桑枝皮中果膠的提取工藝優化

田繼武，劉朝良*，朱保建，魏國清

(安徽農業大學生命科學學院，安徽 合肥 230036)

桑枝皮中果膠的提取工藝優化

田繼武，劉朝良*，朱保建，魏國清

(安徽農業大學生命科學學院，安徽 合肥 230036)

以桑枝皮為原料，采用草酸銨-草酸水解、乙醇法沉淀提取果膠，研究料液比、pH值、提取溫度和提取時間對果膠提取率的影響，并分析湖桑32、育711、農桑14和農桑8桑樹品種在不同時期和不同部位的桑枝皮中果膠的提取率。結果表明，提取桑枝皮中果膠的最佳工藝條件為料液比1∶14(g/mL)、pH2.0、提取溫度90℃、提取時間120min，脫色條件為溫度60℃、時間30min、活性炭與浸提液比例1∶100(g/mL)，在此條件下果膠提取率可達12%左右。不同桑樹品種、不同采摘時期、不同部位的桑枝皮中的果膠提取率都有所差異，其中湖桑32號、夏伐桑枝皮、春秋季中部位桑枝皮及夏伐一年生桑枝皮中果膠提取率較高。濕桑枝皮中果膠提取率比烘干后的桑枝皮中的提取率高。

桑皮；果膠；提取率

果膠是一種復雜的多糖聚合物，是植物組織的重要成分[1]，是由D-半乳糖醛酸經糖苷鍵連接而成的長鏈結構。果膠作為一種天然的植物膠，因具有良好的乳化、增稠、穩定和膠凝作用而被廣泛應用于食品工業中，主要用于生產果醬、果凍、果汁乳化劑，牛乳增稠劑和生物降解餐具等[2]。果膠在植物的葉、皮、莖及果實的植物細胞壁及胞間層中皆有存在，是植物體內特有的細胞壁組分[3]。醫學研究發現，果膠有降低膽固醇和血糖的作用，可用于治療心血管硬化、糖尿病和胃潰瘍等疾病，同時果膠在醫藥上還可用作凝膠劑、細菌培養基和金屬中的解毒劑[4]。此外，果膠在化妝品、紡織、印染、冶金、煙草等行業中亦有應用[5-8]。

全世界的果膠年需求量近2萬t，據不完全統計，我國每年約消耗1500t以上，其中約80%從國外進口[9]。目前，我國生產果膠大多是從柑橘皮和蘋果渣中提取[10-11]，原料來源受季節性和生產技術的限制，不利于果膠的連續生產，使得我國果膠需求主要依靠國外進口，但進口果膠價格十分昂貴，擴大果膠產量和提高果膠生產技術水平具有巨大的市場潛力。中國是蠶桑大國，栽桑面積可觀，在蠶桑生產中桑枝由于不能用于養蠶，常常被當作廢物所丟棄，利用率很低，既造成資源浪費，又對環境造成污染[12]。平均每畝桑園夏伐桑枝可達到500～800kg，而桑枝皮占到桑枝產量的20%，新鮮桑皮的果膠含量可達到12%以上。因此，從桑枝皮中提取果膠，可以充分利用桑樹資源、避免浪費、提高蠶農的經濟效益，又可以防止環境污染，具有重要的經濟和社會意義。

目前，國內外利用蘋果渣、柑橘皮等植物生產果膠的研究層出不窮[13-16]，但是有關桑枝皮中果膠的提取方法還未見系統研究和報道。本實驗研究桑枝皮中提取果膠的工藝條件，對不同條件的桑枝皮中所提取的果膠含量和提取率進行比較分析，為桑枝皮中果膠的可提取利用性和綜合利用桑樹副產品的價值提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

以安徽農業大學桑園栽培的桑樹品種湖桑32、育711、農桑8號和農桑14號為材料，分別隨機采取3月初發芽前的春季桑枝、6月中旬春蠶結束后的夏伐桑枝和9月底秋蠶結束后的桑枝，并按不同部位進行剝皮。透析袋 加拿大BBI公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 方法

將所采的春季和秋季桑枝分別按桑枝長度分為上、中、下3個部位，夏伐桑枝按夏伐桑枝的特點分為新生稍部枝桑皮和一年生枝桑皮2個部位。利用草酸銨-草酸酸解法提取桑枝皮中的果膠，選擇料液比、pH值、提取溫度、提取時間為影響因素，以果膠提取率為判斷指標，做正交試驗，設3次重復，結果取平均值。

1.2.1 桑枝皮的預處理

將粉碎后桑枝皮樣品均分為兩份，進行兩種處理：①自然狀態下風干；②人工干燥，90℃處理20min，然后50～60℃烘干至含水量10%以下，存放備用。取制備好的桑枝皮加水浸泡20min，過濾后再用溫水洗滌2～3次，洗去桑枝皮中可溶性的糖分及部分色素類物質。

1.2.2 果膠的提取

在預處理過的桑枝皮中按一定料液比加入0.5%草酸銨-0.5%草酸溶液，調節料液比、pH值和溫度，待達到設定提取時間后，趁熱抽濾，收集濾液。

1.2.3 脫色和純化

將活性炭用去離子水洗除表面的粉塵等雜質，活性炭與濾液用量比值為1∶100(g/mL)，在60℃的水浴鍋中脫色30min。然后用TCA法可除去60%以上的蛋白質[17]，其方法為：用1mol/L NaOH溶液將脫色后的果膠液調pH10，80℃下保溫4h，過濾后取上清液，然后用1mol/L草酸溶液調上清液pH7，滴加3%三氯乙酸至pH6，于4000r/min離心30min，取上清液，測定脫除前、后果膠液中蛋白質含量。用規格為截留分子質量8000D以上的大分子物質的透析袋，可除去90%以上的小分子多糖，其方法為將脫除蛋白后的果膠液裝入事先處理好的透析袋中，置于蒸餾水中透析24h，蒸餾水的量要充足，保證有足夠的外壓力促使可溶性糖外滲，期間每4h換一次水，測定透析前、后果膠液中的糖含量。

1.2.4 沉淀果膠

將脫色、純化后的果膠提取液，用鹽酸將其pH值調整為3.5，在溫度50℃條件，加入乙醇-HCl(乙醇內含0.5mol/L的HCl)[18]，不斷攪拌，產生絮狀沉淀。加入乙醇-HCl的量約為濾液體積的1.1倍，使乙醇-HCl體積分數為50%～60%，靜置30min，過濾得到果膠[19-20]。將分離出的果膠先用60%乙醇溶液進行洗滌，再用無水乙醇洗滌，隨后進行壓榨。

1.2.5 干燥及含量測定

桑枝皮中果膠含量的分析與測定采用硫酸咔唑比色法[21]。將果膠置于50℃鼓風烘箱中烘至質量恒定，再用電子天平稱量，計算果膠提取率。

式中：m1為提取的果膠質量/g；m為桑枝皮質量/g。

2 結果與分析

2.1 標準曲線的繪制與桑枝皮果膠含量分析

利用咔唑比色法測定桑枝皮中的果膠含量，通過測定樣品中的半乳糖醛酸含量，從而測定其果膠含量。用不同質量濃度梯度的半乳糖醛酸在540nm波長處分別測定OD值，以半乳糖醛酸質量濃度為橫坐標、OD值為縱坐標，建立線性方程，所得標準曲線方程為：y＝0.0056χ＋0.0251，R2＝0.9741。

按照半乳糖醛酸的工作曲線法測得從桑枝皮中所提取的果膠其半乳糖醛酸含量為80.53%，該含量達到工業生產的要求。

2.2 草酸銨-草酸法提取桑枝皮中果膠的工藝參數

2.2.1 料液比對果膠提取率的影響

在溫度90℃、時間2h、pH2.0條件下，分別按照料液比1∶10、1∶12、114、1∶16、1∶18(g/mL)進行果膠提取。由圖1可知，當料液比1∶14時果膠產率最高。原因是當料液比小于1∶14時，桑枝皮中的原果膠不能完全水解成水溶性的果膠；當料液比大于1∶14時，溶液中果膠質量濃度較大不利于果膠沉淀析出，隨著料液比的增加，果膠提取率增加緩慢。綜合考慮，選用料液比1∶14(g/mL)。

圖1 料液比對桑枝皮果膠提取率的影響Fig.1 Effect of solid-to-liquid ratio on pectin extraction rate

2.2.2 pH值對果膠提取率的影響

在溫度90℃、時間2h、料液比1∶14條件下，用鹽酸調整pH值，分別在pH值為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0條件下進行果膠提取。由圖2可知，草酸銨-草酸提取桑枝皮果膠的最佳pH值為2.0。這可能是因為在弱酸的環境中，與果膠作用的H+減少，降低了水溶性果膠的轉化率；而在強酸環境中，會使生成的水溶性果膠進一步水解成單糖，從而導致果膠產率降低[22]。

圖2 pH值對桑枝皮果膠提取率的影響Fig.2 Effect of pH value on pectin extraction rate

2.2.3 溫度對果膠提取率的影響

提取溫度分別設為75、80、85、90、95℃，其他條件同2.2.2節，測定果膠提取率。結果見圖3，隨著溫度的升高，桑枝皮果膠提取率增加較快，當溫度大于90℃時，果膠提取率又緩慢下降。因為溫度的升高，有利于原果膠的水解，但當提取溫度過高時，可能會引起果膠自身結構的破壞，從而降低果膠的提取率，因此選取提取溫度90℃。

圖3 溫度對桑枝皮果膠提取率的影響Fig.3 Effect of temperature on pectin extraction rate

2.2.4 提取時間對果膠提取率的影響

其他提取條件同2.2.3節，按照提取時間分別為60、90、120、150min進行桑枝皮提取果膠，結果見圖4。

圖4 提取時間對桑枝皮果膠提取率的影響Fig.4 Effect of time on pectin extraction rate

由圖4可知，果膠提取率隨提取時間的延長而增加，當提取時間達到120min時，水解已比較充分，隨著時間的延長增加緩慢，故本試驗選用提取時間120min。

2.2.5 桑枝皮中果膠提取正交試驗

表1 影響桑枝皮果膠提取的各因素水平表Table 1 Factor and their coded levels in orthogonal array design

根據酸解單因素試驗結果，選擇料液比、pH值、提取溫度、提取時間為影響因素，果膠提取率為判斷指標，做正交試驗，其因素水平設置見表1。選用L9(34)正交表設計試驗方案，試驗結果與極差分析見表2。

由表2極差分析可知，各因素影響桑枝皮中果膠提取率的程度依次為A＞B＞D＞C，即料液比＞pH值＞提取時間＞溫度。由表2K值可知，桑枝皮果膠提取工藝的最佳組合為A3B2C3D2，即溫度9 0℃、時間120min、pH2.0、料液比1∶14，在此條件下，桑枝皮果膠的提取率可達12%。

表2 桑枝皮果膠提取工藝正交試驗設計及結果Table 2 Orthogonal array design and corresponding experimental results

表3 桑枝濕皮和該桑枝皮烘干后果膠提取率比較表Table 3 Effects of cultivars, growth stage, stalk bark position and drying on pectin extraction rate %

2.3 濕皮和烘干后桑枝皮桑品種、采摘時期、部位對果膠提取率的影響

對所采摘的各個部位的新鮮桑皮分別進行濕桑枝皮直接提取果膠和將其烘干后進行提取果膠，測定其果膠提取率，結果見表3。

由表3可知：4個不同桑樹品種的桑枝皮中果膠提取率不同，4個品種桑枝皮中湖桑32果膠提取率最高，農桑14次之，農桑8最低；夏伐桑枝皮的果膠提取率比相同條件下春季和秋季的桑枝皮中果膠提取率高；不同部位的桑枝皮，無論是濕桑枝皮還是烘干后的桑枝皮果膠提取率均有所不同，春季和秋季的桑枝皮的中部位果膠提取率比上部位和下部位的高，夏伐桑枝皮中一年生部位桑枝皮中果膠提取率高于新生稍部位桑枝皮；濕桑枝皮中果膠提取率比烘干后桑枝皮中的提取率高，其原因可能是烘干過程中桑枝皮中部分原果膠遭到了破壞、降解。

3 結 論

3.1 草酸銨-草酸提取桑枝皮中果膠的最佳工藝為溫度90℃、pH2.0、提取時間2.0h、料液比1∶14。采用活性炭對果膠提取液進行脫色，達到了較好的效果。脫色條件為溫度60℃、時間30min、活性炭與浸提液比例為1∶100(g/mL)。在此條件下測得桑枝皮中粗果膠的提取率可達12%左右，果膠顏色為淺黃色。與相關文獻[23]相比，本研究采用草酸銨-草酸法提取果膠的效率較高，這可能與選擇的材料和處理的工藝條件不同有關。

3.2 不同桑樹品種、不同時期、不同部位的桑枝皮中果膠提取率不相同。不同的桑樹品種桑枝皮中，湖桑32果膠提取率最高，農桑14次之，農桑8最低；夏伐桑枝皮的果膠提取率比相同條件下春季和秋季的桑枝皮中果膠提取率高；不同部位的桑枝皮，其果膠提取率也均有所不同，春季和秋季中部位桑枝皮的果膠提取率比上部位和下部位的高，夏伐桑枝皮中一年生部位桑枝皮中果膠提取率高于新生稍部位桑枝皮。

3.3 本實驗確立的桑枝皮果膠提取工藝為生產上大量從桑枝皮中提取果膠提供了技術支持，并且對高效利用桑樹資源，提高蠶桑業的經濟效益，減少環境污染，具有重要意義。

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Optimization of Extraction Process for Pectin from Mulberry Stalk Bark

TIAN Ji-wu，LIU Chao-liang*，ZHU Bao-jian，WEI Guo-qing
(School of Life Science, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China)

One-factor-at-a-time combined with orthogonal array design method was used to optimize process conditions for pectin extraction from mulberry stalk bark by ammonium oxalate-oxalic acid hydrolysis and subsequent ethanol precipitation. The effects of solid-to-liquid ratio, pH, temperature and time on pectin extraction rate were investigated. Pectin extraction rates from the bark of different stalk positions of mulberry cultivars Husang 32, Yu 711, Nongsang 8 and Nongsang 14 at different growth stages were compared. The optimal conditions for extracting pectin from mulberry stalk bark were solid-to-liquid ratio (g/mL) 1∶14, pH 2.0, temperature 90 ℃, and extraction time 120 min, and the addition of activated carbon at 1 g/100 mL for decolorization at 60 ℃ for 30 min resulted in the best decolorization. Under these conditions, the pectin extraction rate was roughly 12%. Cultivars, harvest periods and stalk bark positions showed a difference in the extraction rate of pectin. Among the four cultivars investigated, Husang 32 revealed the highest pectin extraction rate. In summer a higher pectin extraction rate from mulberry stalk bark was observed than in spring and autumn. In spring and autumn, the bark of the middle position of mulberry stalk exhibited a higher pectin extraction rate than that of the top and bottom. In summer, the pectin extraction rate from the bark of one-year-old mulberry stalk was higher than that of newly grown mulberry stalk. In addition, an increase in pectin extraction rate was found from fresh mulberry stalk bark as compared with its dried counterpart.

mulberry stalk bark；pectin；extraction rate

TS201.1

A

1002-6630(2011)16-0022-05

2010-10-08

安徽省國際合作項目(08080703018)；現代農業產業技術體系建設專項(nycytx-27-syz20)；安徽省人才專項(2008Z022)

田繼武(1983—)，男，碩士研究生，研究方向為蠶業資源綜合利用。E-mail：tiianjiwu@163.com

*通信作者：劉朝良(1957—)，男，教授，博士，研究方向為蠶業資源綜合利用。E-mail：cyschx@163.com