菠蘿皮果膠的提取及結(jié)構(gòu)組成研究

馮 靜，梁瑞紅，劉成梅，劉 偉，夏天添，陳 軍

(南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330047)

菠蘿皮果膠的提取及結(jié)構(gòu)組成研究

馮 靜，梁瑞紅，劉成梅*，劉 偉，夏天添，陳 軍

(南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330047)

以菠蘿皮為原料，采用漂燙滅酶、酸法提取和醇沉工藝提取果膠。對(duì)提取果膠的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行分析，并與常見的雙子葉植物(蘋果、柑橘)果膠進(jìn)行比較。結(jié)果表明:菠蘿皮經(jīng)10min漂燙滅酶后，在料液比1∶15、pH2.0、溫度80℃條件下提取100min;提取液經(jīng)2.5倍體積乙醇在pH3.7醇沉，此條件下果膠的得率為4.68%，半乳糖醛酸含量為68.73%。菠蘿皮果膠中含有部分甲氧基和少量乙酰基，F(xiàn)CC滴定法測定其酯化度為48.73%，是一種含乙?；牡王スz。果膠多糖中含有鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖6種單糖，其組成摩爾比為0.74∶0.79∶1.54∶0.92∶0.84∶1.00，與雙子葉植物果膠存在很大差異。

菠蘿皮，果膠，提取，結(jié)構(gòu)，單糖

目前國內(nèi)外果膠研究的來源幾乎都是雙子葉植物，包括柑橘、橙、蘋果、向日葵、甜菜、馬鈴薯、薜荔等［1－6］，而對(duì)單子葉植物的果膠組成及性質(zhì)研究甚少。菠蘿(Pineapple)又名鳳梨，學(xué)名Ananas comosus(L)Merr，鳳梨屬鳳梨科，多年生單子葉常綠草本果樹。菠蘿生長迅速，生產(chǎn)周期短，但果實(shí)不易貯存，除極少部分直接銷售外，大部分用于加工成罐頭和果脯，加工副產(chǎn)物——菠蘿皮渣(包括外皮、兩端和果眼)約占全果總重量的50%～60%，若不加以有效利用將會(huì)成為嚴(yán)重的環(huán)境污染源。果膠作為一種天然耐酸的理想膠凝劑，已廣泛用于食品、生化、化妝品和制藥工業(yè)。果膠提取方法主要有∶酸法、離子交換法、草酸銨法、微波法、超聲波法、微生物法、酶法等［7］。菠蘿皮中果膠物質(zhì)含量豐富，占濕重的1.7%，干重的9.2%［8］，遠(yuǎn)高于其他水果和蔬菜。目前，關(guān)于菠蘿皮果膠提取的報(bào)道較少，張初署等采用草酸銨作為提取溶劑結(jié)合超聲波振蕩處理法從菠蘿皮渣中提取果膠，提取率達(dá)到90%［8］。劉明綬研究了菠蘿皮聯(lián)產(chǎn)色素和果膠的工藝流程，菠蘿皮浸提色素后提取果膠，果膠得率為1.32%［9］。本研究探討酸法提取菠蘿皮果膠的最佳條件，并通過改進(jìn)醇沉條件改善提取效果。采用傅立葉變換紅外光譜儀測定菠蘿皮果膠的結(jié)構(gòu)，毛細(xì)管氣相色譜法測定果膠多糖的單糖組分，分析菠蘿皮果膠的結(jié)構(gòu)與組成，并與常用雙子葉植物(蘋果、柑橘)果膠進(jìn)行比較，以期為菠蘿皮果膠資源的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

新鮮菠蘿皮 收集于江西南昌東湖區(qū);間羥基聯(lián)苯、半乳糖醛酸、蘋果果膠、柑橘果膠 Sigma公司;溴化鉀 阿拉丁公司，光譜純;吡啶 阿拉丁公司，色譜純;鹽酸、無水乙醇、硫酸、鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖、鹽酸羥胺、乙酸酐、三氟乙酸 國產(chǎn)，分析純。

AR224CN電子天平 美國 Ohaus公司; SevenMulti型 pH/電導(dǎo)率/離子綜合測試儀 瑞士Mettler Toledo公司;Du640紫外可見分光光度計(jì) 美國Beckman Coulter公司;Nicolet FT－IR 5700型傅里葉紅外光譜儀 美國Thermo Electron公司;6890N型氣相色譜儀∶配有FID檢測器 美國Agilent公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菠蘿皮果膠的提取工藝流程 菠蘿皮→滅酶→干燥→粉碎→酸提→過濾→濾液→醇沉→果膠沉淀→純化→菠蘿皮果膠

1.2.2 操作要點(diǎn)

1.2.2.1 滅酶 高溫高壓、漂燙、酸洗三種滅酶處理的菠蘿皮，提取果膠，通過對(duì)比果膠得率，比較三種滅酶方式的優(yōu)劣。

高溫高壓滅酶∶采用高壓滅菌鍋在 121℃、0.1MPa對(duì)菠蘿皮滅酶10min。

漂燙滅酶∶菠蘿皮在沸水中熱燙10min。

酸洗滅酶∶用pH3.5的蒸餾水(17℃)洗滌菠蘿皮20min，重復(fù)三次，其間用HCl溶液保持pH3.5［10］。

1.2.2.2 酸提 將粉碎過60目篩的菠蘿皮粉加入蒸餾水，調(diào)節(jié)pH，在恒溫水浴中提取一定時(shí)間后，過濾得提取液。

1.2.2.3 乙醇沉淀 將提取液加入無水乙醇，調(diào)節(jié)pH，靜置1h后，離心，收集沉淀，依次用濃度為70%、80%、90%的乙醇溶液洗滌純化，烘干至恒重。

果膠得率(%)=(提取物干重/菠蘿皮干粉重) ×100%

1.2.3 果膠性質(zhì)分析

1.2.3.1 半乳糖醛酸含量測定 采用間羥基聯(lián)苯比色法［11］。

1.2.3.2 果膠酯化度測定 采用 Food Chemical Codex(FCC)滴定法［12］和紅外光譜分析確定果膠的酯化度(DE)。

1.2.3.3 果膠紅外光譜分析 取干燥樣品1mg與100mg KBr混合研磨后，制成透明壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀在400～4000cm－1區(qū)內(nèi)進(jìn)行光譜掃描［13］。

1.2.3.4 果膠單糖組成分析 采用糖腈乙酸酯衍生法［14］對(duì)單糖進(jìn)行衍生，氣相色譜法(GC)分析單糖組成及其物質(zhì)的量比。

取鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖6種標(biāo)準(zhǔn)單糖各2mg置于安瓿管中，加入10mg鹽酸羥胺，0.5mL吡啶溶解，加塞，90℃恒溫水浴振蕩30min，冷卻至室溫后，加入0.5mL乙酸酐，加塞，90℃恒溫水浴振蕩30min，冷卻至室溫，即得混合標(biāo)準(zhǔn)單糖糖腈乙酸酯衍生物。

稱取12mg樣品于安瓿管中，加入2mL濃度為2mol/L的三氟乙酸，真空封管，110℃水解3h，反應(yīng)完成后冷卻至室溫，N2揮干，得到水解后的單糖混合物。將水解后的樣品按照相同方法進(jìn)行衍生，得菠蘿皮果膠單糖糖腈乙酸酯衍生物。

色譜條件∶色譜柱∶DB－1701石英毛細(xì)管柱(30.3m×0.32mm×0.25μm);升溫程序∶初始溫度170℃，保持 2min，以 5℃/min升至 250℃，保持10min;色譜柱溫度∶250℃;進(jìn)樣口和檢測器溫度∶250℃;進(jìn)樣量1μL，分流比20∶1。

2 結(jié)果與討論

2.1 菠蘿皮果膠制備工藝選擇與優(yōu)化

2.1.1 不同滅酶方式對(duì)果膠得率的影響 采用高溫高壓、漂燙、酸洗等不同的滅酶方式，其果膠得率分別為2.52%、3.96%、3.86%。菠蘿皮原料經(jīng)漂燙和酸洗處理，果膠得率明顯高于高壓滅酶處理。這可能是由于水分子的包圍再結(jié)合高溫或酸處理，能很好地使溶于水的果膠從不溶于水的纖維網(wǎng)中脫離出來，利于后續(xù)提取。Christensen報(bào)道在低于90℃的溫度下，將柑橘果皮的pH調(diào)到3.2～3.9，可使果皮中的天然果膠酯酶失活［10］，果膠不發(fā)生脫酯化，降低了其對(duì)鈣的結(jié)合作用，降低提取難度;同時(shí)甲基的存在對(duì)多聚半乳糖醛酸酶產(chǎn)生空間阻隔作用，抑制了果膠的分解。漂燙是在高溫下使酶滅活，得率略高于酸洗處理。

2.1.2 酸提取和醇沉工藝的確定 新鮮菠蘿皮經(jīng)漂燙10min滅酶后，烘干粉碎，采用酸提法提取果膠。結(jié)果表明，當(dāng)提取料液比較低時(shí)，溶液粘度大，產(chǎn)品中包含較多雜質(zhì)從而使果膠得率較高但純度很低，在料液比達(dá)到1∶15后，半乳糖醛酸含量變化趨于平緩;料液比太大，使膠質(zhì)在溶液中的濃度太低，醇沉效果不理想。pH在2.0時(shí)得率最高，pH太高不利于非水溶性原果膠轉(zhuǎn)化為水溶性果膠，pH太低使果膠分子被破壞。當(dāng)提取溫度在50℃以上時(shí)，得率變化不大，但提取溫度高于80℃，果膠的色澤得到明顯改善。延長提取時(shí)間有利于提高得率，但長時(shí)間的酸性環(huán)境也會(huì)引起果膠分解。醇沉?xí)r隨乙醇用量增加，果膠得率增加。這是由于乙醇濃度增加，使更多的雜質(zhì)沉淀出來。當(dāng)乙醇用量達(dá)到1.5體積，即沉淀體系的乙醇濃度為60%以上時(shí)，半乳糖醛酸含量顯著增加。乙醇用量為2.5倍體積(乙醇濃度約為71%)時(shí)，半乳糖醛酸含量最高。

在醇沉pH3.0～4.0范圍內(nèi)，果膠得率隨pH增加而提高，而半乳糖醛酸含量在pH3.7時(shí)最高。果膠作為一種酸性多糖，在水中會(huì)離解出氫離子，從而達(dá)到平衡。果膠的酸離解常數(shù) pKa在3.55～4.10范圍內(nèi)［15］，隨酯化度(DE)不同而變化。DE為65%的果膠pKa為3.55，DE為0的果膠pKa為4.10［16］。果膠在pH為其pKa值時(shí)溶解度達(dá)到最小［17］，因此通過控制醇沉體系的pH可以提高果膠的沉降得率。

由以上實(shí)驗(yàn)確定菠蘿皮果膠的制備工藝為∶在料液比1∶15、pH=2.0、溫度80℃條件下提取100min，提取液加入2.5倍體積無水乙醇，調(diào)節(jié)體系pH至3.7，靜置離心。在此條件下果膠的得率為4.68%，半乳糖醛酸含量為68.73%。

2.2 菠蘿皮果膠紅外光譜分析

本實(shí)驗(yàn)提取的菠蘿皮果膠與市購的蘋果果膠及柑橘果膠的紅外光譜如圖1所示。菠蘿皮果膠在3600～2500cm－1出現(xiàn)的寬峰是分子內(nèi)或分子間O－H伸縮振動(dòng)的結(jié)果;對(duì)于果膠，O－H區(qū)內(nèi)的吸收主要來源于半乳糖醛酸聚合物分子內(nèi)和分子間氫鍵［18］。2927cm－1附近的吸收峰為 C－H(包括 CH，CH2和CH3)的伸縮振動(dòng);對(duì)于果膠，半乳糖醛酸甲酯會(huì)在2950～2750cm－1之間產(chǎn)生 O－CH3的伸縮振動(dòng)。1652cm－1和 1740cm－1處分別為自由羧基官能團(tuán)(COO－)和酯化羧基官能團(tuán)(－COOR)C=O的吸收峰。這兩個(gè)特征峰值，可用于確定果膠的酯化度。菠蘿皮果膠在1740cm－1處吸收峰很弱，1652cm－1處很強(qiáng)，為低酯果膠，這與酯化度測定結(jié)果相一致。在1532cm－1和1438cm－1處的弱峰分別為羧基的不對(duì)稱伸縮和對(duì)稱伸縮。另外在1375cm－1附近的弱峰為C－H彎曲振動(dòng)，1300～1000cm－1之間為C=O伸縮振動(dòng)弱峰。在1300～800cm－1之間中等強(qiáng)度的吸收峰為果膠的指紋區(qū)。經(jīng)比較，菠蘿皮提取物與果膠標(biāo)品的紅外圖譜相似，證明其為果膠。

圖1 不同來源果膠的紅外光譜圖

采用孫元琳等人［19］建立的 DE與 A1730/(A1730+ A1630)之間的線性回歸方程，y=87.609x+25.768，計(jì)算得菠蘿皮果膠的DE值為46.61%。FCC滴定法測定值為48.73%。兩者間相對(duì)誤差小于5%，可相互驗(yàn)證。

另外，比較菠蘿皮果膠與蘋果果膠和柑橘果膠的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)其在1650cm－1和1740cm－1的吸收峰值附近存在較大差異，這是由于不同來源果膠酯化度不同所引起的。菠蘿皮果膠在1049cm－1處有吸收，這是蘋果果膠和柑橘果膠所沒有的。Synytsya［20］發(fā)現(xiàn)果膠的乙?；惯拎h(huán)構(gòu)象發(fā)生變化從而在1064cm－1附近產(chǎn)生吸收峰。由此可知，菠蘿皮果膠是一種含乙?；牡王スz。

2.3 菠蘿皮果膠單糖組成分析

采用氣相色譜法分析菠蘿皮果膠的單糖組成，混合標(biāo)樣在毛細(xì)管柱中得到了很好的分離，如圖2所示。圖3～圖5分別為菠蘿皮果膠、蘋果果膠和柑橘皮果膠的單糖組成GC圖。通過保留時(shí)間定性分析可知，菠蘿皮果膠中含有6種單糖，從峰面積可知，鼠李糖，阿拉伯糖，木糖，甘露糖，葡萄糖和半乳糖的摩爾比為0.74∶0.79∶1.54∶0.92∶0.84∶1.00，以木糖和半乳糖居多。蘋果果膠中含有五種單糖，以葡萄糖為主，未檢出甘露糖;柑橘果膠中含有四種單糖，以半乳糖居多，還有少量鼠李糖、阿拉伯糖和葡萄糖，未檢出木糖和甘露糖。

圖2 混合標(biāo)準(zhǔn)單糖氣相色譜圖

圖3 菠蘿皮果膠單糖氣相色譜圖

圖4 蘋果果膠單糖氣相色譜圖

圖5 柑橘皮果膠單糖氣相色譜圖

Smith等人［21］稱，單子葉禾本科植物的初生壁內(nèi)含有大量的異木聚糖，主要是glucurononarabinoxylans (GAXs)，而果膠含量通常較少;而雙子葉植物中含有大量果膠多糖和少量的木葡聚糖。菠蘿作為單子葉鳳梨科的代表植物，其單糖組分中較高的木糖和阿拉伯糖含量表明其初生壁中的非纖維多糖以GAXs為主，組成與禾本科植物相似。

3 結(jié)論

本文對(duì)菠蘿皮果膠的制備工藝進(jìn)行了研究，以果膠得率和半乳糖醛酸含量作為考察指標(biāo)，確定了最佳提取條件。在此條件下果膠的得率為4.68%，半乳糖醛酸含量為68.73%。通過傅立葉變換紅外光譜儀測定了菠蘿皮果膠的結(jié)構(gòu)。其在1049cm－1處的吸收峰證明有乙酰基的存在，1740cm－1處的弱吸收和1652cm－1處的強(qiáng)吸收表明菠蘿皮果膠為低酯果膠。FCC滴定法測定菠蘿皮果膠的酯化度為48.73%。對(duì)菠蘿皮果膠、蘋果果膠和柑橘果膠的單糖組分分析表明∶菠蘿皮果膠含有六種單糖成分，以木糖和半乳糖居多;而蘋果果膠中含有五種單糖，以葡萄糖為主;柑橘果膠中含有四種單糖，以半乳糖居多。菠蘿皮果膠的單糖組成與市購的雙子葉果膠存在很大差異。鑒于菠蘿皮果膠與傳統(tǒng)雙子葉果膠在組成上的差異，可進(jìn)一步研究對(duì)比其凝膠和流變特性，探索不同種屬果膠的結(jié)構(gòu)組成對(duì)其凝膠機(jī)理的影響，從而為果膠膠凝機(jī)制提供更全面的理論依據(jù)。

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Extraction，structural and compositional characterization of pineapple rind pectin

FENG Jing，LIANG Rui－h(huán)ong，LIU Cheng－mei*，LIU Wei，XIA Tian－tian，CHEN Jun
(State Key Laboratory of Food Science and Technology，Nanchang University，Nanchang 330047，China)

Pineapple rind pectin was prepared by acid extraction after blenching，followed by alcohol precipitation，and the optimal condition was investigated.The structure of pineapple rind pectin was characterized with monosaccharide composition analysis，methylation analysis，F(xiàn)T－IR spectroscopy，and was compared with pectin from dicotyledon.Pineapple rind was blenched for 10 min and pectin was extracted at pH2.0，80℃，for 100 min with solid－liquid ratio 1∶15，and precipitated with ethanol in the ratio 1∶2.5(v/v)at pH3.7.The yield，content of galacturonic acid and degree of esterification was 4.68%，68.73%and 48.73%，respectively.FT－IR spectroscopy of pineapple rind pectin suggested the presence of acetyl groups.Pineapple rind pectin consisted ofsix monosaccharides，and the composition was quite different from dicot pectins.

pineapple rind;pectin;extraction;structure;monosaccharide

TS255.1

B

1002－0306(2011)11－0241－04

2011－18－25 *通訊聯(lián)系人

馮靜(1987－)，女，碩士研究生，研究方向:食品加工與保藏。

國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室目標(biāo)導(dǎo)向項(xiàng)目(SKLF－MB－201004)。