石榴皮渣果胶电解水提取工艺及其结构特性

石榴是一种集社会、经济、生态效益和观赏价值与保健功能于一身的特色经济作物。工业生产中，石榴主要用于果汁、果酒的酿造，期间产生了大量以石榴皮渣为主的加工副产物。随着石榴产业的飞速发展，石榴皮渣的浪费情况日趋严重，对环境的压力也越来越大，现仅有少量文献对石榴皮渣进行研究，其中果胶作为石榴皮渣中大量存在的天然成分，具备安全，无毒等特点，乳化性、凝胶性等性质优良，因此被广泛应用于食品、药品、化妆品等领域。

近年来，国内外众多学者对果胶的提取工艺技术进行了大量研究。提取方法通常需要使用大量强酸调节提取环境的pH值，因此对环境造成极大的破坏，且提取得率受到限制。超声辅助提取是通过利用超声波在液体介质中传播时会形成大量的空化泡，空化泡骤裂时释放出的巨大能量可对细胞结构产生破坏，使材料与溶剂的接触面积大大增加，有效提高了目标物向溶剂的转移。酸性电解水（pH＜2.5）具有较强的氧化性和杀菌效果，且价格低廉、绿色环保、安全无毒，在食品、医药、农业等领域广泛研究与应用。目前，利用超声与酸性电解水相结合提取果胶的方法鲜见报道。

基于以上分析，湖北工业大学生物工程与食品学院，菲利普斯亲水胶体研究中心的王炜清、庄虎和李述刚*等人拟采用石榴皮渣作为研究对象，在超声辅助下，以弱酸性电解水为提取溶剂，对果胶的提取工艺进行研究。考察pH值、料液比、提取温度、提取时间以及超声功率密度等因素对石榴皮渣果胶提取得率的影响，通过响应面法优选果胶的提取工艺，并利用傅里叶变换红外光谱等手段对提取物的结构进行测定分析，以期为石榴皮渣果胶的高效绿色提取及制备提供理论依据，促进其果胶的深加工和高值化利用。

1 提取工艺的单因素试验结果

结果显示，随着提取时间的延长，石榴皮渣果胶提取得率呈现出先升高后降低的趋势，在提取时间为30 min时达到最大值；提取时间过长，在热效应与超声条件下，可能会造成部分果胶发生双重降解。因此选用提取时间20、30 min和40 min 3 个水平进行响应面试验优化。随着提取温度的升高，石榴皮渣果胶提取得率增大，在提取温度为60 ℃时达到最大，继续升高温度提取得率没有明显的变化。在一定提取温度范围内，温度升高果胶的提取得率增加。因此选择提取温度50、60 ℃和70 ℃ 3 个水平用于响应面试验优化。

果胶提取得率随着超声功率密度的增加，呈先上升后减小的趋势，在超声功率密度1.0 W/mL时提取得率最大。超声功率密度在0.8～1.6 W/mL时对果胶提取得率影响较小，故在响应面试验优化中不考虑此因素，并选择超声功率密度为1.0 W/mL。果胶提取得率随溶剂用量的增加呈先增加后减少的趋势，在料液比为1∶20（g/mL）时达到最大值。因此选用料液比1∶15、1∶20、1∶25（g/mL）3 个水平用于响应面试验优化。石榴皮渣果胶提取得率随pH值的升高呈先增大后减小的变化趋势。pH值的变化对石榴皮渣果胶的提取得率有很大的影响，选择pH 1.5、2.0、2.5用于响应面试验优化。

2 提取工艺的响应面试验优化分析

2.1 响应面试验结果及方差分析

综合单因素试验，选取对石榴皮渣果胶提取得率影响较大的pH值（A）、提取时间（B）、提取温度（C）、料液比（D）4 个因素，建立4因素3水平Box-Behnken试验设计，共包括29 个试验方案，24 个分析试验点，5 个中心试验点，用以计算试验误差。

2.2 回归模型的方差分析

本研究中，模型失拟项的F值为5.960，P值为0.050 1（＞0.05），表明失拟项不显著，说明该模型拟合度较好。一次项A、D对模型的影响显著（P＜0.05），二次项A2、B2、C2和D2为显著（P＜0.05），交互项均不显著。从F值可看出各因素对响应值的影响程度，得到提取因素的主效应关系为A＞D＞C＞B，即pH值＞料液比＞提取温度＞提取时间。

2.3 响应面试验分析

如图2所示，pH值、提取时间、提取温度及料液比中任意2 个变量取0水平时，其余变量对果胶得率的影响，三维响应面的形状都与抛物线图形相似，说明果胶提取得率的最大值出现在中间点处，此模型存在最大值的稳定点。由图2可知，A（pH值）与B（提取时间）和D（料液比）与B（提取时间）的等高线图形呈较为扁的椭圆形，而其他的椭圆偏圆形，与方差分析相吻合。即BD与AB的交互作用对果胶提取得率影响更大。

2.4 模拟验证实验

通过对石榴皮渣果胶提取得率的二次多项数学模型进行解析，得出提取石榴皮渣果胶的最佳工艺条件为超声功率密度1.0 W/mL、pH 1.67、料液比1∶17.87（g/mL）、提取温度60.09 ℃、超声时间32.14 min，此时，石榴皮渣果胶的提取得率理论上可达到14.48%。考虑到实际操作性，调整工艺参数为超声功率密度1.00 W/mL、pH 1.7、提取温度60 ℃、提取时间33 min、料液比1∶18（g/mL）。在此条件下进行3 组验证实验，石榴皮渣果胶的提取得率分别为14.71%、15.09%、15.06%，平均值为14.95%，与理论值接近，表明数学模型对优化石榴皮渣果胶的提取工艺可行。

并在此基础上对比研究同等条件下超纯水提取石榴皮渣果胶的提取得率结果如表4所示，根据对比实验可以看出同等条件下电解水提取果胶的得率高于超纯水提取，在2 种提取方法均得到相同果胶提取得率结果时，只需调节电解水pH值至2.0。相比超纯水提取法，盐酸的使用量降低了15%，这在降低成本、绿色环保方面也有突出贡献。

3 果胶的理化性质和结构分析

3.1 分子质量

不同提取方法得到的果胶在结构和功能性质方面存在较大差异。由图3可以看出，2 种果胶的分子质量分布均为双峰分布，推测可能是2 种方法所提取的果胶为粗果胶，其中还含有少量色素、蛋白质以及小分子物质等，但还有待下一步验证。电解水提取果胶的mw为7.294×106 g/mol，比超纯水提取果胶（9.977×106 g/mol）低26.89%，表明电解水提取比传统超纯水提取法具有更明显的降解效果。而超纯水提取果胶的多分散系数（1.156）较电解水提取果胶的多分散系数（1.169）低1.11%，表明超纯水提取果胶分子分布更集中。

3.2 果胶单糖组成与提取得率

使用电解水作提取溶剂制备的石榴皮渣果胶不仅提取得率高于超纯水，二者的单糖组成也存在较大差异。结果显示，电解水提取果胶与超纯水提取果胶的主链无明显差异。而（Gal+Ara）/Rha反映了RG-I区域侧链的平均长度，超纯水提取果胶略高于电解水提取。同时，2 种果胶相对应的其葡萄糖（Glu）相对含量（10.61%）仅为超纯水所提取的1/2。

3.3 果胶红外光谱分析

如图4所示，2 种方法制备果胶的红外图谱相似，其中3 500～3 000 cm-1处的吸收峰是O—H的伸缩振动引起的；3 000～2 800 cm-1处的特征峰是由半乳糖醛酸甲酯或碳环上的C—H的伸缩振动引起的，1 760～1 730 cm-1处的峰为果胶羧羰基和酯羰基中C＝O的伸缩振动，1 630～1 600 cm-1处的峰为果胶羧基中COO-的振动引起的；由于果胶的酯化度与其在1 742 cm-1处的峰面积与1 742 cm-1和1 626 cm-1处的峰面积之和的百分比呈线性关系，由样品在1 742 cm-1和1 626 cm-1处的峰面积可知电解水提取果胶的酯化度（68.4%）高于超纯水提取果胶（59.1%），该结果与化学测定法得出的结果吻合。

结 论

本实验从石榴工业生产废弃物石榴皮渣的再利用出发，研究了石榴皮渣果胶的提取方法并获得最佳电解水提取工艺。通过比较2 种提取方法制备的石榴皮渣果胶，发现以弱酸性电解水作为提取溶剂能够提高提取得率，且果胶具有更高的半乳糖醛酸含量以及较低的分子质量，并通多傅里叶变换红外光谱显示了电解水提取果胶具有更高的酯化度。因此，利用电解水提取法可减少强酸的使用量，缓解其对环境的破坏，是一种绿色高效的石榴皮渣果胶提取方法。

本文《石榴皮渣果胶电解水提取工艺及其结构特性》来源于《食品科学》2020年41卷12期243-249页，作者：王炜清，庄虎，王康平，王萍，李述刚。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190723-302。点击下 阅读原文 即可查看文章相关信息。

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修改/编辑：袁月；责任编辑：张睿梅

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