酸水解—乙醇沉淀法中pH調節(jié)對柚皮果膠品質的影響

莊遠紅，曾 培

(閩南師范大學生物科學與技術學院，福建 漳州 363000)

果膠是以D-吡喃半乳糖醛酸為基本單位的多糖高分子親水性膠狀化合物，是植物細胞壁的組成成分之一[1]，具有良好的乳化、增稠、膠凝和穩(wěn)定作用，被廣泛用于食品工業(yè)中，也是醫(yī)藥和化妝品工業(yè)不可缺少的輔料[2-3].柚皮是柚子加工的副產(chǎn)物，占整個柚子的40%，含有豐富的膳食纖維和果膠等非營養(yǎng)性生理活性物質[4]，可以作為提取果膠的原料.陳艷紅等[5]、沈銳等[6]采用酸水解—乙醇沉淀法從柚皮中提取果膠，并通過果膠提取率對提取工藝進行了優(yōu)化，但目前很少有深入探討各提取因素對柚皮果膠品質的影響，特別是提取過程中pH的影響的報道.因此，本試驗擬通過酸水解—乙醇沉淀法從柚子白皮中提取果膠，研究提取過程中pH，即酸解液pH和醇沉液pH對果膠提取率、色澤、粘度、半乳糖醛酸含量和酯化度的影響，旨在為獲得高品質果膠提供技術支持.

1 材料與方法

1.1 材料

供試琯溪蜜柚由福建省漳州市平和縣蜜柚種植基地提供.

主要儀器與設備有JHBE-50A閃式提取器(北京金鼎科技發(fā)展有限公司)、EL-20實驗室pH計(梅特勒—托利多上海有限公司)、RE52-99旋轉蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)、LG-0.2型真空冷凍干燥機(沈陽航天新陽速凍設備制造有限公司)、UV-200紫外/可見分光光度計(上海美譜達儀器有限公司)、LVDV-Ⅱ+PRO旋轉粘度計(美國Brookfield公司)、ColorFlexTM色差儀(美國HunterLab公司)、JSM-6010LA掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社).

1.2 樣品制備

參照文獻[7-9]的方法制備.將新鮮柚子白皮剪成0.5 cm×0.5 cm的粒狀，按15∶1(mL∶g)的液料比加入蒸餾水，閃式破碎60 s(電壓100 V)，用6 mol·L-1HCl調節(jié)酸解液至一定的pH，微波煮至微沸后，于85 ℃水浴回流30 min，趁熱用300目濾布抽濾，濾液于75 ℃下，以70 r·min-1旋轉蒸發(fā)濃縮至可溶性固形物含量為8%，冷卻，用2%稀氨水調節(jié)濃縮液至一定的pH，在不斷攪拌下加入2倍體積的95%乙醇，醇沉12 h，用300目濾布雙層抽濾除去乙醇后，再用乙醇洗滌2次，抽濾，沉淀物加入2倍體積的水加熱溶解，于75 ℃下，以70 r·min-1旋轉蒸發(fā)濃縮至可溶性固形物含量為5%，真空冷凍干燥即得果膠，粉碎后備用.

1.3 試驗設計

1.3.1 酸解液pH對柚皮果膠品質的影響 液料比為15∶1(mL∶g)，閃式破碎60 s，酸解液pH分別設置為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5，水浴回流30 min，水解溫度85 ℃，醇沉液pH為4.5.

1.3.2 醇沉液pH對柚皮果膠品質的影響 液料比為15∶1(mL∶g)，閃式破碎60 s，水浴回流30 min，水解溫度85 ℃，酸解液pH為1.5，醇沉液pH分別設置為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0.

1.4 果膠指標測定及表觀形貌的檢測

1.4.1 果膠提取率 果膠提取率/%=凍干后果膠質量/新鮮柚子白皮凍干質量×100.

1.4.2 色差 參考彭凱等[10]的方法測定并稍作修改.將果膠粉均勻地平鋪在比色杯中，以白板為標樣，采用 Hunter Lab表色系統(tǒng)，用ColorFlexTM色差儀快速檢測果膠的色差值ΔE.ΔE越小表示樣品顏色越接近白板，越大表示樣品與白板的差異越大.

1.4.3 粘度 參考高建華等[11]的方法測定并稍作修改.配制質量濃度為15 g·L-1的果膠溶液，充分攪拌均勻，用LVDV-Ⅱ+PRO旋轉粘度計(轉子：S62，轉速6.0 r·min-1)于室溫下測定粘度值.

1.4.4 半乳糖醛酸含量 利用半乳糖醛酸含量衡量果膠含量，采用咔唑比色法，參照耿敬章等[12]的方法并略加修改.吸取1 mL 40 μg·mL-1果膠稀釋液，于冰浴下加入6 mL濃硫酸，混勻后，在沸水浴中加熱20 min，取出冷卻至室溫，再加入0.2 mL 1.5 mg·mL-1咔唑，搖勻，在暗處放置2 h后于530 nm波長處測定光密度，根據(jù)標準曲線計算半乳糖醛酸含量.

1.4.5 酯化度 參照Schmidt et al[13]的方法測定.取0.2 g果膠用2 mL乙醇濕潤，加入20 mL不含CO2的蒸餾水(40 ℃)，塞緊瓶塞并振搖，使果膠全部溶解，加入3滴酚酞，用0.1 mol·L-1NaOH滴定至變紅，記錄消耗的NaOH體積(V1，為初始滴定度)；加入10 mL 0.1 mol·L-1NaOH，劇烈振蕩2 h，靜置15 min，加入10 mL 0.1 mol·L-1HCl，振蕩，直到粉紅色消失；加入3滴酚酞，再用0.1 mol·L-1NaOH滴定至淺紅色，記錄消耗的NaOH體積(V2，為皂化滴定度).果膠酯化度/%=V2/(V1+V2)×100.

1.4.6 果膠表觀形貌的檢測 采用掃描電子顯微鏡在10 kV的加速電壓下觀察果膠粉末的表觀形貌.

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理，應用SPSS 23軟件進行顯著性分析.

2 結果與分析

2.1 pH對柚皮果膠提取率的影響

酸解液pH和醇沉液pH的變化對柚皮果膠提取率的影響如圖1所示.從圖1A可知，柚皮果膠的提取率隨著酸解液pH的升高極顯著降低(P<0.01).pH為0.5時，提取率最高，這可能是高酸性環(huán)境有助于非水溶性原果膠轉化為水溶性果膠，提取率較高；但酸度也不可過高，否則果膠容易炭化變黑影響品質.酸度降低時原果膠不能完全水解使提取率偏低[9].由圖1B可知，隨著醇沉液pH的升高(3.04.5時，提取率降低.果膠醇沉是通過降低水溶液的介電常數(shù)使果膠脫水沉淀從而分離果膠，因此，醇沉液pH會影響果膠沉淀的效果.果膠作為一種酸性多糖，在水中會離解出氫離子，果膠的酸解離常數(shù)通常為3.5～4.5，當pH=pKa時，果膠電離平衡，此時果膠溶解度最低，沉淀效果最好[14].

圖中附不同大寫字母者表示差異極顯著(P<0.01)，附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同小寫字母者表示差異不顯著(P>0.05).圖1 pH對柚皮果膠提取率的影響Fig.1 Effect of pH on the yield of pomelo peel pectin

2.2 pH對柚皮果膠色澤的影響

酸解液pH和醇沉液pH的變化對柚皮果膠色澤的影響如圖2所示.根據(jù)GB 25533—2010[15]對果膠色澤的規(guī)定，應為白色、淡黃色、淺灰色或淺棕色.以白板為標樣，ΔE越小說明果膠色澤越白，商品價值越高.從圖2A可知，隨著酸解液pH的增大，柚皮果膠的ΔE變小，當0.50.05)，但酸解液pH為1.5時提取的果膠ΔE比pH為1時小，色澤更白.

圖中附不同大寫字母者表示差異極顯著(P<0.01)，附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同小寫字母者表示差異不顯著(P>0.05).圖2 pH對柚皮果膠色差的影響Fig.2 Effect of pH on the color value of pomelo peel pectin

從圖2B可知，柚皮果膠的ΔE隨著醇沉液pH的增大由17.12增加到18.42，但各處理的ΔE差異不大.有研究認為：ΔE為0～1，肉眼分辨不出色差；ΔE為1～2，肉眼可以輕微察覺到[17].從圖2B可以看出，肉眼無法分辨各處理果膠之間的色差，可以認為醇沉液pH對柚皮果膠色澤的影響不大，均為淡黃色.

2.3 pH對柚皮果膠液粘度的影響

酸解液pH和醇沉液pH的變化對柚皮果膠液粘度的影響如圖3所示.從圖3A可知，酸解液pH對果膠液粘度的影響達到極顯著水平(P<0.01)，果膠液粘度隨著酸解液pH的升高而增大，這可能是酸性環(huán)境使果膠分子中性糖側鏈水解，果膠結構被破壞[8]，粘度隨著酸度的升高而降低.由圖3B可知，隨著醇沉液pH的升高，果膠液粘度呈先增大后減小的趨勢，差異極顯著(P<0.01).醇沉液pH為3.5時的粘度最高，pH>3.5時粘度開始下降，原因是pH改變了果膠酸的電離度，果膠液中加入氨水，果膠酸電離度增大，庫倫斥力使鏈得以伸展，粘度增大，但氨水加入過多時果膠發(fā)生解聚和脫酯反應，粘度下降[18].因此，氨水添加量不可過多，氨水調節(jié)醇沉液pH時應劇烈攪動，以免局部堿性過高而發(fā)生脫酯和解聚反應.

圖中附不同大寫字母者表示差異極顯著(P<0.01)，附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同小寫字母者表示差異不顯著(P>0.05).圖3 pH對柚皮果膠液粘度的影響Fig.3 Effect of pH on the dynamic viscosity of pomelo peel pectin liquid

2.4 pH對柚皮果膠半乳糖醛酸含量的影響

酸解液pH和醇沉液pH的變化對柚皮果膠半乳糖醛酸含量的影響如圖4所示.半乳糖醛酸含量可以衡量果膠的純度.從圖4A可知，酸解液pH對半乳糖醛酸含量的影響顯著(P<0.05)，隨著酸解液pH的升高，果膠的半乳糖醛酸含量由59.6%顯著降低到38.8%，表明果膠純度隨著酸解液pH的升高而降低.這是因為低pH下柚皮中的纖維素和淀粉等水解為不能被乙醇沉淀的小分子多糖，進而提高了沉淀下來的果膠的純度，而隨著pH逐漸增大，酸水解性能減弱，淀粉等被乙醇沉淀，導致果膠純度降低[19].

圖中附不同大寫字母者表示差異極顯著(P<0.01)，附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同小寫字母者表示差異不顯著(P>0.05).圖4 pH對柚皮果膠半乳糖醛酸含量的影響Fig.4 Effect of pH on the galacturonic acid content of pomelo peel pectin

從圖4B可以看出，隨著醇沉液pH的升高，提取的果膠半乳糖醛酸含量呈先增加后減少的趨勢，各處理之間的差異達到顯著水平(P<0.05).醇沉液pH為4.5時的半乳糖醛酸含量最高，為51.2%；當醇沉液pH<4.5時，半乳糖醛酸含量隨著pH的升高而逐漸增加；當 pH>4.5時，半乳糖醛酸含量迅速下降.可能是因為pH增大，發(fā)生β-切斷反應，產(chǎn)生雙鍵并導致鏈的斷裂[20]，一定程度上破壞了果膠的分子結構，半乳糖醛酸含量降低，這與鄒榮[21]的研究結果一致.

2.5 pH對柚皮果膠酯化度的影響

酯化度指果膠分子中半乳糖醛酸上的羧基甲酯化的程度.從圖5A可知：隨著酸解液pH的升高(0.52.0后酯化度增加不明顯(P>0.05).因為低pH下果膠半乳糖醛酸鏈上的酯化鍵易發(fā)生酸水解[8]，從而降低酯化度.一般情況下，酯化度大于50%的果膠為高酯化度果膠[22].可見，酸解液pH為0.5～2.5時，提取的果膠均為高酯果膠.

圖中附不同大寫字母者表示差異極顯著(P<0.01)，附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同小寫字母者表示差異不顯著(P>0.05).圖5 pH對柚皮果膠酯化度的影響Fig.5 Effect of pH on the esterification degree of pomelo peel pectin

從圖5B可知，柚皮果膠酯化度隨著醇沉液pH的增大呈先增加后減少的趨勢.當醇沉液pH<4.0時，酯化度增加緩慢，變化趨勢不明顯，可以認為醇沉液pH為3.0～4.0時對酯化度影響不大；但pH>4.0時，酯化度極顯著下降(P<0.01)，可能是因為堿性過強導致果膠發(fā)生脫酯反應.醇沉液pH為3.0～5.0時，提取的果膠酯化度均大于50%，均為高酯化度果膠.

2.6 提取率與理化特性的相關性

由表1可知，柚皮果膠的提取率與色差、粘度、酯化度、半乳糖醛酸含量均無相關性(P>0.05)，而與酸解液pH呈極顯著負相關(r=-0.981，P<0.01)，與醇沉液pH呈極顯著正相關(r=0.969，P<0.01).因此，柚皮果膠的提取率主要受提取過程中pH的影響，可以通過適當降低酸解液pH和提高醇沉液pH來提高果膠的提取率.柚皮果膠的色差、粘度、酯化度、半乳糖醛酸含量與酸解液pH之間呈極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)相關性，而與醇沉液pH無顯著相關性(P>0.05).因為過低的酸解液pH使纖維素等水解，果膠中性鏈斷裂水解，結構被破壞，造成果膠顏色較深，粘度和酯化度變小，但半乳糖醛酸含量增高.

表1 柚皮果膠提取率與理化特性的相關系數(shù)1)Table 1 Correlation between extraction rate and physicochemical properties of pomelo pectin

1)*表示在0.05水平(單側)上顯著相關，**表示在0.01水平(單側)上顯著相關.

2.7 柚皮果膠的表觀形貌

在酸解液pH為1.5，醇沉液pH為4.5的條件下制備的果膠在掃描電子顯微鏡(放大300倍)下的表觀形貌如圖6所示.從圖6可以看出，柚皮果膠呈現(xiàn)比較完整的不規(guī)則片狀結構，薄度較均一，表面裂紋少[23].因為本產(chǎn)品果膠是通過真空冷凍干燥后粉碎獲得的，真空冷凍干燥能保持產(chǎn)品的完整性，粉碎后片狀結構保持較好.

3 結論

圖6 柚皮果膠的表觀形貌Fig.6 Morphology of pomelo peel pectin under scanning electron microscope

在酸水解—乙醇沉淀法中，酸解液pH和醇沉液pH對柚皮果膠的提取率和品質有較大影響.酸解液pH與柚皮果膠的粘度、酯化度之間呈極顯著正相關(P<0.01)，與色差、提取率呈極顯著負相關(P<0.01),與半乳糖醛酸含量呈顯著負相關(P<0.05)；醇沉液pH與柚皮果膠的品質特性無顯著相關性，但與提取率呈極顯著正相關(P<0.01).低酸解液pH和高醇沉液pH有利于提高提取率.酸解液pH為1.5，醇沉液pH為4.5時，果膠提取率最高，為14.87%，半乳糖醛酸含量也相對較高，果膠呈淡黃色，為高酯果膠，但色澤、粘度和酯化度不如醇沉液pH為4.0的好.掃描電子顯微鏡下觀察顯示，真空冷凍干燥能保持果膠結構的完整性，果膠表觀形貌呈比較完整的不規(guī)則片狀結構，薄度均一，表面裂紋少.