桑枝皮果膠提取的試驗研究

費(fèi)建明*,占鵬飛,施國方,李玉峰,馮建琴,朱祥瑞

（1.浙江省湖州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,湖州313000；2.浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，浙江杭州310029）

桑枝是蠶桑生產(chǎn)中的主要廢棄物之一。近年來，桑枝利用的研究取得了許多有意義的進(jìn)展，如桑枝加工木地板等，但在利用桑枝生產(chǎn)地板過程中仍有大量桑枝皮產(chǎn)生，若充分利用這部分資源，不僅可以減少廢棄物，還能創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益[1～4]。

桑枝皮中含有大量纖維，是優(yōu)良的紡織原料。植物纖維用作紡織原料，一般均需要進(jìn)行脫膠處理，所脫的主要就是果膠。單從制備纖維的角度來看，脫膠工藝條件可以比較強(qiáng)烈，此時脫下的果膠利用價值不大[5～7]，如果要利用這部分果膠，則需對脫膠條件進(jìn)行一些調(diào)整。本試驗從提取果膠的角度出發(fā)，優(yōu)化提取條件，對影響提取效果的因素進(jìn)行了試驗研究。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮桑枝皮（“湖桑197”，采自浙江大學(xué)華家校區(qū)池西大門桑園），新伐桑枝條剝皮處理，桑枝皮剪切成2～3 cm長條，80℃恒溫鼓風(fēng)干燥2 h，袋裝保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試劑

37.5 %濃鹽酸（杭州大方化學(xué)試劑廠）、85%濃磷酸（浙江新安化工集團(tuán)股份有限公司）、95%乙醇（杭州大方化學(xué)試劑廠）、蒸餾水。試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.3 儀器

定量分析濾紙、DHG-9146A電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱（上海精宏試驗設(shè)備有限公司）、TC-15恒溫電熱套（海寧市華星儀器廠）、電子精密天平、精密pH試紙 1.4～3.0。

1.4 提取液配制

pH=2.0鹽酸溶液配制：量取蒸餾水1500 ml，移液管移取37.5%濃鹽酸1 ml注入，調(diào)節(jié)pH至2.0。

pH=2.0磷酸溶液配制：量取蒸餾水1500 ml，移液管移取85%濃磷酸1 ml注入，調(diào)節(jié)pH至2.0。

pH=2.0鹽酸/磷酸混合溶液配制：量取上述溶液各500 ml，混合搖勻，調(diào)節(jié)pH至2.0。

1.5 試驗設(shè)計

正交試驗 以提取時間、提取液設(shè)計3因素，3水平正交試驗，確定桑枝皮中果膠的最適提取條件。試驗設(shè)計表如表1。

提取預(yù)處理 稱取干燥桑枝皮約5 g，清水浸泡30 min，加熱至90℃，恒溫5 min脫色，濾去多余水后備用。

加熱提取 將預(yù)處理后的桑枝皮裝入1000 ml圓底燒瓶，加入提取液150 ml，輕輕震蕩使桑枝皮被提取液充分浸沒。恒溫電熱儀加熱至微沸，開始計時，按試驗預(yù)定時間回流提取，不斷搖動圓底燒瓶，防止焦化[8]。

過濾、濃縮和沉淀 趁熱過濾，提取液先以脫脂棉過濾2次去除碎屑，再以濾紙過濾，取濾液。濾液加熱濃縮至約25 ml，室溫冷卻，以蒸餾水定容至30 ml。加入210 ml（7倍體積）95%乙醇，輕輕攪拌均勻，靜置、沉淀、過濾，濾渣以95%乙醇沖洗數(shù)次盡量洗去殘余色素。70℃恒溫鼓風(fēng)干燥1.5 h，稱重[9～11]。

表1 正交試驗設(shè)計表L9（34）Table 1 Orthogonal design table L9(34)

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

2 結(jié)果與分析

2.1 桑枝皮果膠提取正交試驗結(jié)果

根據(jù)正交試驗表的設(shè)計，試驗結(jié)果如表2。

從上表的正交試驗結(jié)果顯示，最適組合為提取時間為120 min，提取液為磷酸pH=2.0。

方差分析表如表3。

2.2 提取時間對得率的影響

方差分析顯示，F(xiàn)0.05（2，4）＜FA＜F0.01（2，4），提取時間對果膠得率有顯著影響。隨提取時間增加，果膠得率呈上漲趨勢，上漲快慢與提取酸的種類有關(guān)。

這一現(xiàn)象可解釋為，桑枝皮中果膠含量固定，由于不同酸提取能力不同，提取相同量果膠所需的時間不同，提取能力強(qiáng)的酸（如磷酸）提取時間相對就短，果膠得率受提取時間影響變化不大，而提取能力弱的酸（如鹽酸）提取時間相對就要長，果膠得率受提取時間影響變化很大[12]。

試驗發(fā)現(xiàn)，無論用何種提取酸，1 h提取的果膠得率都較低，這與目前工業(yè)提取果膠的1 h提取時間不符。應(yīng)當(dāng)注意到，工業(yè)提取果膠均對原料進(jìn)行粉碎處理，本試驗?zāi)康氖蔷C合利用桑枝皮的纖維和果膠，因而未對桑枝皮進(jìn)行粉碎處理，原料與提取液接觸有限，因此提取時間必須延長。

2.3 提取酸種類對果膠得率的影響

方差分析顯示，F(xiàn)B＞F0.01（2，4），提取酸種類對果膠得率的影響極顯著。結(jié)合具體數(shù)據(jù)，磷酸提取的果膠得率（7.6%～8.8%）明顯高于鹽酸提取的果膠得率（2.4%～5.6%），鹽/磷混合酸提取得率（5.0%～7.1%）則介于兩者之間。

這一現(xiàn)象主要由兩種酸的不同揮發(fā)性和H+攜帶量引起。本試驗果膠提取方法為傳統(tǒng)的酸提取法，果膠得率直接受提取液實際酸度影響。一方面，鹽酸為揮發(fā)性酸，在微沸狀態(tài)下隨著提取進(jìn)行不斷揮發(fā)，使得提取液實際酸度不斷下降，果膠得率也隨之降低；而磷酸為非揮發(fā)性酸，微沸狀態(tài)不揮發(fā)，提取液實際酸度變化不大，果膠得率自然高于前者；另一方面，鹽酸是一元強(qiáng)酸，相同pH下攜帶的H+有限，而磷酸是三元中強(qiáng)酸，所攜帶的H+更多，在提取過程中逐步解離，使得提取液實際酸度提高，果膠得率高于前者。另外，磷酸還能與Ca2+、Mg2+結(jié)合成不溶性磷酸鹽，減小對果膠的封團(tuán)作用，利于果膠溶解[13]。

2.4 提取條件對果膠形態(tài)、色澤的影響

各組試驗中，試驗條件對果膠形態(tài)無明顯影響，由95%乙醇沉淀出的果膠均為細(xì)小絮狀顆粒（果膠含量少時沉淀為細(xì)小絮狀，含量大時沉淀為大朵絮狀，如柑橘皮提取的果膠）。

不同條件下，所得果膠干燥后色澤有所差異，用肉眼可以直接觀察到。由磷酸和鹽/磷混合酸提取的果膠色澤微黃，而鹽酸提取的果膠略帶褐色，提取時間對色澤基本無影響。

果膠色澤差異主要由兩方面原因引起，一是色素殘留，二是濃縮和干燥過程中的褐化。各組試驗的濃縮和干燥條件完全相同，理論上對色澤影響相同，但所得產(chǎn)品卻能用肉眼直接觀察到差異，有理由認(rèn)為這種差別主要由色素殘留量不同引起。鹽酸與無機(jī)鹽（主要為Ca2+、Mg2+）作用基本不生成不溶性鹽，色素不伴隨沉淀，所得果膠中色素含量較高，色澤差；而磷酸與無機(jī)鹽作用則生成不溶性磷酸鹽，部分色素會伴隨沉淀，使得果膠中的色素含量降低，色澤較好[14]。鹽/磷混合酸提取中也有色素伴隨沉淀，所得果膠色澤較好。

2.5 桑枝皮殘余部分

本試驗考慮綜合利用桑枝皮中的果膠和纖維，還需對殘余纖維進(jìn)行觀察。三種提取液提取后的桑枝皮殘余狀態(tài)基本相同，均有一定粘性（少量果膠殘留），纖維結(jié)構(gòu)完整，無明顯斷裂，纖維間容易分開，滿足紡織用纖維的要求，進(jìn)行進(jìn)一步脫膠處理后可以用于紡織生產(chǎn)。

3 討論

通過實驗可知，桑枝皮中可以提取約7%的果膠。這不僅可以為綜合利用桑枝皮，而且為進(jìn)一步利用桑皮纖維提供了可用的數(shù)據(jù)。

綜合分析試驗結(jié)果，磷酸提取在各方面要優(yōu)于鹽酸提取，主要體現(xiàn)在果膠得率高，色澤較好，提取時間短，兩者混合提取的效果則介于兩者之間?？紤]到磷酸的價格高，作為工業(yè)生產(chǎn)原料成本過高，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)，而鹽酸和磷酸的混合提取效果也能滿足生產(chǎn)需要（本試驗所用混合酸2 h提取得率可達(dá)到7.1%），生產(chǎn)中采用鹽酸為主，加以少量磷酸進(jìn)行提取是完全經(jīng)濟(jì)可行的，具體的配比可以結(jié)合實際進(jìn)一步試驗加以確定。提取時間上，60 min和90 min的得率相差并不多，而120 min的得率明顯高于前兩者，可初步確定生產(chǎn)的提取時間為2 h。提取后殘余纖維結(jié)構(gòu)完整，有彈性，無明顯斷裂，符合紡織用纖維條件，進(jìn)一步脫膠處理后可用于生產(chǎn)。

就本試驗，應(yīng)注意沸水脫色時間不宜太久，避免果膠損失，降低得率；加熱提取過程中震蕩必須及時進(jìn)行，防止焦化，否則所得果膠色澤很差；沉淀過程攪拌要輕，避免破壞果膠的自然沉淀結(jié)構(gòu)；桑枝皮中果膠為細(xì)小絮狀沉淀，過濾時須以少量95%乙醇及時沖洗漏斗內(nèi)壁防止粘結(jié)損失。

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