一种利用超声波与混合酸从烟梗中提取果胶的方法与流程

1.本发明涉及烟草中废弃物再利用技术领域，尤其涉及一种利用超声波与混合酸从烟梗中提取果胶的方法。

背景技术：

2.烟草作为主要的农作物之一，其种植面积大，每年所生产出的烟草废弃物多。当前烟草废弃物主要作为肥料使用，其中含有的很多有价值物质未被开发利用，极易造成资源的浪费。相关研究表明(唐天宽,汪意湘,彭邱强,刘华友.烟草废弃物利用研究概况[j].农业与技术,2012,32(8):22-28)，烟草废弃物中含有的有价值物质，可以采用提取技术对其进行提取，并可用于新产品的开发应用，这使得烟草废弃物可以达到无害化甚至资源化处理。
[0003]
果胶主要存在于植物的细胞壁和胞间层之间，是植物细胞壁中的基质多糖，由线性聚半乳糖醛酸上被不同程度甲酯化的羟基和聚l-鼠李糖半乳糖醛酸组合而成，其最大相对分子质量可达到40万左右，泽有白、淡黄、浅灰或浅棕。目前，用于提取果胶的原料有很多种，比如火龙果皮、柚子皮和西瓜皮等，而烟梗中提取果胶的方法主要为传统的单一酸提取法，所得果胶产率较低。

技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种利用超声波与混合酸从烟梗中提取果胶的方法，该方法的果胶产率高。
[0005]
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
[0006]
本发明提供了一种利用超声波与混合酸从烟梗中提取果胶的方法，包括以下步骤：
[0007]
将烟梗粉末、混合酸与水混合，调节ph值为0.5～2.5，进行超声提取，得到提取液；所述混合酸包括有机酸和无机酸；
[0008]
将所述提取液依次进行脱、沉淀、分离和干燥，得到果胶。
[0009]
优选的，所述烟梗粉末的制备方法包括：将烟梗浸泡于沸水中，依次进行干燥和粉碎，得到烟梗粉末；所述浸泡的时间为1～2h。
[0010]
优选的，所述烟梗粉末与水的用量比为1g:(10～50)ml。
[0011]
优选的，所述有机酸包括一水合柠檬酸和醋酸；所述无机酸包括浓硫酸。
[0012]
优选的，所述混合酸包括水、浓硫酸、一水合柠檬酸和醋酸；所述水、浓硫酸、一水合柠檬酸和醋酸的用量比为(300～600)ml:(20～100)ml:(1～6)g:(5～20)ml。
[0013]
优选的，所述超声提取的功率为100～200w，时间为30～70min。
[0014]
优选的，所述脱的过程包括：将所述提取液与活性炭混合，在水浴条件进行脱。
[0015]
优选的，所述活性炭的质量为所述提取液质量的1％，所述水浴的温度为60～93
℃。
[0016]
优选的，所述沉淀所用试剂为乙醇；所述沉淀在静置条件进行，所述沉淀的时间为2h。
[0017]
优选的，所述分离的方式为抽滤；所述干燥的方式为真空干燥。
[0018]
本发明提供了一种利用超声波与混合酸从烟梗中提取果胶的方法，本发明采用有机酸与无机酸构成的混合酸作为ph值调节液，使提取过程在酸性相对温和的状态中进行，且混合酸的酸性稳定，能够在破坏细胞壁的同时，避免酸性过强导致果胶被水解，提高果胶得率；本发明采用超声辅助提取，超声波的空化和破壁作用增强，能够作用于原材料，增强细胞壁的破坏，为后续提取液更好地进入细胞壁内并将果胶溶出提供助力，从而有效提高果胶的得率。而单独的酸提取法破坏细胞壁的强度不足，且溶剂的渗透速率慢，当酸浓度不稳定时，破壁作用慢且不均匀，本发明利用超声辅助混合酸提取，从而弥补单独酸提取的缺陷。
[0019]
相对于传统的单一酸提法(有机酸或无机酸)，本发明的提取方法提高了烟梗中果胶的提取率，提取方法简单高效，成本低、耗时短，果胶得率更高，品质更好，使烟草废弃物的烟梗回收利用率更高。
[0020]
进一步的，本发明所用超声功率较小，能够恰到好处地既起到破壁作用，又避免超声过大降低果胶得率和品质，且对设备要求较低，抽滤分离次数较少(只有一次抽滤)，避免多次抽滤导致果胶得率降低，解决了单一酸提取所用酸液对设备存在腐蚀，对设备的材质要求过高的问题。
附图说明
[0021]
图1为未作处理的烟梗的扫描电镜图(5μm)；
[0022]
图2为实施例3中沸水处理后烟梗粉末的扫描电镜图(5μm)；
[0023]
图3为实施例3经过超声处理后所得烟梗的扫描电镜图(5μm)；
[0024]
图4为实施例3制备的果胶产品的外观；
[0025]
图5为实施例3制备的果胶产品的毒性检测实验结果。
具体实施方式
[0026]
本发明提供了一种利用超声波与混合酸从烟梗中提取果胶的方法，包括以下步骤：
[0027]
将烟梗粉末、混合酸与水混合，调节ph值为0.5～2.5，进行超声提取，得到提取液；所述混合酸包括有机酸和无机酸；
[0028]
将所述提取液依次进行脱、沉淀、分离和干燥，得到果胶。
[0029]
在本发明中，若无特殊说明，所需材料或试剂均为本领域技术人员熟知的市售商品。
[0030]
本发明将烟梗粉末、混合酸与水混合，调节ph值为0.5～2.5，进行超声提取，得到提取液。
[0031]
本发明对所述烟梗的来源没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程从新鲜烟草中将梗分离出即可；所述烟梗使用前，优选采用清水冲洗干净。
[0032]
在本发明中，所述烟梗粉末的制备方法优选包括：将烟梗浸泡于沸水中，依次进行干燥和粉碎，得到烟梗粉末；所述浸泡的时间优选为1～2h，更优选为2h。本发明对所述干燥和粉碎的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程得到所需粒径的烟梗粉末即可。本发明将烟梗浸泡于沸水中，对烟梗进行灭酶。
[0033]
在本发明中，所述混合酸包括有机酸和无机酸；所述有机酸优选包括一水合柠檬酸和醋酸；所述无机酸优选包括浓硫酸；所述浓硫酸的质量分数优选为98％；所述混合酸更优选包括水、浓硫酸、一水合柠檬酸和醋酸；所述水、浓硫酸、一水合柠檬酸和醋酸的用量比优选为(300～600)ml:(20～100)ml:(1～6)g:(5～20)ml，更优选为319ml:31ml:1.5g:10ml。
[0034]
现有方法采用单一酸提取果胶，单一酸为有机酸或无机酸，有机酸一般酸性较温和，对细胞壁的破坏作用慢且不完全；而无机酸一般酸性强，特别是强酸易导致果胶在提取过程中变性，且酸性在整个提取过程中的稳定控制难度较大，影响果胶得率及品质。本发明所用混合酸中，浓硫酸具有强破壁作用，用量适当能够更好的破坏细胞壁组织，又不会使果胶水解而影响产率；醋酸可弱化硫酸的强酸性，控制酸强度，但醋酸容易在超声过程中挥发，为使整个提取过程保持ph基本不变，添加一水合柠檬酸作为补充酸，因一水合柠檬酸不易挥发，且酸性相对硫酸和醋酸较弱，能够尽量保持混合酸ph值稳定，不易产生较大波动。
[0035]
在本发明中，所述水优选为超纯水；所述烟梗粉末与水的用量比优选为1g:(10～50)ml，更优选为1g:(10～30)ml；所述混合酸的用量优选达到所需ph值即可。
[0036]
在本发明中，所述烟梗粉末、混合酸和水混合的过程优选为将烟梗粉末与水混合后，加入混合酸，调节溶液ph值为0.5～2.5，更优选为1.5～2.0。
[0037]
在本发明中，所述超声提取的功率优选为100～200w，更优选为125～150w；时间优选为30～70min，更优选为40～50min；所述超声提取优选在超声清洗仪中进行。
[0038]
得到提取液后，本发明将所述提取液依次进行脱、沉淀、分离和干燥，得到果胶。
[0039]
在本发明中，所述脱的过程优选包括：将所述提取液与活性炭混合，在水浴条件进行脱；所述活性炭的质量优选为所述提取液质量的1％，所述水浴的温度优选为60～93℃；所述脱的时间优选为60min。
[0040]
完成所述脱后，本发明优选将所得产物趁热抽滤，收集滤液，进行沉淀；所述抽滤优选利用真空抽滤泵进行；所述沉淀所用试剂优选为无水乙醇；所述无水乙醇的体积优选与脱后所得滤液的体积相同；所述沉淀优选在静置条件进行，所述沉淀的时间优选为2h；本发明通过沉淀将果胶完全沉淀出来。
[0041]
完成所述沉淀后，本发明优选将所得产物进行分离；所述分离的方式优选为抽滤。本发明通过抽滤分离出沉淀的果胶。
[0042]
完成所述抽滤后，本发明优选将所得果胶浆液进行干燥；所述干燥的方式优选为真空干燥；真空干燥后，粉碎，得到果胶。本发明对所述干燥和粉碎的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
[0043]
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
实施例1
[0045]
将新鲜烟草中的叶与梗分离，将烟梗用清水冲洗干净后，采用沸水浸泡2h后，取出烘干粉碎，得到烟梗粉末；
[0046]
称取5g所述烟梗粉末于500ml锥形瓶中，按照料液比1:30(g:ml)加入超纯水，放入锥形瓶中，加入混合酸，混合酸为水、浓硫酸(质量分数为98％)、一水合柠檬酸和醋酸的混合物，所述水、浓硫酸、一水合柠檬酸和醋酸的用量依次为319ml:31ml:1.5g:10ml，调节溶液ph值为2.0，将所得混合物放入超声功率150w超声清洗仪中处理40min，得到棕提取液；
[0047]
向提取液中加入提取液质量1％的活性炭，放置于水浴温度93℃水浴锅中脱60min，然后趁热用真空抽滤泵抽滤，收集滤液；
[0048]
向滤液中加入等体积的无水乙醇，直至所得果胶浓缩液出现絮状物沉淀，静置2h后，抽滤，得到乳白果胶浆液，将果胶浆液真空干燥后，粉碎，得到果胶产品，质量为0.79g。
[0049]
实施例2
[0050]
将新鲜烟草中的叶与梗分离，将烟梗用清水冲洗干净后，采用沸水浸泡2h后，取出烘干粉碎，得到烟梗粉末；
[0051]
称取5g所述烟梗粉末于500ml锥形瓶中，按照料液比1:30(g:ml)加入超纯水，放入锥形瓶中，加入混合酸，混合酸为水、浓硫酸(质量分数为98％)、一水合柠檬酸和醋酸的混合物，所述水、浓硫酸、一水合柠檬酸和醋酸的用量依次为319ml:31ml:1.5g:10ml，调节溶液ph值为2.0，将所得混合物放入超声功率125w超声清洗仪中处理40min，得到棕提取液；
[0052]
向提取液中加入提取液质量1％的活性炭，放置于水浴温度93℃水浴锅中脱60min，然后趁热用真空抽滤泵抽滤，收集滤液；
[0053]
向滤液中加入等体积的无水乙醇，直至所得果胶浓缩液出现絮状物沉淀，静置2h后，抽滤，得到乳白果胶浆液，将果胶浆液真空干燥后，粉碎，得到果胶产品，质量为0.82g。
[0054]
实施例3
[0055]
将新鲜烟草中的叶与梗分离，将烟梗用清水冲洗干净后，采用沸水浸泡2h后，取出烘干粉碎，得到烟梗粉末；
[0056]
称取5g所述烟梗粉末于500ml锥形瓶中，按照料液比1:30(g:ml)加入超纯水，放入锥形瓶中，加入混合酸，混合酸为水、浓硫酸(质量分数为98％)、一水合柠檬酸和醋酸的混合物，所述水、浓硫酸、一水合柠檬酸和醋酸的用量依次为319ml:31ml:1.5g:10ml，调节溶液ph值为1.5，将所得混合物放入超声功率125w超声清洗仪中处理40min，得到棕提取液；
[0057]
向提取液中加入提取液质量1％的活性炭，放置于水浴温度93℃水浴锅中脱60min，然后趁热用真空抽滤泵抽滤，收集滤液；
[0058]
向滤液中加入等体积的无水乙醇，直至所得果胶浓缩液出现絮状物沉淀，静置2h后，抽滤，得到乳白果胶浆液，将果胶浆液真空干燥后，粉碎，得到果胶产品，质量为0.89g。
[0059]
对比例1
[0060]
将新鲜烟草中的叶与梗分离，将烟梗用清水冲洗干净后，采用沸水浸泡2h后，取出烘干粉碎，得到烟梗粉末；
[0061]
称取5g烟梗粉末于500ml锥形瓶中，按照料液比1:30(g:ml)加入超纯水，采用质量分数为38％的盐酸调节ph值为1.5，在超声功率125w条件进行超声提取40min，得到提取液；
[0062]
向提取液中加入提取液质量1％的活性炭，放入水浴温度93℃的水浴锅内加热60min，处理完成后趁热用真空抽滤泵抽滤，收集滤液；
[0063]
向滤液中加入等体积的无水乙醇，直至果胶浓缩液出现絮状物沉淀，静置2h后，抽滤，得到乳白果胶浆液，将果胶浆液真空干燥后，粉碎，得到果胶产品，果胶质量为0.49g。
[0064]
表征及性能测试
[0065]
1)图1为未作处理的烟梗的扫描电镜图(5μm)；图2为实施例3中沸水处理后烟梗粉末的扫描电镜图(5μm)；从图1与图2对比可以看出，经过沸水灭酶处理后的烟梗，被粉碎程度更大，便于后续进一步提取。
[0066]
2)图3为实施例3经过超声处理后所得烟梗的扫描电镜图(5μm)；从图3可以看出，超声辅助溶剂提取后，烟梗的纤维组织部分被进一步破坏，能够促进果胶的溶出。
[0067]
3)图4为实施例3制备的果胶产品的外观图；如图4所示，所提取的果胶外观颜为浅棕，根据(gb 25533-2010食品安全国家标准食品添加剂果胶)对颜的要求，认定该果胶符合国家对果胶外观颜的标准。
[0068]
4)对实施例3制备的果胶进行毒性检测，并与市售果胶标品进行对比，检测方法为：(1)细胞复苏：将3ml的dmem高糖培养基与肝癌细胞(实验室随机细胞)的混合液放入离心机中，以1000rpm的速度离心3min后取出，加入3ml培养基配成混合液，将混合液和培养基按体积比1:9(v/v)加入到培养皿中，并置入二氧化碳培养箱中；
[0069]
(2)细胞传代：用2mlpbs清洗肝癌细胞，加入胰酶使肝癌细胞分离后，加入3ml培养基，移入离心管中离心3min后取出，加入pbs清洗肝癌细胞，再加入3ml培养基，吸取1ml混合液到培养皿中并加入9ml培养基，放入co2培养箱中继续培养；
[0070]
(3)细胞接板：在培养皿中加入胰酶使肝癌细胞分离后，加入3ml培养基冲洗肝癌细胞，将冲洗后的肝癌细胞和培养基混合并移入离心管中离心3min后取出，吸取少量混合液在计数板上，用count star软件测定计数板上的肝癌细胞浓度，以此计算出培养基体积和肝癌细胞体积，据此配置所需浓度的肝癌细胞混合液，最后将混合液用排移入96孔培养板中，边缘用pbs缓冲液填充放入co2培养箱中培养；
[0071]
(4)细胞加样：分别称取果胶样品及市售果胶标品各9mg，并用dmso溶解，加入864μl培养基制成含果胶的母液(1mg
·
ml-1
)，根据设定的浓度梯度(100μg/ml、200μg/ml、300μg/ml、400μg/ml和500μg/ml)进行配制。将96孔板(8行
×
12列)中的液体排出，将最外围用pbs清洗液填充，内部区域(6行
×
10列)注入检测样品，其中前5列为不加母液的空白样，仅用培养基填充，后5列为加入不同浓度梯度的果胶样品或标品溶液，然后将96孔板同时置入二氧化碳培养箱中。每个样品设置6组平行实验；
[0072]
(5)加入mtt：称取所需质量的mtt和pbs缓冲液配制成0.5mg
·
ml-1
mtt溶液，将96孔板中的液体吸出，将200μl mtt溶液加入96孔培养板中，放入co2培养箱中4h后取出；
[0073]
(6)加入dmso：从co2培养箱中取出培养板，每孔加入200μldmso，之后，在摇床上振荡20min，采用酶标仪测其吸光度值。
[0074]
细胞活率计算公式：
[0075][0076]
所得毒性检测实验结果见表1和图5。
[0077]
表1果胶毒性检测结果
[0078][0079]
图5中各柱状图数值为各浓度对应的细胞活率平均值。表1和图5的细胞活率实验结果显示，本发明所提取的果胶对细胞活率影响比标品果胶略小，从而证明本发明所提取的果胶品质相对较好。
[0080]
5)将不同条件提取出的果胶样品，采用抽滤漏斗和定性滤纸进行真空抽滤，之后将果胶连同滤纸一同放入真空干燥箱中干燥，进行称重。
[0081]
果胶得率的计算公式：
[0082]
其中，m1：果胶+滤纸的质量，g；m2：滤纸的质量，g；m3：烘干的烟梗粉末质量，g。结果见表2。
[0083]
表2实施例1～3和对比例1的果胶得率
[0084][0085][0086]
由表2可知，本发明方法所提取的果胶得率明显高于对比例1中单一酸提取所得果胶的得率。
[0087]
6)对实施例3制备的果胶进行酯化度实验：(1)使用电子天平称量0.2g果胶，转移至锥形瓶中，同时向锥形瓶中先后加入乙醇及超纯水，分别量取2ml和20ml，用玻璃棒搅拌均匀直至溶解，再往锥形瓶中加入酚酞试剂，同时使用浓度为0.1mol
·
l-1
的naoh溶液进行
滴定。当混合溶液变红后并持续半分钟不褪将记录滴定的氢氧化钠的量，将滴定的氢氧化钠的体积记录为v1。
[0088]
(2)持续向混合溶液中加入10ml浓度为0.1mol
·
l-1
的naoh溶液，放置在摇床上进行震荡，震荡时间为120min，之后向溶液中加入10ml浓度为0.1mol
·
l-1
的hcl溶液。
[0089]
(3)加入5滴酚酞指示液，用0.1mol
·
l-1
naoh溶液滴定至出现粉红，并且30s内不褪后记录其为滴定终点，记录消耗的naoh溶液的体积，记为v2。
[0090]
果胶酯化度计算公式：
[0091][0092]
其中：v1，样品的初始滴定体积，ml；v2，样品溶液的皂化滴定体积，ml。两次计算所得结果见表3。
[0093]
表3果胶酯化度结果
[0094][0095]
由表3可知，两次实验结果所测得酯化度分别为76.92％和73.86％，两者平均值为75.39％，根据工业生产标准对果胶的酯化度要求，本发明提取的果胶达到高酯速凝果胶(》70％)标准，可用于制作果汁饮料。
[0096]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种利用超声波与混合酸从烟梗中提取果胶的方法，包括以下步骤：将烟梗粉末、混合酸与水混合，调节ph值为0.5～2.5，进行超声提取，得到提取液；所述混合酸包括有机酸和无机酸；将所述提取液依次进行脱、沉淀、分离和干燥，得到果胶。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烟梗粉末的制备方法包括：将烟梗浸泡于沸水中，依次进行干燥和粉碎，得到烟梗粉末；所述浸泡的时间为1～2h。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述烟梗粉末与水的用量比为1g:(10～50)ml。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机酸包括一水合柠檬酸和醋酸；所述无机酸包括浓硫酸。5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述混合酸包括水、浓硫酸、一水合柠檬酸和醋酸；所述水、浓硫酸、一水合柠檬酸和醋酸的用量比为(300～600)ml:(20～100)ml:(1～6)g:(5～20)ml。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声提取的功率为100～200w，时间为30～70min。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱的过程包括：将所述提取液与活性炭混合，在水浴条件进行脱。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述活性炭的质量为所述提取液质量的1％，所述水浴的温度为60～93℃。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉淀所用试剂为乙醇；所述沉淀在静置条件进行，所述沉淀的时间为2h。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分离的方式为抽滤；所述干燥的方式为真空干燥。

技术总结

本发明提供了一种利用超声波与混合酸从烟梗中提取果胶的方法，属于烟草中废弃物再利用技术领域。本发明采用有机酸与无机酸组成的混合酸作为pH值调节液，混合酸的酸性温和，能够在破坏细胞壁的同时，避免酸性过强导致果胶被水解，提高果胶得率；本发明采用超声辅助提取，超声波的空化和破壁作用增强，能够作用于原材料，增强细胞壁的破坏，为后续提取液更好地进入细胞壁内并将果胶溶出提供助力，从而有效提高果胶的得率。效提高果胶的得率。效提高果胶的得率。