多聚磷酸鹽提取甘薯果膠的物化特性

多聚磷酸鹽提取甘薯果膠的物化特性

梁新紅，孫俊良*，馬漢軍，王田林

（河南科技學(xué)院食品學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

對多聚磷酸鈉法提取甘薯果膠的物化性質(zhì)進行比較研究，并對該方法提取果膠進行凝膠層析，干燥后進行電鏡觀察及紅外光譜分析。結(jié)果表明：多聚磷酸鹽提果膠黏度為（27.46±0.46）mPa·s，酯化度為（58.22±1.46）%，膠凝度為（151.15±1.32）%，其值均高于鹽酸提果膠，與蘋果果膠相接近。對果膠進行凝膠層析，表明多聚磷酸鹽提果膠的小分子質(zhì)量成分分布較廣。通過電鏡觀察，多聚磷酸鹽法提取的果膠比酸提法提取的果膠結(jié)構(gòu)更為蓬松。紅外光譜顯示，二者均具有果膠的特征官能團，吸收波數(shù)在指紋區(qū)略有差異。果膠物化特性分析表明，多聚磷酸鹽提甘薯果膠更適合食品工業(yè)應(yīng)用。

多聚磷酸鈉；甘薯果膠；物化特性

果膠是一種以半乳糖醛酸為主的復(fù)合多糖類聚合物，是植物細胞壁成分之一。果膠物質(zhì)廣泛存在于植物中[1-2]。其化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量在不同的植物組織中不同。果膠通常部分以甲酯化形式存在，天然果膠中約20%～60%的羧基被酯化，分子質(zhì)量為1～40 kD[3-5]。

果膠在食品工業(yè)上主要作為親水性乳化劑、凝膠劑和增稠劑來使用[6]。因其具有降糖、降膽固醇、促腸胃蠕動及抗腫瘤等功能，故近幾年來在功能性食品領(lǐng)域也有較多應(yīng)用[1,7-9]。

目前國內(nèi)外提取果膠的方法有水提法[10]、酸提法[11]、鹽提法[12]和離子交換樹脂法[13]等。其中水提法必須在微波輔助或酶輔助條件下才能進行，離子交換樹脂法雖然提取果膠效果較好，但難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[10]。酸提取法是工業(yè)生產(chǎn)果膠較普遍的方法，但研究表明，應(yīng)用酸提法提取的甘薯果膠黏度、酯化度及凝膠度等物化特性均低于鹽提法提取的果膠[11]；鹽提取法的提取劑一般為草酸銨和多聚偏磷酸鈉[12]，草酸銨自身是一種有毒化學(xué)物質(zhì)，且在高溫下會釋放出氨氣。而多聚磷酸鈉提取果膠具有安全、無污染等特性，更適合果膠的工業(yè)化生產(chǎn)及果膠在食品中的應(yīng)用。

由于我國近幾年來甘薯產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，每年產(chǎn)生上千萬噸的薯渣，大部分用于飼料或者作為肥料，同時，由于鮮薯渣含水量高達80%，不易貯運[14]，因此廢棄干薯渣的處理問題亟待解決。研究分析表明，干的甘薯渣中含10%～30%的果膠物質(zhì)[15-16]。Takamine等[17]認為甘薯渣中富含果膠，是提取果膠的良好材料。

本實驗主要對以多聚磷酸鹽為提取劑提取甘薯廢渣中果膠的黏度、酯化度、膠凝度等物化特性進行研究，并與傳統(tǒng)酸提法甘薯果膠及Alfa Aesar公司蘋果果膠進行比較，同時對多聚磷酸鹽提取甘薯果膠與蘋果果膠的電鏡掃描圖片及紅外光譜進行了分析，以期對甘薯果膠的進一步開發(fā)及工業(yè)化應(yīng)用具有理論及實踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯：徐薯18號，采自河南科技學(xué)院甘薯實驗田。

蘋果果膠（純度≥82%）英國Alfa Aesar公司；多聚磷酸鈉、乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）、鹽酸天津市德恩化學(xué)試劑有限公司；所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Alphal-4LSC型真空冷凍干燥機德國Christ公司；RVA-Tecmaster型快速黏度分 析儀波通瑞華科學(xué)儀器有限公司；Quanta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡美國FEI公司；TENSOR27型紅外光譜儀德國Bruker公司；WFJ 7200型分光光度計上海尤尼柯儀器有限公司；FW177型粉碎機天津泰斯特儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1甘薯果膠提取方法

果膠提取工藝流程：原料→粉碎→去淀粉→去淀粉后的薯渣→提取→過濾→抽濾→超濾→濾液→酒精沉淀→離心→冷凍干燥→粉碎→成品。

工藝要點：1）去淀粉[18]：將一定量的新鮮甘薯用粉碎機粉碎，過40目篩，鮮薯渣水洗數(shù)次后，添加適量水加熱至95 ℃時加入高溫淀粉酶水解30 min，冷卻至60 ℃，加入糖化酶、普魯蘭酶水解，水解液依據(jù)GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的測定》，檢測無淀粉后，以3 000 r/min離心30 min，棄去上清液，沉淀甘薯渣部分烘干備用；2）提取：鹽酸法提取的工藝條件為料液比1∶50（m/V，下同）、pH 1.5、提取液溫度95 ℃、提取時間2.2 h。多聚磷酸鹽的提取條件為料液比1∶50，多聚磷酸鈉濃度0.05 mol/L、EDTA濃度0.017 5 mol/L、提取液pH 7.0、提取時間4 h、提取液溫度80 ℃。3）沉淀：向經(jīng)超濾濃縮好的提取中液加入體積分數(shù)95%的酒精，使得提取液酒精體積分數(shù)達60%以上，在加酒精的過程中應(yīng)使酒精呈細流狀慢慢流下且不斷快速攪拌，然后靜置1 h，果膠沉淀形成，以6 000 r/min離心30 min，得到果膠沉淀物。4）干燥：果膠沉淀物在冷凍干燥機中冷凍干燥12 h，干燥后的果膠備用。

1.3.2 凝膠柱層析純化果膠[19]

將果膠粉溶解過Sepharose CL-6B柱，每次上樣量為10 mL，沿壁緩緩加入，再加入少許蒸餾水封頂，流速10 mL/15 min，BS-100A自動收集器收集，收集速率為每管15 min，檢測果膠含量（A525nm），以吸光度為縱坐標(biāo)，洗脫管數(shù)為橫坐標(biāo)，繪制洗脫曲線。將出峰部分的管內(nèi)液體合并，冷凍干燥。

1.4分析方法

1.4.1 甘薯果膠純度測定

采用咔唑比色法[20]測定。

1.4.2 甘薯果膠黏度測定[21]

稱量0.25 g的干基果膠溶入25 mL水中，配成質(zhì)量濃度為1 g/100 mL的溶液，然后在溫度為20℃，時間為2 min，轉(zhuǎn)速為160 r/min的快速黏度分析儀中測定其黏度。

1.4.3 甘薯果膠酯化度測定

采用酸堿滴定法[22]測定。

1.4.4 甘薯果膠膠凝度測定

參照QB 2484—2000《食品添加劑 果膠》[22]方法測定。

1.4.5 甘薯果膠電鏡觀察

采用環(huán)境掃描電鏡觀察。

1.4.6 甘薯果膠的紅外光譜

采用紅外光譜儀，壓片法測定。將干燥的果膠樣品與KBr壓制成片，在4 000～400 cm-1波數(shù)范圍測定光譜吸收值。

2 結(jié)果與分析

2.1鹽酸提取的果膠和多聚磷酸鹽提取的果膠純度和得率分析

表1 鹽酸與多聚磷酸鹽提取果膠的純度與得率測定結(jié)果（±s，n==44）TTaabbllee 11 PPuurity and yield of sweet potato pectin extracted by hydrochloric acid and polyphosphate ((x±s,, n == 44))

表1 鹽酸與多聚磷酸鹽提取果膠的純度與得率測定結(jié)果（±s，n==44）TTaabbllee 11 PPuurity and yield of sweet potato pectin extracted by hydrochloric acid and polyphosphate ((x±s,, n == 44))

果膠種類純度/%得率/%鹽酸提取果膠65.2±3.410.62±0.47多聚磷酸鹽提取果膠85.6±2.812.51±0.52蘋果果膠82.5±3.1

由表1可知，多聚磷酸鹽提取果膠的純度為（8 5.6±2.8）%，遠高于鹽酸提取果膠的純度（65.2±3.4）%，略高于蘋果果膠；且多聚磷酸鹽提取果膠的得率為（12.51±0.52）%，高于鹽酸提取果膠的得率（10.62±0.47）%。實驗進一步對兩種提取劑提取的果膠進行黏度、酯化度和膠凝度等物化特性的檢測及分析。

2.2 甘薯果膠黏度分析

果膠溶液流變特性與鹽類，特別是鈣鹽的存在高度相關(guān)，另外還與pH值和平均分子質(zhì)量等相關(guān)。果膠的黏度特性影響其在食品中，尤其是飲料中的添加效果。將多聚磷酸鈉法與鹽酸提取甘薯果膠與蘋果果膠的黏度進行比較，結(jié)果如圖1。

圖1 多聚磷酸鹽與鹽酸提取甘薯果膠黏度的比較（x±s，n==44）Fig.1 Viscosity of sweet potato pectin extracted by hydrochloric acid and polyphos phate ((x±s,, n == 44))

由圖1可知，不同提取方法對果膠的黏度是有影響的，鹽酸提取的甘薯果膠黏度為（24.14±0.51）mPa·s，多聚磷酸鹽提取的甘薯果膠黏度為（27.46±0.46）mPa·s，蘋果果膠的黏度為（27.13±0.45）mPa·s。多聚磷酸鹽提取的甘薯果膠的黏度明顯高于鹽酸提取法，同時高于報道的磷酸氫二鈉提取法[11]，與蘋果果膠相接近。這可能與提取劑中含有的鹽類與果膠組分有關(guān)。

2.3 甘薯果膠酯化度分析

酯化度是果膠分類的最基本指標(biāo)，也與果膠的各種應(yīng)用性質(zhì)密切相關(guān)，比如膠凝性、增稠性、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性等；酯化度亦影響果膠帶電荷數(shù)量。對多聚磷酸鹽提取甘薯果膠酯化度進行分析，結(jié)果見圖2。

圖2 多聚磷酸鹽與鹽酸提取甘薯果膠酯化度的比較（x±s，n==44）Fig.2 Esterification degree of sweet potato pectin extracted byhydrochloric acid and polyphosphate (x±s,, n == 44))

由圖2可知，不同的提取方法對果膠的酯化度是有影響的，多聚磷酸鹽提取甘薯果膠產(chǎn)品的酯化度為（58.22±1.46）%，鹽酸提取甘薯果膠產(chǎn)品的酯化度為（52.30±1.54）%，蘋果果膠的酯化度為（57.12±1.48）%。結(jié)果表明，多聚磷酸鹽提取甘薯果膠的酯化度明顯高于鹽酸提取法，并且高于蘋果果膠的酯化度，與報道的磷酸氫二鈉提取法相近[11]。

2.4 甘薯果膠膠凝度分析

圖3 多聚磷酸鹽與鹽酸提取甘薯果膠膠凝度的比較（x±s，n==44）Fig.3 Gelation degree of sweet potato pectin extracted by hydrochloric acid and polyphosphate (x±s,, n == 44))

果膠在一定條件下能形成凝膠，故廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)。果膠的膠凝度與提取原料、提取方法及提取工藝條件等有關(guān)。對多聚磷酸鈉法與鹽酸法提取甘薯果膠和蘋果果膠的膠凝度進行測定，結(jié)果見圖3。由圖3可知，多聚磷酸鹽法提取果膠的膠凝度為（151.15±1.32）%，鹽酸法提取果膠的膠凝度為（1 3 9.0 1±1.8 5）%，蘋果果膠的膠凝度為（152.36±2.31）%。多聚磷酸鹽提取甘薯果膠的膠凝度明顯高于鹽酸提取法，且高于報道的磷酸氫二鈉提取法[11]，與蘋果果膠的膠凝度相接近。影響果膠膠凝度的因素主要是果膠分子質(zhì)量和酯化度，高酯化度果膠的膠凝度與二者呈正比，多聚磷酸鹽提取果膠膠凝度高可能和其酯化度有關(guān)，而且鹽酸提取果膠更易水解，分子質(zhì)量變小，故膠凝度較低。

2.5 甘薯果膠凝膠層析及分級

圖4 多聚磷酸鈉提取（a）和鹽酸提?。╞）兩種方法提取的甘薯果膠洗脫曲線Fig.4 Elution curves of pectin extracted by polyphosphate (a) and hydrochloric acid (b)

凝膠過濾色譜可根據(jù)多糖分子的大小和形狀不同而將其進行分離。以蒸餾水為洗脫液，經(jīng)Sepharose CL-6B色譜柱分離，共收集65管樣品，收集分離后的果膠液，于525 nm波長處測其吸光度，結(jié)果見圖4。甘薯果膠經(jīng)色譜柱分離得到的洗脫圖都只有一個對稱峰，則表示組分較為均一。由圖4a可知，多聚磷酸鹽提取的呈現(xiàn)脫尾狀，主峰出現(xiàn)后無明顯的峰再出現(xiàn)，說明這些小分子果膠分子質(zhì)量較廣。相比之下，鹽酸提取果膠在明顯大峰前面出現(xiàn)了小峰，說明果膠含量較低，鹽酸提取的果膠分子質(zhì)量從圖4b上看相對集中。

2.6 果膠的電鏡觀察分析

圖5 不同處理的甘薯果膠和蘋果果膠電鏡圖Fig.5 Electron micrographs of pectin extracted by phosphate and hydrochloric acid before and after purification

由圖5a可知，鹽酸提取果膠純化前多呈片狀，厚薄不均一，片上附有顆粒，絲狀等雜質(zhì)?？赡苁且恍┑矸垲w?；蚶w維類物質(zhì)。由圖5b可知，鹽酸提取果膠純化后結(jié)構(gòu)較為蓬松，類似團狀，有空隙。表面附著的較小顆粒的物質(zhì)較少。由圖5c可知，未經(jīng)純化的多聚磷酸鹽提取的果膠粉碎后電鏡下觀察多呈厚薄不均勻的無規(guī)則片狀，上面附有小塊狀物質(zhì)，也有呈棒狀。由圖5d可知，經(jīng)純化后的多聚磷酸鹽提取果膠骨架為多孔狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔多且較為均勻。上面幾乎未附有其他形態(tài)物質(zhì)。由圖5e可知，購買的蘋果果膠多呈團塊狀，透明度較好，表面附著有一些形狀較小的物質(zhì)。由果膠電鏡圖可以看出，純化后果膠上附著的形狀較小的物質(zhì)明顯減少。主要可能是因為凝膠柱把不同分子質(zhì)量的物質(zhì)分開了，這樣就去除了一些分子質(zhì)量較小的和過大的雜質(zhì)。純化前大多呈片狀或塊狀，純化后以網(wǎng)狀或絮狀出現(xiàn)?？赡苁枪z的分子質(zhì)量或其他雜質(zhì)影響其骨架結(jié)構(gòu)。多聚磷酸鹽提取果膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較鹽酸提取的更蓬松，網(wǎng)孔更加均勻，這樣可能更有利于水分的進入，因而多聚磷酸鹽提取的果膠更易溶解。

2.7 果膠的紅外光譜分析

圖6 3 種果膠的紅外光譜Fig.6 Infrared spectra of three pectins

如圖6所示，果膠中官能團對應(yīng)的波數(shù)，在3 650～3 200 cm-1間較為寬廣的峰是由O—H伸縮振動吸收引起的，這與果膠分子中半乳糖醛酸主鏈間或鏈內(nèi)部的氫鍵有關(guān)，也可能是由于果膠中所含水分引起[23]。3 000～2 800 cm-1間的吸收峰是由C—H吸收引起的，主要包括—CH、—CH2和—CH3的伸縮振動?！狢H2波數(shù)在2 930、2 850 cm-1附近?！狢H3波數(shù)在2 960、2 876 cm-1附近。1 760～1 730 cm-1和1 630～1 600 cm-1間較強的吸收峰，分別由于酯化的羰基和未酯化的羰基紅外吸收引起[24]。此外，1 400 cm-1附近還有一個較弱的羰基對稱吸收峰；1 300～800 cm-1間有一些中等強度吸收峰，這些峰是果膠的指紋區(qū)，其中包括一些不太重要的官能團信息，如1 380cm-1處的C—H彎曲吸收峰，1 300～1 000 cm-1的C=O伸縮振動吸收峰[23]在環(huán)狀結(jié)構(gòu)的果膠分子中，1 200～1 100 cm-1之間還有R—O—R和C—C的吸收峰，如果有蛋白質(zhì)與果膠分子結(jié)合，在1 560～1 540 cm-1會出現(xiàn)吸收峰[25]。

果膠紅外光譜圖（圖6）表明，多聚磷酸鹽提取果膠和鹽酸提取果膠的紅外光譜中特征官能團對應(yīng)的波數(shù)基本相同。指紋區(qū)略有差異，差別不大。蘋果果膠的與甘薯果膠在指紋區(qū)波數(shù)差別較大，可能是由于蘋果果膠與甘薯果膠本身所帶的側(cè)鏈基團有差異。此外這幾種果膠在1 540～1 560 cm-1均未見吸收峰，可以說明無結(jié)合態(tài)的蛋白質(zhì)存在。

3 結(jié) 論

多聚磷酸鹽提果膠黏度為（27.46±0.46）mPa·s，比鹽酸提取果膠高13.75%，與蘋果果膠相似；酯化度為（58.22±1.46）%，比鹽酸提取果膠高11.32%，略高于蘋果果膠；膠凝度為（151.15±1.32）%，比鹽酸提取果膠高8.73%，與蘋果果膠相似。對多聚磷酸鹽提取果膠及鹽酸提取果膠進行凝膠層析，表明多聚磷酸鹽提取果膠小分子果膠分子質(zhì)量較廣。在電鏡觀察下，多聚磷酸鹽法提取的果膠比鹽酸提取法的果膠結(jié)構(gòu)更為蓬松。紅外光譜顯示，二者均具有果膠的特征官能團，吸收波數(shù)在指紋區(qū)略有差異。因此，多聚磷酸鹽提取甘薯果膠法更具有生產(chǎn)價值，研究對甘薯果膠的開發(fā)及生產(chǎn)具有理論及實踐意義。

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Physicochemical Properties of Sweet Potato Pectin Extracted by Sodium Polyphosphate

LIANG Xinhong, SUN Junliang*, MA Hanjun, WANG Tianlin
(School of Food Science, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China)

The physicochemical properties of sweet potato pectin extracted by sodium polyphosphate were investigated. The results showed that the viscosity of sweet potato pectin extracted by sodium polyphosphate was (27.46±0.46) mPa·s, the degree of esterification (58.22±1.46)%, and the degree of gelation (151.15±1.32)%, which were all higher than those of the pectin extracted by hydrochloric acid and similar to those of apple pectin. As observed under electron microscopy, the pectin extracted by polyphosphate was fluffier than that extracted by hydrochloric acid. The infrared spectra showed that both pectins extracted from sweet potato had typical functional groups of pectin, but the wavenumbers varied somewhat in the fingerprint region. This study demonstrates that sodium polyphosphate-extractable pectin from sweet potato has a wider range of application in the food industry.

sodium polyphosphate; sweet potato pectin; physicochemical properties

TS202.3

1002-6630（2015）11-0081-05

10.7506/spkx1002-6630-201511016

2014-07-01

河南省科技計劃項目（122102110037）；國家自然科學(xué)基金面上項目（31171641）；

河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃項目（13IRTSTHN006）

梁新紅（1971—），女，副教授，博士，研究方向為食品生物技術(shù)。E-mail：liangxinhong2005@163.com

*通信作者：孫俊良（1964—），男，教授，博士，研究方向為食品生物技術(shù)。E-mail：sjl338@163.com