高静水压力预处理对新鲜和干燥苹果渣中常规及超声波辅助提取果胶的影响：结构、流变学和功能分析

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Impact of high-hydrostatic pressure pretreatment on conventional and ultrasound-assisted pectin extraction from fresh and dried apple pomace: Structural, rheological, and functional analysis

苹果果渣中pectin提取工艺优化及其结构特性研究。通过高压均质处理（200/600MPa）结合传统提取（CE）和超声波辅助提取（UAE），系统评估了对苹果鲜果渣和干燥粉末中pectin产率、分子量、甲氧基度及流变特性的影响。研究表明，200MPa HHP预处理结合UAE可使产率达12.32%，保持高甲氧基度（57.44%-74.02%）和剪切稀化特性，而600MPa HHP导致显著结构降解。对比传统提取法，UAE可将提取时间缩短40%，同时维持pectin的凝胶形成能力和生物可降解特性，为可持续食品包装材料开发提供新工艺。

　　苹果渣是苹果加工行业中的副产品，通常在果汁提取过程中产生，占苹果总重量的25%-30%。苹果渣富含果胶，这是一种具有广泛应用价值的天然多糖。然而，传统的果胶提取方法可能会破坏其结构完整性，影响其功能特性。因此，研究者们正在探索更高效的替代技术，如高压处理（HHP）和超声波辅助提取（UAE），以提高果胶的提取效率和质量。

果胶是一种复杂的酸性杂多糖，主要由α-(1→4)连接的D-半乳糖醛酸单元组成，这些单元具有不同程度的甲基酯化。根据甲基酯化程度，果胶可分为高甲基酯化果胶（HMP）和低甲基酯化果胶（LMP）。HMP需要高浓度的糖和低pH值才能形成凝胶，而LMP则可以在钙等二价阳离子存在下形成凝胶。果胶因其凝胶形成、增稠和稳定特性，在食品工业中被广泛用作天然增稠剂和乳化剂。此外，果胶的可降解性和成膜性能使其成为开发可持续包装材料的理想选择，满足了对环保替代品日益增长的需求。

在食品加工过程中，苹果渣的果胶含量约为10%-30%，使其成为重要的商业来源，仅次于柑橘果皮。然而，果胶的结构和提取率会因提取方法的不同而变化，因此需要优化技术以实现高效回收。传统的果胶提取方法通常涉及酸水解，使用热水（60-100℃）并加入盐酸（HCl）酸化至pH 1.5-3.0，处理时间在30分钟到6小时之间。该过程会破坏原果胶结构，释放果胶到液相中。然而，这种方法存在诸多缺点，包括处理时间长、果胶发生热降解以及生物活性成分如多酚的损失。

为了解决这些问题，研究者们开始探索非热处理技术，如HHP和UAE。HHP是一种新兴的非热处理技术，通过在专门的压力室中施加300-1000 MPa的压力，使果胶从植物细胞壁中释放。均匀的压力传递通过液体介质，会对植物细胞壁产生显著的机械应力，导致细胞变形和膜渗透性增加。这种破坏有助于溶剂更好地渗透到细胞基质中，促进果胶的溶解和高效释放。与传统热方法相比，HHP提取可以在常温或低温下进行，从而保持果胶的分子量和结构完整性。研究表明，HHP处理在300-600 MPa范围内可以显著提高果胶的提取率，尤其是在柑橘果皮、柚子果皮、甜菜渣、酸橙果皮和火龙果果皮等材料中。

UAE则是一种利用高频声波（20-100 kHz）来增强果胶或其他生物活性成分回收的创新技术。声波的快速形成、扩展和塌陷会生成局部的高压和高温，这些极端条件会诱导强烈的剪切力，破坏植物细胞壁，增加渗透性，使溶剂更容易进入细胞基质。这种增强的扩散过程有助于果胶的快速释放，提高提取效率，同时显著减少处理时间、溶剂消耗和能源成本。UAE已被报道能够产生比传统方法质量更高的果胶，具有更优异的功能和化学特性。该技术通过扩大溶剂与细胞的接触面，增强了果胶的溶解和提取效果，同时减少了热降解，使其成为一种节能且可持续的果胶提取方法。

本研究探讨了HHP处理（200 MPa和600 MPa，处理时间10分钟）对苹果渣和干燥苹果渣粉中果胶的提取效率和质量的影响。总共评估了12种提取方法，包括传统提取和超声波辅助提取，分别用于新鲜苹果渣和干燥苹果渣粉。研究假设HHP预处理，特别是中等强度（200 MPa）的处理，可以提高传统和超声波辅助提取的果胶提取效率，增强产量并保持果胶的结构、流变和功能特性。相比之下，高压（600 MPa）可能会导致过度的聚合物降解，从而影响果胶的质量。

本研究的主要目标是最大化果胶的产量，同时保持其结构完整性和功能特性。通过分析不同提取方法对果胶结构、流变和功能特性的影响，研究旨在为提高果胶提取方法提供新的思路，推动苹果渣的高值化利用。该研究的意义在于其潜在的提高果胶提取效率的能力，并为工业应用提供一种可持续的替代方案。通过将HHP和超声波辅助技术相结合，这项研究为传统提取方法提供了一个更有效的替代方案，确保了更高的果胶质量和产量。

研究结果表明，HHP处理在200 MPa下结合超声波辅助提取（UAE）能够显著提高果胶的提取率，同时保持其结构完整性。相比之下，HHP处理在600 MPa下会导致果胶的降解，降低其粘度和剪切阻力。对于干燥苹果渣而言，其果胶的分子量和半乳糖醛酸含量更高，表明其聚合物结构更加完整。UAE单独使用时的提取率与传统提取方法相近，但处理时间更短。这些结果强调了中等强度HHP处理在提高果胶提取效率方面的重要性，同时能够保持其结构和功能特性。

此外，热分析表明HHP-UAE提取的果胶具有略微增强的稳定性，这可能与其结构的完整性有关。流变分析则证实了果胶的剪切变稀特性，粘度差异在低剪切速率下尤为明显。这些特性对于果胶在食品工业中的应用至关重要，尤其是在开发可持续包装材料方面。果胶的粘度和剪切阻力直接影响其在薄膜中的使用性能，而结构的完整性则决定了其在不同条件下的稳定性和功能性。

研究还发现，干燥处理能够显著提高果胶的提取率和质量。干燥苹果渣粉在HHP处理（200 MPa）后结合UAE提取，获得了最高的提取率（12.32%），而UAE单独使用时的提取率与传统提取方法相近，但处理时间更短。这表明，干燥处理不仅能够减少苹果渣的水分含量，还能提高其结构的均匀性和可提取性，为后续提取步骤提供更有利的条件。同时，HHP处理在200 MPa下能够有效保持果胶的结构特征，而600 MPa则会导致果胶的降解，影响其粘度和剪切阻力。

从环境角度来看，苹果渣的高水分含量（>70%）使其容易发生微生物降解，导致生物需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）增加，引发不必要的发酵、生态污染以及对人类和水生生物的健康危害。因此，如何高效地利用苹果渣，减少其对环境的影响，是农业和食品加工业面临的重要课题。通过优化提取方法，不仅能够提高果胶的产量和质量，还能减少苹果渣的废弃量，降低环境污染的风险。

研究中还提到，果胶的提取方法对最终产品的性能有重要影响。不同的提取条件，如温度、压力、溶剂种类和处理时间，都会影响果胶的结构和功能特性。因此，选择合适的提取方法对于获得高质量的果胶至关重要。此外，果胶的结构复杂性也决定了其在不同应用中的表现。例如，果胶的高分子量和半乳糖醛酸含量可以提高其粘度和剪切阻力，而甲基酯化程度则影响其凝胶形成能力。因此，研究果胶的结构特性对于其在食品和包装材料中的应用具有重要意义。

通过本研究，可以更好地理解不同提取方法对果胶提取效率和质量的影响，从而为工业应用提供科学依据。研究结果表明，HHP处理（200 MPa）与UAE结合使用，不仅能够提高果胶的提取率，还能保持其结构完整性，使其在流变和功能特性方面表现优异。相比之下，HHP处理（600 MPa）虽然可能提高某些方面的提取效率，但会导致果胶的降解，影响其质量。因此，在实际应用中，应选择适当的HHP处理强度，以平衡提取效率和果胶质量。

此外，研究还发现，UAE单独使用时的提取效率与传统方法相近，但处理时间更短，这表明UAE是一种高效的提取方法，尤其适合大规模工业应用。同时，UAE能够减少热降解，保持果胶的结构完整性，使其在不同条件下的性能更加稳定。因此，UAE在果胶提取中的应用前景广阔，尤其是在追求高效、节能和可持续的提取方法方面。

总体而言，本研究通过系统评估不同提取方法对果胶提取率和质量的影响，为果胶的高值化利用提供了新的思路。研究结果表明，HHP处理（200 MPa）与UAE结合使用，能够显著提高果胶的提取效率，同时保持其结构和功能特性，使其在食品和包装材料中的应用更加广泛。这不仅有助于提高果胶的经济效益，还能减少苹果渣对环境的影响，推动农业和食品加工业向更加可持续的方向发展。