利用超声辅助的深共晶溶剂从苹果渣中绿色提取果胶：工艺优化、溶剂重复利用性以及结构和功能特性研究

《International Journal of Biological Macromolecules》：Green extraction of pectin from apple pomace using ultrasound-assisted deep eutectic solvents: Process optimization, solvent reusability, structural and functional characterization

本研究通过超声辅助深熔盐溶剂（UAE-DES）系统优化苹果渣中果胶的提取工艺，利用响应面法确定最佳参数，实现25.06%的高产率，显著优于传统及单一DES方法。超声协同DES降低果胶分子量至142 kDa，酯化度达95.59%，并增强其流变特性（剪切稀化）及凝胶能力（G’>G”）。溶剂循环四次后产率仍保持15.82%，验证其可持续性。该技术为苹果渣高值化利用提供绿色方案。

　　

梅丽|金鑫|刘静伟|毕金峰

中国农业科学院食品科学技术研究所 / 农业农村事务部农产品加工与贮藏重点实验室，北京，100193，中国

摘要

本研究通过引入一种新型提取技术——结合超声波辅助与深共晶溶剂（UAE-DES）的方法，探索了苹果渣（AP）的增值利用途径。苹果渣富含果胶，但往往未被充分利用。利用响应面法（RSM）系统优化了提取过程，以提高果胶的产量和功能特性。UAE-DES方法表现出显著的协同效应，果胶产量达到了25.06%，远高于传统DES方法（12.85%）和水提取方法（10.38%）。值得注意的是，该技术在四次循环使用后仍保持高效，产量仍为15.82%，显示出其在可持续应用方面的潜力。此外，这种环保方法改变了果胶的性质，使其具有较低的分子量（142 kDa）、较高的酯化程度（95.59%）和较高的半乳糖含量（18.01 mol%）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）等结构分析证实了UAE-DES处理对果胶结构的显著改变化。这些结构变化直接提升了果胶的功能性能，表现为明显的剪切稀化行为、较强的凝胶化能力（G’ > G”在3% w/v时）以及显著的抗氧化活性。研究表明，UAE-DES不仅是一种替代提取方法，更是从苹果副产品中生产高价值、功能性果胶的强大工具，体现了其在可持续性和产品质量方面的双重优势。

引言

苹果渣（AP）是苹果加工的副产品，约占新鲜水果质量的25%[1]，随着全球苹果产业的扩张，其年产量持续增加（联合国粮食及农业组织2023年报告全球苹果产量达到97.34亿吨）。约25-30%的苹果用于液态食品加工，如果汁和苹果酒生产，产生了大量的苹果渣废弃物，主要由果皮和果肉（95%）以及种子（2-4%）和果梗（1%）组成[2]。果胶是一种天然存在的多糖，是高等植物细胞壁和中间层的关键结构成分，在水果和蔬菜中占细胞壁干重的30%以上[3]。从结构上看，果胶由多种成分组成：同聚半乳糖醛酸（HG）、鼠李半乳糖醛酸-I（RG-I）、鼠李半乳糖醛酸-II（RG-II）、木半乳糖醛酸（XG）和阿皮半乳糖醛酸（APG）[4],[5]。原料来源和提取方法的不同会影响果胶的关键特性，如甲氧基化程度、半乳糖醛酸含量、糖组成和分子量，从而改变其结构和功能特性[6]。目前，商业果胶主要来源于柑橘果皮（85.5%）和苹果渣（14.0%）[7]。

传统的果胶提取方法使用酸化热水。然而，这种方法存在环境污染、果胶降解和能耗高的问题[8]。随着“绿色化学/技术”概念的兴起，结合食品级有机酸的物理场（超声波、微波、高压等）辅助提取方法受到了越来越多的关注[9]。例如，超声波空化作用通过诱导植物组织细胞破裂和孔隙扩张来加速果胶溶解[7],[10]。深共晶溶剂（DESs）等绿色溶剂已被成功用于提取生物聚合物和植物分子[11]。DESs是一类由氢键受体（HBAs）和供体（HBDs）组成的提取剂，具有制造成本低、操作条件温和、环保和热稳定性高等优点[12]。这些特性使得DESs特别适合用于食品、制药和化妆品行业的提取过程[13]。现有研究表明，DESs可以有效提取小分子生物活性物质（如酚类化合物、黄酮类、萜类、木脂素、精油和类胡萝卜素）和生物大分子（如蛋白质、碳水化合物和脂质）[14],[15]。

在先前的研究中，Chen和Lahaye[12]首次将DESs应用于苹果渣果胶的提取，证实不同的DES组分（如氯化胆碱（ChCL）：乳酸（LA）、ChCL：尿素（U））会影响果胶的甲氧基化程度和结构。后续研究探索了DES组合策略，提出了一种顺序预处理方法（ChCL：甘油（G）；ChCL：LA；碳酸钾（K）：G），通过调整预处理顺序实现富含HG或RG-I的果胶选择性提取[16]。Dranca等人[17]系统比较了微波、超声波和酶辅助提取方法及其组合应用对果胶提取效率和物理化学性质的影响。Gurev等人[18]研究了超声波和微波联合辅助提取对果胶质量参数的影响。最近，Gómez Vargas等人[19]展示了使用柠檬酸-葡萄糖-水和乳酸-葡萄糖-水绿色溶剂系统提取苹果果肉和果皮中的果胶。

然而，当前研究仍存在一些局限性。首先，关于苹果渣果胶提取的研究主要集中在比较提取方法和分析果胶特性上，缺乏对溶剂回收、工艺优化以及利用超声波辅助共晶溶剂系统提取的果胶特性的系统研究。这些研究空白不仅限制了成本控制，也限制了绿色提取技术的实际工业应用和可持续性。其次，大多数现有的DES相关研究集中在使用单一氢键供体的二元系统上，缺乏关于复合系统效果的系统性实验验证，复合系统通过多种氢键供体的协同作用破坏果胶与细胞壁的结合，从而提高提取效率。

本研究以苹果渣为原料，采用超声波辅助深共晶溶剂（UAE-DES）技术提取果胶。通过单因素实验和响应面法优化了提取工艺参数以提高果胶产量，并系统研究了超声波辅助提取对果胶产量、结构和物理化学性质的影响。同时评估了溶剂回收对提取效率的影响，并验证了其可重复使用性。这些发现不仅为苹果渣的高价值利用提供了环境可持续和经济可行的技术途径，还为绿色溶剂和物理场辅助技术的工业应用奠定了理论和技术基础。

试剂

试剂

无水柠檬酸、甜菜碱、苹果酸、1,1-二苯基-2-吡啶肼（DPPH）、2,2'-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS）、3-羟基联苯和没食子酸购自上海源业生物科技有限公司（中国上海）。氯化胆碱购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。单糖标准品包括岩藻糖（Fuc）、鼠李糖（Rha）、阿拉伯糖（Ara）、半乳糖（Gal）、葡萄糖（Glc）、甘露糖（Man）等。

深共晶溶剂（DESs）的选择

由于氢键受体和供体的选择不同，DESs的组成会影响提取产量[26]。本研究选择了三种酸性有机酸作为HBDs，并与两种HBA结合形成12种二元或三元DESs。图2显示了这12种DESs提取果胶的产量。使用氯化胆碱作为氢键供体的DESs提取的果胶产量高于使用甜菜碱的DESs，这可能是由于...

结论

本研究系统研究了利用超声波辅助深共晶溶剂（UAE-DES）从苹果渣中提取果胶的方法。通过单因素实验结合响应面法（RSM）优化了提取过程，评估了各种参数对果胶产量的影响。最终确定氯化胆碱和柠檬酸为最佳溶剂组分，其最优条件为...

作者贡献声明

梅丽：撰写——初稿、验证、方法学设计、实验实施、数据分析、概念构建。金鑫：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹措。刘静伟：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹措。毕金峰：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2023YFE0104900-2-4）的支持。