菠蘿皮渣果膠的提取及理化性質

杭瑜瑜+王玉杰+齊丹+公維潔

摘要：以干菠蘿皮渣為原料，運用超聲波輔助纖維素酶法提取菠蘿皮渣中的果膠，通過單因素和響應曲面試驗，確定最優的提取工藝：超聲波功率507 W、10 mL提取液中酶添加量為0.51 g，在此條件下果膠的提取率為2.584 3%。經過紅外光譜分析，通過與標準樣品圖譜的比較證明，所提取的樣品是果膠，其總半乳糖醛酸含量為68.57%，酯化度為47.99%，屬于低酯果膠。

關鍵詞：菠蘿皮渣；果膠；提取；理化性質

中圖分類號： S814；TS255文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0379-04

果膠是從植物組織中提取的一類酸性多糖物質，為植物細胞壁的重要組分。果膠的主要成分是半乳糖醛酸，以α-D-（1-4）-糖苷鍵聚合形成聚半乳糖醛酸聚糖[1-2]。相關研究表明，果膠具有抑制腫瘤[3]、降血糖[4]、降血脂[5]、吸附重金屬[6]、抑制微生物生長[7]、抑制炎癥[8]等作用。

目前國內外研究較多的果膠種類包括柑橘果膠、橙皮果膠、蘋果果膠、向日葵果膠、甜菜果膠、馬鈴薯果膠、大豆果膠等[9]。關于果膠提取研究，報道的方法有酸提取法、草酸銨提取法、酶提取法、微波提取法、超聲波提取法、微生物提取法等。Hromadkova等對比了傳統堿法、超聲輔助提取蕎麥中半纖維素的產率，證明經過短時超聲波處理后，與傳統方法相比產率提高了1.2～1.5倍[10]。Seshadri等發現，超聲波提取的果膠體系更清澈，色澤更好[11]。Panouille等發現，用纖維素酶、蛋白酶提取的果膠比用傳統酸法提取的得率更高，單分子量更低[12]。

從自然界植物組織中提取的果膠以高酯果膠為主，低酯果膠主要通過高酯果膠脫酯而獲得。低酯果膠即使不加糖、酸，只要存在高價態金屬離子（如Ca2+、Al3+等）也可生成凝膠，廣泛用于低糖產品，可生產低熱低糖的功能性保健食品[13]。鑒于低酯果膠的性質和用途，從植物組織中提取低酯果膠具有廣泛的研究意義。

菠蘿在我國廣泛種植，菠蘿加工中產生大量的菠蘿皮渣，然而這些果皮渣多作為廢物丟棄，在造成環境污染的同時又是對資源的極大浪費[14]。菠蘿皮渣中含有豐富的果膠物質，并且為低酯果膠。本研究以菠蘿廢棄物為對象提取果膠，并對所制備的果膠進行理化性質的研究，以為其在商業生產中的應用提供理論依據。

1材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1材料菠蘿皮渣：收集市場上新鮮的菠蘿皮，處理后作為試驗原料。

1.1.2試劑主要試劑：無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、纖維素酶（酶活性1 800 U/g）。

1.1.3主要儀器和設備TDI-80-2B離心機（金壇市盛藍儀器制造有限公司）；HN-12P酸度計（上海越磁電子有限公司）；HWS-26恒溫水浴鍋（金壇市盛藍儀器制造有限公司）；JU-6224調節型超聲發生器（上海杰恩超聲設備有限公司）；IRTracer-100傅里葉紅外光譜儀（日本島津公司）等。

1.2試驗方法

1.2.1菠蘿皮渣果膠的提取工藝流程主要流程：菠蘿皮渣→清洗→沸水熱燙滅酶10 min→60 ℃烘干→粉碎→過篩（100目）→菠蘿皮渣粉末→酸解→纖維素酶酶解→過濾→濾液濃縮→沉淀→離心→沉淀洗滌→干燥→果膠。

↑

超聲波處理

1.2.2提取工藝要點稱取5.0 g干燥菠蘿皮粉，加入 10 mL 蒸餾水作為溶劑，用0.5 mol/L鹽酸調節pH值至2.0，于80 ℃超聲波處理20 min。待酸解液冷卻至室溫后，調節pH值至4.0，再加入一定量活性為1 800 U/g的纖維素酶，置于70 ℃恒溫水浴鍋中40 min。將所得到的提取液于90 ℃滅酶5～10 min，趁熱抽濾。濾液用旋轉蒸發儀蒸發濃縮至原體積的1/4，向濃縮液中加入1.5倍體積的無水乙醇，靜置沉淀1 h后，于5 000 r/min離心10 min，分離出沉淀。用95%乙醇清洗2次，以除去其他雜質，最后將果膠置于60 ℃真空干燥箱中干燥。

1.2.3果膠提取率的計算相關公式：

[JZ（]果膠提取率=果膠質量/菠蘿皮渣原料質量×100%。[JZ）]

1.2.4單因素試驗選擇超聲波功率、纖維素酶添加量2個因素，分別考察這2個因素對果膠提取率的影響。其中超聲波功率設置360、480、600、720、840 W 5個梯度，10 mL提取液中纖維素酶添加量設置0.25、0.35、0.45、0.55、0.65 g 5個梯度。

1.2.5響應曲面優化試驗根據單因素試驗結果，對超聲波功率、纖維素酶添加量組合進行2因素3水平的響應面試驗，確定最佳提取工藝，并做驗證試驗。

1.2.6菠蘿皮渣果膠紅外光譜分析稱取0.100 g溴化鉀、0.001 g果膠粉末，將其混合，在紅外燈下用瑪瑙研缽研磨5 min。將研磨好的樣品放進60 ℃干燥箱中干燥1 h，而后制成透明壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀進行400～4 000 cm-1 范圍的光譜掃描。

1.2.7菠蘿皮渣果膠理化性質測定

1.2.7.1果膠酯化度的測定采用滴定法測定酯化度[9]，稱取 0.2 g 果膠樣品，加入100 mL純水。攪拌溶解后，加入3滴1%酚酞試劑，用0.1mol/L NaOH溶液滴定至溶液呈粉紅色且保持0.5 min以上不褪色。然后加入20 mL 0.5 mol/L NaOH溶液，放置皂化2.5 h，用1 mol/L硫酸標準溶液滴定，相關公式：

[JZ]甲氧基含量=[SX（]（C2V2-C1V1）×0.031〖〗m[SX）]×100%；

[JZ]酯化度=甲氧基含量/16.3×100%。

式中：V2為皂化時加入的標準堿溶液的體積，mL；C2為皂化時加入的標準堿溶液的濃度，mol/L；V1為滴定皂化過量的堿消耗的硫酸體積，mL；C1為硫酸標準溶液濃度，mol/L；m為試樣質量，g；0.031為甲氧基質量（g）當量數。

1.2.7.2果膠總半乳糖醛酸含量、灰分、酸不溶灰分測定的測定參照GB 25533—2010《食品添加劑果膠》測定果膠樣品的總半乳糖醛酸、灰分、酸不溶灰分含量。

1.2.7.3果膠干燥質量損失的測定按照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》中的直接干燥法進行測定。

2結果與分析

2.1單因素試驗結果與分析

2.1.1超聲波功率對果膠提取率的影響在纖維素酶添加量為0.45 g的條件下，考察不同超聲波功率對果膠提取率的影響，試驗結果見圖1。

由圖1可見，在超聲功率為360～480 W的范圍內，隨著超聲功率的增大，果膠提取率呈上升趨勢；超聲功率為480 W時，果膠提取率達到最大值；隨著超聲功率繼續增大，果膠提取率則開始下降，最終趨于平緩。這可能是因為超聲功率較低時，菠蘿皮渣的細胞壁破裂得少，果膠質不能完全溶解，果膠產率較低[15]；而當超聲功率過高時，超聲波的空化作用、機械作用、熱學作用造成部分果膠分解，使得果膠提取率有所下降。因此可知，適宜的超聲波功率為480 W。

2.1.2纖維素酶添加量對果膠提取率的影響當超聲波功率為480 W時，考察不同纖維素酶添加量對菠蘿皮渣果膠提取率的影響，結果見圖2。

由圖2可知，果膠提取率隨著纖維素酶添加量的增加而呈上升趨勢；當10 mL提取液中纖維素酶添加量為0.45 g時，果膠的提取率趨于平緩趨勢；繼續增加酶用量，對果膠提取率的影響不大。這是由于纖維素酶的酶解作用能夠破壞原料中纖維素的糖苷鍵，使部分纖維素降解而提高果膠的得率。在底物濃度一定的情況下，繼續增加酶用量，產物反而會對酶有反饋抑制作用，從而出現果膠提取率不再升高的現象[16]。因此可知，適宜的纖維素酶添加量為10 mL提取液中0.45 g。

響應曲面三維圖比較直觀地反映出各因素間相互作用的強弱[17-18]，而響應曲面三維圖在平面上的投影即為等高線圖。等高線的形狀可以反映因素相互影響的強弱：等高線的形狀為橢圓形時，2個因素的相互作用相對較強；等高線趨于圓形時，2個因素的相互作用相對較弱[19]。從圖3可以看出，超聲波功率和纖維素酶添加量相互作用較大，與方差分析的結果一致。

根據響應面法試驗結果及其回歸方程模型分析可知，超聲波輔助纖維素酶法提取菠蘿皮渣中果膠的最優工藝：超聲功率為507.36 W、10 mL提取液中纖維素酶添加量為0.51 g，預測果膠提取率為2.595 3%。考慮到實際操作的便利，將最佳工藝條件修正為超聲功率為507 W、10 mL提取液中纖維素酶添加量為0.51 g，在此條件下進行3次重復驗證試驗，果膠提取率的平均值為2.584 3%。該試驗值與模型方程的預測值僅相差0.42%，說明經響應面法優化的提取工藝組合條件較為準確，利用超聲輔助纖維素酶法提取菠蘿皮渣中的果膠具有一定的實際意義。

2.3菠蘿皮渣果膠紅外光譜分析

由圖4可以看出，提取的果膠與果膠標準品的紅外圖譜相似。3 600～2 500 cm-1處的吸收峰是O—H的伸縮振動引起的，樣品在3 417 cm-1有吸收峰，說明果膠分子中有很多 —OH；3 000～2 800 cm-1處的特征峰是C—H的反對稱、對稱伸縮振動引起的，樣品在2 942 cm-1有吸收峰；1 760～1 720 cm-1處的特征吸收峰是半乳糖醛酸羧基形成的酯鍵（—COOR）中羰基的伸縮振動引起的，樣品在1 740 cm-1有吸收峰；1 680～1 600 cm-1處的吸收峰為游離的羧酸（—COOH）中羰基的不對稱伸縮振動引起的，樣品在1 673 cm-1有吸收峰；1 462 cm-1處的峰是C—O—H的平面彎曲振動峰；1 300～1 000 cm-1間的吸收峰是由C[FY=，1]O伸縮振動所引起的；在1 253 cm-1的特征峰是C—O—C鍵的伸縮振動峰，表明有甲氧基存在；在1 300～800 cm-1之間中強吸收峰是果膠分子的指紋區。經比較可知，菠蘿皮提取物與標準品果膠的紅外圖譜相似，證明其為果膠。

2.4菠蘿皮渣果膠理化性質測定結果

3結論

通過響應曲面試驗優化超聲波輔助纖維素酶法提取菠蘿皮渣果膠的工藝，結果表明：功率為507 W、10 mL提取液中纖維素酶添加量為0.51 g時，提取率為2.584 3%。用紅外光譜分析驗證提取的樣品為果膠，其總半乳糖醛酸含量為68.57%，酯化度為47.99%，屬于低酯果膠。低酯果膠在高價金屬離子存在下即可形成凝膠，可用作低糖、無糖食品的增稠劑。本研究結果表明，菠蘿皮渣果膠的各項理化指標符合GB 25533—2010《食品添加劑果膠》的規定，可作為一種低酯果膠用于商業生產，在充分提高菠蘿附加值的同時也豐富了低酯果膠的來源。

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