岳賢田 ， 楊繼亮

(巢湖學(xué)院 ， 安徽 合肥　238000)

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超聲輔助技術(shù)在果膠提取中的研究進(jìn)展

岳賢田 ， 楊繼亮*

(巢湖學(xué)院 ， 安徽 合肥238000)

摘要：超聲輔助技術(shù)在天然產(chǎn)物提取中具有廣泛的應(yīng)用，在果膠的提取中主要有三個(gè)階段：加速浸潤(rùn)、滲透階段；促使溶解、溶解階段；增進(jìn)擴(kuò)散、置換階段。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)超聲輔助提取果膠的原理(三大效應(yīng))進(jìn)行了解釋，對(duì)其提取特點(diǎn)和應(yīng)用作了概括，并對(duì)超聲輔助提取果膠的技術(shù)在未來(lái)的走向進(jìn)行了展望，以期為廣大科研工作者開(kāi)展科研工作提供參考。

關(guān)鍵詞：超聲輔助 ； 果膠 ； 提取 ； 進(jìn)展

果膠是以原果膠、果膠和果膠酸的形態(tài)存在于植物以及水果的果實(shí)、根、莖和葉中的多糖類高分子化合物，果膠是細(xì)胞壁的重要組成部分，和纖維素相伴隨而存在，構(gòu)成細(xì)胞中間層黏結(jié)物，可以說(shuō)是植物組織緊緊抱團(tuán)的黏結(jié)劑。果膠的成分主要由α-1, 4糖苷鍵鏈接的半乳糖醛酸和鼠季糖、半乳糖、阿拉伯糖等中性糖形成的聚合物及其它非糖成分如甲醇、乙酸、阿魏酸等物質(zhì)。果膠的結(jié)構(gòu)主要由主鏈和側(cè)鏈兩部分組合而成，由α-1，4糖苷鍵鏈接的D-半乳糖醛酸單元直鏈形成高聚半乳糖醛酸主鏈，側(cè)鏈主要由鼠季糖半乳糖醛酸聚糖構(gòu)成[1]。果膠作為一種天然的高分子化合物，具有良好的膠黏性和乳化穩(wěn)定作用，在食品、醫(yī)藥、日化、紡織行業(yè)具有廣泛的用途。目前國(guó)內(nèi)外果膠的提取方法有很多，超聲波提取果膠的方法已在不同種類的植物和水果中有所研究，所以有必要結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)超聲輔助技術(shù)在果膠中的提取應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1基本原理

超聲技術(shù)是利用電磁波和機(jī)械波的作用需要能量載體介質(zhì)來(lái)進(jìn)行傳播，在傳遞過(guò)程中存在著正負(fù)壓強(qiáng)交變周期，在正相位時(shí)，對(duì)介質(zhì)分子進(jìn)行擠壓，增加介質(zhì)原來(lái)的密度；在負(fù)相位時(shí)，介質(zhì)分子稀疏離散，介質(zhì)分子密度減小，這就是超聲波在溶劑和樣品之間產(chǎn)生聲波空化效應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞壁內(nèi)氣泡的產(chǎn)生、增長(zhǎng)和破滅，固體樣品分散，增大樣品和溶劑間的接觸面積，提高目標(biāo)物從固相到液相的傳遞速率。超聲波特殊的提取天然產(chǎn)物的物理性質(zhì)是基于以下三大效應(yīng)：

1.1機(jī)械效應(yīng)

在超聲波的作用下，細(xì)胞內(nèi)的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在其傳播空間內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)，強(qiáng)化了介質(zhì)的擴(kuò)散和傳播速率，在超聲波傳遞過(guò)程中可以產(chǎn)生一種輻射壓強(qiáng)，對(duì)物料具有很強(qiáng)的破壞作用，使得細(xì)胞組織變形，和植物組織內(nèi)蛋白變性，同時(shí)給予細(xì)胞介質(zhì)和內(nèi)懸體一定的加速度，使得介質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)懸體的運(yùn)動(dòng)速度，從而利用兩者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦效應(yīng)，使得生物分子解聚細(xì)胞壁上有效成分較快地轉(zhuǎn)移到溶劑中來(lái)，這就是超聲機(jī)械效應(yīng)的作用原理。

1.2空化效應(yīng)

在常態(tài)下，細(xì)胞介質(zhì)內(nèi)部存在一些氣泡，這些氣泡在超聲波的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，在聲壓達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，細(xì)胞介質(zhì)內(nèi)氣泡由于定向擴(kuò)散增大形成振動(dòng)腔，這種氣泡在閉合時(shí)會(huì)在其周圍形成幾千個(gè)大氣壓的壓力，形成微激波造成細(xì)胞壁破裂，由于時(shí)間短暫有利于有效成分的溶出，這就是超聲空化效應(yīng)的作用原理。

1.3熱效應(yīng)

超聲波在細(xì)胞介質(zhì)中的傳播過(guò)程是一個(gè)能量的傳播和擴(kuò)散過(guò)程，其聲能在傳播的過(guò)程中不斷地被細(xì)胞介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)吸收，細(xì)胞介質(zhì)將所吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致細(xì)胞介質(zhì)內(nèi)部組織溫度升高，增大了有效成分的溶解速度，由于這種效應(yīng)是在短暫時(shí)間內(nèi)完成，可以使得被提取的有效成分活性保持不變，這就是超聲熱效應(yīng)的作用原理。

除此之外，超聲還可以產(chǎn)生許多次級(jí)效應(yīng)，如乳化、擴(kuò)散、擊碎、化學(xué)效應(yīng)等，這些次級(jí)效應(yīng)同時(shí)也促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)有效成分的溶解，促使有效成分進(jìn)入介質(zhì)，加快提取的過(guò)程，提高有效成分的提取率。

2超聲輔助技術(shù)在果膠提取中的特點(diǎn)

超聲輔助技術(shù)由于其適用范圍廣，在醫(yī)藥、食品、油脂加工中有廣泛的應(yīng)用，與目標(biāo)萃取物和溶劑的性質(zhì)關(guān)系較小，可以有效地提取果膠中的有效成分[2-3]。作為一門新方法、新工藝，與水煮醇沉工藝相比，具有以下特點(diǎn)：

2.1提高破碎速度和提取效率

超聲輔助技術(shù)有利于果膠的充分利用，果膠提取物中的有效成分含量高。Homa Bagherian 等[4]比較了傳統(tǒng)的溶劑提取、微波輔助提取和超聲輔助提取技術(shù)在葡萄皮果膠提取中的應(yīng)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲輔助提取技術(shù)的提取率高，超聲預(yù)處理25 min葡萄皮果膠的提取率可以達(dá)到27.81%，比傳統(tǒng)的提取方法(葡萄皮果膠的提取率為17.92%)高出許多。張初署等[5]以菠蘿皮為原料，采用超聲輔助技術(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在超聲處理90 min后，菠蘿皮果膠的提取率可以達(dá)到90%。

2.2提取溫度低

與傳統(tǒng)的提取方法相比，超聲輔助技術(shù)不易破壞果膠中的熱敏性成分結(jié)構(gòu)，不影響產(chǎn)品成分的質(zhì)量。并且該法常壓萃取、操作簡(jiǎn)單、提取安全，能充分利用果膠的有效成分，減少溶劑的使用量，不易造成污染。Tao Xia等[6]采用超聲輔助技術(shù)對(duì)茶葉中的咖啡堿和多酚物質(zhì)進(jìn)行了提取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)茶葉的風(fēng)味沒(méi)有變化，這說(shuō)明超聲波是一種綠色提取技術(shù)，對(duì)物質(zhì)的有效成分不構(gòu)成破壞。楊明等[7]采用超聲技術(shù)提取石榴果實(shí)中的果膠，采用正交實(shí)驗(yàn)得到最佳的提取條件，發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)是可行的，可以降低溫度，提高果膠的提取率及安全性。

2.3提取時(shí)間短

提取過(guò)程是物理過(guò)程，在提取過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提取的果膠在短時(shí)間內(nèi)活性保持不變，能夠提高果膠的有效成分及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)提高果膠的品質(zhì)，其工藝簡(jiǎn)單，可降低生產(chǎn)成本，提高效益。Yuting Xu等[8]通過(guò)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，超聲、微波、熱效應(yīng)都可以提高葡萄皮果膠的提取率、溶解率和果膠的降解率，但是超聲輔助技術(shù)同時(shí)還可以提高產(chǎn)率，縮短時(shí)間(與熱效應(yīng)相比可減少時(shí)間51.79 min，降低溫度30 ℃)。

3超聲輔助技術(shù)在果膠提取中的應(yīng)用

超聲輔助技術(shù)在果膠提取中有廣泛的應(yīng)用，從有關(guān)的文獻(xiàn)可以看出，國(guó)外把超聲輔助技術(shù)應(yīng)用于果膠的提取相對(duì)比較少，但是國(guó)外從分子結(jié)構(gòu)水平和流變性方面進(jìn)行了研究，這一點(diǎn)我們將在結(jié)論和展望中提及，而國(guó)內(nèi)相關(guān)的文獻(xiàn)相對(duì)比較豐富，除了單一的超聲輔助提取外，協(xié)同了其它的一些方法。

3.1超聲波輔助法

岳賢田[9]曾采用超聲波輔助法對(duì)香蕉皮中的果膠進(jìn)行了提取，系統(tǒng)地研究了不同的萃取劑、溶劑、超聲時(shí)間、超聲功率、料液比、乙醇濃度和pH值對(duì)果膠提取率的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到最佳的提取工藝，香蕉皮果膠的提取率可以達(dá)到20.5%。常大偉等[10]采用超聲輔助技術(shù)對(duì)蘋果渣中的果膠進(jìn)行了研究，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)得出最佳的提取工藝，果膠的提取率可以達(dá)到13%以上。魏秋紅等[11]采用超聲輔助技術(shù)對(duì)橙皮果膠進(jìn)行了提取，提取率可以達(dá)到21.3%，與傳統(tǒng)的直接加熱提取法相比，超聲輔助提取技術(shù)是一種節(jié)能、省時(shí)、高效的方法。

3.2超聲輔助協(xié)同酶法

余先純等[12]采用超聲波對(duì)柚皮進(jìn)行處理，加入復(fù)合酶提取果膠，可以有效地減少對(duì)環(huán)境的污染，超聲處理20 min，酶加入量為0.9%的條件下，每克柚皮果膠的提取量可以達(dá)到236.2 mg，遠(yuǎn)高于同等工藝條件下常規(guī)水浴法提取的果膠提取量。羅靜等[13]采用超聲輔助半纖維素酶法提取南瓜皮中的果膠，研究了半纖維素酶溶液的濃度、料液比、浸提時(shí)間、浸提溫度、超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)南瓜皮果膠提取率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲處理10 min、酶溶液濃度為0.7%時(shí)，果膠的提取率達(dá)到11.21%，是一種省時(shí)、高效、綠色環(huán)保的提取方法。戴少慶等[14]對(duì)超聲波輔助復(fù)合酶法提取椏柑皮果膠工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種纖維素和半纖維素復(fù)合酶法較常規(guī)的單純酶法工藝時(shí)間縮短4~5 h。

3.3超聲輔助酸法

超聲波是一種綠色、高效、經(jīng)濟(jì)的方法，酸法提取果膠是一種常規(guī)的方法，兩者結(jié)合提取果膠有不同的效果，黃黎慧等[15]以干椪柑皮為原料，在超聲波的作用下，用鹽酸溶液水解和乙醇沉淀提取果膠。探討了物料粒度、液料比、pH 值、浸提溫度和超聲波提取時(shí)間等因素對(duì)椪柑皮果膠提取工藝的影響，超聲處理30 min，果膠的提取率達(dá)17.02%，與傳統(tǒng)直接加熱提取相比，縮短了提取時(shí)間、降低了提取溫度，產(chǎn)品色澤較淺，品質(zhì)優(yōu)良。

3.4超聲輔助鹽析法

傳統(tǒng)提取果膠是用水提醇沉法，這種方法耗時(shí)、原輔料消耗大、能耗高、工藝條件不易控制。采用超聲波法輔助鹽析可有效避免這些缺點(diǎn)，林曼斌等[16]主要研究了用超聲波輔助鹽析法從仙人掌中提取果膠的效果，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)其工藝條件進(jìn)行探討，得出果膠沉析的最佳條件是pH值4.5，溫度60 ℃，鋁鹽量9 mL，此時(shí)果膠的產(chǎn)率是9.15%。

3.5超聲輔助響應(yīng)曲面法

李建鳳等[17]利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化超聲波輔助提取檸檬皮渣果膠的工藝條件，以pH值、液料比、提取時(shí)間為影響因素，以果膠提取率為響應(yīng)值，通過(guò)響應(yīng)面分析法得到檸檬皮渣果膠的提取條件：pH值為1.0、液料比為20∶1、提取時(shí)間為50 min。此條件下的5次平行實(shí)驗(yàn)中檸檬皮渣果膠粗產(chǎn)品提取率的平均值為26.45%，實(shí)際測(cè)定值與理論計(jì)算值能夠很好地吻合。耿敬章等[18]采用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取橘皮果膠的工藝，響應(yīng)面法優(yōu)化后果膠的最佳提取工藝條件為：pH值1.0、超聲波頻率20.7 W、提取溫度70 ℃，此時(shí)果膠類化合物的提取率可達(dá)18.2%。

3.6表面活性劑增效超聲波法

岳賢田[19]曾利用表面活性劑的增溶和乳化作用對(duì)果膠的提取進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲處理50 min后，加入十二烷基磺酸鈉，表面活性劑的用量為0.8%，香蕉皮果膠的提取率可以達(dá)到20.67%，整個(gè)提取過(guò)程綠色、省時(shí)、成本低、能耗小，可以稱之為一種綠色經(jīng)濟(jì)高效的方法。

4結(jié)論與展望

果膠作為一種天然的高分子化合物，在許多行業(yè)有廣泛的用途，超聲輔助技術(shù)在果膠提取中是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。因此，研究人員對(duì)經(jīng)過(guò)果膠處理后的分子結(jié)構(gòu)和功效進(jìn)行研究，特別是對(duì)經(jīng)過(guò)提取后果膠的理化性質(zhì)進(jìn)行了深入的研究，國(guó)外已對(duì)果膠的流變性能和降酯工藝進(jìn)行了研究[20-23]。

超聲作為一門新型的技術(shù)，在提取有效成分的同時(shí)，也帶來(lái)一些不必要成分的溶出，超聲波物性參數(shù)的技術(shù)開(kāi)發(fā)不夠靈敏，提取設(shè)備的精確度還有待提高。針對(duì)這些問(wèn)題，有必要在未來(lái)完善超聲機(jī)理，將超聲技術(shù)與其它分離技術(shù)相結(jié)合，并與現(xiàn)代色譜分析技術(shù)聯(lián)合起來(lái)，對(duì)提取出來(lái)的果膠進(jìn)行成分鑒定和分析，開(kāi)發(fā)大規(guī)模的自動(dòng)調(diào)控設(shè)備，完善提取產(chǎn)物的高質(zhì)、高效和高產(chǎn)。

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Research Progress of Ultrasound Assisted Technology in the Extraction of Pectin

YUE Xiantian , YANG Jiliang*

(Chaohu University , Hefei238000 , China)

Abstract:Ultrasonic assisted technology has extensive application in the extraction of natural products,it has three stages in the extraction of pectin:accelerate the infiltration,infiltration stage;promote to dissoluten,the dissolution stage;enhancing diffusion,replacement stage.In this paper,combined with related literature at home and abroad,the principle of ultrasounde assisted extraction of pectin are explained.The extraction characteristics and application are summarized.And the ultrasound assisted extraction of pectin is prospected in the future.In order to provide reference for the researchers to carry out scientific research work.

Key words:ultrasound assisted ; pectin ; extraction ; progress

中圖分類號(hào)：TS255.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3467(2016)01-0016-04

作者簡(jiǎn)介：岳賢田(1980-)，男，講師，在讀博士，研究方向：綠色化學(xué)；聯(lián)系人：楊繼亮(1984-)，女，講師，博士，研究方向：生物質(zhì)能源和活性炭材料，電話：15051804879。

收稿日期：2015-11-20