盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究

盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 摘要 以新鲜苹果皮为原料研究果胶的提取工艺，采用传统的酸水解法进行提取，并应用盐析法沉淀分离果胶。实验结果明最佳条件为在温度90?，料液比为1:8，提取时间为1.5h，pH=2进行酸水解，在温度60?，盐用量为5mL，时间为1h，pH=5条件下进行沉淀，果胶提取率最大为11.4%。 【关键词】苹果皮;果胶;提取;盐析 Abstract To study the extraction process of pectin with fresh apple peel as raw material, Samples were extracted with the traditional acid hydrolysis, and application of precipitation separation pectin salting-out method. This experiment measured properly for 90? temperature, ratio of material and liquid was 1:8, extracting time for 1.5 h, pH value was 1.5, for the acid solution, and that measured properly for 60? temperature, the salt amount was 5 mL, Salting time is one hour, pH value was 5, for the precipitation, the largest for 11.3%. 【keywords】Apple peel;Pectin;Extract;Salting out 目录 第1章 前言 .............................................................................................................. 1 1.1 果胶的概况 .................................................................................................. 1 1.1.1 果胶的简介 ........................................................................................ 1 1.1.2 果胶的价值 ........................................................................................ 1 1.2 盐析法的简介 .............................................................................................. 1 1.3 果胶的工业现状 .......................................................................................... 2 第2章 材料与方法 .................................................................................................. 3 2.1 实验材料 ...................................................................................................... 3 2.1.1 原料与试剂 ........................................................................................ 3 2.1.2 实验仪器 ............................................................................................ 3 2.2 实验方法 ...................................................................................................... 3 2.2.1 工艺流程 ............................................................................................ 3 2.2.2 实验操作要点 ..................................................................................... 3 2.3 果胶的测定 .................................................................................................. 4 第3章 结果与分析 .................................................................................................. 6 3.1 单因素对苹果皮水解的影响实验 ............................................................... 6 3.1.1 pH对水解的影响 ............................................................................. 6 3.1.2 水解温度对果胶提取的影响.............................................................. 6 3.1.3 水解时间对果胶提取的影响.............................................................. 7 3.1.4 料液比对提取果胶的影响 ................................................................. 8 3.1.4 水解条件的优化选择 ......................................................................... 8 3.2 单因素对果胶盐析的影响实验 ................................................................... 9 3.2.1 pH对果胶盐析的影响 ........................................................................ 9 3.2.2 温度对果胶盐析的影响 ................................................................... 10 3.2.3 沉淀时间对果胶盐析的影响............................................................ 10 3.2.4 盐用量对果胶盐析的影响 ............................................................... 11 3.2.5 盐析条件的优化选择 ....................................................................... 11 第4章 结论 ............................................................................................................ 14 参考文献 ................................................................................................................. 15 致 谢 ................................................................................................................. 17 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 第1章 前言 1.1 果胶的概况 1.1.1 果胶的简介 Pectin)是一种重要的水溶性膳食纤维，属于异性分支(heterogeneous 果胶( [1]branched)多糖，存在于初级细胞壁和细胞间质内，其分子中除主链的α-D-(1，4)-半乳糖醛酸基外，还包括20%的中性多糖侧链:D-半乳糖、L-阿拉伯糖和L- [2]鼠李糖。是细胞壁的一种组成成分，伴随纤维素而存在，分子量为1—40万。果胶是一种粉末状物质，浅白色或浅黄色。 果胶是一组聚半乳糖醛酸。在适宜条件下其溶液能形成凝胶和部分发生甲氧 甲醇酯)，其主要成分是部分甲酯化的聚半乳糖醛酸。基化(甲酯化，也就是形成 残留的羧基单元以游离酸的形式存在或形成铵、钾钠和钙等盐。 按果胶的组成可有同质多糖和杂多糖两种类型:同质多糖型果胶如D-半乳聚糖、L-阿拉伯聚糖和D-半乳糖醛酸聚糖等;杂多糖果胶最常见，是由半乳糖醛酸聚糖、半乳聚糖和阿拉伯聚糖以不同比例组成，通常称为果胶酸。不同来源的果胶，其比例也各有差异。部分甲酯化的果胶酸称为果胶酯酸。天然果胶中约20%,60%的羧基被酯化。果胶的粗品为略带黄色的白色粉状物，溶于20份水中，形成粘稠的无味溶液，带负电。 1.1.2 果胶的价值 果胶是一种天然高分子化合物，具有良好的胶凝化和乳化稳定作用。果胶是一种完全无毒的天然食品添加剂，广泛用于食品工业，主要作为凝胶剂、稳定剂 [3]和增稠剂。果胶可作为食品添加剂用于果酱、果冻、点心等食品，医学上可作为重金属或放射性金属中毒的解毒剂，可用于防止血液凝固肠出血和治疗便秘等 [4,5]病症。果胶具有成膜的特性，因此可用于造纸和纺织的施胶剂。果胶和果胶的铝盐可抑制肠道对胆固醇和三酸甘油酯的吸收，可用作动脉硬化等心血管疾病 [6,7][8]的辅助治疗。也可利用酸水解法提取苹果皮渣中对人体有益的膳食纤维。 1.2 盐析法的简介 盐析法的原理是盐溶液中的盐离子带有与果胶中游离羧基相反的电荷，两种 1 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 相反电荷的电中和作用产生沉淀。利用这一特性，加氨水中和果胶溶液，加入电解质金属盐类，即产生不溶于水的果胶酸盐。经分离后，用酸化醇进行洗涤脱盐，使酸与金属离子发生置换反应生成果胶。生成的果胶不溶于醇而沉淀下来，金属 [9]离子溶于醇溶液而被洗去。盐析法的优点是生产成本低、产率高。 1.3 果胶的工业现状 由于果胶具有胶凝作用，所以常用作食品的添加剂。果胶大部分是从柑橘的 [10,11]果皮中提取，利用含果胶丰富的苹果渣作原料生产果胶，具有重要生产价值。从苹果渣中提取是刚起步，条件还不太成熟，正在探讨阶段。其提取是将果皮渣中不溶性果胶转变为可溶性果胶，并使可溶性果胶向液相转移而分离出来，工艺研究主要集中于果胶提取方法、提取液纯化、浓缩、沉淀干燥等步骤上。近年来，国外已将超滤浓缩等新技术开始应用于果胶生产中。 目前果胶的提取方法主要是酸提取沉淀法，酸提取沉淀法生产成本低，其中的沉淀法分为乙醇沉淀法和盐析法，是目前工业上广泛采用的提取方法。还有酶 [12]提取法、微波辅助提取法、超声波提取法。随着研究工作的深入，果胶更多的用途不断被开发出来，同时，人们对绿色食品理念的倡导，使得有关果胶的研究成为天然产物提取领域的研究热点之一。 与乙醇沉淀法相比，盐析法提取果胶优越之处:工艺较简单，工时缩短1/3，乙醇消耗量降低30-50%，蒸汽耗量降低30%。因而大大降低成本，并可较大幅度扩产，可增产一倍以上，因不必受浓缩工艺限制，固而从原材料节约方面和劳动生产率提高等方面有较大改善。 2 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 第2章 材料与方法 2.1 实验材料 2.1.1 原料与试剂 新鲜苹果皮、硫酸铝、95%乙醇、盐酸、氨水、蒸馏水等，试剂均为分析纯。 2.1.2 实验仪器 电子分析天平 奥豪斯国际贸易有限公司 PHS-3C型精密pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司 D-S数显恒温水浴锅 上海三发科学仪器有限公司 K26 电热恒温鼓风干燥箱 上海仪电科学仪器股份有限公司 低速台式离心机 上海安亭科学仪器厂 2.2 实验方法 2.2.1 工艺流程 新鲜苹果皮?干燥?粉碎?加热酸提?热过滤?盐析?离心分离?脱盐 ?干燥?粉碎?果胶成品 2.2.2 实验操作要点 2.2.2.1 原料预处理 新鲜苹果皮含水量较高且极易腐败变质，将湿苹果皮在70?5?下干燥，然后 [13]粉碎备用。 2.2.2.2 漂洗 取制备好的干苹果皮粉末10g，加水100mL浸泡一定时间，然后除去水分， [14,15]再用温水洗涤以洗去苹果皮中的可溶性糖分及部分色素类物质。 2.2.2.3 酸提取 [16] 将处理好的原料用盐酸进行水解，以pH值、时间、温度、料液比进行单因素实验以确定最佳条件，并收集滤液。 2.2.2.3.1 pH的测定 按料液比1:8，在温度90?下，分别在pH=1、pH=2、pH=3、pH=4、pH=5的条件下水解90min以确定最适pH值。 2.2.2.3.2 温度的测定 3 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 按料液比1:8加入pH=2的盐酸，分别在60?、70?、80?、90?、100?温度下水解90min，以确定最佳温度。 2.2.2.3.3 水解时间的测定 按料液比1:8，在pH=2、温度90?的条件下，分别水解30min、60min、90min、120min、150min，以确定最佳时间。 2.2.2.3.4 料液比的测定 按料液比1:4、1:8、1:12、1:16、1:20分别加入适量体积pH=2的盐酸，在90?下水解90min，确定最适料液比。 在单因素实验的基础上，进行四因素三水平的正交实验确定最佳水解条件。 2.2.2.4 盐析 [17]选用硫酸铝作为果胶沉淀剂，分别以pH值、温度、沉淀时间、盐用量进行单因素实验确定最佳条件，并在沉淀中加入脱盐液搅拌，过滤，洗涤，脱盐废 [18]液回收乙醇。沉淀干燥并称重。 2.2.2.4.1 pH值的测定 在90?下，提取液分别在pH=3、pH=4、pH=5、pH=6、pH=7的条件下加入5mL饱和硫酸铝溶液盐析1h，确定最佳pH值。 2.2.2.4.2 温度的测定 提取液加入5mL的饱和硫酸铝溶液，在pH=5的条件下，分别在30?、40?、50?、60?、70?温度下盐析1h以确定最适温度。 2.2.2.4.3 盐析时间的测定 提取液加入5mL的饱和硫酸铝溶液，在pH=5，60?的条件下，分别盐析30min、40min、50min、60min、70min以得最佳时间。 2.2.2.4.4 盐用量的测定 在pH=5，60?的条件下，提取液分别加入3mL、4mL、5mL、6mL、7mL饱和硫酸铝溶液盐析沉淀1h确定最适盐用量。 在以上单因素实验的基础上，进行四因素三水平的正交实验确定最佳盐析条件。 2.3 果胶的测定 [19]采用果胶酸钙法测定果胶。盐析沉淀用由60%乙醇、3%盐酸、37%水组成 4 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 的脱盐夜脱盐过滤，乙醇洗涤沉淀，干燥后称重。 5 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 第3章 结果与分析 3.1 单因素对苹果皮水解的影响实验 3.1.1 pH对水解的影响 称取10g的干苹果皮粉末5份，按料液比1:8，在温度90?下，分别在pH=1、pH=2、pH=3、pH=4、pH=5的条件下水解90min，测得果胶产量并绘制图3-1: 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2果胶产量(g/10g)0 0123456 pH值 图3-1 pH对水解的影响 由图3-1结果分析可知在pH,2时，果胶产量随pH值的升高而增加，在pH,2时果胶产量随pH的升高而降低。这可能是由于水解过于强烈，果胶易水解成果胶酸，会降低果胶的胶凝度，从而导致果胶提取量下降。酸度过小，果胶不稳定，会使部分果胶脱酯裂解，易水解成果胶酸，从而影响果胶产量，所以水解时pH为2较为合适。 3.1.2 水解温度对果胶提取的影响 称取10g的干苹果皮粉末5份，按料液比1:8加入pH=2的盐酸，分别在60?、70?、80?、90?、100?温度下水解90min，测得果胶产量并绘制图3-2: 6 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 1.2 1 0.8 0.6 0.4果胶产量(g/10g) 0.2 0 5060708090100110 温度/? 图3-2 水解温度对果胶提取的影响 由图3-2可知，温度越高水解越快，温度高于90?时，由于果胶会发生水解，产量降低，因此选择85,90?进行水解较合适。 3.1.3 水解时间对果胶提取的影响 称取10g的干苹果皮粉末5份，按料液比1:8，在pH=2、温度90?的条件下，分别水解30min、60min、90min、120min、150min，测得果胶产量并绘制图3-3: 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 果胶产量(g/10g)0.2 0 0306090120150180 时间/min 图3-3 水解时间对提取果胶的影响 由图可知，水解时间为90min时，果胶产量最高。水解时间过短，苹果皮中的果胶提取不够充分，使果胶产量较低;如果水解时间过长，果胶会水解为果胶酸，也会降低果胶产量。 3.1.4 料液比对提取果胶的影响 称取10g的干苹果皮粉末5份，按料液比1:4、1:8、1:12、1:16、1:20分别 7 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 加入适量体积pH为2的盐酸，在90?下水解90min，测得果胶产量并绘制图3-4: 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2果胶产量(g/10g) 0 0:571:041:121:191:26 料液比 图3-4 料液比对提取果胶的影响 由图3-4可知，在其他条件相同的情况下，不同的料液比对果胶提取的影响不同。开始时，果胶的产量随着盐酸体积的增加而上升，在1:8时达到最大，随后果胶的产量基本上保持不变。所以最适料液比为1:8，过大会造成料液的浪费。 3.1.5 水解条件的优化选择 在以上单因素水平实验的基础上，以温度、料液比、水解时间、pH值4个 [20]因素做正交实验分析，因素水平设计见表3-1: 表3-1 正交实验因素水平 因素A 因素B 因素C 因素D 温度? 料液比 水解时间min pH值 80 1:8 70 1.5 水平1 85 1:10 80 2 水平2 90 1:12 90 2.5 水平3 采用酸法水解提取果胶，以果胶产量作为考察指标，通过正交试验分析确定最佳的水解条件，结果见表3-2: 8 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 表3-2 正交实验结果 果胶产量 pH(D) 因素 温度(A) 料液比(B) 时间(C) g/10g 1 1 1 1 0.9558 实验1 1 2 2 2 0.9738 实验2 1 3 3 3 1.0164 实验3 2 1 2 3 0.9867 实验4 2 2 3 1 0.9489 实验5 2 3 1 2 1.0198 实验6 3 1 3 2 1.1153 实验7 3 2 1 3 1.0995 实验8 3 3 2 1 0.9792 实验9 0.982 1.026 1.025 0.961 均值1 0.985 1.007 0.980 1.043 均值2 1.071 1.005 1.033 1.034 均值3 0.089 0.021 0.053 0.082 极差 由表可知:由极差分析可以得出各因素对提取的影响顺序为A>D>C>B，最优为ABCD，即提取温度90?、料液比1:8、水解时间90min、pH值为3132 2，果胶产量最高为1.1153g/10g。 验证试验:在提取温度90?、料液比1:8、水解时间90min、pH=2条件下提取，果胶产量为1.1236g/10g。 3.2 单因素对果胶盐析的影响实验 3.2.1 pH对果胶盐析的影响 盐析时溶液的pH值对沉淀的形成及产量有影响，为确定最适pH，在90?下，提取液分别在pH=3、pH=4、pH=5、pH=6、pH=7的条件下加入5mL饱和硫酸铝溶液盐析1h，结果如图3-5: 9 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 1.5 1 0.5 0果胶产量(g/10g) 2345678 pH值 图3-5 pH对果胶盐析的影响 由图可见，pH值小于5时，果胶产量随pH值的升高而增加，在pH=5时果胶产量最大，pH值再增加时，果胶产量基本不变，还会略微降低，但pH太高沉淀形态不好，对脱盐带来不利影响，因此，选择pH=5为宜。 3.2.2 温度对果胶盐析的影响 盐析时温度影响果胶的最终产量，为确定最适温度，提取液加入5mL的饱和硫酸铝溶液，在pH=5的条件下，分别在30?、40?、50?、60?、70?温度下盐析1h，结果如图3-6: 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2果胶产量(g/10g)0 20304050607080 温度/? 图3-6 温度对果胶盐析的影响 由图可知，盐析温度太低，果胶沉淀慢，沉淀不完全;温度太高时会导致部分沉淀溶解，降低产量，从图中可以看出60?较好。 3.2.3 沉淀时间对果胶盐析的影响 沉淀时间对果胶的沉淀形成及产量有影响，为确定最佳时间，提取液加入5mL的饱和硫酸铝溶液，在pH=5、60?的条件下，分别盐析沉淀30min、40min、50min、60min、70min，结果如图3-7: 10 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2果胶产量(g/10g) 0 20304050607080 时间/min 图3-7 沉淀时间对果胶盐析的影响 由图可知，溶液沉淀时间过短，果胶沉淀不完全;如果沉淀时间过长，果胶产量反而会有所降低，应选择沉淀时间60min。 3.2.4 盐用量对果胶盐析的影响 Al(SO)用量的多少直接影响到果胶的产量。为确定最适的盐用量，在243 pH=5、60?的条件下，提取液分别加入3mL、4mL、5mL、6mL、7mL饱和硫酸铝溶液盐析沉淀1h，结果如图3-8: 1.2 1 0.8 0.6 0.4 果胶产量(g/10g)0.2 0 2345678 盐用量/ml 图3-8 盐用量对果胶盐析的影响 由图可知，盐析时盐用量过少，果胶不能沉淀完全，影响果胶的产量;如果盐用量过多会造成盐的浪费，也会给脱盐造成不便，从图中可以看出5mL为最佳。 3.2.5 盐析条件的优化选择 在以上单因素水平实验的基础上，以温度、盐用量、沉淀时间、pH值4个 11 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 因素做正交实验分析，因素水平设计见表3-3: 表3-3 正交实验因素水平 因素A 因素B 因素C 因素D 温度? 盐用量mL 沉淀时间min pH值 55 4.5 50 4 水平1 60 5 55 4.5 水平2 65 5.5 60 5 水平3 采用盐析法沉淀果胶提取液，以果胶产量为考察指标，通过正交实验分析确定最佳的盐析条件，结果见表3-4: 表3-4 正交实验结果 果胶产量 因素 温度(A) 盐用量(B) 沉淀时间(C) pH值(D) g/10g 1 1 1 1 0.8974 实验1 1 2 2 2 0.9762 实验2 1 3 3 3 1.1059 实验3 2 1 2 3 0.9497 实验4 2 2 3 1 1.1328 实验5 2 3 1 2 1.0118 实验6 3 1 3 2 0.9348 实验7 3 2 1 3 1.1005 实验8 3 3 2 1 0.9842 实验9 0.993 0.927 1.003 0.997 均值1 1.024 1.062 0.970 0.974 均值2 1.006 1.034 1.050 1.052 均值3 0.031 0.135 0.080 0.078 极差 由正交实验结果分析可得其最优水平组合为ABCD，即盐析条件为温度2233 60?、盐用量5mL、沉淀时间为60min、pH值为5。盐用量作为提取液沉淀的 12 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 影响因素影响较大，其次为时间。 验证试验:在温度60?、盐用量5mL、沉淀时间为60min、pH=5条件下，进行验证试验，果胶产量为1.1365g/10g。 13 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 第4章 结论 通过实验可知从苹果皮提取果胶的最佳工艺为在温度90?，料液比为1:8，提取时间为1.5h，pH为2进行酸水解，在温度60?，盐用量为5mL，时间为1h，pH为5条件下进行沉淀，果胶的最高产率达11.4%。 14 盐析法从苹果皮中提取果胶的工艺研究 参考文献 [1] 吴东儒.糖类的生物化学[M].北京:高等教育出版社,2006. 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