檸檬酸-纖維素酶法提取甜菜果膠的研究

杜國軍，孟凡龍，田英華，許瑞雪，李學(xué)濤，王興和

(1.齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾鵬程北方糖業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 161006；3.依安東方瑞雪糖業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

甜菜是蔗糖生產(chǎn)的主要原料之一，在制糖過程中會產(chǎn)生大量的甜菜廢絲。甜菜廢絲經(jīng)干燥處理后成為甜菜干粕，甜菜干粕含有大約25%的果膠[1]。果膠是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子多糖[2]，具有調(diào)節(jié)血脂、控制肥胖、改善腸道菌群等作用，在醫(yī)藥、化妝品、食品、紡織和化工行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用[3]。同時，果膠還是一種十分重要的食品添加劑，主要用作穩(wěn)定劑、增稠劑、乳化劑和膠凝劑。目前果膠的生產(chǎn)主要以蘋果皮、柑橘皮以及甜菜廢絲為原料[4]，常用的提取方法有酸法、酶法、堿法、離子交換樹脂法、超聲波-微波協(xié)同法等[5-8]。

研究表明，有機(jī)酸對果膠影響較小，具有環(huán)保、安全等特點，且酶制劑的成本也越來越低，故本文以甜菜干粕為原料，采用檸檬酸-纖維素酶法提取優(yōu)質(zhì)甜菜果膠，可以大幅提高制糖企業(yè)的效益，具有較好的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料

甜菜干粕：依安東方瑞雪糖業(yè)有限公司；無水乙醇：遼寧泉瑞試劑有限公司；檸檬酸：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；纖維素酶(≥10000 U/g)：寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司；氫氧化鈉、咔唑試劑等。

1.2 儀器

數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋、電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子天平、酸度計、粉碎機(jī)、高速離心機(jī)等。

1.3 方法

1.3.1 原料處理

甜菜干粕經(jīng)粉碎，過80目篩，常溫保鮮袋貯存。

1.3.2 工藝流程

1.3.3 檸檬酸法提取果膠

將甜菜干粕與水按一定比例混合，添加適量的檸檬酸來提取果膠。以料液pH、溫度、時間為因素，通過單因素試驗和正交試驗研究各因素對果膠產(chǎn)率的影響。

1.3.4 纖維素酶法提取果膠

在經(jīng)檸檬酸法提取果膠后的上清液中加入適量的纖維素酶繼續(xù)提取果膠。以酶添加量、溫度、時間、pH為因素，通過單因素試驗和正交試驗研究各因素對果膠產(chǎn)率的影響。

1.4 果膠含量的測定方法

咔唑比色法[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同條件對檸檬酸法提取果膠的影響

2.1.1 料液pH對果膠產(chǎn)率的影響

稱取適量甜菜干粕粉，按照料液比1∶50加入蒸餾水后，添加檸檬酸調(diào)節(jié)成不同pH的溶液，90 ℃水浴4 h，研究料液pH對果膠產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 料液pH對果膠產(chǎn)率的影響

由圖1可知，在pH為1.25時，果膠的產(chǎn)率最高；pH<1.25時，由于檸檬酸加入量過高會造成一部分果膠分子的水解和降解而降低產(chǎn)率；pH>1.25時，隨著溶液酸度的降低果膠產(chǎn)率開始降低。因此，選定檸檬酸法提取果膠的最佳料液pH為1.25。

2.1.2 溫度對果膠產(chǎn)率的影響

稱取適量甜菜干粕粉，按照料液比1∶50加入蒸餾水后，添加檸檬酸調(diào)節(jié)成pH 1.25的溶液，不同溫度下水浴4 h，研究溫度對果膠產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 溫度對果膠產(chǎn)率的影響

由圖2可知，果膠產(chǎn)率隨溫度的升高而升高，在95 ℃達(dá)到了最大值23.12%，溫度繼續(xù)升高，果膠產(chǎn)率趨于平穩(wěn)，故選擇檸檬酸法提取果膠的最適溫度為95 ℃。

2.1.3 時間對果膠產(chǎn)率的影響

稱取適量甜菜干粕粉，按照料液比1∶50加入蒸餾水后，添加檸檬酸調(diào)節(jié)為pH 1.25的溶液，90 ℃水浴若干時間，研究時間對果膠產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 時間對果膠產(chǎn)率的影響

由圖3可知，果膠產(chǎn)率隨著時間的增加而升高，在3.5 h達(dá)到了最大值22.76%，時間繼續(xù)延長，果膠產(chǎn)率變化不大，故選擇檸檬酸法提取果膠的最適時間為3.5 h。

2.1.4 檸檬酸法提取果膠的正交試驗結(jié)果

在單因素的基礎(chǔ)上，選擇料液pH、溫度、時間進(jìn)行3因素3水平的正交試驗，因素水平及試驗結(jié)果見表1和表2。

表1 檸檬酸法提取果膠正交試驗因素和水平

表2 檸檬酸法提取果膠正交試驗設(shè)計與結(jié)果

續(xù) 表

由表1和表2可知，檸檬酸法提取果膠產(chǎn)率影響因素的主次順序為：料液pH>時間>溫度。A2B2C3為檸檬酸法提取果膠的最佳條件，即料液pH 1.25、溫度95 ℃、時間4 h，此時果膠的產(chǎn)率為25.21%。

2.2 不同條件對纖維素酶法提取果膠的影響

2.2.1 纖維素酶添加量對果膠產(chǎn)率的影響

取一定量經(jīng)檸檬酸法提取果膠后的上清液，加入氫氧化鈉調(diào)成pH 4的水溶液，添加不同量的纖維素酶，40 ℃水浴30 min，研究纖維素酶添加量對果膠產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 纖維素酶添加量對果膠產(chǎn)率的影響

由圖4可知，果膠產(chǎn)率開始隨著纖維素酶添加量的增加而升高，在0.15%時達(dá)到了最大值1.23%，添加量繼續(xù)增加時，果膠產(chǎn)率變化不大，故選擇纖維素酶的最適添加量為0.15%。

2.2.2 pH對果膠產(chǎn)率的影響

取一定量經(jīng)檸檬酸法提取果膠后的上清液，添加0.15%的纖維素酶，加入氫氧化鈉調(diào)成不同pH的溶液，40 ℃水浴30 min，研究pH對果膠產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 pH對果膠產(chǎn)率的影響

由圖5可知，果膠產(chǎn)率在pH 4.5時達(dá)到了最大值1.34%，pH繼續(xù)增加時，果膠產(chǎn)率有所降低，故選擇纖維素酶法提取果膠的最適pH為4.5。

2.2.3 溫度對果膠產(chǎn)率的影響

取一定量經(jīng)檸檬酸法提取果膠后的上清液，加入氫氧化鈉調(diào)成pH 4的溶液，添加0.15%的纖維素酶，不同溫度下水浴30 min，研究溫度對果膠產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 溫度對果膠產(chǎn)率的影響

由圖6可知，果膠產(chǎn)率在45 ℃時達(dá)到了最大值，繼續(xù)升高溫度，果膠產(chǎn)率無明顯變化，故選擇纖維素酶法提取果膠的最適溫度為45 ℃。

2.2.4 時間對果膠產(chǎn)率的影響

取一定量經(jīng)檸檬酸法提取果膠后的上清液，添加0.15%的纖維素酶，加入氫氧化鈉調(diào)成pH 4的溶液，40 ℃水浴若干時間，研究時間對果膠產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 時間對果膠產(chǎn)率的影響

由圖7可知，果膠產(chǎn)率隨著時間的增長而升高，在45 min時達(dá)到了最大值，繼續(xù)增加水浴時間，果膠產(chǎn)率無明顯提高，故選擇纖維素酶法提取果膠的最適時間為45 min。

2.2.5 纖維素酶法提取果膠的正交試驗結(jié)果

以果膠產(chǎn)率為指標(biāo)，選擇纖維素酶添加量、溫度、時間、pH進(jìn)行4因素3水平的正交試驗，因素水平及試驗結(jié)果見表3和表4。

表3 纖維素酶法提取果膠正交試驗因素和水平

表4 纖維素酶法提取果膠正交試驗設(shè)計與結(jié)果

續(xù) 表

由表3和表4可知，纖維素酶法提取果膠產(chǎn)率影響因素的主次順序為：纖維素酶添加量>pH>時間>溫度。A3B1C3D2為最佳果膠提取條件，即纖維素酶添加量0.2%、溫度40 ℃、時間50 min、pH 4.5，此時果膠的產(chǎn)率為1.58%。

3 結(jié)論

以甜菜干粕為原料，采用檸檬酸-纖維素酶法提取果膠，通過單因素試驗和正交試驗確定了甜菜果膠的最佳提取工藝。檸檬酸法提取果膠的最佳工藝條件為料液pH 1.25、溫度95 ℃、時間4 h；纖維素酶法提取果膠的最佳工藝條件為酶添加量0.2%、溫度40 ℃、時間50 min、pH 4.5；將2次提取的果膠均勻混合，測得果膠最后的總產(chǎn)率為26.79%，純度為86%。