一种稀酸‐加压法制备甜菜果胶的方法与流程

本发明涉及一种果胶制备技术，特别是加压辅助稀酸直接从甜菜湿粕中提取果胶的方法，属于农产品深加工领域。

背景技术：
甜菜作为糖料作物栽培至今已有200年的历史，当今世界甜菜种植面积约占糖料作物的48％，次于甘蔗居第2位。甜菜粕是甜菜块根切丝热浸提糖后产生的副产物，湿粕经过挤压除去一部分水分后称为压粕，其水分含量约为75～80％，压粕产量约占甜菜干物质的20～30％，是量大集中的甜菜制糖副产物。糖厂都是在北方冬季生产，压粕易于自然冷冻贮存。目前国内外各甜菜糖厂的压粕主要经600～800℃干燥并挤压成颗粒粕，作饲料用，没有进行高值化利用。甜菜果胶是一种广泛存在甜菜细胞壁和细胞中间层的杂多糖，据我国不同地区的取样分析证实，甜菜粕中含有15‐28％的果胶。甜菜果胶的结构与原料的处理方式、提取和纯化技术有关，研究表明甜菜粕果胶的中性糖、乙酰化度和蛋白含量均高于橘皮和苹果渣来源的果胶，拥有很好的乳化、稳定和增稠性能，与常用的阿拉伯胶相比，甜菜果胶的乳化活性更有优势，因此在食品和医药工业中具有广泛的应用前景。目前在世界范围内甜菜果胶还没有形成工业化生产，特别是我国以柑橘和苹果渣皮为原料的果胶产量尚不能满足市场需求。若能结合我国甜菜粕资源丰富的优势，开发性能良好的甜菜果胶产品，不仅能填补市场的空白，还能使价格低廉的甜菜粕升值，可为甜菜制糖行业的资源化利用带来可观的经济效益。根据提取溶剂的种类，果胶提取方法可分为酸法、碱法和螯合剂法。酸法具有效率高、残留少、操作简便的优点，被广泛采用。通常，酸法以有机酸或无机酸为提取溶剂，通过热酸作用将细胞壁中的(不溶性)原果胶转化为可溶性果胶。这个过程一般在pH1.3～3.0、60～90℃、30～360min下进行(YapoB.M.Pectinquantity,compositionandphysicochemicalbehaviourasinfluencedbythepurificationprocess[J].FoodResearchInternational.2009(8):1197–1202.)，因而也将其称之为热酸法。热酸法存在的主要问题在于容易降解果胶分子结构，尤其是甲氧基、中性糖侧链等酸不稳定的结构(特别是阿拉伯糖残基)(YapoB.M.,RobertC.,EtienneI.,etal.Effectofextractionconditionsontheyield,purityandsurfacepropertiesofsugarbeetpulppectinextracts[J].FoodChemistry.2007,100(4):1356–1364；Thibault,J.‐F.,Renard,C.M.G.C.,Axelos,M.A.V.,Roger,P.,&Cre′peau,M.‐J.(1993).Studiesofthelengthofhomogalacturonicregionsinpectinsbyacidhydrolysis.CarbohydrateResearch,238,271–286)。为了克服这种问题，国内外学者开发了更温和的螯合剂方法，但由于螯合剂容易残留，故限制了该法在工业上的进一步应用(LevigneS.,RaletM.,ThibaultJ.F.Characterisationofpectinsextractedfromfreshsugarbeetunderdifferentconditionsusinganexperimentaldesign[J].CarbohydratePolymers.2002,49(2):145–153)。甜菜果胶提取技术已有报道。张海燕等人公布了一种盐法提取甜菜果胶的方法(专利申请号：201410326603.0)和一种微波辅助提取甜菜果胶的方法；木泰华等人公布了一种物理辅助提取甜菜果胶的方法(专利申请号：201310247157.X)；王勇等人公布了一种甜菜果胶及其提取方法(专利申请号：201310700191.8)。但现有甜菜果胶提取方案都是在以干粕为提取原料的基础上建立的，且该方案的实施需要对甜菜湿粕进行干燥、粉碎等预处理。这种方法不仅工艺繁琐、耗能，在一定程度上也增大了原料的损失。其次，在提取过程中，甜菜湿粕吸水后的迅速膨胀增大体系的粘稠度，这影响了甜菜果胶传质效果。虽然延长提取时间能够补偿传质差产生的不良影响，但加热时间的延长又加剧了果胶分子的降解程度，并最终导致果胶的品质下降。因此，在保持提取率的提前下，开发一种有助于保持甜菜果胶结构完整性的方法具有重要的现实意义。

技术实现要素：
针对现有果胶提取技术的缺点和不足，本发明从甜菜湿粕的物化特性出发，旨在提供一种反应条件温和、流程简单、提取效率高的果胶制备方法。果胶的提取过程是原果胶不断溶解，并向细胞壁外部容易扩散的过程。从传质的角度看，这个过程可以再细分为：(1)果胶从植物组织内扩散到固定相表面；(2)固定相表面的果胶通过浓度梯度再扩散到溶液中(MinkovS.,MinchevA.,PaevK.Modellingofthehydrolysisandextractionofapplepectin[J].JournalofFoodEngineering.1996,29(1):107–113)。在温度、料液比、搅拌速度等因素相同的情况下，果胶的传质速率还与原料的物化特性密切相关。当原料的膨胀系数大、粘稠度高时，果胶从植物组织向往扩散的速度更慢。因此，根据原料的物化特性选择合适的提取技术，对于提高果胶的提取效率具有重要的作用。本发明是以糖厂副产物压粕为原料，特点是原料无须干燥和复水溶胀过程，对已开放的细胞通道在稀酸溶液中配合瞬间加压的方式，有助于克服粘稠渣液传质差的问题，使果胶易于溶出扩散到溶液中。本发明的目的通过如下技术方案实现：一种稀酸‐加压法制备甜菜果胶的方法，包括以下步骤：步骤1：以质量百分比计，用含水75～80％的湿粕为原料制备新鲜压粕，将新鲜压粕或储存的冷冻压粕缓冻，清水洗涤、沥干后装入提取罐，加入去离子水；控制压粕与去离子水质量比为1:10‐20，用酸调节溶液的pH值为2.0‐3.4；加入的酸为盐酸、硫酸、硝酸或柠檬酸，在65～85℃下浸泡；步骤2：在浸泡过程中对提取罐周期升压至0.1～1.0Mpa，保持压力1～5min，恢复到常压20～60min后，再升压和减压恢复到常压；压力变换周期为1～3次，总浸泡时间为100～180min，包括压力变换周期；步骤3：对提取罐内物料进行搅拌，控制搅拌速度60～200rpm，得粗滤液；步骤4：向粗滤液中加入碳酸盐溶液，生成沉淀，吸附粗滤液中的悬浮物和可溶性钙镁盐灰分，提取液经机械除渣器分离沉淀和悬浮物后，进入压滤机进行精过滤；加入的碳酸盐为CaCO3或Na2CO3，加入量为使粗滤液的pH值为2.5～4.5；步骤5：将精过滤后的果胶提取液浓缩，向浓缩后的果胶溶液中渐进式加入乙醇，使果胶脱水沉析；醇析后经挤压或离心脱除溶剂，干燥得到甜菜果胶。为进一步实现本发明目的，优选地，所述的压滤机为蝶式或板框式压滤机。优选地，所述的渐进式加入醇溶剂是在醇析罐的不同液位点同时滴入乙醇溶液，加入乙醇的质量为果胶溶液的3～5倍。优选地，所述的乙醇质量浓度为75～95％。优选地，所述的浓缩是将精过滤后的果胶提取液在40～60℃温度下蒸发除去水分至含固形物质量百分含量为1～5％；浓缩用的蒸发器为单效或多效串联组合而成。优选地，所述的干燥是指将离心脱溶剂的固体湿果胶在<60℃温度下干燥得到含水量低于10％的果胶。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本发明方法直接用甜菜湿粕为原料，无须干燥、粉碎等预处理和提取时的复水过程，甜菜细胞经过热涨、冻融后增加了细胞通道，使果胶易于从组织内扩散到固相表面和溶液中；果胶分子扩散容易，提取率高，流程短；2、本发明方法过程中用酸量少，其方法对果胶分子结构的破坏小，产品的纯度高，条件温和，不腐蚀设备，不污染环境；3、本发明醇沉时采用渐进式滴醇，避免局部含醇过高，果胶沉淀包裹杂质，形成难溶颗粒；4、与传统工艺相比，该技术反应条件温和、流程简化，克服了甜菜湿粕吸收膨胀引起的传质差问题，还有助于避免果胶分子的降解和侧链上中性糖的损失，提高果胶的收率和品质，同时降低加工成本；技术路线简单，可实现大规模生产。附图说明图1为本发明实施例中测定所得产品的半乳糖醛酸含量的标准曲线；图2为本发明实施例以及现有技术方法提取果胶样品的分子量分布曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。实施例1称取含水80％(质量含量)的新鲜甜菜压粕1200g，用25℃水喷洗去除残糖，沥干后装入提取罐，加入去离子水，甜菜压粕与去离子水的质量比为1:18，加入浓度为2mol/L的盐酸，调节pH值为3.0，50rpm搅拌均匀后，82℃下恒温静置30min，提取罐升压至0.1Mpa，持压4min，压力表回位到0.0Mpa，80rpm搅拌30min静置，再升压至0.13Mpa，持压3min，减到常压，120rpm搅拌30min。曲筛过滤固液分离，向滤液中加入质量浓度为5％的NaCO3溶液，维持pH值为4，滤布过滤，滤液用蒸发器在60℃下浓缩至原体积的30％。滤液移入醇沉罐内，以二点式渐进滴加质量浓度85％的乙醇，加入量对滤液3.2倍体积。10℃以下静置12小时，用10000rpm的离心机分离30min，再依次用质量浓度分别为85％、90％的乙醇洗涤2次，洗去可溶性糖和醇溶性杂质，离心分离，在55℃下真空干燥得到浅灰色粉末状目标产品。收集上述各级乙醇溶液以备回用。实施例2称取‐15℃储藏的甜菜压粕2000g，缓冻后用35℃温水喷洗去除压粕表面残糖等杂质，沥干后含水75％，装入浸提罐，加入去离子水，甜菜压粕与去离子水的质量比为1:20，加入浓度为1.5mol/L的硝酸，调节pH值为2.5，45rpm搅拌均匀后，78℃下恒温静置35min，罐内升压至0.12Mpa，持压3min，压力表回位到0.0Mpa，90rpm搅拌20min静置，再升压至0.15Mpa，持压4min，减到常压，100rpm搅拌30min。过滤进行固液分离，向滤液中加入质量浓度为4％的NaCO3溶液，维持pH值为3.3，真空抽滤，滤液在57℃下浓缩至原体积的25％。滤液移入醇沉罐内，以三点式渐进滴加质量浓度为87％的乙醇，加入量对滤液3.0倍体积。15℃以下静置13小时，用12000rpm的离心机分离20min，再依次用质量浓度分别为83％、85％、90％的乙醇洗涤3次，洗去醇溶性杂质，离心分离，在60℃下真空干燥得到甜菜果胶。收集上述各级乙醇溶液以备回用。实施例3称取‐5℃下储藏的甜菜压粕1800g，缓冻后用30℃水喷洗去除残糖，沥干后含水78％(质量含量)，装入提取罐内，加入去离子水，甜菜压粕与去离子水的质量比为1:15，加入浓度为1.2mol/L的磷酸，调节pH值为3.2，50rpm搅拌均匀后，80℃下恒温静置50min，浸提罐升压至0.15Mpa，持压5min，压力表回位到0.0Mpa，搅拌20min静置，再升压至0.20Mpa，持压3min，减到常压，120rpm搅拌30min。提取液经板框过滤得到澄清滤液，再向滤液中加入质量浓度为3％的NaCO3溶液，维持pH值为3.2，滤布过滤，滤液用蒸发器在55℃下浓缩至原体积的23％。滤液移入醇沉罐内，以三点式渐进滴加质量浓度为83％浓度的乙醇，加入量对滤液3.5倍体积。8℃以下静置10小时，用8000rpm的离心机分离30min，再依次用质量浓度分别为82％、89％的乙醇洗涤2次，洗去可溶性糖和醇溶性杂质，离心分离，在56℃下真空干燥得到甜菜果胶。收集上述各级乙醇溶液以备回用。比较实施例(实验样)所得果胶样品和改进的传统热酸法工艺(传统热酸法工艺汇总，pH值为1.3～3.0，温度为60～90℃、时间为30～360min，没有加压，更不涉及间歇加压，原料为干料)制得果胶样品(对照样)在提取率和化学成分、果胶分子量、分子结构等方面的差异。实施例样品来自实施例2；对照样制备过程中未进行加压处理，但以甜菜湿粕为提取原料，料液比为1:20、提取pH值为2.5、提取时间为100min；实验样和对照样的检测按照GB/T25533-2010规定的方法和其他方法(见表1)进行检测，其结果如下：表1所得样品的检测指标项目实验样对照样国标规定检验方法提取率，(w/％)11.710.3//干燥减量，(w/％)11.011.0≦12.0GB5009.3二氧化硫，(mg/kg)未检出未检出≦5.0GB/T5009.34酸不溶灰分，(w/％)<0.1<0.1≦1.025533‐2010铅(Pb)，(mg/kg)1.21.3≦5.0GB5009.12总半乳糖醛酸，(w/％)68.067.0≥65.0紫外分光光度计法总灰分，(w/％)1.33.5/GB5009.4‐2010上述检测结果表明，根据实施例2所得产品与对照样的各项主要理化指标均符合国标‐果胶的要求，证明本发明能生产出合格的甜菜果胶。如表1所示，采用本发明生产的甜菜果胶的提取率为11.7％，而现有技术(传统热酸法)得到的甜菜果胶提取率仅为10.3％。这表明在相同的提取pH、提取温度、料液比等条件下，本发明中在提取率方面显著优于现有技术。从上述结果可知，本发明所述的稀酸‐加压提取法能有效提高甜菜果胶的提取率并缩短提取时间。与现有技术相比，本发明之所以能够加快甜菜果胶的提取效率，可能主要源于以下原因：1)加压处理促进了果胶的胶溶，压缩了甜菜细胞壁内部包含果胶的孔道，使果胶受到挤压向外扩散，从而加快了传质速度，并最终提高了甜菜果胶的提取效率。在食品体系中，果胶常用作乳化剂和增稠剂，用于防止油滴与水相分层和改善食品的质地。甜菜果胶所能达到的效果与甜菜果胶的浓度直接相关，而相同用量下甜菜果胶的有效浓度又取决于甜菜果胶的纯度。因此，在同等用量的条件下，提高甜菜果胶的纯度能提高甜菜果胶的使用效果。如表1所示，本发明提供的稀酸‐加压提取法得到的产品的总灰分含量仅为1.3％，显著低于对照样3.5％。总灰分的含量与非果胶成分的含量成正比。因此，本发明所述的方法能够得到纯度较高的甜菜果胶产品。从以上实施例可以看出，用本发明的方法，可制备出提取率高、纯度高的甜菜果胶。表2不同提取方法所得甜菜果胶的重均、数均分子量和多分散系数如表2所示，现有技术方法由于提取时间较长，果胶分子尤其是侧链上的中性糖等酸不稳定结构在提取过程中容易降解，导致果胶的分子量下降、多分散系数升高。图1是采用体积排阻色谱—静态激光光散射技术测得的果胶样品分子量分布曲线。从中可以看出，与实验样相比，对照样品的吸收峰较宽，且出峰时间总体向后偏移，这间接反映了果胶分子在提取过程中受到了的降解；吸收峰变宽也表明产品的同质性程度降低。结合表2和图1的结果可以得出，本发明提供的稀酸‐加压提取法能够缩短甜菜果胶的提取时间，并降低甜菜果胶在热酸环境中的降解程度，从而保持果胶分子结构的完整性和均一性。如上所述，本发明甜菜果胶制备用湿粕为原料，无须烘干、粉碎、筛分，可极大简化工艺流程，减少原料损失；稀酸液水解浸提，条件相对温和，能减少果胶分子降解；提取液中除甜菜果胶外，滤渣主要为纤维素和半纤维素作为进一步加工膳食纤维的原料，滤液主要为水溶性碳水化合物，稀酸和乙醇回收利用，对环境无污染。图1、表1和表2指标测定中所采用的方法：1.半乳糖糖醛酸检测方法以三羟基联苯为显色剂，采用紫外分光光度计法测定甜菜果胶的半乳糖醛酸含量。(1)标准曲线的建立：以D‐半乳糖醛酸为标准对照，配制成不同质量浓度的D‐半乳糖醛酸溶液，取各0.4mL不同浓度的样品与10mL带塞试管中，置于冰浴中冷却5min，空白管用去离子水代替。取2.4mL硫酸(含0.0125M四硼酸钠)加入试管中，充分振荡均匀后，在100℃沸水中显色5min。显色结束迅速后冷却至室温，再加入40μL的显色剂，振荡均匀后在室温下显色15min，然后在520nm测定溶液的吸光度。空白管用40μL的0.5％氢氧化钠溶液代替。标准曲线如图1所示。(2)样品测定：准确称量5mg甜菜果胶样品，溶解去离子水中，并用去离子水定容至100mL。取0.4mL样品与10mL带塞试管中，按照相同的方法进行加热、显色、吸光度测定。半乳糖醛酸含量按照下式进行计算：上式中：A表示待测样品的吸光度；m表示甜菜果胶的含量，mg；V0表示待测果胶稀释溶液的体积，mL；V表示定容体积，mL.2.果胶提取率计算方法取恒重、洁净的铝皿，用万分之一分析天平记录铝皿的重量，再称取2～3g甜菜粕、甜菜果胶，置于热风干燥箱中，在105℃下干燥10h。铝皿从干燥箱中取出后立即置于干燥器中冷却，待温度降至室温后称量铝皿的重量。甜菜果胶提取率按照公式2计算：上式中：m1表示甜菜粕的重量，干基重，g；m2表示甜菜果胶的重量，干基重，g.3.甜菜果胶的分子量、分子量分布曲线测定方法采用高效液相体积排阻色谱联合多角度激光光散射(HPSEC‐MASL)测定甜菜果胶的分子量，色谱条件如下：流动相，50mM硝酸钠(含0.05％叠氮化钠)；流速为0.6mL/min；色谱柱为Ultrahydrogel系列水溶性凝胶柱guardcolumn、Linear和1000(三根串联)，分离范围为103～108g/mol；测试样品浓度为1mg·mL‐1；dn/dc值为0.146mL·g‐1；分析温度35℃；进样体积100μL。检测器：DAWNHELEOSⅡ多角度激光检测器；OptilabT‐rEX示差检测器。