影响 由图4可知，料液比过高的时候，石榴皮渣果胶不能被充分提取出来，可能是果胶无法充分溶解于酸液中，随着料液比的减小果胶得率上升，当料液比达到1∶50时，果胶得率趋于平稳，故综合考虑到能耗，采用料液比为1∶50的条件更为合适。
2.2 正交试验结果
正交试验结果如表2所示，极差的大小顺序为C>A>D>B，即水酸比>提取温度>料液比>提取时间。这说明，水酸比和提取温度是影响果胶得率的最主要因素，而料液比和提取时间是影响果胶得率的次要因素。从试验结果来看，A3B1C3D2的组合效果最好，果胶得率达到33.88%。从正交试验结果的水平上看，A3B3C3D2的组合最好。将两种组合按照酸法提取果胶，计算提取液中果胶含量，结果取平均值来进行放大试验验证。结果表明，A3B1C3D2组合的平均果胶得率为33.12%，A3B3C3D2组合的平均果胶得率为34.41%。
3 讨论
果胶在提取过程中主要受提取时水酸比、提取温度、料液比和提取时间的影响，其中水酸比的影响作用更大，随着酸量的增加，果胶的提取效率增加，但是酸量过少时，会导致果胶不稳定，进而分解成果胶酸，使得得率下降；加酸量过多时，提取液中酸液浓度过高导致果胶质水解，得到的果胶会被进一步脱酯裂解，且过滤时容易随溶液而滤掉，产品的回收率降低，同时也使得果胶色泽加深[14]。
关于提取时间的影响，当超声波功率一定时，超声波处理时间与组织细胞中细胞壁的破碎程度有关，时间缩短，则超声波产生的能量也就越小，在溶液中形成的空化现象减少，对细胞壁的破坏程度减小，使得细胞内溶出原果胶的量相对减少，减少了果胶的提取效果；时间延长，超声波作用产生的能量也就越大，有利于溶液中空穴的形成，产生更多的空穴泡，使细胞结构破坏，易于原果胶溶出，增强了果胶的提取效果，使提取液中果胶含量升高[15]。
关于料液比的影响，它决定了溶液的黏稠度，超声波在对材料进行破壁操作时，能否形成空穴现象受液体黏稠度的影响。料液比较小时，液体的黏度较大，不易形成空穴泡和冲击波压力，并且由此引起的剪切应力较小，不足以使细胞内液体发生流动，对细胞的破碎程度相应较小，不能保证植物组织中的果胶质完全转移到溶液中，造成提取不彻底，得率低；料液比较大时，液体黏度较低，形成的空穴和冲击波压力利于细胞壁中原果胶等有效成分的释放，但是当料液比增大到一定值时，溶液中所增加的从细胞壁释放出来的原果胶量不如初始提高料液比时的大，再者，料液比太大，溶液中的果胶浓度低，后续处理时会提高操作的能耗和费用，造成不必要的浪费[15]。
关于提取温度的影响，原果胶水解为水溶性果胶需要在一定的温度下才能进行，温度太低，只有部分原果胶转化为果胶，水解不完全，产量较低，且提取速度小，提取时间长，再者由于提取果胶时pH相对较低，长时间在此条件下，果胶还会过度脱醋，降低果胶的胶凝度，影响其品质；将提取温度升高，可以加速原果胶的水解，使不溶性的果胶彻底转化为水溶性的果胶，并且能够缩短提取时间，降低生产成本，但是由于果胶的耐热性较差，所以在过高温度下提取时，会使生成的果胶因为水解程度剧烈而进一步降解成果胶酸，导致产量下降[16]。
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