《ACS Sustainable Resource Management》：Recyclable Organic Acid Catalyst-Mediated Fractionation and Purification of Pectin from Orange Peel Waste
引言
全球化和人口快速增长显著增加了对食品和能源的需求，农产品加工过程中产生大量固体和液体废弃物。当前全球农业工业废弃物年产生量估计在13-14亿吨，预计到2025年将翻倍至26亿吨。柑橘类水果加工是废弃物产生的重要来源，全球柑橘产量现已超过1.3亿吨，其中橙子 alone在2023-2024年贡献约4740万吨。加工100吨橙子会产生约44吨橙皮废弃物，这些废弃物含有高水分(80-90%)、低pH(3-5)和高有机物(占总固体95%)，化学需氧量达1085 mg O2/g，具有高度污染性。
橙皮富含多种有价值化合物，包括可溶性糖、酚类、黄酮类、膳食纤维(纤维素、半纤维素和果胶)、维生素、酶、精油和抗氧化剂。其中，果胶因其结构复杂性和广泛应用性而备受关注。它是一种天然存在的杂多糖，主要从柑橘类水果和苹果渣中提取，位于植物的中层和初生细胞壁中。其主链由α-(1→4)连接的D-半乳糖醛酸单元(同型半乳糖醛酸)组成，同时还含有鼠李糖半乳糖醛酸聚糖I(RG-I)和II(RG-II)，这增加了其功能多样性。RG-I具有交替的L-鼠李糖和D-半乳糖醛酸单元，并带有阿拉伯聚糖和半乳聚糖等中性糖侧链。其理化性质，特别是凝胶性、溶解度和与离子的相互作用，受其酯化度(DE)的影响。根据DE，果胶分为高甲氧基(DE > 50%)和低甲氧基(DE < 50%)果胶。其分子量也影响粘度，这对其在食品、制药和生物材料工业中作为凝胶、增稠剂、稳定剂和控释系统的作用至关重要。
实验部分
材料
本研究使用的橙皮（柑橘网状皮“纳格普里橙”品种）采购自印度马哈拉施特拉邦孟买达达尔当地水果供应商和橙汁加工点。收集的果皮用大量自来水彻底清洗，以去除所有有机和无机杂质，包括灰尘、土壤颗粒和残留果肉。清洗后，将果皮手动切成约4-6厘米长的均匀小块，置于玻璃托盘上进行干燥。干燥在80°C的热风烘箱中进行，直至达到恒重，表明残留水分已被去除。干燥的果皮使用实验室研磨机磨成细粉。粉末材料在干燥条件下储存于密闭容器中备用。
所有化学品、试剂和有机溶剂，包括对甲苯磺酸(p-TsOH)、蒸馏水(H2O)、氯化铜(II)(CuCl2)、硫酸(H2SO4)、石油醚、凯氏催化剂混合物、酚酞指示剂、酚红指示剂、氯化钠(NaCl)、乙醇(C2H5OH)、氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)、丙酮(C3H6O)和甲醇(CH3OH)均为商业级。这些试剂未经进一步纯化直接使用。用于分析的化学品和试剂为分析级，购自Sigma-Aldrich印度公司、HiMedia Laboratories Private Limited公司和印度孟买S.D. Fine Chemicals公司。
结果与讨论
橙皮的近似和最终分析
橙皮中天然存在的果胶含量受地理位置、橙子品种、天气条件和成熟过程等多种因素影响。因此，在进行提取实验之前，进行近似和最终分析对于理解原料的物理化学组成至关重要。对来自不同地点的三个独立样品进行了近似分析，以评估其含量的变异性。为了评估橙皮创造增值产品的潜力，对收集的样品进行了水分含量、总固体、灰分、粗纤维、脂肪、蛋白质和碳水化合物的分析。
水分含量观察范围在5.74%至9.52%之间，而灰分含量在2%至4%之间变化。水分和灰分的结果与文献报道一致。总固体含量在90.48%至94.26%之间，表明总固体含量没有显著差异，蛋白质含量在4.77%至5.29%之间。碳水化合物含量显著丰富，数值范围在69.02%至78.92%之间，而脂肪含量相对较少，范围在1%至2%之间。纳格普里品种的果胶含量特别丰富，果胶浓度为43.35%，表明其具有显著的提取潜力，与先前报道的数据一致。迷你柑（柑橘）和马耳他橙（甜橙）品种的果胶含量约为29-30%。近似分析表明某些参数存在显著差异，同时显示出良好的果胶百分比。因此，近似和最终分析为从橙皮中有效和高效地分离特定组分（如果胶）提供了指导。
果胶分离的催化剂筛选
据报道，果胶存在于陆地植物生物质的细胞壁中，并与其他生物聚合物交联。它通过共价键、氢键和离子相互作用与生物质中存在的木质素、纤维素和半纤维素相关联。因此，酸催化剂在从生物质中分离果胶方面可能发挥重要作用。在现有技术中，已经报道了各种类型的酸催化剂用于果胶的分离，包括矿物酸如硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)和磷酸(H3PO4)，以及有机酸如柠檬酸(C6H8O7)、马来酸(C4H4O4)和酒石酸(C4H6O6)。有机酸相对于无机酸具有若干优势，例如更易于处理和储存、腐蚀性低于无机酸以及具有可控的酸度。因此，在本研究中，选择了各种芳香族磺酸（SPA：磺胺酸，NSA：2-萘磺酸，和p-TSOH：对甲苯磺酸）、脂肪族磺酸（MSA：甲磺酸）和无机酸（SMA：氨基磺酸，HCl，H2SO4，H3PO4，和HNO3）作为从橙皮废弃物中分离果胶的催化剂。
各种酸催化剂的催化性能根据产物收率、百分比转化率、log P和pKa值进行评估。观察到所有选定的催化剂在从橙皮废弃物中分离果胶方面都表现出良好的性能。果胶的收率在7%至21%之间变化，生物质转化率在40%至63%之间。因此，对于各种选定的催化剂，观察到可变的收率和转化率。在测试的催化剂中，对甲苯磺酸(p-TSA)表现出最高的收率(21.80%)和58.91%的显著转化率，这可归因于其强酸性(pKa-2.58)和中等亲水性(log P -0.88)，有利于在反应介质中有效的质子化和溶解度。类似地，H3PO4尽管是较弱的酸(pKa2.1)，但实现了最高的转化率之一(63.80%)和良好的收率(20.64%)。这种性能可能是由于其多质子性质、缓冲能力以及与水相增强的混溶性(log P -2.15)。MSA也显示出有前景的催化活性，收率为20.20%，转化率为53.67%，与其强酸性(pKa-1.9)和高水溶性(log P -2.42)一致。相比之下，SMA和HCl都是强酸，导致中等收率，分别为18.51%和17.89%，表明过度的酸性可能不会按比例提高催化效率，反而可能导致非选择性反应或副产物形成。有趣的是，SPA表现出最低的收率(7.93%)和转化率(40.87%)，这可能是由于其弱酸性(pKa3.25)和两性离子性质，限制了其催化活性和溶解度。类似地，NSA虽然是强酸(pKa-1.8)，但表现出较低的收率(14.86%)，可能是由于其高疏水性(log P 2.14)，这可能阻碍在水相中的有效相互作用。因此，注意到具有强至中等酸度和平衡亲水性(log P在-0.5至-2.5之间)的催化剂提供最佳催化活性，突出了酸强度和溶解度在决定催化效率方面的重要性。因此，选择p-TSOH作为进一步研究中果胶分离的最佳选择。p-TsOH作为质子源，用于质子化果胶主链上存在的脱水糖醛酸单元。成功质子化后，由于与纤维素和半纤维素的细胞内连接减弱，果胶从生物质中分离出来。释放的果胶在酸性条件和操作温度下以溶解状态存在于水相中。然而，由于催化剂的适中酸强度，纤维素和半纤维素部分保持不变。因此，它们作为未反应的固体留在反应混合物中。p-TsOH催化剂在整个过程中通过与水作为反应介质的可逆平衡再生。
催化剂浓度的影响
据报道，果胶的水解是一个使用矿物酸催化剂的酸催化过程，这会导致大量酸性废水以及过程中果胶的降解。相比之下，有机酸作为中等催化剂是众所周知的，在分离过程中几乎不降解果胶，从而产生具有出色凝胶特性的果胶。果胶是一种由α-(1-4)连接的半乳糖醛酸单元组成的碳水化合物聚合物，需要足够的时间来软化生物质才能进行分离。用酸作为催化剂分离果胶的过程始于原果胶（果胶的不溶性形式）的水解。该过程溶解了果胶和细胞壁之间的键，使其可溶。酸催化剂促进果胶分子中中性糖键的水解，导致脱水糖醛酸含量显著提高。因此，催化剂的浓度在果胶分离的整个过程中起着重要作用。
据报道，较高的催化剂浓度会导致果胶进一步水解成半乳糖醛酸，从而导致果胶收率下降。因此，为了检查最佳催化剂浓度，进行了可变p-TsOH浓度的实验。p-TsOH的浓度相对于橙皮干重从2.5%变化到30%。观察到，当催化剂浓度从2.5%变化到10%时，百分比生物质转化率逐渐增加。然而，果胶收率受催化剂浓度增加的影响显著。在20%催化剂浓度下获得了最大果胶收率(22%)和转化率(60%。注意到超过20%催化剂负载量，催化剂浓度对百分比转化率和果胶收率的影响可以忽略不计。果胶收率和转化率随着催化剂浓度增加而逐渐增加的趋势与报道的研究一致。增加的催化剂浓度平衡了生物质中存在的各种连接水解所需的酸质子，导致更好的果胶分离。当浓度从20%移动到30%时，果胶收率和生物质转化率分别下降了0.93倍和0.99倍。因此，选择20%的催化剂负载量以获得最大果胶收率和生物质转化率。
反应参数的优化
反应参数的优化对于确定最有效的操作条件以最大化收率、转化率和整体工艺效率至关重要。近似分析和催化剂筛选确认了各种生物质原料的适用性，并证明p-TsOH可以实现高果胶收率，与使用传统矿物酸获得的结果相当或更好。因此，进行了进一步的工艺强化研究，以确定最大化果胶回收的最佳条件。优化研究侧重于关键操作参数的影响，包括温度、反应时间、催化剂浓度、粒径、搅拌速度和浆料浓度。
反应温度的影响
反应温度是果胶分离过程中的一个重要参数，因为它有助于生物质细胞壁结构中发现的木质纤维素连接中果胶的水解。酸性条件下的最佳反应温度对果胶的溶解度、提取效率、分子结构和功能有重大影响。因此，反应温度是获得所需质量和收率的果胶的重要参数。
为了检查所需温度，果胶分离反应在从60°C到120°C的可变反应温度下进行。观察到反应温度显著影响果胶收率和生物质转化率。生物质转化率随着反应温度从60°C升高到95°C而显著增加1.30倍，而果胶百分比增加1.57倍。然而，注意到超过95°C后，百分比生物质转化率显著下降0.81倍，而果胶收率下降0.71倍。观察到的果胶收率下降趋势可归因于果胶的过度水解。据报道，升高的温度导致果胶进一步降解成低分子量的单糖。较高的反应温度不利于p-TsOH催化的反应。选择95°C的最佳反应温度作为获得最大果胶收率(23%)和生物质转化率(68%)的最佳参数。
反应时间的影响
反应时间也是从橙皮中分离果胶的一个重要参数，因为它直接影响果胶的收率和质量。在所需反应温度和时间的优化酸性条件下，需要有效的果胶水解反应才能获得良好的收率和生物质。酸性条件下延长反应时间会促进果胶进一步水解成单糖。因此，为了获得更高质量的高果胶收率，反应时间也是一个重要的约束条件。
为了研究在p-TsOH催化剂存在下反应时间对果胶收率和生物质转化率的影响，进行了从30分钟到240分钟的可变反应时间的实验。注意到，从30分钟到180分钟，果胶收率以及生物质转化率逐渐增加，分别为1.35倍和1.26倍。超过180分钟后，观察到果胶收率和生物质转化率显著下降，分别为0.71倍和0.88倍。还观察到，使用p-TsOH催化剂的反应时间(180分钟)比获得更高果胶收率所需的传统酸催化剂的反应时间(90分钟)要长。p-TsOH需要更长的反应时间可能是由于与矿物酸相比水解能力适中，这是由于相应的酸强度和疏水特性。因此，催化剂渗透到生物质细胞壁所需的时间更长。果胶收率和生物质转化率的获得趋势与报道的文献一致。超过180分钟，果胶收率下降高达20%，这是由于果胶解聚增加。因此，选择180分钟的反应时间以获得最大果胶收率(28%)和生物质转化率(68%)。
浆料浓度的影响
浆料浓度是工艺优化的重要参数，因为它影响收率和工艺效率。增加的浆料浓度由于在相同操作体积内可用底物更多而导致生产率提高，但在较高浆料浓度下也观察到收率下降趋势，这是由于反应的质量传递限制。因此，最佳浆料浓度是获得更好质量传递以实现均匀混合效率的重要参数。
为了获得最大收率和转化效率的最佳浆料浓度，基于生物质干重进行了可变浆料浓度的实验。浆料浓度基于生物质干重从0.75%变化到10.5%。浆料浓度对果胶收率和转化率显示出显著影响。观察到，当浆料浓度从0.75%增加到2.5%时，百分比果胶收率和生物质转化率分别显著增加1.71倍和1.4倍。而当浆料浓度从2.5%增加到10.5%时，百分比果胶收率下降0.44倍，但生物质转化率显著下降0.48倍。这可能是由于生物质转化为不需要的副产物。形成浓稠浆料，阻碍质量传递，造成混合困难，可能是较高浆料浓度下收率较低的原因。因此，选择2.5%的最佳浆料浓度以获得最大果胶收率(32%)和生物质转化率(69%)。
催化剂的可回收性
如今，可持续工艺开发在学术界和工业界都受到越来越多的关注，重点在于最小化环境影响以保持成本和能源效率。在此背景下，使用创新和可回收的催化剂对于降低整体工艺成本和提高操作可持续性变得至关重要。催化剂p-TsOH是一种低分子量分子，在水中具有良好的混溶性；因此，果胶分离后，它留在水中。相比之下，果胶是一种高分子量生物聚合物(50-150 KDa)，可溶于水。分子量的这种显著差异有利于整合膜分离技术来分离催化剂和果胶。超滤膜允许p-TsOH渗透，同时保留果胶以分离催化剂和果胶。渗透后的催化剂，经过水蒸发后，用于进一步的实验。
为了评估催化剂的可重复使用性，回收的p-TsOH被用于五个连续的果胶分离循环，使用橙皮。由于操作造成的催化剂损失通过添加新鲜催化剂来补偿。观察到，在五个连续运行中，果胶收率(33%)和生物质转化率(72%)具有一致性，这描述了回收催化剂的效率。通过ATR-FTIR分析监测催化剂回收过程中的结构改变和形态变化。观察到新鲜催化剂和回收催化剂的ATR-FTIR匹配，这描述了催化剂性质的一致性。因此，可回收性性能证明了p-TsOH在建立绿色环保的果胶分离方案方面相对于传统矿物酸催化剂的效率。
果胶纯化的下游加工
反应参数的优化对于确定最有效的操作条件以最大化收率、转化率和整体工艺效率至关重要。近似分析和催化剂筛选确认了各种生物质原料的适用性，并证明p-TsOH可以实现高果胶收率，与使用传统矿物酸获得的结果相当或更好。因此，进行了进一步的工艺强化研究，以确定最大化果胶回收的最佳条件。优化研究侧重于关键操作参数的影响，包括温度、反应时间、催化剂浓度、粒径、搅拌速度和浆料浓度。
用于颜色去除的吸附剂树脂筛选
据报道，橙皮含有多种类型的色素、黄酮类化合物、颜色成分，这些成分赋予颜色，包括类胡萝卜素、α、β-胡萝卜素、番茄红素、紫黄质、花药黄质、玉米黄质、叶黄素等。分离过程导致各种色素、黄酮类化合物、类胡萝卜素和果胶的共提取。提取物中观察到的颜色显示了颜色成分的存在。
因此，筛选了不同类型的树脂以评估每种树脂在颜色成分吸附能力方面的性能。通过使用紫外分光光度法，相对于粗果胶溶液的颜色，对从果胶提取物中吸附的颜色进行量化。
为了检查颜色去除效率，选择了各种吸附树脂，例如疏水树脂(ICT-HC-1)、强阳离子交换树脂(ICT-SC-1)、弱阳离子交换树脂(ICT-WC-1)、强阴离子交换树脂(ICT-SA-1)和弱阴离子交换树脂(ICT-WA-1)进行批量吸附研究。树脂颜色去除吸附研究以批量模式进行，其效率通过视觉观察，通过紫外分光光度法计算，并与原始提取物进行比较。观察到，在测试的吸附树脂中，使用疏水树脂实现了良好的颜色去除能力，其次是离子交换树脂。其中，ICT-HC-1疏水树脂显示出几乎99.8%的颜色去除效率，其次是ICT-WA-1，颜色去除效率为84.13%。最低的颜色去除效率出现在弱阳离子交换树脂ICT-WC-1中，颜色去除效率为72.10%。因此，选择ICT-HC-1进行进一步研究。本研究的主要目的是去除颜色且果胶不吸附到树脂上。为了确定这一点，我们对获得的 supernatant 和原始提取物进行了CuCl2分光光度测定。所选树脂相对于原始提取物的相应紫外-可见色谱图。
膜筛选和喷雾干燥
几种技术已被用于粗果胶的纯化，包括醇沉淀、膜过滤、用于去除颜色色素的活性炭以及多种色谱方法。膜分离有助于保持果胶的结构完整性，同时进行浓缩和去除杂质，从而得到更浓缩的溶液。所需膜的选择取决于各种参数，以获得最佳可能的收率和纯度。一个关键的考虑因素是目标膜对果胶的有效截留。截留率很大程度上受分子量截留值(MWCO)的影响，该值通常比目标产物的分子小三到四倍，以确保有效分离和最小损失。据报道，果胶的分子量在50-150 kDa范围内。因此，微滤(MF)或超滤(UF)可能是分离催化剂和果胶的选择。因此，为了选择特定的膜，测试了超滤和微滤膜。
选择了0.2μ的MF膜和5及10 kDa截留值的UF膜来检查催化剂和分离果胶的分离。观察到，在测试的膜中，发现UF膜在果胶回收方面比MF膜更有效。注意到在MF的情况下，果胶被渗透和截留的程度相同；因此，分离不合适。而在UF膜的情况下，果胶被截留，催化剂被允许通过；因此，发现它更适用于果胶的分离。测试了两种UF膜，5和10 kDa，以检查性能，但观察到果胶的截留性能差异可以忽略，果胶回收率约为71%。通过渗透物和截留物的白利糖度值确认果胶截留和渗透的验证。观察到截留物的白利糖度值较高，而渗透物的白利糖度值较低，这表明果胶被有效截留。因此，选择10 kDa的UF膜用于分离果胶和催化剂。
醇沉淀是分离果胶最广泛使用的技术之一。在该方法中，粗提物用乙醇作为反溶剂沉淀以获得果胶，通过过滤分离，而含水乙醇可以通过蒸馏回收。然而，该过程消耗大量乙醇，超过粗提物体积的50%；因此，整个过程中乙醇消耗巨大。尽管蒸馏通常用于乙醇回收，但它是一个能源密集型过程，并增加了工艺的整体环境和经济负担。因此，果胶纯化中乙醇的广泛使用要求开发替代的、环境可接受的技术，以限制溶剂使用和废物产生。
在本研究中，采用喷雾干燥作为传统醇沉淀法的可持续替代方案。喷雾干燥是一种连续、可扩展且相对快速的技术，显著减少了对大量有机溶剂（如乙醇）的依赖，从而减少了废水产生。该方法可以精确控制颗粒大小、水分含量和产品均匀性，从而产生具有延长保质期的干燥、稳定的粉末。此外，喷雾干燥将浓缩和干燥整合到一个步骤中，提高了整体工艺效率。这些优势使喷雾干燥特别适用于可持续性和成本效益是关键考虑因素的工业规模应用。喷雾干燥在受控条件下进行，进口温度140°C，出口温度80°C，吸气器速度1500 RPM，进料泵速度30 RPM，雾化器压力2 bar。从膜过滤后的截留液获得的浓缩果胶溶液直接送入喷雾干燥器以生产干燥的果胶粉末。该方法允许在单一步骤中有效回收果胶，绕过了基于溶剂沉淀的需要。所得粉末呈白色，可自由流动，随后分析其结构特征和质量参数。
果胶的表征
分离后，粗果胶通过旨在最大化其质量和纯度的战略性整合的先进方法进行纯化。为了阐明果胶的物理化学和结构属性，进行了全面的表征，如下所述。
ATR-FTIR
通过该方法生产的果胶的ATR-FTIR：3319.49, 2929.87, 2347.37, 1732.08, 1631.78, 和 1016.49 cm?1。标准果胶的ATR-FTIR：3307.92, 2924.09, 2357.92, 1730.15, 1238.30, 和 1002.98 cm?1。
当量重量
比较了标准和样品果胶的当量重量。标准当量重量为961.538，而分离样品的当量重量为3125。
甲氧基含量
比较了标准果胶和样品果胶的甲氧基含量。标准甲氧基含量为7.2%，而色谱纯化样品的甲氧基含量为8.99%。
酯化度
结果表明，样品果胶的酯化度含量为88 ± 2%。这些值确认分离的果胶符合高酯果胶的标准。
脱水糖醛酸含量(AUA)
该实验的结果显示，样品果胶的AUA含量为67.93%，而标准果胶的AUA含量为70%。
与本研究比较的已报道果胶提取方法
已经报道了几种从柑橘皮废弃物中分离果胶的方法，果胶收率从7%到30%不等。报道的方法基于不同的原理，例如微波辅助、超声波辅助、酶辅助和亚临界水提取。相比之下，本研究侧重于简单的酸辅助分离，与其他方法相比产生了更好的结果。
结论
橙皮是柑橘类水果加工过程中产生的主要农业工业废弃物，是生产果胶的有前景的原料。在本研究中，开发了一种从废弃橙皮中高效分离和纯化果胶的综合方法。在上游加工中，p-TsOH被用作传统矿物酸的潜在替代品。下游加工通过整合吸附和膜分离分别进行颜色杂质的去除和催化剂的回收。优化后的工艺具有以下优势：
a. 通过使用p-TsOH的优化上游加工，实现高果胶收率33.78%和71.91%的生物质转化效率。
b. 使用ICT-HC-1吸附剂实现99.8%的有效颜色去除和22.68 mg/mL的最大结合容量。
c. 使用超滤膜实现>71%的果胶回收率和>98%的催化剂回收率。
d. 未使用乙醇沉淀；使用喷雾干燥分离果胶，生产出高纯度且适用于工业用途的果胶。
开发的方案通过避免使用腐蚀性矿物酸和酒精沉淀过程，为传统的果胶分离过程提供了替代
