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石榴果皮多酚提取及残渣的能源化利用

曲文娟  
【摘要】:加利福尼亚州作为美国石榴种植与加工的主要集中地,每年大约产20,500 t的石榴。目前石榴的利用除了鲜食以外,还用于果汁、果酒等产品的加工,这些工业化加工必然会产生很多的废弃物——石榴果渣(皮籽混合物),不仅造成了农产品资源的严重浪费,而且还会产生环境污染问题。已有报道显示石榴含有丰富的多酚类抗氧化成分,不少存在于皮籽中,因此,石榴果渣有进一步开发利用的价值。目前的有效成分常规提取技术存在提取效率和得率都较低的问题,同时还会影响有效成分的活性,需要不断地发展一些新技术,开展相关的基础理论研究。因此,本项目具有很好的理论价值和实践指导意义。 本项目对石榴果渣中的多酚进行了分析检测,开展了石榴皮多酚的常规和超声辅助提取过程优化及其动力学研究,并将多酚提取后的残渣进一步转化为生物气能源,通过高附加值产品的开发和产品链的延长,提高石榴果渣资源的利用度和石榴果渣生产的经济效益。通过研究得到的主要结论如下: 对马德拉石榴果渣进行油脂和多酚提取,得知:石榴籽含有丰富的油脂且油脂中含有大量的不饱和脂肪酸,其油脂得率为13.8%以干重(d.b.)计;石榴皮含有丰富的多酚类抗氧化成分,其多酚得率和抗氧化活性(单位质量多酚的DPPH清除率)分别为10.6%d.b.和6.6 g g~(-1)。此外,石榴皮多酚还具有很好的干燥热稳定性。 系统地研究了石榴皮多酚常规提取过程及其动力学,确定了最佳的石榴皮多酚常规提取条件为:石榴皮粒度为0.2 mm,水与石榴皮比为50:1(w/w),温度为25℃,时间为2 min。在此最佳条件下,多酚得率和DPPH清除率分别为11.5%d.b.和6.2 g g~(-1)。同时,成功地建立了模拟石榴皮多酚常规提取过程的数学模型。 采用超声波技术提高石榴皮多酚的提取得率或缩短提取时间,在石榴皮粒度为1.4 mm,水与石榴皮比为50:1(w/w),温度为25℃的提取条件和强度水平为59.2 W cm~(-2)的连续超声处理条件下,与常规提取相比,多酚得率提高了24%,提取时间缩短了90%。同时,在相同的提取条件和强度水平为59.2 W cm~(-2),脉冲持续和间歇时间为5s/5s的脉冲超声处理条件下,与常规提取相比,多酚得率提高了22%,提取时间缩短了87%。此外,与连续超声辅助提取相比,脉冲超声辅助提取节省了50%的能量消耗,所以脉冲超声辅助提取法是更优的石榴皮多酚生产方法。在该脉冲超声辅助提取条件下,多酚得率和DPPH清除率分别为14.5%d.b.和5.8 gg~(-1)。同时,成功地建立了描述石榴皮多酚超声辅助提取过程的二级动力学模型。 建立了石榴皮多酚的高效液相色谱(HPLC)分析检测方法,可以同时检测出石榴皮多酚中的安石榴甙A、安石榴甙B、没食子酸和鞣花酸,该方法还可以用于鉴定市面上石榴果汁饮料的真伪及多酚组分的含量。建立的HPLC检测方法具有较低的最低检测限和最低定量值,较高的检测回收率和日重现性,缩短了检测时间,提高了检测效率。 在石榴皮粒度为0.2 mm,水与石榴皮比为50:1(w/w),温度为25℃,时间为2 min的条件下提取石榴皮多酚,然后在121℃下杀菌处理10 s,结果石榴皮多酚具有很好的杀菌热稳定性。对杀菌后的石榴皮多酚进行储藏保存,储藏在不同pH、温度和包装方式的条件下,结果在pH值为3.5,温度为4℃,时间为30 d,有包装避光处理的储藏条件下,石榴皮多酚仍然具有很好的工业化、颜色和光谱特性稳定性以及很高的多酚含量和抗氧化活性,其多酚浓度和DPPH清除率分别为2.2x103 mg L-1和5.1 g g~(-1),其多酚组分没食子酸、安石榴甙A、安石榴甙B和鞣花酸浓度分别为20.8、160.8、181.8和85.2 mg L-1。 采用厌氧发酵法从石榴残渣(石榴果渣经多酚或是油脂提取处理后的残渣)中生产高甲烷含量的生物气。确定了最佳的石榴残渣厌氧发酵条件为:温度为35℃,底物与嗜温菌比为1:2(w/w),有效工作体积为500 mL,起始底物上样量为5.0 gVS L-1,时间为20 d。在此最佳条件下,石榴残渣的生物气产率和甲烷含量分别为292 mL gVS-1和61.2%。结果证明提取和随后的厌氧发酵的整合过程是一项经济可行的石榴果渣增值利用方案,不仅可以生产出保健营养品而且还可以制造出天然生物气能源。同时,成功地建立了预测石榴残渣生物气生产潜力的调整Gompertz动力学模型。


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