鹽酸法和磷酸氫二鈉法提取甘薯渣果膠效果的比較

張 軍，吳非凡，王嘉盛，趙天奇，王夢(mèng)芝

（揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

果膠是一種以α-1，4 糖苷鍵存在的D-半乳糖醛酸所形成的復(fù)合多糖物質(zhì)（徐夢(mèng)瑤，2017），主要存在于細(xì)胞壁中（馬彥彪等，2000），其最初是從胡蘿卜中提取出來(lái)的，顏色以淺白、淺黃為主，多為粉末，具有很好的膠凝化和穩(wěn)定性，是FAO 推薦的無(wú)限制天然添加劑（徐夢(mèng)瑤，2017），多使用在工業(yè)領(lǐng)域。甘薯渣是一類(lèi)甘薯淀粉生產(chǎn)中制出的非主要產(chǎn)品，其成分主要有水、淀粉顆粒和纖維物質(zhì)等（徐夢(mèng)瑤，2017），并含有豐富果膠，約占其干渣重量的20%，因甘薯品種的不同，其含量也有差異，果膠含量最高可達(dá)22.93%（韓俊娟等，2009）。Takamine 等（2008）認(rèn)為，甘薯渣中的果膠含量很多，可以作為提取果膠的優(yōu)良原料。目前國(guó)內(nèi)外食品工業(yè)用果膠主要從蘋(píng)果渣和柑橘渣中提取，大多從甘薯渣中提取膳食纖維，提取果膠的試驗(yàn)較少，梁新紅等（2013）以甘薯渣為原料研究草酸鹽法提取果膠的工藝條件并進(jìn)行優(yōu)化；劉倩倩（2015）采用超聲波輔助鹽法提取甘薯渣中果膠并對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化；田亞紅（2012）確定了微生物發(fā)酵法提取甘薯渣果膠的最佳條件；魏海香等（2008）用酸法提取甘薯果膠，從響應(yīng)面分析得出果膠最高提取率。本研究根據(jù)我國(guó)當(dāng)前甘薯渣資源浪費(fèi)和環(huán)境污染的現(xiàn)狀，通過(guò)不同方法提取甘薯渣中的果膠，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較和討論，從而確定較佳的果膠提取條件，旨在簡(jiǎn)化工藝和降低生產(chǎn)成本。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 原料：兩種甘薯渣（塊狀和粉狀），某公司提供；主要試劑：無(wú)水乙醇、α-淀粉酶、鹽酸、濃鹽酸、濃硫酸、碘；主要設(shè)備：離心機(jī)、電子天平、可見(jiàn)分光光度計(jì)、恒溫水浴鍋。

1.2 原料預(yù)處理及提取劑選擇 本試驗(yàn)的甘薯渣事先需除去淀粉，因?yàn)楣z產(chǎn)品中含有大量淀粉，與果膠混合后難以分離，這對(duì)提取有很大影響。本試驗(yàn)中使用α-淀粉酶降解淀粉，使甘薯渣中的淀粉含量不影響試驗(yàn)進(jìn)行（梅新等，2010）。本試驗(yàn)方案用鹽酸和磷酸氫二鈉兩種試劑作為果膠的提取劑。

1.3 兩種甘薯渣中總果膠含量的測(cè)定 不同甘薯渣品種，其營(yíng)養(yǎng)成分具有差異，因此對(duì)這兩種甘薯渣樣品進(jìn)行果膠含量測(cè)定，根據(jù)《BC1405 總果膠含量檢測(cè)試劑盒微量法》 選出果膠含量較高的一種甘薯渣樣品。

甘薯果膠提取率/%=甘薯果膠含量/甘薯渣質(zhì)量×100。

1.4 單因素對(duì)果膠提取率的影響

1.4.1 酸法對(duì)果膠提取率的影響 本試驗(yàn)中，當(dāng)對(duì)某一因素進(jìn)行測(cè)定時(shí)，其余各因素標(biāo)準(zhǔn)如下（表1）：料液比1∶20，時(shí)間2 h，溫度95 ℃，pH 2，離心兩次（3000 g，30 min），取上清液定容到10 mL，用分光光度計(jì)測(cè)其吸光值，代入計(jì)算公式求得提取率。

表1 酸法單因素條件

1.4.2 堿法對(duì)果膠提取率的影響 本試驗(yàn)中，當(dāng)對(duì)某一因素進(jìn)行測(cè)定時(shí)，其余各因素標(biāo)準(zhǔn)如下（表2）：時(shí)間4 h，料液比1∶20，溫度60 ℃，pH 7，離心兩次（3000 g，30 min），取上清液定容到10 mL，用分光光度計(jì)測(cè)其吸光度，代入計(jì)算公式求得提取率。

表2 堿法單因素條件

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種甘薯渣中總果膠含量的測(cè)定結(jié)果 根據(jù)《BC1405 總果膠含量檢測(cè)試劑盒微量法》繪制出半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)：y=0.0429x-0.086，R2=0.9728（y 為吸光度值，x 為半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度），從而得出兩種甘薯渣果膠含量。

由表3 可知，甘薯渣2 的總果膠含量極顯著高于甘薯渣1，因此本試驗(yàn)選擇甘薯渣2 作為試驗(yàn)樣本，進(jìn)行酸堿兩種方法提取果膠。

表3 兩種甘薯渣果膠含量 μmol/g

2.2 酸法果膠單因素提取率試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 pH 對(duì)果膠提取率的影響 由圖1 可知，在一定的提取條件下，果膠提取率隨著pH 上升，先逐漸降低再逐漸升高。其中當(dāng)pH 為1.5 時(shí)，果膠的提取率最高。

圖1 pH 與提取率的關(guān)系

2.2.2 時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響 由圖2 所示，在一定提取條件下，隨著時(shí)間的增加，提取率變化幅度不穩(wěn)定，果膠的最佳提取時(shí)間為2.5 h。

圖2 時(shí)間與提取率的關(guān)系

2.2.3 料液比對(duì)果膠提取率的影響 由圖3 可知，在一定的提取條件下，果膠提取的最佳料液比為1∶25。

圖3 料液比與提取率的關(guān)系

2.2.4 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響 由圖4 可知，在一定的提取條件下，果膠提取率在溫度升高時(shí)，整體表現(xiàn)為小幅度下降后又升高。果膠的提取效果在溫度75 ℃時(shí)，表現(xiàn)最好。

圖4 提取溫度與提取率的關(guān)系

本試驗(yàn)采用鹽酸提取果膠時(shí)，各因素條件為pH 2、時(shí)間2 h、料液比1∶20 和溫度75 ℃時(shí)，果膠提取率最高。

2.3 堿法果膠單因素提取率試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 pH 對(duì)果膠提取率的影響 由圖5 可知，在一定的提取條件下，隨著pH 的增加，所得果膠提取率逐漸上升后趨于平穩(wěn)，當(dāng)pH 為8 時(shí)，所得果膠提取效果最好。

圖5 pH 與提取率的關(guān)系

2.3.2 時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響 由圖6 可知，在一定的提取條件下，果膠的提取效果在時(shí)間為4 h 時(shí)，表現(xiàn)最好。

圖6 時(shí)間與提取率的關(guān)系

2.3.3 料液比對(duì)果膠提取率的影響 由圖7 可知，在一定的提取條件下，果膠最適料液比為1∶30。

圖7 料液比與提取率的關(guān)系

2.3.4 提取溫度對(duì)果膠提取率的影響 由圖8 可知，在一定的提取條件下，隨著溫度的升高，果膠提取率先降低再升高趨于平穩(wěn)，最后再下降，其中當(dāng)提取溫度為30 ℃時(shí)果膠的提取率最高。

圖8 提取溫度和提取率的關(guān)系

本試驗(yàn)采用磷酸氫二鈉提取果膠時(shí)，各因素條件為pH 7、時(shí)間4 h、料液比1∶30 和溫度60 ℃時(shí)，果膠的提取率最高。

3 討論

3.1 鹽酸提取法對(duì)果膠提取率的影響 酸法是一種提取果膠最常用的傳統(tǒng)方法，此方法可以在柑桔、甜菜和蘋(píng)果等多種不同來(lái)源的原料中提取果膠（梅新等，2010）。其主要原理是在酸溶液的作用下，提取植物細(xì)胞中水溶性的果膠，目前傳統(tǒng)工業(yè)用酸有鹽酸、草酸和亞硫酸等（梅新，2010）。鹽酸作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)常用提取劑，經(jīng)鹽酸將原料水解后，共價(jià)鍵和氫鍵被破壞而游離果膠，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易操作，時(shí)間短，提取率和純度都比較高（李峰等，2016），更能節(jié)省成本。但缺點(diǎn)是在提取時(shí)，部分水解的果膠會(huì)造成質(zhì)量下降，同時(shí)提取液黏度增加導(dǎo)致廢液過(guò)濾困難，不易處理（陳熠等，2009）。

田亞紅等（2013）采用鹽酸配制酸溶液來(lái)提取甘薯渣中的果膠，通過(guò)試驗(yàn)分析得出，當(dāng)提取條件為溫度90 ℃、時(shí)間1.5 h 和pH 2 時(shí)，提取果膠效果最好。王雅婷（2013）在用酸法提取籽瓜果膠時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度90 ℃、pH 1.5、時(shí)間2.5 h和料液比1∶15 時(shí)，果膠的提取效果最好。應(yīng)珊珊（2014）在用酸法提取火龍果果膠時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)料液比1∶10、、溫度95 ℃和時(shí)間140 min 時(shí)，果膠的提取效果較好，并且總結(jié)出可以在提取過(guò)程中添加高強(qiáng)度的酸溶液使提取率提高的建議。王銳等（2020）在提取柑橘果膠時(shí)發(fā)現(xiàn)，果膠提取效果在料液比1∶20 時(shí)表現(xiàn)最好。這都與本試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

本試驗(yàn)鹽酸提取果膠的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，料液比大時(shí)，不易實(shí)現(xiàn)溶解果膠的條件；料液比小時(shí)，酸對(duì)果膠的作用不大；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提取時(shí)間以1.0～2.5 h為宜。當(dāng)時(shí)間不夠長(zhǎng)，果膠反應(yīng)不夠充分導(dǎo)致提取不完全。如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，果膠易發(fā)生分解導(dǎo)致成本增加。當(dāng)pH 在較低的情況下，酸溶液的濃度比較高可能會(huì)影響果膠水解，以致出現(xiàn)副反應(yīng)如其發(fā)生過(guò)分水解；當(dāng)pH 在較高的情況下，酸溶液的濃度比較低會(huì)導(dǎo)致果膠水解完全。

3.2 磷酸氫二鈉提取法對(duì)果膠提取率的影響堿提取法提取果膠條件較易控制，比酸法穩(wěn)定，且金屬離子和酸堿不會(huì)對(duì)此法產(chǎn)生一定的作用，不會(huì)對(duì)環(huán)境有太大的污染。其缺點(diǎn)是只能部分少量提取果膠，容易造成大量不溶于水果膠的浪費(fèi)。堿法提取果膠時(shí)常進(jìn)行堿法脫脂再提取果膠，當(dāng)脫脂反應(yīng)發(fā)生時(shí)，β-消去反應(yīng)也同步發(fā)生，果膠分子發(fā)生解聚，這與脫脂反應(yīng)形成一種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，對(duì)果膠分子量和黏度等都有一定的影響（謝明勇等，2013；Gunning 等，2009）。同時(shí)因其提取單一性較差，不能完全消除β-消去反應(yīng)，造成復(fù)雜化產(chǎn)物，此過(guò)程中廢液的產(chǎn)生會(huì)對(duì)環(huán)境造成相對(duì)的污染（高健等，2014）。研究表明，堿法提取果膠時(shí)，低溫堿法提取可以在一定程度上減小β-消去反應(yīng)，從而能保證果膠的質(zhì)量（雷激等，2006）。

本試驗(yàn)采用磷酸氫二鈉提取果膠，結(jié)果表明，果膠提取率的降低，是隨提取溫度、pH、料液比和提取時(shí)間的改變而改變。其中，pH 降低、料液比的減小和提取時(shí)間的縮短都會(huì)顯著降低果膠的提取率，而溫度的上升也會(huì)一定程度上降低提取率。本試驗(yàn)所得結(jié)果與雷激等（2006）在研究低溫堿法脫酯制取低酯果膠的試驗(yàn)結(jié)果一致，低溫提取果膠效果較好。經(jīng)總結(jié)本試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用磷酸氫二鈉提取果膠時(shí)，各因素條件為pH 7、時(shí)間4 h、料液比1∶30 和溫度60 ℃時(shí)，果膠的提取率最高。這與張春蓬（2011）采用磷酸氫二鈉提取甘薯渣果膠結(jié)果基本一致，當(dāng)pH 7.9、時(shí)間3.3 h、料液比20∶1 和溫度66 ℃時(shí)，提取率能夠達(dá)到最高。Takamine 等（2008）采用不同提取劑從甘薯渣中提取果膠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較高的提取率出現(xiàn)在pH 為7 以上的磷酸氫二鈉溶液中。這也與本試驗(yàn)結(jié)果中pH 條件基本一致。

4 結(jié)論

綜上，當(dāng)本試驗(yàn)采用鹽酸提取果膠時(shí)，各因素條件為pH 2、時(shí)間2 h、料液比1∶20 和溫度75 ℃時(shí)，甘薯渣果膠提取率最高可達(dá)22.80%；采用磷酸氫二鈉提取果膠時(shí)，各因素條件為pH 7、時(shí)間4 h、料液比1∶30 和溫度60 ℃時(shí)，甘薯渣果膠的提取率最高可達(dá)21.10%。經(jīng)比較，鹽酸法提取甘薯渣果膠的提取率較高。