菠蘿皮渣果膠的提取及理化性質(zhì)

杭瑜瑜+王玉杰+齊丹+公維潔

摘要：以干菠蘿皮渣為原料，運(yùn)用超聲波輔助纖維素酶法提取菠蘿皮渣中的果膠，通過單因素和響應(yīng)曲面試驗(yàn)，確定最優(yōu)的提取工藝：超聲波功率507 W、10 mL提取液中酶添加量為0.51 g，在此條件下果膠的提取率為2.584 3%。經(jīng)過紅外光譜分析，通過與標(biāo)準(zhǔn)樣品圖譜的比較證明，所提取的樣品是果膠，其總半乳糖醛酸含量為68.57%，酯化度為47.99%，屬于低酯果膠。

關(guān)鍵詞：菠蘿皮渣；果膠；提取；理化性質(zhì)

中圖分類號： S814；TS255文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0379-04

果膠是從植物組織中提取的一類酸性多糖物質(zhì)，為植物細(xì)胞壁的重要組分。果膠的主要成分是半乳糖醛酸，以α-D-（1-4）-糖苷鍵聚合形成聚半乳糖醛酸聚糖[1-2]。相關(guān)研究表明，果膠具有抑制腫瘤[3]、降血糖[4]、降血脂[5]、吸附重金屬[6]、抑制微生物生長[7]、抑制炎癥[8]等作用。

目前國內(nèi)外研究較多的果膠種類包括柑橘果膠、橙皮果膠、蘋果果膠、向日葵果膠、甜菜果膠、馬鈴薯果膠、大豆果膠等[9]。關(guān)于果膠提取研究，報道的方法有酸提取法、草酸銨提取法、酶提取法、微波提取法、超聲波提取法、微生物提取法等。Hromadkova等對比了傳統(tǒng)堿法、超聲輔助提取蕎麥中半纖維素的產(chǎn)率，證明經(jīng)過短時超聲波處理后，與傳統(tǒng)方法相比產(chǎn)率提高了1.2～1.5倍[10]。Seshadri等發(fā)現(xiàn)，超聲波提取的果膠體系更清澈，色澤更好[11]。Panouille等發(fā)現(xiàn)，用纖維素酶、蛋白酶提取的果膠比用傳統(tǒng)酸法提取的得率更高，單分子量更低[12]。

從自然界植物組織中提取的果膠以高酯果膠為主，低酯果膠主要通過高酯果膠脫酯而獲得。低酯果膠即使不加糖、酸，只要存在高價態(tài)金屬離子（如Ca2+、Al3+等）也可生成凝膠，廣泛用于低糖產(chǎn)品，可生產(chǎn)低熱低糖的功能性保健食品[13]。鑒于低酯果膠的性質(zhì)和用途，從植物組織中提取低酯果膠具有廣泛的研究意義。

菠蘿在我國廣泛種植，菠蘿加工中產(chǎn)生大量的菠蘿皮渣，然而這些果皮渣多作為廢物丟棄，在造成環(huán)境污染的同時又是對資源的極大浪費(fèi)[14]。菠蘿皮渣中含有豐富的果膠物質(zhì)，并且為低酯果膠。本研究以菠蘿廢棄物為對象提取果膠，并對所制備的果膠進(jìn)行理化性質(zhì)的研究，以為其在商業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1材料菠蘿皮渣：收集市場上新鮮的菠蘿皮，處理后作為試驗(yàn)原料。

1.1.2試劑主要試劑：無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、纖維素酶（酶活性1 800 U/g）。

1.1.3主要儀器和設(shè)備TDI-80-2B離心機(jī)（金壇市盛藍(lán)儀器制造有限公司）；HN-12P酸度計(jì)（上海越磁電子有限公司）；HWS-26恒溫水浴鍋（金壇市盛藍(lán)儀器制造有限公司）；JU-6224調(diào)節(jié)型超聲發(fā)生器（上海杰恩超聲設(shè)備有限公司）；IRTracer-100傅里葉紅外光譜儀（日本島津公司）等。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1菠蘿皮渣果膠的提取工藝流程主要流程：菠蘿皮渣→清洗→沸水熱燙滅酶10 min→60 ℃烘干→粉碎→過篩（100目）→菠蘿皮渣粉末→酸解→纖維素酶酶解→過濾→濾液濃縮→沉淀→離心→沉淀洗滌→干燥→果膠。

↑

超聲波處理

1.2.2提取工藝要點(diǎn)稱取5.0 g干燥菠蘿皮粉，加入 10 mL 蒸餾水作為溶劑，用0.5 mol/L鹽酸調(diào)節(jié)pH值至2.0，于80 ℃超聲波處理20 min。待酸解液冷卻至室溫后，調(diào)節(jié)pH值至4.0，再加入一定量活性為1 800 U/g的纖維素酶，置于70 ℃恒溫水浴鍋中40 min。將所得到的提取液于90 ℃滅酶5～10 min，趁熱抽濾。濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)濃縮至原體積的1/4，向濃縮液中加入1.5倍體積的無水乙醇，靜置沉淀1 h后，于5 000 r/min離心10 min，分離出沉淀。用95%乙醇清洗2次，以除去其他雜質(zhì)，最后將果膠置于60 ℃真空干燥箱中干燥。

1.2.3果膠提取率的計(jì)算相關(guān)公式：

[JZ（]果膠提取率=果膠質(zhì)量/菠蘿皮渣原料質(zhì)量×100%。[JZ）]

1.2.4單因素試驗(yàn)選擇超聲波功率、纖維素酶添加量2個因素，分別考察這2個因素對果膠提取率的影響。其中超聲波功率設(shè)置360、480、600、720、840 W 5個梯度，10 mL提取液中纖維素酶添加量設(shè)置0.25、0.35、0.45、0.55、0.65 g 5個梯度。

1.2.5響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗(yàn)根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，對超聲波功率、纖維素酶添加量組合進(jìn)行2因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，確定最佳提取工藝，并做驗(yàn)證試驗(yàn)。

1.2.6菠蘿皮渣果膠紅外光譜分析稱取0.100 g溴化鉀、0.001 g果膠粉末，將其混合，在紅外燈下用瑪瑙研缽研磨5 min。將研磨好的樣品放進(jìn)60 ℃干燥箱中干燥1 h，而后制成透明壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行400～4 000 cm-1 范圍的光譜掃描。

1.2.7菠蘿皮渣果膠理化性質(zhì)測定

1.2.7.1果膠酯化度的測定采用滴定法測定酯化度[9]，稱取 0.2 g 果膠樣品，加入100 mL純水。攪拌溶解后，加入3滴1%酚酞試劑，用0.1mol/L NaOH溶液滴定至溶液呈粉紅色且保持0.5 min以上不褪色。然后加入20 mL 0.5 mol/L NaOH溶液，放置皂化2.5 h，用1 mol/L硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，相關(guān)公式：

[JZ]甲氧基含量=[SX（]（C2V2-C1V1）×0.031〖〗m[SX）]×100%；

[JZ]酯化度=甲氧基含量/16.3×100%。

式中：V2為皂化時加入的標(biāo)準(zhǔn)堿溶液的體積，mL；C2為皂化時加入的標(biāo)準(zhǔn)堿溶液的濃度，mol/L；V1為滴定皂化過量的堿消耗的硫酸體積，mL；C1為硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；m為試樣質(zhì)量，g；0.031為甲氧基質(zhì)量（g）當(dāng)量數(shù)。

1.2.7.2果膠總半乳糖醛酸含量、灰分、酸不溶灰分測定的測定參照GB 25533—2010《食品添加劑果膠》測定果膠樣品的總半乳糖醛酸、灰分、酸不溶灰分含量。

1.2.7.3果膠干燥質(zhì)量損失的測定按照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》中的直接干燥法進(jìn)行測定。

2結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1超聲波功率對果膠提取率的影響在纖維素酶添加量為0.45 g的條件下，考察不同超聲波功率對果膠提取率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可見，在超聲功率為360～480 W的范圍內(nèi)，隨著超聲功率的增大，果膠提取率呈上升趨勢；超聲功率為480 W時，果膠提取率達(dá)到最大值；隨著超聲功率繼續(xù)增大，果膠提取率則開始下降，最終趨于平緩。這可能是因?yàn)槌暪β瘦^低時，菠蘿皮渣的細(xì)胞壁破裂得少，果膠質(zhì)不能完全溶解，果膠產(chǎn)率較低[15]；而當(dāng)超聲功率過高時，超聲波的空化作用、機(jī)械作用、熱學(xué)作用造成部分果膠分解，使得果膠提取率有所下降。因此可知，適宜的超聲波功率為480 W。

2.1.2纖維素酶添加量對果膠提取率的影響當(dāng)超聲波功率為480 W時，考察不同纖維素酶添加量對菠蘿皮渣果膠提取率的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，果膠提取率隨著纖維素酶添加量的增加而呈上升趨勢；當(dāng)10 mL提取液中纖維素酶添加量為0.45 g時，果膠的提取率趨于平緩趨勢；繼續(xù)增加酶用量，對果膠提取率的影響不大。這是由于纖維素酶的酶解作用能夠破壞原料中纖維素的糖苷鍵，使部分纖維素降解而提高果膠的得率。在底物濃度一定的情況下，繼續(xù)增加酶用量，產(chǎn)物反而會對酶有反饋抑制作用，從而出現(xiàn)果膠提取率不再升高的現(xiàn)象[16]。因此可知，適宜的纖維素酶添加量為10 mL提取液中0.45 g。

響應(yīng)曲面三維圖比較直觀地反映出各因素間相互作用的強(qiáng)弱[17-18]，而響應(yīng)曲面三維圖在平面上的投影即為等高線圖。等高線的形狀可以反映因素相互影響的強(qiáng)弱：等高線的形狀為橢圓形時，2個因素的相互作用相對較強(qiáng)；等高線趨于圓形時，2個因素的相互作用相對較弱[19]。從圖3可以看出，超聲波功率和纖維素酶添加量相互作用較大，與方差分析的結(jié)果一致。

根據(jù)響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果及其回歸方程模型分析可知，超聲波輔助纖維素酶法提取菠蘿皮渣中果膠的最優(yōu)工藝：超聲功率為507.36 W、10 mL提取液中纖維素酶添加量為0.51 g，預(yù)測果膠提取率為2.595 3%?？紤]到實(shí)際操作的便利，將最佳工藝條件修正為超聲功率為507 W、10 mL提取液中纖維素酶添加量為0.51 g，在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，果膠提取率的平均值為2.584 3%。該試驗(yàn)值與模型方程的預(yù)測值僅相差0.42%，說明經(jīng)響應(yīng)面法優(yōu)化的提取工藝組合條件較為準(zhǔn)確，利用超聲輔助纖維素酶法提取菠蘿皮渣中的果膠具有一定的實(shí)際意義。

2.3菠蘿皮渣果膠紅外光譜分析

由圖4可以看出，提取的果膠與果膠標(biāo)準(zhǔn)品的紅外圖譜相似。3 600～2 500 cm-1處的吸收峰是O—H的伸縮振動引起的，樣品在3 417 cm-1有吸收峰，說明果膠分子中有很多 —OH；3 000～2 800 cm-1處的特征峰是C—H的反對稱、對稱伸縮振動引起的，樣品在2 942 cm-1有吸收峰；1 760～1 720 cm-1處的特征吸收峰是半乳糖醛酸羧基形成的酯鍵（—COOR）中羰基的伸縮振動引起的，樣品在1 740 cm-1有吸收峰；1 680～1 600 cm-1處的吸收峰為游離的羧酸（—COOH）中羰基的不對稱伸縮振動引起的，樣品在1 673 cm-1有吸收峰；1 462 cm-1處的峰是C—O—H的平面彎曲振動峰；1 300～1 000 cm-1間的吸收峰是由C[FY=，1]O伸縮振動所引起的；在1 253 cm-1的特征峰是C—O—C鍵的伸縮振動峰，表明有甲氧基存在；在1 300～800 cm-1之間中強(qiáng)吸收峰是果膠分子的指紋區(qū)。經(jīng)比較可知，菠蘿皮提取物與標(biāo)準(zhǔn)品果膠的紅外圖譜相似，證明其為果膠。

2.4菠蘿皮渣果膠理化性質(zhì)測定結(jié)果

3結(jié)論

通過響應(yīng)曲面試驗(yàn)優(yōu)化超聲波輔助纖維素酶法提取菠蘿皮渣果膠的工藝，結(jié)果表明：功率為507 W、10 mL提取液中纖維素酶添加量為0.51 g時，提取率為2.584 3%。用紅外光譜分析驗(yàn)證提取的樣品為果膠，其總半乳糖醛酸含量為68.57%，酯化度為47.99%，屬于低酯果膠。低酯果膠在高價金屬離子存在下即可形成凝膠，可用作低糖、無糖食品的增稠劑。本研究結(jié)果表明，菠蘿皮渣果膠的各項(xiàng)理化指標(biāo)符合GB 25533—2010《食品添加劑果膠》的規(guī)定，可作為一種低酯果膠用于商業(yè)生產(chǎn)，在充分提高菠蘿附加值的同時也豐富了低酯果膠的來源。

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