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果胶是存在于陆地植物初生细胞壁和中胶层中的一种重要的多糖组分,具有多种功能特性,被广泛应用于食品、医学及化妆品行业。超声通过空化效应促进传质,从而显著促进萃取过程,因而在细胞内容物的提取方面已开展大量的研究工作。与细胞内容物小分子活性物质如黄酮、酚酸、类胡萝卜素等不同,果胶是大分子物质,主要存在于植物中胶层与细胞壁初生壁,其提取首先要通过细胞壁多糖网络结构的解聚,因此目前超声辅助提取在大分子物质中的研究较少,对果胶的释放机制方面尚不清晰。本文从提取动力学模型、提取物组分分析、多糖结构分析和底物的微观结构入手,系统研究了超声辅助提取过程中柑橘皮果胶的释放规律及对结构、功能、生物活性变化的影响和橘皮组织微观结构变化,探索和确定了超声辅助柑橘皮果胶的作用机制。主要研究内容和结果如下:(1)超声辅助柑橘皮果胶提取的释放规律及动力学研究:研究比较了不同超声条件下果胶的释放规律,发现随着超声功率密度、占空比、提取温度的上升,料液比的降低,柑橘(胡柚)皮果胶释放率呈先增加后减少的趋势;构建了以超声功率密度(X1)、提取温度(X2)、超声时间(X3)为自变量,柑橘皮果胶释放率为因变量的响应曲面优化模型:Y=27.27 + 0.30x1-1.04x2+ 0.012x3-0.0025x1x2-0.30x1x3 + 0.29x2X3-1.07x12-1.67x22-0.32x32;发现提取温度与超声功率密度是主要影响因素,强弱顺序依次是提取温度>超声波功率>提取时间;模型最优条件为:超声功率密度0.41 W/mL,温度67℃,提取时间56min。最优果胶释放率为27.34%,比传统热提法显著提高16.34%,时间缩短37.78%,温度降低了 16.25%。研究发现超声辅助提取果胶的过程伴随着果胶降解,随着提取时间的增加,果胶溶出与降解量均呈上升趋势,溶出速率(Rp(t))减少,降解速率(Rq(t))在提取的初始阶段迅速增加,随后略有下降;构建超声辅助提取橘皮果胶的动力学模型,发现果胶释放率在不同提取方法下,前40 min均迅速增加;PE是包含原果胶未转化为水溶性果胶部分的总可提取能力,超声辅助热提法下拥有相对最大的PE(29.24%)与溶出速率常数(Kl);温度显著影响果胶提取动力学,特别是溶出速率;超声与热处理对果胶的溶出存在协同作用。(2)超声辅助提取对柑橘皮果胶结构与功能特性的影响研究:比较了超声辅助热提和传统热提法对果胶结构与功能特性的影响,结果发现超声辅助热提果胶分子量较低(279.47kDa),但分子量分布更集中,甲酯化度较低(58.78%),乙酰化度略高(3.98%),半乳糖醛酸含量较低(56.39%),阿拉伯糖(14.76%)和木糖(3.04%)的含量显著提高,鼠李糖半乳糖醛酸聚糖Ⅰ(RG-Ⅰ)区域侧链较长,线性度较低,主链相对较短,原子力显微镜显示含有较多分支类结构;结合核磁共振结果分析表明超声提取不改变果胶主链结构,异头氢构型未发生改变。与传统热提法的果胶相比,超声辅助热提的果胶经热重分析联用扫描差示量热分析显示其热稳定性较高;两类果胶在2%-3%浓度的溶液下均表现出剪切变稀的特性,为非牛顿流体,在1%浓度溶液下均表现出牛顿流体的特性;超声辅助热提的果胶表观黏度较低,频率振荡扫描显示其粘弹特性中主要表现为粘性而非弹性,频率敏感性较低;超声辅助热提的果胶拥有较高的DPPH自由基清除活性、ORAC能力以及胰脂肪酶抑制活性(IC50 = 1.75mg/mL);表明在功能性保健食品领域具有一定的应用前景。(3)超声对柑橘皮细胞壁多糖解聚规律和途径的研究:研究超声对细胞壁悬液模拟体系的影响,分析超声辐射后柑橘(蜜柚)皮白皮层细胞壁多糖组分(果胶与半纤维素)的变化,结果发现,超声辐射后,果胶类组分分子量变化较大,与细胞壁通过共价键相连的碱溶性果胶含量增加约20%,表明超声辐射有利于打断果胶与细胞壁间的共价键,从而释放果胶;结合超声后模拟体系中各组分单糖组成与比例结果发现,在超声作用下,水溶性与螯合性果胶主链的半乳糖醛酸受影响最大;阿拉伯糖作为鼠李糖半乳糖醛酸聚糖Ⅰ(RG-Ⅰ)的支链、木糖作为鼠李糖半乳糖醛酸聚糖Ⅱ(RG-Ⅱ)与木糖半乳糖醛酸聚糖(XG)结构的支链受影响次之;推测单糖的断链顺序为半乳糖醛酸>阿拉伯糖>木糖>半乳糖>葡萄糖。红外光谱显示超声可使半纤维素的C=O伸缩振动峰消失,进一步验证了超声可打断半纤维素与果胶的交联。(4)超声辅助提取柑橘皮果胶的机理研究:通过添加自由基清除剂L-半胱氨酸开展超声在辅助提取过程中的效应研究,发现自由基效应在超声辅助提取过程中非主导因素;通过对不同粒径物料模拟受到不同程度的超声机械作用,发现0.9mm直径的橘皮颗粒已能够实现果胶的最优释放;在超声作用下,低分子量果胶易被提取;随着物料粒径的减小,果胶分子量先升高后趋于平稳,酯化度降低,鼠李糖、半乳糖均显著提高,鼠李糖半乳糖醛酸聚糖(RG)增多、线性度降低、支链较长。超声辅助提取细胞内容物小分子物质包含组织膨胀与目标提取物渗透/扩散两个阶段。通过进一步研究超声提取过程中柑橘(胡柚)皮的变化,发现超声功率密度、提取温度以及超声时间均与植物组织体积的变化(溶胀系数)存在显著的正相关性,其中提取温度、超声时间极显著;随着超声提取的进行,超声辅助热提的残渣表现出明显肿胀,细胞壁结构逐渐模糊,细胞壁厚度不均,局部呈现被抽空的现象;扫描电镜结果显示超声辅助热提提取的组织出现解体且多孔,而传统热提取的橘皮组织的结构仍然完整和致密。两阶段提取结果显示,超声提取一阶段得率略低于传统提取,但二阶段可回收约一阶段果胶的30%,溶胀效应在第一阶段中表现明显,推断植物果胶分子超声辅助提取的两个阶段为溶胀与溶出。综上提出超声辅助提取果胶的机理模型:超声提取增加细胞壁孔洞大小,促进溶胀;但果胶类多糖黏度高,易形成“阻滞层”,具有“屏障效应”,阻碍多糖的进一步溶出,通过破坏“阻滞层”后,果胶迅速溶出,释放率大幅提升。本研究的结果为果胶的绿色提取提供了借鉴,对于超声在食品工业中的辅助提取方面的扩大生产具有重要意义,为超声技术在细胞壁多糖大分子辅助定向提取中的应用奠定理论基础。