周存山，余筱潔，馬海樂(lè)，王允祥，韓 平

(1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013;2.浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江臨安311300)

果膠是酸性雜多糖類，在多糖家族中結(jié)構(gòu)最為多樣復(fù)雜，主要存在于高等植物的細(xì)胞壁及細(xì)胞內(nèi)層(常見(jiàn)3種存在狀態(tài)為原果膠、果膠和果膠酸)，基本結(jié)構(gòu)單位是由α-D吡喃半乳糖醛酸以α-1，4糖苷鍵連接而成主鏈，以部分甲基化形式存在［1］，具有膠凝、增稠、穩(wěn)定以及抗腹瀉、抗腫瘤、解重金屬毒、抗菌等功能活性作用，是FAO/WHO推薦的安全無(wú)毒的食品添加劑，在食品、化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用［2］.

果膠在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用日益增加，果膠研究愈來(lái)愈受到人們的重視.柚果皮是制取果膠的理想原料，目前我國(guó)柚果皮的綜合利用尚未引起足夠的重視，尚有用來(lái)制備活性炭的研究，但大量的柚果皮仍被丟棄并霉?fàn)€變質(zhì)，造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染［3-4］.

果膠加工與生產(chǎn)的關(guān)鍵是從植物等組織中浸提果膠的過(guò)程，直接影響終端產(chǎn)品的成本和經(jīng)濟(jì)效益，盡管這方面已有較多研究，但幾乎集中在浸提工藝條件優(yōu)化的研究上［5-7］，很少有給出完整的有關(guān)這一復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程的理論模型.酸法浸提果膠的過(guò)程受很多因素影響，如物料特性、浸提溫度、pH、浸提時(shí)間、酸的種類、料液比等，在應(yīng)用中應(yīng)予以重視并加以控制，否則易發(fā)生局部水解，致使果膠分子量降低，從而影響果膠的產(chǎn)率和品質(zhì)［8］.為此，文中研究果膠浸提過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)浸提溫度、pH、浸提時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用浸提過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)該模型預(yù)測(cè)浸提過(guò)程的最佳得率，給出浸提溫度、pH、浸提時(shí)間等因素對(duì)過(guò)程動(dòng)力學(xué)參數(shù)影響的定量規(guī)律，揭示浸提過(guò)程的本質(zhì)，同時(shí)優(yōu)化結(jié)果與常規(guī)正交設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證，對(duì)果膠浸提的工業(yè)化及其生產(chǎn)控制將有一定的理論指導(dǎo)意義.

1 材料與方法

1.1 材料

柚果皮原料:柚子，福建琯溪蜜柚(Citrus grandisL.Osbeck)，柚果皮洗凈，剪成直徑約3～5 mm的碎片，倒入燒杯，加2倍體積95℃的水，保溫10 min，濾去液體，水漂洗，以除去芳香物質(zhì)、小分子糖分、枯萎物質(zhì)及色素等非膠體物質(zhì)，60℃干燥至恒重，粉碎(60目篩網(wǎng))，即為本研究柚果皮原料，4～7℃保存?zhèn)溆?

濃硫酸為優(yōu)級(jí)純;咔唑、無(wú)水乙醇、鹽酸、D-半乳糖醛酸等均為分析純級(jí)試劑.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 柚果皮果膠浸提

稱取一定量的柚果皮原料，按料液比加水配制，鹽酸調(diào)pH，恒溫水浴，定時(shí)，取樣，3 000 r·min-1離心10 min，分離上清液，4倍體積的乙醇沉淀3 h，3 000 r·min-1離心10 min，分離沉淀，果膠含量測(cè)定，計(jì)算果膠浸提得率.

1.2.2 浸提因素影響

因素:① pH:料液比1∶60，鹽酸調(diào)節(jié)pH=1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，浸提溫度 90 ℃，浸提時(shí)間60 min;② 浸提時(shí)間t:料液比1∶60，pH=2.0，浸提溫度90 ℃，浸提時(shí)間40，60，80，90，100 min;③ 浸提溫度 θ:料液比 1 ∶60，pH=2.0，浸提溫度 50，70，80，90，95℃，浸提時(shí)間60 min;④ 料液比w:料液比1 ∶40，1 ∶50，1 ∶60，1 ∶70，1 ∶80，pH=2.0，浸提溫度90℃，浸提時(shí)間60 min.

1.2.3 浸提條件優(yōu)化

在單因素基礎(chǔ)上，選取以浸提溫度、浸提時(shí)間、pH為因素，設(shè)計(jì)三水平，以果膠浸提得率為指標(biāo)，采用L9(33)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn).

1.3 果膠咔唑比色法測(cè)定

果膠經(jīng)水解生成半乳糖醛酸，在強(qiáng)酸中與咔唑試劑發(fā)生縮合反應(yīng)，生成紫紅色化合物，其呈色強(qiáng)度與半乳糖醛酸含量成正比［6］，可應(yīng)用與果膠含量比色定量(y=0.004 4x+0.001 5，r2=0.994 5).

果膠浸提得率計(jì)算:

式中:Y為果膠浸提得率，以半乳糖醛酸計(jì)，%;C為比色法測(cè)定半乳糖醛酸質(zhì)量濃度，μg·mL-1;V為果膠浸提液總體積，mL;K為浸提液稀釋倍數(shù);m為柚果皮原料質(zhì)量，g.

1.4 浸提動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

浸提過(guò)程是溶質(zhì)(果膠)從固相(柚果皮)向液相(浸提溶劑)轉(zhuǎn)移，此過(guò)程影響因素多且物理化學(xué)過(guò)程復(fù)雜，需進(jìn)行假設(shè)與簡(jiǎn)化:①溶劑從液相傳遞到固液界面，接著擴(kuò)散到固相內(nèi)部，溶質(zhì)擴(kuò)散溶解;②溶質(zhì)從固相擴(kuò)散到固液相界面，接著擴(kuò)散到液相主體，溶質(zhì)溶解于溶劑.

然而，果膠浸提更為復(fù)雜，浸提過(guò)程又可分為2個(gè)階段:原果膠(水不溶性果膠)從植物組織(柚果皮)中轉(zhuǎn)變成果膠(可溶性果膠)和果膠從植物組織(柚果皮)中擴(kuò)散到浸提溶劑，同時(shí)伴隨果膠降解過(guò)程等［9］.

設(shè)C0為組織(柚果皮)中的初始果膠質(zhì)量濃度，原果膠轉(zhuǎn)變成可溶性果膠并從植物組織中擴(kuò)散到溶液中的浸提速率常數(shù)為k1，可溶性果膠降解成低分子果膠，降解速率常數(shù)為k2.

設(shè)Y(t)為經(jīng)時(shí)間t浸提后溶劑中果膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，X(t)為經(jīng)時(shí)間t浸提后植物組織中原果膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，假定擴(kuò)散按一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，那么，原果膠向可溶性果膠轉(zhuǎn)移可用下面的微分方程描述:

溶劑中果膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Y(t)被認(rèn)為是積累和同時(shí)降解的過(guò)程:

因式(2)，(3)過(guò)程同時(shí)發(fā)生，需合并考慮.

將式(2)分離變量，代入式(3)，積分可得到X(t)，同時(shí)Y(t)和果膠降解D(t)隨時(shí)間t變化:

從式(5)可得到式(7)所描述的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.果膠大分子未降解(k2=0)時(shí)，浸提條件最佳.但式(7)所描述的過(guò)程是極端理論情況，因大分子果膠在浸提條件(pH、溫度、光照等)下部分降解是必然性的，因而要從式(5)中尋找Y(t)最大值，即相應(yīng)的時(shí)間tmax，此時(shí)果膠的含量最高Ymax.進(jìn)行極值規(guī)劃求解得

按式(8)，(9)計(jì)算可獲得動(dòng)力學(xué)優(yōu)化參數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 果膠浸提過(guò)程參數(shù)優(yōu)化

為獲得較好的浸提條件和效果，研究浸提時(shí)間、料液比、pH、浸提溫度對(duì)柚果皮果膠浸提效果的影響見(jiàn)表1，結(jié)果在浸提溶液 pH=2.0、浸提時(shí)間80 min、浸提溫度90℃、料液比1∶40時(shí)獲得較好的浸提效果.

表1 各因素對(duì)柚果皮果膠浸提效果的影響

從表1可以看出料液比影響不明顯，可固定1∶40，因此在進(jìn)一步正交設(shè)計(jì)中確定為固定因素.另外，選浸提溫度(A)、浸提時(shí)間(B)及pH值(C)影響因素為研究對(duì)象，選取3個(gè)水平，按L9(33)進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2.

從表2直觀分析可發(fā)現(xiàn)影響果膠浸提得率的因素主次順序?yàn)閜H、浸提溫度、浸提時(shí)間.最佳浸提工藝條件為A2B3C1:pH=2.0、浸提溫度90℃、浸提時(shí)間90 min，料液比1∶40，且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在此條件下，柚果皮果膠浸提得率為11.85%.

表2 L9(33)正交設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.2 果膠浸提動(dòng)力學(xué)模型

2.2.1 基于浸提溫度的影響

在正交設(shè)計(jì)優(yōu)化條件下，以浸提溫度(70，80，90℃)作為變量，得到浸提溫度對(duì)果膠得率的影響，圖1為在不同浸提溫度下，果膠得率隨浸提時(shí)間的變化規(guī)律.由圖1可知:在100 min內(nèi)果膠浸提得率是隨浸提時(shí)間同步增加;同時(shí)在固定的浸提時(shí)間內(nèi)，果膠得率是隨溫度同步增加.可能是溫度的升高促使柚果皮中的不溶性果膠水解成可溶性果膠轉(zhuǎn)移到液相［10］.但時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，出現(xiàn)得率下降，說(shuō)明果膠大分子降解，且在乙醇沉淀時(shí)小分子果膠被去除.

圖1浸提時(shí)間與浸提溫度對(duì)果膠浸提得率的影響

2.2.2 模型的參數(shù)確定及有效性驗(yàn)證

為獲得浸提模型動(dòng)力參數(shù)，從式(5)即可得到相應(yīng)速率常數(shù)k1和k2，同時(shí)由式(8)-(9)計(jì)算得到tmax和Ymax，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 柚果皮果膠浸提動(dòng)力學(xué)參數(shù)

為檢驗(yàn)式(5)所得到的動(dòng)力學(xué)模型的有效性，按數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其理論預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際值進(jìn)行殘差分析和F檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 柚果皮果膠浸提動(dòng)力學(xué)模型統(tǒng)計(jì)分析

隨浸提時(shí)間延長(zhǎng)，殘差未見(jiàn)明顯的對(duì)零系統(tǒng)偏差，也沒(méi)正和負(fù)系統(tǒng)趨向，這說(shuō)明所得到的動(dòng)力學(xué)模型描述該浸提過(guò)程是有效的［11-12］.而由F檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)r可知，試驗(yàn)的離散數(shù)據(jù)在97%置信度水平上可由式(5)解釋.

表觀活化能(Ea)可從阿累尼烏斯方程求得，由表3的數(shù)據(jù)，以lnk1對(duì)1/T作圖［13］，得回歸方程:lnk1=-3 769.7×1/T+2.339 5，r2=0.982 7.從方程的斜率就可計(jì)算出活化能，本浸提過(guò)程Ea為31.34 kJ·mol-1.活化能可預(yù)測(cè)酸法浸提果膠的難易程度［14］，活化能越低，越容易越過(guò)能壘，反應(yīng)越容易進(jìn)行.對(duì)于浸提過(guò)程的動(dòng)力學(xué)和活化能的研究，對(duì)果膠浸提的規(guī)模化加工及相應(yīng)產(chǎn)品生產(chǎn)控制有一定的指導(dǎo)意義［15］.

2.2.3 模型預(yù)測(cè)能力驗(yàn)證

由表4可知，所構(gòu)建果膠浸提動(dòng)力學(xué)模型是有效的，在確定速率常數(shù)k1和k2的基礎(chǔ)上，計(jì)算了不同浸提溫度下，浸提果膠量Y(t)的變化量和原果膠X(t)的變化量，同時(shí)也計(jì)算了降解果膠D(t)的變化量.圖2分別給出了不同浸提溫度條件下果膠的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值關(guān)系，同時(shí)給出了90℃時(shí)，果膠浸提X(t)和D(t)與浸提時(shí)間的變化規(guī)律.由圖2可發(fā)現(xiàn)，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值近似吻合，因此，認(rèn)為本研究所構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型能夠很好地模擬果膠浸提的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，即浸提過(guò)程模擬有效，預(yù)測(cè)能力強(qiáng).通過(guò)建立浸提果膠過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，可以揭示提取過(guò)程的本質(zhì)，對(duì)果膠提取的工業(yè)優(yōu)化及其生產(chǎn)過(guò)程將有一定的指導(dǎo)作用。

圖2 柚果皮果膠浸提動(dòng)力學(xué)方程擬合曲線

另外，由圖2可知，果膠的降解速率是隨著溫度的升高幾乎以恒定的降解速率在變化，而由表3發(fā)現(xiàn)降解速率常數(shù)k2是隨溫度的升高而降低，這一矛盾出現(xiàn)可能與果膠得率比色法間接測(cè)定方法有關(guān).浸提過(guò)程直接測(cè)定果膠的降解比較困難.加之浸提所得到的果膠分子的均一性(分子量大小、分布，果膠種類)是由浸提溫度所影響或決定，但酸解浸提法本身仍有很多需要研究的方面，而這種方法可能也對(duì)k2的值有影響.

3 結(jié)論

1)有效性(殘差分析及F檢驗(yàn))檢驗(yàn)表明本研究所構(gòu)建模型可應(yīng)用于分析柚果皮果膠浸提動(dòng)力學(xué)分析.

2)采用正交設(shè)計(jì)優(yōu)化，獲得影響果膠浸提得率的因素主次順序?yàn)閜H、浸提溫度、浸提時(shí)間.同時(shí)獲得基于正交設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù)和結(jié)果可與動(dòng)力學(xué)優(yōu)化結(jié)果相互驗(yàn)證.

3)采用的理論模型能充分描述果膠的浸提過(guò)程.確立浸提過(guò)程的浸提速率常數(shù)及其隨溫度變化的規(guī)律，獲得基于動(dòng)力學(xué)分析的優(yōu)化結(jié)果:tmax為90.25 min，Ymax為11.83%，與正交設(shè)計(jì)結(jié)果吻合.

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