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从柑橘果皮获得柑橘纤维的方法.pdf

泰然健康网
2024-12-15 18:04

从柑橘果皮获得柑橘纤维的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年1月20日提交的名称为“PROCESS FOR OBTAINING CITRUS FIBER FROM CITRUS PEEL”(从柑橘果皮获得柑橘纤维的方法)的美国临时专利申请序列号61/588,915的权益，所述专利申请据此全文以引用方式并入。
技术领域
本发明涉及从柑橘果皮获得柑橘纤维的方法。所得干燥柑橘纤维可用作食物产品、饲料产品和饮料中的食物添加剂。该柑橘纤维也可用于个人护理、药物或洗涤剂产品。
背景技术
柑橘果皮是果汁行业的废品或是果胶工艺的副产物。可使用热酸水性条件下的特定处理从多种原材料(如柑橘果皮)获得果胶。柑橘类包括 (例如)柠檬、橙子、酸橙、西柚，其中柠檬最常用。从果汁行业获得的果皮通常经过另一处理以提取果汁和油，然后将其干燥。这些果皮通常用作牲畜饲料。在提取果胶之后从果胶工艺获得的果皮具有甚至更低的经济价值。
因此希望提高这种产物的经济价值。一种方法是改善可源自柑橘果皮的纤维的功能特性。然而，现有柑橘果皮纤维的特性仍然可改善。
因此，本发明的一个目标是开发从柑橘果皮获得柑橘纤维的方法，所述柑橘纤维与现有技术的柑橘纤维相比具有改善的特性。本发明的另一个目标是获得具有良好水合能力和增粘特性的柑橘纤维。
发明内容
根据一个方面，本发明涉及从柑橘果皮获得柑橘纤维的方法。在一个实施例中，对柑橘果皮进行处理以获得均质化的柑橘果皮。该方法还包括使用有机溶剂洗涤均质化的柑橘果皮以获得经有机溶剂洗涤的柑橘果皮的步骤。对经有机溶剂洗涤的柑橘果皮进行脱溶剂和干燥，并回收柑橘纤维。
在另一个方面，本发明涉及基于无水计具有小于3.8重量％的c*密堆积浓度值的柑橘纤维。在一个优选实施例中，柑橘纤维的湿含量为约5％至约15％。在另一个优选实施例中，柑橘纤维的粘度为至少1000mPa.s，其中所述柑橘纤维以约800rpm至约1000rpm、优选约900rpm的混合速度在标准化水中分散成3w/w％柑橘纤维/标准化水溶液，并且其中所述粘度是在 20℃下以5s-1的剪切速率测得。在又一个优选实施例中，柑橘纤维的 CIELABL*值为至少约90。
在又一个方面，本发明涉及本发明的柑橘纤维与植物来源(例如，源自谷物的)纤维、从柑橘渣获得的柑橘纤维及其组合的共混物。
在又一个方面，本发明涉及包含根据本发明的柑橘纤维的食物产品、饲料产品、饮料、个人护理产品、药物产品或洗涤剂产品。
在又一个方面，本发明涉及柑橘纤维作为食物产品、饲料产品、饮料、个人护理产品、药物产品或洗涤剂产品中的调质剂或增粘剂的用途。
附图说明
图1是根据本发明的优选实施例的方法的示意图。
具体实施方式
在一个方面，本发明涉及从柑橘果皮获得柑橘纤维的方法。
本文所用的术语“柑橘果皮”是指柑橘类水果外部所包含的果胶和纤维素材料。它可以是来自果汁行业的废品。也可以是果胶行业的副产物，并且有时也称作“废果皮”。本文所用的术语“柑橘纤维”是指从柑橘果皮获得的纤维组分。
根据本发明的方法可用于从多种多样柑橘类水果的柑橘果皮获得柑橘纤维，所述柑橘类水果的非限制性例子包括橙子、橘子、酸橙、柠檬和西柚。在一个优选实施例中，从柠檬果皮获得柑橘纤维。
在根据本发明的方法中，对柑橘果皮进行处理以获得均质化的柑橘果皮。在一个优选的实施例中，使用废果皮作为原材料。任选地，在均质化之前可以用水洗涤柑橘果皮。有时，柑橘果皮可以冷冻或干燥状态提供，其需要在均质化之前进行解冻或复水。优选地，用水调节柑橘果皮使其干物质含量为5重量％或更少。尽管不希望受任何理论的束缚，但据信，均质化处理会造成完整果皮细胞和细胞片段的破坏和破碎。可通过许多可行的方法实现均质化，所述方法包括但不限于高剪切处理、压力均质化、胶体研磨机研磨、充分混合、挤出、超声处理及其组合。优选地，用于实现均质化的功率输入(每单位体积的功率)为至少约1000kW/cm3柑橘果皮。
在本发明的一个优选实施例中，均质化处理为压力均质化处理。压力均质机通常包括往复式柱塞或活塞类型的泵以及固定于均质机出料端的均质阀组件。合适的高压均质机包括意大利帕尔马的基伊埃尼鲁索尔维公司 (GEA Niro Soavi of Parma(Italy))制造的高压均质机(例如NS系列)，或者美国马萨诸塞州埃弗雷特的APV公司(APV Corporation of Everett, Massachusetts(US))制造的Gaulin和Rannie系列均质机。
在压力均质化过程中，由于空化和湍流效应，柑橘果皮经受高剪切速率。这些效应由柑橘果皮在高压(和低速)下从均质机的泵部分进入均质阀组件引起。本发明方法的合适压力为约50巴至约1000巴。
根据为压力均质化选择的特定压力和柑橘果皮通过均质机的流速，柑橘果皮可经一次通过均质机而被均质化。然而，可能需要柑橘果皮不止一次地通过。
在一个实施例中，柑橘果皮可经一次通过均质机而被均质化。在进行单次通过的均质化中，所用压力优选地为约300巴至约1000巴，更优选地为约400巴至约800巴，甚至更优选地为约500巴至约750巴。
在另一个优选实施例中，柑橘果皮可经多次通过均质机而被均质化而被均质化，优选地至少2次通过、更优选地至少3次通过均质机。在进行多次通过的均质化中，与进行单次通过的均质化相比，所用压力通常较低并且优选地为约100巴至约600巴，更优选地为约200巴至约500巴，甚至更优选地为约300巴至约400巴。
任选地，可以在均质化之前对柑橘果皮进行热处理。优选地，热处理所用的温度可在约50℃至约140℃之间变动，持续时间为约1秒至约3分钟。热处理可用于柑橘果皮的巴氏灭菌。为进行巴氏灭菌，热处理优选地采用约65℃至约140℃、优选地约80℃至约100℃的温度，持续时间为约2 秒至约60秒，优选地为约20秒至约45秒。巴氏灭菌优选用于灭活果胶酯酶以防止浑浊态消失和用于灭活腐败微生物以提高储存稳定性。
然后，将均质化柑橘果皮与有机溶剂接触。在一个方面，有机溶剂从柑橘果皮中提取出水、味道、气味、颜色等。溶剂应优选地为极性且与水混溶的，以更有利于移取所需的组分。可用的溶剂可包括低级醇，例如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或丁醇。优选的溶剂为乙醇、异丙醇及其组合。溶剂可以水溶液形式提供。溶剂溶液中的溶剂浓度最常见的范围为约70重量％至约100重量％。在一个实施例中，使用75重量％乙醇水溶液作为溶剂。在一个优选实施例中，使用90重量％乙醇水溶液作为溶剂。在又一个优选实施例中，使用异丙醇作为溶剂，优选地为异丙醇水溶液。一般来讲，溶剂将移取较低浓度的水溶性组分和较高浓度的油溶性组分。任选地，可以将非极性更强的助溶剂添加到醇类水溶液中以提高柑橘果皮中油溶性组分的回收率。此类非极性溶剂的例子包括乙酸乙酯、甲乙酮、丙酮、己烷、甲基异丁基酮和甲苯。此类非极性更强的溶剂可以最多占溶剂混合物的约20％来添加。许多溶剂(例如乙醇)具有比水低的汽化热，因此与挥发等质量的水所需的能量相比，需要较少的能量即可挥发。优选地除去溶剂并回收再利用。
优选地，基于固形物的湿重计，柑橘果皮与有机溶剂以至少约 0.25:1、优选地至少约0.5:1、以及通常至少约0.75:1、约1:1至约5:1、或约1.5:1至约3:1的固形物与溶剂重量比接触。在一个实施例中，固形物与溶剂比为约2:1。
可以使用单级来实现提取，但优选地使用多级提取来进行提取，例如二、三或四级提取法，并优选地使用逆流提取。未对可用的提取级数设想具体上限。图1示意性地示出了一个优选实施例，其中两级逆流提取法分别采用第一溶剂提取器25a和第二溶剂提取器25b。
经过均质化10后，将均质化柑橘果皮送入第二提取器25b。将含水乙醇或异丙醇溶剂从溶剂槽26送入第一溶剂提取器25a。将来自第一溶剂提取器25a的废溶剂送入第二溶剂提取器25b，同时将来自第二溶剂提取器 25b的提取过的柑橘果皮送入第一溶剂提取器25a。可以将来自第二溶剂提取器25b的废溶剂送入蒸发器35(任选)以从废溶剂中分离固形物(例如糖、酸、颜色、味道、柑橘油等)，其可冷凝并返回至蒸馏釜24。分离并除去蒸馏釜底残留物(主要是水)。
在每个提取阶段之后，优选地进一步除去液体。一种合适的装置是滗析离心机。或者，可以使用筛、带式压滤机或其它适合除去液体的装置。
将来自第一溶剂提取器25a的柑橘果皮送入脱溶剂器30。脱溶剂器30 从提取后留下的固形物中除去溶剂和水，以便回收溶剂供将来使用以及还确保产品对于研磨和商业用途是安全的。脱溶剂器30可采用间接热量以从固体残余物除去大量溶剂。或者，可提供直接热量用于干燥，例如通过提供来自闪蒸干燥器或流化床干燥器的热空气。如果需要，可采用直接蒸汽除去固形物中残留的任何痕量溶剂。优选地回收来自脱溶剂器30的蒸气并送入蒸馏釜24以回收至少一部分溶剂。
每个提取步骤中的停留时间可在宽范围内变化，但对于每个提取步骤可以为约5分钟或更短。一个或多个溶剂提取器中的温度取决于诸如所用溶剂的类型之类的因素，但最常在大气压下约4℃至约85℃的范围内。对于在超大气压或低于大气压下的操作，可适当升高或降低温度。任选地，使用诸如超声的技术提高提取过程的效率。通过维持封闭系统，可以使提取、脱溶剂和蒸馏过程中的溶剂损失最小化。优选地，回收并再利用至少约70重量％的溶剂。溶剂补充流将新鲜溶剂递送到溶剂槽26中以补充未回收的任何溶剂。
在一个优选实施例中，根据本发明的方法还包括脱溶剂和干燥之前的捣碎或粉碎步骤。合适的方法包括但不限于碾磨、研磨、压碎、高速混合或冲击。捣碎或粉碎可有利于破碎通过带式压滤步骤除去液体后留下的任何团块或聚集体。该步骤还有利于除去溶剂。虽然不受理论的束缚，但据信捣碎或粉碎进一步松开纤维。因此，溶剂可以更均匀分布并在随后的脱溶剂和干燥步骤中更易于除去。在又一个优选实施例中，该捣碎或粉碎步骤与添加和分散水或水与有机溶剂的共混物(如上文所述)联合使用，以增强脱溶剂和干燥，并在最终获得的柑橘纤维中达到所需的湿度以满足特定的最终用途。
在另一个优选实施例中，根据本发明的方法还包括干燥之后的捣碎或粉碎步骤。可执行这种干燥之后的捣碎或粉碎步骤以进一步降低柑橘纤维的粒度，改善流动性、分散性和/或水合特性。
在又一个优选实施例中，根据本发明的方法还包括对柑橘果皮施以加工助剂的步骤。优选地，加工助剂选自酶、酸、碱、盐、亲水胶体、植物纤维、漂白剂及其组合。在一个实施例中，在均质化之前将加工助剂与柑橘果皮混合。在另一个实施例中，加工助剂在均质化之后加入。
在本发明的一个方面，加工助剂可用于定制最终获得的柑橘纤维的特性。
优选的酶包括但不限于果胶酶、蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶及其混合物。当使用酶时，它们要在会使其灭活的任何热处理之前使用，并且优选地还在均质化之前使用。然而，一旦实现所需的效应后，通过热处理进行的灭活是需要的。
优选的酸包括但不限于柠檬酸、硝酸、草酸、乙二胺四乙酸及其组合。然而，柠檬酸是最优选的，因为它是食品级酸。
优选的碱为苛性钠。苛性钠改善柑橘纤维的溶胀行为和调质特性。苛性钠优选在均质化之后加入。
优选的盐为氯化钠。
优选的亲水胶体包括但不限于果胶、藻酸盐、刺槐豆胶、黄原胶、瓜尔胶、羧甲基纤维素及其组合。
漂白剂可进一步增强颜色特性(即，使得柑橘纤维更白)。优选的漂白剂为过氧化氢。
根据本发明的方法获得的柑橘纤维与得自现有技术的其它柑橘纤维相比具有改善的特性。特别地，柑橘纤维具有良好的溶胀行为、水合能力和增粘特性。其在水性介质中能够在相对较低的剪切作用下增加粘度。
本发明的柑橘纤维基于无水计具有小于3.8重量％的c*密堆积浓度。优选地，基于无水计，c*密堆积浓度小于3.6重量％，甚至更优选地小于 3.4重量％，并且最优选地小于3.2重量％。c*密堆积浓度的测定在下文的测试方法部分中描述。
柑橘纤维的湿含量优选地为约5％至约15％，更优选地为约6％至约 14％。优选地，至少约90％体积的粒子具有小于约1000微米的直径，优选地为约50微米至约1000微米，更优选地为约50微米至约500微米，甚至更优选地为约50微米至约250微米。
柑橘纤维的粘度优选地为至少约1000mPa.s，其中所述柑橘纤维以 800rpm至1000rpm、优选900rpm的混合速度在标准化水中分散成3w/w％柑橘纤维/标准化水溶液，并且其中所述粘度是在20℃下以5s-1的剪切速率测得。优选地，在20℃、5s-1的剪切速率下的粘度为至少约2000mPa.s，更优选地为至少约3000mPa.s，甚至更优选地为至少4000mPa.s，甚至更优选地为至少5000mPa.s，并且最高至15000mPa.s。标准化水的配制和测量粘度的方法在下文的测试方法部分中描述。
根据本发明的柑橘纤维还具有良好的乳化特性。
在一个优选实施例中，本发明的柑橘纤维还具有优异的白度特性。柑橘纤维的CIELABL*值可以为至少约85，优选地为至少约90，更优选地为至少约92，甚至更优选地为至少约93。优选地，柑橘纤维的CIELAB b*值小于约20，甚至更优选地为小于约15。测定CIELAB L*和b*值的方法在下文的测试方法部分中描述。
根据本发明的柑橘纤维可以与其它纤维例如植物来源(例如源自蔬菜、谷粒/谷物)纤维、与其它柑橘纤维例如从柑橘渣获得的柑橘纤维、或其组合进行共混。共混物可以是干燥或液体形式。
在另一个方面，本发明的柑橘纤维以及上文所述共混物可用于食品应用、饲料应用、饮料、个人护理产品、药物产品或洗涤剂产品。柑橘纤维 (或共混物)的用量取决于给定的用途以及希望获得的有益效果，并处于技术人员的知识范围内。
食品应用可包括但不限于乳制品、冷冻产品、烘焙产品、脂肪和油、水果制品、甜食、肉制品、汤、酱汁和调味品。乳制品包括但不限于酸奶、白干酪(fromage frais)、夸克奶酪、加工干酪、乳品甜点、慕斯。冷冻产品包括但不限于冰淇淋、果汁冰糕、冰糕。烘焙产品包括但不限于蛋糕、甜点、糕饼、法式糕点、挤压零食、油炸零食。脂肪和油包括但不限于人造黄油、低脂涂抹料、烹调用油脂。水果制品包括但不限于水果预制品、酸奶水果制品、蜜饯、果酱、果冻。酱汁和调味品包括但不限于蛋黄或包含油/水乳液的蛋黄衍生物例如蛋黄酱、以及番茄酱。甜食包括但不限于糖果、巧克力涂抹料、坚果类涂抹料。肉制品包括但不限于冷藏或冷冻加工的肉和家禽肉、腌制肉制品、新鲜香肠、腊肠和萨拉米香肠。
饮料可包括浓缩液、凝胶、能量饮料、碳酸饮料、非碳酸饮料、糖浆。饮料可以是任何医用糖浆或任何可饮用溶液，包括冰茶和果汁、蔬菜汁、柠檬水、兴奋性饮料、坚果类饮料、可可类饮料、乳制品(例如奶、乳清、酸奶、酪乳)以及以这些为原料的饮品。饮料浓缩液是指液体形式的浓缩物。
个人护理产品可包括化妆品制剂、护发产品(例如洗发香波、护发素、发膏、定型啫喱)、个人洗涤组合物、防晒霜等。
洗涤剂产品可包括硬质表面清洁产品、织物清洁或调理产品等。
测试方法
1.标准化水的配制
将10.0g NaCl(例如Merck1.06404.1000,CAS[7647-14-5])和1.55g CaCl2.2H2O(例如Merck1.02382.1000,CAS[10035-04-8])溶解在低电导率水(例如milli-Q Ultrapure Millipore18.2MΩcm)中并定容至1升以制得标准化水储备液。取标准化水储备液的100mL等分试样并用低电导率水定容至1升。
2.测量c*密堆积浓度
2.1原理
将柑橘纤维样品(n≥10)用乙二醇润湿，分散在标准化自来水中并进行 MCR301受控剪切应力(CSS)振荡测试。在1.75-5.00w/w％的范围内以 0.25w/w％的增量测量柑橘纤维分散体。绘制线性粘弹性范围(LVR)复模量 G*对浓度的曲线。通过在线性标度上的双切线交叉法确定密堆积浓度c*。
2.2装置
-具有同轴圆筒构型的Anton Paar MCR301流变仪(TEZ150P-CF Peltier，20℃下)，其带有叶片探头ST24-2D/2V/2V-3D、带槽量杯CC27/T200/SS/P以及设定在15℃的循环冷却水浴。该设备必须洁净且干燥，必须在使用前30分钟启动MCR301单元。应根据供应商的说明手册进行检查(参见说明手册)。循环浴和泵应一直工作以避免烧坏珀尔帖(peltier)单元。根据制造商所述，水浴必须充满包含最多30％防冻剂(例如乙二醇)的去离子水。
-RWD20Digital IKA搅拌器并降下桨叶(4叶螺旋桨0741000)
-600ml Duran玻璃烧杯
-精密度0.01g的实验室天平
-硬塑料汤匙
2.3步骤
系统启动
根据说明手册中解释的程序启动循环浴(充满去离子水+30％乙二醇 (例如Merck1.00949.1000,CAS[107-21-1]))，然后启动流变仪。选择工作薄并根据说明手册执行初始化程序。
系统校准
MCR301的标准校准检查程序在说明手册中有充分的描述，并应根据说明手册执行。MCR301仪器在测试柑橘纤维分散体之前必须准备就绪 (启动并检查所有参数)。ST24测量系统CSR应当设定为1并且应当用经认证的校准牛顿油(例如Cannon N100，可购自美国宾夕法尼亚州州立学院的凯能仪器公司(Cannon Instrument Company,State College,PA16803, USA))确定CSS值(Pa/mNm)。
样品制备
-将600ml玻璃烧杯置于实验室天平上并将天平归零。
-对于以w/w％为单位的任何给定浓度c(样品从1.75w/w％开始，以0.25w/w％的增量递增至5.00w/w％)，根据柑橘纤维样品的湿含量(m)，在烧杯中称入所需克数(x)的柑橘纤维，精确至最接近的 0.01g：x＝3c/[(100-m)/100]。湿含量m应通过红外湿度天平 (Sartorius MA30)按105℃下的重量损失(使用自动计时)进行测定，通常3-4g柑橘纤维覆盖铝盘的整个底部。柑橘纤维的湿含量 (m)以重量百分比(w％)表示。
-根据柑橘纤维样品的湿度，在第二个600mL烧杯中称入所需克数 (w)的标准化自来水，克数四舍五入到小数点后两位：w＝270.0-x。
-将带有CPF的烧杯置于实验室天平上，将天平归零，加入30.0g (克数四舍五入到小数点后一位)乙二醇，将该烧杯从天平上取下并用塑料匙混合该内容物，从而润湿整体粉末(该操作在60秒内进行)。
-立即将标准化自来水倒在湿柑橘纤维上并用塑料匙通过反复顺时针和逆时针旋转来混合该内容物(该操作在60秒内进行)。
-将玻璃烧杯及其内容物(柑橘纤维、乙二醇、标准化自来水)置于RWD20Digital IKA搅拌器下并将桨叶(4叶螺旋桨07410 00)降到该糊剂中，直至其距玻璃烧杯底部2cm。
-将桨速(rpm)调节至900rpm并在900rpm下搅拌10分钟。
-用铝箔覆盖烧杯并在测量前静置24小时。
-将所需量的CPF分散体倒入流变仪的圆筒杯中并立即将叶片探头 ST24(淀粉细胞探头)插入含有CPF分散体的圆筒中。
样品分析
-根据手册说明书，用MCR301进行CSS振荡测试，分2段：
第1段：不记录，在20℃下10分钟(平衡)
第2段：记录，在20℃下1971秒，50个测量点，积分时间100至 10秒log，扭矩1至10,000μNmlog，频率1Hz
结果
在低应力下，此时G*(相对于应力)表现为恒定平台值，在线性粘弹性范围内取G*结果的平均值。使用软件“LVE Range”可以测定CSS实验中线性粘弹性区的终点。
绘制LVRG*相对于浓度的曲线。在低浓度(低于c*)下的第一切线具有比在高浓度(高于c*)下的第二切线低得多的斜率。使用线性拟合 (例如用)，这两个切线的交叉点出现在c*密堆积浓度处。
3.测量粘度
将柑橘纤维添加到带有桨式混合器的烧杯中的标准化水中以获得总体积为300mL的3重量％柑橘纤维分散体。在加入柑橘纤维之前，使用配有 4叶螺旋桨搅拌器的IKA顶置式机械搅拌器RW20将桨速调节至900rpm以产生涡旋。然后在搅拌下(使用配有4叶螺旋桨搅拌器的IKA顶置式机械搅拌器RW20，900rpm)将柑橘纤维快速(在粘度增加之前)加在涡旋的壁上。在900rpm下继续搅拌15分钟。将样品在20℃下储存12小时。
然后用流变仪(例如Anton Paar MCR300)根据流变仪说明书在20℃ 下随剪切速率变化(从0.01至100s-1)进行粘度测试。
在5s-1的剪切速率下测定粘度(mPa.s)。
4.测量颜色(CIELABL*、b*值)
CIE L*a*b*(CIELAB)是国际照明委员会(Commission Internationale d'Eclairage)规定的最完整的颜色空间。其描述了人眼可见的所有颜色并且被建立来充当不依赖于设备的模型以用作参考。通过将柑橘纤维(粉末形式)置于比色计的玻璃皿中(将玻璃皿填充至约一半)，并根据比色计的使用说明书对样品进行分析，从而获得柑橘纤维的L*和b*值。所用的比色计为MinoltaCR400比色计。
实例