劍麻渣果膠提取工藝的研究

陳芳艷，王林川，楊 艷，陳 希，劉偉強(qiáng)

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510642;2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，廣東廣州 510642）

果膠具有良好的凝膠和乳化穩(wěn)定作用，是在食品、醫(yī)藥和其他工業(yè)中應(yīng)用的重要多糖之一.在食品中可用做膠凝劑、增稠劑、組織成型劑、乳化劑和穩(wěn)定劑等，用來(lái)制造果醬、果凍、果脯、冰制品、酸奶制品、飲料和烤肉調(diào)味醬等［1］，在醫(yī)藥上具有抗菌、止血、消腫、解毒、止瀉、降血脂、抗輻射等作用，還是一種優(yōu)良的藥物制劑基質(zhì)，可與其他制劑合用配制軟膏、膜、栓劑、膠囊等藥物.果膠對(duì)維持血液中正常的膽固醇含量具有非常好的效果，還能夠防止陽(yáng)離子中毒，能有效地除去腸胃和呼吸道中的鉛和汞［2］.劍麻Agave sisalana是一種龍舌蘭科龍舌蘭屬的葉纖維作物，它含有多種皂苷元、蛋白質(zhì)、多糖類(lèi)化學(xué)成分，具有降膽固醇、抗炎、抗腫瘤等藥理作用.性味甘、辛、涼;功能為涼血止血、消腫解毒;主治肺癆咯血、衄血、便血、痢疾、癰瘡腫毒、痔瘡等，在廣西長(zhǎng)期作為地方植物藥應(yīng)用［3］.劍麻根莖中的汁液可用于釀酒，如墨西哥的劍麻酒世界聞名，被稱(chēng)為墨西哥國(guó)酒.墨西哥亦開(kāi)發(fā)利用劍麻作為動(dòng)物飼料［4］.我國(guó)華南地區(qū)有豐富的劍麻資源，為麻工業(yè)提供了大量的原料，但同時(shí)也產(chǎn)生了大量的劍麻渣，不僅占用場(chǎng)地，而且污染環(huán)境.國(guó)內(nèi)通常直接用來(lái)作為有機(jī)肥料或廢渣處理，利用程度低，亟待對(duì)劍麻渣進(jìn)行綜合利用.劍麻渣中含有大量的果膠、皂甙、纖維素等物質(zhì)，對(duì)其開(kāi)發(fā)利用，不僅提高劍麻的經(jīng)濟(jì)效益，而且有利于保護(hù)環(huán)境.生產(chǎn)食品工業(yè)上需求量極大的果膠，是提高劍麻渣經(jīng)濟(jì)價(jià)值的有效方法.

本試驗(yàn)從提取了皂甙之后的劍麻渣中提取果膠，研究劍麻果膠的提取工藝及其理化性質(zhì)，為果膠制備提供新的材料來(lái)源.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

劍麻渣:湛江劍麻廠提供;咔唑:分析純，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司;半乳糖醛酸(D－(+)Galacturonic acid):純度＞93%，Sigma公司;其余試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?

1.2 劍麻果膠制備工藝流程

劍麻渣→漂洗滅酶→抽提→過(guò)濾濃縮→濾液脫色→醇析(過(guò)濾)→干燥→劍麻果膠.

1.3 劍麻果膠提取液的制備

1.3.1 劍麻果膠提取的正交試驗(yàn) 將萃取完皂甙后的劍麻渣按料液比0.1 g·mL－1的比例加入蒸餾水，在水浴中加熱保溫0.5 h，使其吸水充分軟化，并適當(dāng)加以攪拌，然后用紗布過(guò)濾，擠干，反復(fù)三四次，以達(dá)到漂洗及滅酶的目的.

準(zhǔn)確稱(chēng)取9份各10 g經(jīng)上述處理后的劍麻渣，加入草酸－草酸銨緩沖溶液，在一定溫度下提取果膠.以料液比、溫度、時(shí)間、草酸－草酸銨緩沖溶液濃度4個(gè)因素確定最佳的果膠提取條件，每個(gè)因素各取3個(gè)水平，以果膠產(chǎn)率為指標(biāo)，進(jìn)行4因素3水平的正交試驗(yàn)L9(34)(表1)，反應(yīng)結(jié)束后用乙醇沉淀，過(guò)濾，70℃烘至衡質(zhì)量后，稱(chēng)質(zhì)量，計(jì)算果膠得率.

果膠得率=果膠質(zhì)量/劍麻渣質(zhì)量×100%.

表1 劍麻果膠提取的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Orthogonal test table of extracting pectin from sisal

1.3.2 草酸－草酸銨濃度對(duì)果膠得率的影響 分別稱(chēng)取5 g經(jīng)處理的劍麻渣9份，在料液比為0.1 g·mL－1、溫度80℃、浸提90 min的條件下，加入濃度分別為 0.1、0.4、0.7、1.0、1.3、1.6、1.9、2.2、2.5 mol/L的草酸－草酸銨緩沖溶液(pH=3)進(jìn)行抽提，比較果膠得率.

1.4 劍麻果膠脫色

取10 mL果膠提取液6份，分別置于具塞試管中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2，使果膠提取液中過(guò)氧化氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%、3.0%，混勻后放置12 h，觀察顏色變化，然后加乙醇，沉淀，過(guò)濾，烘干得到脫色果膠.

1.5 劍麻果膠的分離

1.5.1 沉淀劑對(duì)果膠分離效果的影響 取100 mL果膠提取液 3份，分別加入 5 g CaCl2、5 g(NH4)2SO4、100 mL φ為95%的乙醇，攪拌混勻后放置12 h，過(guò)濾得到果膠，70℃烘干至恒質(zhì)量，比較果膠得率.

1.5.2 醇析pH對(duì)果膠分離效果的影響 分別在6份50 mL果膠提取液中加入等體積的φ為95%的乙醇后，用 HCl調(diào)節(jié) pH 分別為 1、2、3、4、5、6，放置 12 h后，過(guò)濾得到果膠，70℃烘干至恒質(zhì)量，比較果膠得率.

1.6 劍麻果膠中半乳糖醛酸含量的測(cè)定

采用咔唑硫酸比色法，在波長(zhǎng)530 nm處測(cè)定果膠溶液的光密度［5］.

1.7 果膠酯化度(DE)的測(cè)定

取3份干樣品分別測(cè)果膠酯化度.參考Pinheiro等［6］的方法，稱(chēng)取0.2 g果膠移入250 mL錐形瓶中，用乙醇潤(rùn)濕，加入20 mL 40℃不含CO2的蒸餾水，用瓶塞塞緊并振搖，使樣品全部溶解.加入5滴酚酞，用0.1 mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定，記錄所消耗NaOH的體積(V1)即為初滴定度.繼續(xù)加入0.1 mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液10 mL，加塞后強(qiáng)烈振搖2 h，加入0.1 mol/L的HCl 10 mL，振搖至粉紅色消失為止.然后加入3滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L的NaOH滴定至呈微紅色.記錄所消耗NaOH的體積(V2)，即為皂化滴定度.

1.8 劍麻果膠pH、總灰分的測(cè)定

劍麻果膠 pH、總灰分按照國(guó)標(biāo) QB2484—2000［7］中規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 劍麻果膠提取條件的確定

2.1.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

從表2可看出，各因素的最優(yōu)組合為A1B2C3D3，即提取劍麻果膠的最佳工藝條件:料液比為1 g∶10 mL、草酸－草酸銨溶液濃度為0.8 mol/L、溫度為80℃、反應(yīng)時(shí)間90 min.由R可知，各因素對(duì)果膠提取率影響的主要次序?yàn)镈＞C＞B＞A，D的極差最大，A的極差最小.極差越大，反映該因素水平變動(dòng)時(shí)，總指標(biāo)變化越大，即草酸－草酸銨緩沖液的濃度對(duì)果膠提取率的影響最大.

表2 劍麻果膠提取正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal test results of extracting pectin from sisal

2.1.2 草酸－草酸銨緩沖液濃度對(duì)果膠得率的影響 由于濃度對(duì)果膠提取率的影響最大，因此在其他條件相同的情況下，進(jìn)一步確定草酸－草酸銨緩沖溶液的濃度，結(jié)果如圖1所示:

圖1 緩沖液濃度對(duì)劍麻果膠產(chǎn)率的影響Fig.1 Effect of buffer solution concentration on pectin yield from sisal

由圖1可知，隨著草酸－草酸銨緩沖液濃度的升高，果膠的提取率逐漸增大，當(dāng)濃度為2.2 mol/L時(shí)，果膠的產(chǎn)率達(dá)到最大，繼續(xù)升高緩沖液濃度，果膠產(chǎn)率不再增大反而下降.因此，確定草酸－草酸銨緩沖溶液的最佳提取濃度應(yīng)為2.2 mol/L.

2.2 H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)劍麻果膠顏色及產(chǎn)率的影響

在果膠溶液中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的H2O2脫色，比較脫色效果和果膠得率，結(jié)果如表3.隨著H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，果膠的脫色效果越來(lái)越好.但是由于H2O2有強(qiáng)氧化性會(huì)破壞果膠分子，影響果膠的得率，所以從脫色效果和得率兩方面考慮，果膠溶液中過(guò)氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8% 時(shí)為最佳.

表3 H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)劍麻果膠脫色效果的影響Tab.3 Effect of hydrogen peroxide concentration on decoloration of pectin from sisal

2.3 劍麻果膠的分離

2.3.1 沉淀劑對(duì)果膠產(chǎn)率的影響 選擇 CaCl2、(NH4)2SO4、乙醇作為果膠的沉淀劑，研究不同的沉淀劑對(duì)果膠產(chǎn)率的影響，結(jié)果表明，3種沉淀劑均能使果膠析出，采用CaCl2作為沉淀劑時(shí)，果膠產(chǎn)率為8.64%，(NH4)2SO4沉淀果膠產(chǎn)率為4.77%、乙醇沉淀果膠產(chǎn)率最高，為10.60%，因此選用乙醇來(lái)沉淀果膠.

2.3.2 醇析pH對(duì)果膠產(chǎn)率的影響 控制乙醇沉淀時(shí)的pH，研究不同pH對(duì)沉淀效果的影響，結(jié)果如圖2.當(dāng)溶液pH＜4時(shí)，果膠的沉淀率隨pH的增大而升高，而當(dāng)pH＞4時(shí)，果膠沉淀率隨pH增大而減小，在溶液pH=4時(shí)，果膠得率最高，達(dá)14.87%.這是因?yàn)楣z是弱酸性物質(zhì)，在酸性條件下穩(wěn)定，pH偏離4時(shí)，果膠會(huì)帶上電荷而呈溶解狀態(tài)，不利于醇析.且pH越低，果膠的糖苷鍵和酯鍵的水解程度也會(huì)加大，更不利于醇析沉淀.因此調(diào)節(jié)醇析時(shí)的pH=4，使果膠易于沉淀析出.

圖2 pH對(duì)果膠沉淀效果的影響Fig.2 Effect of pH on the result of pectin precipitation

2.4 果膠理化性質(zhì)

2.4.1 劍麻果膠鑒別 劍麻果膠淺黃綠色，無(wú)異味.溶于40倍水中呈粘稠狀液體，說(shuō)明其溶于水;加入乙醇，即出現(xiàn)懸浮絮狀沉淀，說(shuō)明劍麻果膠不溶于乙醇;劍麻果膠與蔗糖和檸檬酸按一定比例混合，在一定條件下加熱，冷卻后呈現(xiàn)柔軟而有彈性的膠凍，說(shuō)明果膠具有膠凝性.

2.4.2 劍麻果膠質(zhì)量分析 果膠是一種食品添加劑，國(guó)家對(duì)其有一定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).本文分別檢測(cè)了劍麻果膠的半乳糖醛酸含量、酯化度、pH和灰分，并與國(guó)家輕工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［7］進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4.由表4可知，劍麻果膠幾項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)標(biāo)，可用作食品添加劑.劍麻果膠的酯化度為23%，低于50%，屬于低酯果膠.

表4 劍麻果膠質(zhì)量指標(biāo)Tab.4 Quality index of sisal pectin

3 討論與結(jié)論

果膠的提取方法主要有酸法［8］、離子交換法［9］、微波法［10-12］、超濾法［13-14］、酶法［15］和草酸銨法［16］等.劍麻果膠含量豐富，每100 g新鮮劍麻柄中含糖量約6.6%、蛋白質(zhì)2.2%、纖維60%、果膠5.29%、淀粉11.5%［17］.本試驗(yàn)以去除了纖維后的風(fēng)干劍麻渣為材料提取果膠，采用pH 3的2.2mol/L草酸－草酸銨緩沖溶液在溫度為80℃、反應(yīng)時(shí)間90 min的條件下提取，然后用乙醇在pH4.0的條件下沉淀，劍麻果膠得率可達(dá)到14.87%，而過(guò)去單獨(dú)用草酸銨溶液從其他材料中提取果膠的得率由3.82%到11.59%不等［16-20］.可見(jiàn)，用草酸－草酸銨緩沖溶液從劍麻渣中提取果膠的得率較高.

劍麻果膠黃褐色，很難滿足市場(chǎng)的需求，因此需對(duì)果膠進(jìn)行脫色處理.目前較為成熟的果膠脫色方法有:活性碳脫色、醇氨溶液脫色、過(guò)氧化氫脫色、樹(shù)脂脫色等［21］.本試驗(yàn)選用了活性炭和H2O22種方法進(jìn)行脫色，雖然采用活性碳脫色效果明顯，但活性炭顆粒會(huì)混入果膠中，無(wú)論是過(guò)濾還是在12000 r/min的條件下超速離心，都無(wú)法將活性炭從果膠溶液中徹底去除.H2O2的脫色效果好，脫色后處理簡(jiǎn)單，但由于H2O2有強(qiáng)氧化性會(huì)使果膠分子受到破壞，影響產(chǎn)率.通過(guò)對(duì)H2O2用量與脫色效果及產(chǎn)率的比較，可以看出果膠提取液中H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.8%～2.4%，果膠的脫色效果好，產(chǎn)率高.本研究也曾利用還原劑亞硫酸鈉進(jìn)行脫色，但脫色效果不理想.

果膠沉淀方法有鹽析法［22］和醇沉淀法［23］.本研究對(duì)CaCl2，(NH4)2SO4和乙醇3種沉淀劑的沉淀效果進(jìn)行了比較.用乙醇沉淀的果膠產(chǎn)率最高，CaCl2次之，(NH4)2SO4最低.雖然采用乙醇和 CaCl2沉淀，二者間的產(chǎn)率相差不是很大，但采用CaCl2沉淀問(wèn)題較多，CaCl2用量多會(huì)造成果膠的過(guò)濾、洗滌較困難，烘干后的果膠成品有細(xì)小的白色顆粒，用量少則沉淀不徹底.因此，選用乙醇作為劍麻果膠的沉淀劑，工藝簡(jiǎn)單，得到的果膠色澤好、灰分少，但也存在乙醇的用量大，不易回收，能耗大，生產(chǎn)成本高等問(wèn)題.據(jù)報(bào)道，在痕量電解質(zhì)存在的條件下，沉淀會(huì)更完全，這可能由于離子在果膠分子間形成了橋梁，使果膠分子連接、聚合，從而加速了果膠沉淀，一般選用HCl作為電解質(zhì)加入到乙醇中［23］.在乙醇沉淀時(shí)利用HCl控制提取液pH4.0，沉淀效果更加理想，使果膠產(chǎn)率提高到14.87%.

該法制備的劍麻果膠各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).劍麻果膠為低酯果膠，天然低酯果膠很少，它在Ca2+或其他二價(jià)陽(yáng)離子存在下，有糖或無(wú)糖均能形成性質(zhì)優(yōu)良的凝膠.與高酯果膠只能在可溶性固形物高于55%才能膠凝而主要用于高糖類(lèi)食品的生產(chǎn)相比，低酯果膠更符合人們低糖、低熱量食品的消費(fèi)觀念，因此有著廣闊的市場(chǎng)前景［24］.

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