顧焰波，江冰

(南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

果膠物質(zhì)廣泛地存在于自然界高等植物組織的細(xì)胞壁中。它是一種以半乳糖醛酸為主要成分的天然高分子多糖物質(zhì)[1]。果膠經(jīng)常作為增稠劑、膠凝劑、乳化劑、穩(wěn)定劑在食品及調(diào)味品行業(yè)生產(chǎn)中使用，果膠是生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)經(jīng)常使用的物質(zhì)，如可用于水果加工、焙烤制品、飲料生產(chǎn)、高品質(zhì)的番茄調(diào)味料等[2-4]。

木瓜是一種薔薇科木瓜屬植物，它是目前世界上產(chǎn)量與銷量增幅最大的熱帶水果，并以保健功能和美容功效著稱。此外，當(dāng)木瓜作為藥物使用時(shí)，它具有解除宿醉的作用，還具有化痰、治療腹瀉的功效。在木瓜銷量增長(zhǎng)的同時(shí)，被丟棄的果皮造成的環(huán)境污染問(wèn)題對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钣绊懺絹?lái)越大。因此，研究出一種操作方便、果膠提取率高的方法并對(duì)此方法建立動(dòng)力學(xué)模型是非常有必要的。

目前，關(guān)于果膠的提取工藝研究有很多報(bào)道[5,6]。而關(guān)于果膠提取的動(dòng)力學(xué)模型研究較少[7]，采用離子交換法提取果膠的動(dòng)力學(xué)模型尚未見(jiàn)研究，本文根據(jù)Fick第二定律建立浸提過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)離子交換法和酸提法提取果膠動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了研究，為木瓜皮提取果膠工業(yè)開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木瓜；D-半乳糖醛酸：上海麥克林生化科技有限公司；咔唑：上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司；鹽酸、氫氧化鈉：均為分析純，無(wú)錫市佳妮化工有限公司；732型陽(yáng)離子交換樹脂：上?；瘜W(xué)試劑公司；濃硫酸：優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

XFB-2009微型高速粉碎機(jī)；pHS-3C精密數(shù)顯酸度計(jì)；722N可見(jiàn)分光光度計(jì)；HH-1數(shù)顯恒溫水浴鍋；DHG-9202-3SA電熱恒溫干燥箱；RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 木瓜皮預(yù)處理

把干凈、新鮮的木瓜皮用工具刀削下，將其沖洗干凈，用美工刀切成塊狀，放入合適的容器中，加蒸餾水使木瓜皮完全浸沒(méi)，浸泡大約30 min(初步除去雜質(zhì))。然后將木瓜皮置于沸水浴中5 min左右(沸水浴可滅掉果膠酶)，擠去木瓜皮中多余水分，晾干，用烘箱烘干，粉碎，放入干燥的儲(chǔ)物袋內(nèi)，備用。

1.2.2 陽(yáng)離子交換樹脂預(yù)處理

陽(yáng)離子交換樹脂預(yù)處理參考文獻(xiàn)[8]。

1.2.3 木瓜皮果膠提取方法

1.2.3.1 離子交換樹脂法提取果膠

將250 mL干燥的三口燒瓶準(zhǔn)備好，取備用木瓜皮粉末1.0000 g、一定量的氫型樹脂放入瓶?jī)?nèi)，隨后將調(diào)好pH的酸溶液按料液比加入，攪拌使料液充分接觸。然后將其置于相應(yīng)溫度的水浴鍋中，啟動(dòng)磁力攪拌并浸提相應(yīng)的時(shí)間(浸提期間溫度保持恒定狀態(tài))。浸提結(jié)束后，趁熱抽濾，抽濾得到的濾液就是果膠浸提液。

1.2.3.2 酸提法提取果膠

不添加樹脂，其他條件與1.2.3.1一致。

1.2.3.3 半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制和果膠得率計(jì)算

圖1 半乳糖醛酸的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of galacturonic acid

本試驗(yàn)采用咔唑比色法測(cè)果膠的含量[9]。以半乳糖醛酸濃度和吸光度為坐標(biāo)軸，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線見(jiàn)圖1。半乳糖醛酸濃度與吸光度值之間的一元線性回歸方程為y=0.0076x+0.0083，其中：y表示所測(cè)吸光度值，x表示半乳糖醛酸的濃度(μg/mL)，R2=0.9921。

式(1)

式中：果膠產(chǎn)量以水解后生成的半乳糖醛酸計(jì)(%)；N表示從標(biāo)準(zhǔn)曲線上對(duì)應(yīng)查得的半乳糖醛酸濃度(μg/mL)；V表示浸提液體積(mL)；m表示稱取果皮粉末的質(zhì)量(g)；A表示浸提液稀釋倍數(shù)。

1.3 果膠浸提動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

將果膠浸提過(guò)程簡(jiǎn)化為原果膠從植物組織中水解成可溶性果膠和可溶性果膠擴(kuò)散到溶液中兩個(gè)過(guò)程，這兩個(gè)過(guò)程同時(shí)發(fā)生，并伴隨部分果膠的降解。

設(shè)定果膠的浸提擴(kuò)散過(guò)程是一級(jí)反應(yīng)。C是初始果膠含量，K1是不溶性果膠溶解并擴(kuò)散至浸提溶液中的速率常數(shù)，K2是降解速率常數(shù)，y(t)設(shè)定為經(jīng)過(guò)時(shí)間t后浸提溶液中的果膠得率，z(t)設(shè)定為經(jīng)過(guò)t時(shí)間后原料中的原果膠質(zhì)量，q(t)為果膠降解量，可將原果膠轉(zhuǎn)移成可溶性果膠的過(guò)程描述為：

式(2)

y(t)包括果膠同時(shí)積累和降解的過(guò)程，過(guò)程可以描述為：

式(3)

式(2)和式(3)描述的過(guò)程是同時(shí)發(fā)生的，所以將式(2)分離變量，帶入式(3)中，可得：

z(t)=C×e-k1×t。

式(4)

式(5)

式(6)

y(t)=C×(1-e-K1×t)。

式(7)

在式(6)中在描述的過(guò)程降解已經(jīng)不再進(jìn)行，即K2=0,這樣的浸提條件是最好的。根據(jù)實(shí)際情況來(lái)說(shuō)，K2不會(huì)等于0，即浸提過(guò)程一定會(huì)發(fā)生降解。所以從式(4)中找y(t)max和tmax，使用數(shù)學(xué)方法得：

式(8)

式(9)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同提取溫度對(duì)果膠得率的影響

離子交換樹脂法提取木瓜皮的較佳工藝提取條件參考文獻(xiàn)[8]，在樹脂用量5%(wt%，占木瓜皮粉末重)、料液比為1∶30(g/mL)、浸提液pH值為1.5條件下，研究不同浸提溫度(70，80，85，90 ℃)下，果膠得率隨時(shí)間的變化，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 提取溫度對(duì)果膠得率的影響(添加樹脂)Fig.2 Effects of extraction temperature on pectin yield(adding resin)

研究了傳統(tǒng)的酸提取法提取果膠即未添加樹脂，且在浸提條件料液比和pH相同的情況下，考察了在不同浸提溫度下果膠得率隨時(shí)間的變化，見(jiàn)圖3。

圖3 提取溫度對(duì)果膠得率的影響(無(wú)樹脂)Fig.3 Effects of extraction temperature on pectin yield (without resin)

由圖2和圖3可知，在相同提取條件下，離子交換樹脂法提取果膠，得率最高達(dá)17.72%，而酸提法為9.88%，樹脂的添加能明顯提高果膠得率，表明離子交換樹脂法提取果膠明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的酸提法提取果膠；添加樹脂提取果膠，在不同浸提溫度(70，80，85，90 ℃)下，80 ℃下提取效果最佳；果膠的得率隨著浸提時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，達(dá)到一定時(shí)間，果膠得率達(dá)到最大值。

2.2 動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)的確定

根據(jù)圖2和圖3的結(jié)果，利用Fick第二定律構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型，用SPSS軟件回歸擬合曲線，計(jì)算參數(shù)，得到溶解速率K1，降解速率K2，最佳時(shí)間Tmax和最佳得率Ymax，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 添加樹脂果膠浸提動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Table 1 Kinetics model parameters of pectin extraction adding resin

表2 無(wú)樹脂果膠浸提動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Table 2 Kinetics model parameters of pectin extraction without resin

動(dòng)力學(xué)分析優(yōu)化最佳結(jié)果，離子交換樹脂法提取果膠的最佳溫度為80 ℃，此時(shí)Tmax=117.3 min，果膠得率達(dá)17.47%；酸提法提取果膠的最佳溫度為80 ℃，此時(shí)Tmax=116.8 min，果膠得率達(dá)9.72%，與試驗(yàn)結(jié)果圖2和圖3相吻合。

2.3 動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)有效性檢驗(yàn)

對(duì)以上得到的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行有效性分析，對(duì)模型得出的理論值和試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差分析和F檢驗(yàn)，結(jié)果分別見(jiàn)表3和表4。

表3 添加樹脂果膠浸提動(dòng)力學(xué)模型統(tǒng)計(jì)分析Table 3 Statistical analysis of kinetics model of pectin extraction adding resin

表4 無(wú)樹脂果膠浸提動(dòng)力學(xué)模型統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Statistical analysis of kinetics model of pectin extraction without resin

由表3和表4可知，隨著木瓜皮中果膠浸提時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)所得的殘差無(wú)顯著的對(duì)零系統(tǒng)偏差，無(wú)正和負(fù)系統(tǒng)的趨向性，而由F檢驗(yàn)的系數(shù)r可得，試驗(yàn)的離散數(shù)據(jù)的置信度在98%以上，這說(shuō)明用分析試驗(yàn)結(jié)果得到的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述該木瓜皮中果膠浸提過(guò)程是成立的，離子交換樹脂法和傳統(tǒng)的酸提法浸提木瓜皮果膠過(guò)程均能由動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.4 模型預(yù)測(cè)能力驗(yàn)證

由表3和表4進(jìn)行殘差分析和F檢驗(yàn)可知，模型是有效的。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型預(yù)測(cè)能力驗(yàn)證。

圖4 動(dòng)力學(xué)方程擬合曲線(添加樹脂)Fig.4 Fitting curves of kinetics equations (adding resin)

圖5 動(dòng)力學(xué)方程擬合曲線(無(wú)樹脂)Fig.5 Fitting curved of kinetics equations (without resin)

添加離子交換樹脂，在不同溫度(70，80，85，90 ℃)下，對(duì)果膠得率試驗(yàn)測(cè)定值和模型預(yù)測(cè)計(jì)算值進(jìn)行比較見(jiàn)圖4，同時(shí)列出了在最佳提取溫度80 ℃情況下，原果膠量和果膠降解量隨時(shí)間變化的曲線。而圖5描述的是未添加樹脂，模型預(yù)測(cè)能力驗(yàn)證情況見(jiàn)圖5。

由圖4和圖5可知，采用動(dòng)力學(xué)模型對(duì)離子交換樹脂法和傳統(tǒng)的酸提法浸提木瓜皮果膠試驗(yàn)測(cè)定值和模型預(yù)測(cè)計(jì)算值吻合較好。因此，利用Fick第二定律構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)模型能較好地預(yù)測(cè)果膠提取的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，所獲的動(dòng)力學(xué)參數(shù)能為生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

2.5 表觀活化能

以lnK對(duì)1/T作圖，得回歸方程，根據(jù)阿倫尼烏斯公式[10]lnK=-Ea/RT+lnA 從方程的斜率求出表觀活化能Ea。其中,K為溫度T時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)，單位S-1。Ea為表觀活化能，一般與溫度無(wú)關(guān)，單位為J/mol或kJ/mol。T為絕對(duì)溫度，單位為K。R為摩爾氣體常數(shù)，一般為8.314 J/mol·K。A為指前因子，又稱阿倫尼烏斯常數(shù)，單位與K同。

由表1中動(dòng)力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)K1求得回歸方程，離子交換樹脂法提取果膠的回歸方程為：lnK1=-4646×(1/T)+4.735，R2=0.9908，由Arrhenius公式求得加樹脂試驗(yàn)活化能Ea=38.63 kJ/mol；同理，由表2求得酸提法即未添加樹脂的回歸方程為：lnK1=-2861.2×(1/T)-0.0847，R2=0.9904，試驗(yàn)活化能Ea=23.78 kJ/mol。

活化能越低，反應(yīng)越容易進(jìn)行，Ea表示木瓜皮提取果膠所需最低能量。綜上可知，隨著樹脂添加量的增加，試驗(yàn)活化能Ea從38.63 kJ/mol降至23.08 kJ/mol，說(shuō)明加樹脂后，果膠得率明顯提升，這與圖1和圖2的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。這也可能是由于果皮中存在Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子與果膠結(jié)合，使果膠提取較為困難，陽(yáng)離子交換樹脂加入，果皮中的鈣、鎂等離子能夠被氫型樹脂吸附，進(jìn)而發(fā)生置換，解除離子鍵作用，同時(shí)樹脂可以吸附低分子物質(zhì)，解除機(jī)械性牽絆，降低果皮提取果膠所需最低能量，使得果膠的產(chǎn)率得以明顯提高。

3 結(jié)論

構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)過(guò)有效性分析和模型預(yù)測(cè)能力驗(yàn)證，表明能很好地應(yīng)用于離子交換法和傳統(tǒng)的酸提法提取木瓜皮中果膠提取的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為木瓜皮提取果膠工業(yè)開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐，從而能更好地服務(wù)于食品與調(diào)味品行業(yè)。離子交換法提取果膠的活化能與傳統(tǒng)的酸提法相比，Ea從37.88 kJ/mol降至23.68 kJ/mol，表明陽(yáng)離子交換樹脂加入，降低了木瓜皮提取果膠所需最低能量，使得果膠的產(chǎn)率得以明顯提高。離子交換樹脂法提取木瓜皮中果膠在樹脂用量為5%、料液比為1∶30(g/mL)、浸提液pH值為1.5的條件下，浸提溫度80 ℃情況下，動(dòng)力學(xué)分析優(yōu)化最佳結(jié)果Tmax=117.3 min，果膠得率達(dá)17.47%，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。