吊干杏果膠提取工藝優(yōu)化及理化性質(zhì)分析

讓鳳菊,劉偉,張慧敏,王雙雙,歐陽艷

(伊犁師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 新疆普通高等學(xué)校天然產(chǎn)物化學(xué)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 伊寧 835000)

果膠是一種主要由半乳糖醛酸構(gòu)成,并通過α-1,4-糖苷鍵連接的復(fù)雜多糖[1]。結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使果膠具有多種優(yōu)良的性質(zhì)和應(yīng)用,如作為食品工業(yè)的增稠劑、穩(wěn)定劑、膠凝劑和乳化劑使用[2-4];作為食用膜和涂層延長食品的保質(zhì)期[5-6];果膠及其復(fù)合材料可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)[7];據(jù)報道,果膠還具有保護(hù)胃、調(diào)節(jié)免疫力和抗腫瘤的特性[8-9]。橘子皮與蘋果果渣是工業(yè)制備果膠的主要原料,其產(chǎn)量和品質(zhì)會受氣候和植物病害等因素的影響,使果膠產(chǎn)量不穩(wěn)定[10]。同時人們對于植物性成分的需求不斷增加,果膠市場收入預(yù)計將從2019年的10億美元增加到2026年的18億美元,這促使人們尋找新的果膠原材料。

新疆杏是杏(PrunusarmeniacaL.)的亞品種群,是新疆主要種植的經(jīng)濟(jì)樹種之一。新疆杏栽培面積和產(chǎn)量均居全國前列,新疆是世界優(yōu)質(zhì)杏資源產(chǎn)地。據(jù)2018年統(tǒng)計,新疆杏樹栽培面積達(dá)11.13萬公頃,年產(chǎn)量達(dá)93.31萬噸[11],近年來已形成穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。其中吊干杏果實(shí)營養(yǎng)豐富,是新疆特色名優(yōu)果品,含有豐富的多糖、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、多種維生素及微量元素等;此外,吊干杏果實(shí)富含類胡蘿卜素、多酚、類黃酮等功能性成分,糖酸比適中,風(fēng)味獨(dú)特,近年來備受人們喜愛[12-15]。但吊干杏的采收多在高溫炎熱的6～7月份,果實(shí)采收后呼吸較活躍,導(dǎo)致鮮果易腐爛,難儲藏,鮮果在儲藏過程中損失率達(dá)20%～30%,在后續(xù)加工制干過程中繼續(xù)損失10%～15%[16],遠(yuǎn)高于西方發(fā)達(dá)國家。因此,近幾年關(guān)于新疆杏的研究多集中在儲藏保鮮方面[17-18],關(guān)于其化學(xué)成分的研究多集中在杏果實(shí)、種子,而關(guān)于其果肉的研究較少[19-20]。

因此,本實(shí)驗(yàn)以新疆杏特色品種吊干杏為研究對象,采用傳統(tǒng)酸法提取果膠,優(yōu)化了提取工藝,分析了提取果膠的理化性質(zhì),以期為開發(fā)新的果膠資源提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

吊干杏:采購于伊寧市農(nóng)四師農(nóng)貿(mào)市場,除去果核,在冷凍干燥機(jī)內(nèi)干燥 48 h,粉碎備用;咔唑、半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)品、果膠標(biāo)準(zhǔn)品:阿拉丁試劑(上海)有限公司;所有分離用有機(jī)溶劑(均為分析純):天津北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司。

DHG-9101恒溫烘箱 江蘇金儀儀器科技有限公司;雷磁自動電位滴定儀 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;LGJ-10N真空冷凍干燥機(jī) 北京亞星儀科科技發(fā)展有限公司;冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社;FT-IR光譜儀、UV-2550紫外可見分光光度計 日本島津公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 粗果膠提取工藝

將稱量好的樣品粉末分別溶解于一定料液比的蒸餾水中,用鹽酸調(diào)節(jié)溶液至一定pH,攪拌均勻后將溶液放置在一定溫度的熱水浴中,加熱一定時間,用300目尼龍布趁熱過濾,冷卻濾液至室溫,向冷卻濾液中加入其1.5倍體積的95%乙醇,待有沉淀物析出時,放入冰箱靜置過夜。過濾,得粗果膠,再將粗果膠用無水乙醇洗滌3～5次,于55 ℃烘干至恒重。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用稀鹽酸調(diào)節(jié)溶液的pH值,以溶液的pH值、提取時間、提取溫度、料液比為實(shí)驗(yàn)因素,在pH值為2、提取時間為45 min、提取溫度為80 ℃時,考察不同料液比(1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30,g/mL)的果膠提取率;在溫度為80 ℃、pH值為2、料液比1∶25 (g/mL)時,考察不同提取時間(30,45,60,75,90 min)的果膠提取率;在料液比為1∶25 (g/mL)、提取時間為45 min、pH值為2時,考察不同提取溫度(60,70,80,90,100 ℃)的果膠提取率:在料液比為1∶25 (g/mL)、提取溫度為80 ℃、提取時間為45 min時,考察不同提取溶液pH值(0.5,1.5,2.0,2.5,3.0)的果膠提取率。

1.2.3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,以吊干杏果膠提取率為指標(biāo),設(shè)計L9(34)正交實(shí)驗(yàn),以優(yōu)化吊干杏果膠的提取工藝。正交實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.2.4 果膠提取率的計算

1.2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

參照王文駿[21]的硫酸咔唑方法。在電子天平上精確稱量約0.100 0 g的半乳糖醛酸,將其溶解在100 mL蒸餾水中,得半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。移取上述標(biāo)準(zhǔn)溶液0.0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 mL于10 mL的容量瓶中,加水定容得質(zhì)量濃度分別為0,5,10,15,20,25,30 μg/mL的半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。取6支50 mL比色管,在比色管中分別加入1 mL不同濃度的上述半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液,再沿比色管壁緩慢加入6 mL的濃硫酸,小心混勻,于100 ℃水浴中加熱20 min,冷卻至常溫。最后向比色管中分別加入質(zhì)量濃度為0.15%的咔唑-乙醇溶液0.50 mL,輕輕搖勻,在暗處顯色60 min,在528 nm處測定半乳糖醛酸溶液的吸光度。以吸光度為縱坐標(biāo)(y),半乳糖醛酸質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(x),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線:y=0.182x-0.028 8,R2=0.996 8。

1.2.4.2 吊干杏果膠的測定及提取率的計算

用移液槍移取1 mL的吊干杏粗果膠提取液,加蒸餾水稀釋到合適的質(zhì)量濃度,按照“1.2.4.1”中方法顯色,測定吊干杏粗果膠的吸光度。依據(jù)“1.2.4.1”中標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出吊干杏果膠的提取率:

式中:P為果膠提取率,%;C為標(biāo)準(zhǔn)曲線方程得出的半乳糖醛酸溶液濃度,μg/mL;M為稱取吊干杏粉末的質(zhì)量,g;V為吊干杏粗果膠提取液體積,mL;K為粗果膠提取液的稀釋倍數(shù)。

1.2.5 吊干杏果膠的理化性質(zhì)

1.2.5.1 酯化度的測定

參照聶凌鴻等[22]的方法,利用下式計算吊干杏果膠的酯化度:

式中:V1為第一次NaOH溶液消耗的體積,mL;V2為第二次NaOH溶液消耗的體積,mL。

1.2.5.2 溶解度的測定

參照張顏[23]的方法,在天平上稱取吊干杏果膠約0.4 g,加入50 mL蒸餾水溶解并用0.1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為4.0,40 ℃下水浴30 min,抽濾,旋蒸至黏稠,放入烘箱中,105 ℃條件下烘至恒重,按照下式計算果膠溶解度:

1.2.5.3 果膠灰分含量的測定

參照GB 25533—2010標(biāo)準(zhǔn)[24]的方法計算灰分含量:

式中:X為灰分含量,%;m1為果膠樣品與坩堝質(zhì)量之和,g;m2為灰化的粗果膠與坩堝質(zhì)量之和,g;m0為吊干杏粗果膠質(zhì)量,g。

1.2.5.4 果膠酸不溶物的測定

將灰化后吊干杏粗果膠的殘渣置于50 mL的燒杯中,緩慢加入20 mL的鹽酸溶液,充分?jǐn)嚢杈鶆?于酒精燈上保持微沸5 min。用真空泵抽濾,用熱去離子水洗滌濾渣數(shù)次,直至濾液中檢測不到氯離子。將洗滌后的濾渣于105 ℃烘干至恒重,酸不溶物含量參照下式計算:

式中:W為果膠酸不溶物含量,%;m1為濾渣恒重質(zhì)量,g;m0為吊干杏粗果膠質(zhì)量,g。

1.2.5.5 果膠pH值的測定

首先計算處理新風(fēng)所需要的總冷量，再扣除冷凍水輸入的冷量，得到機(jī)組制冷系統(tǒng)和熱管熱回收產(chǎn)生的冷量，計算機(jī)組制冷性能系數(shù)。

參照GB 25533-2010標(biāo)準(zhǔn)[24]的方法測定。

1.2.5.6 果膠的純化

參照杭瑜瑜等[25]的測定方法,向吊干杏粗果膠中加入少量的無水乙醇潤濕,60 ℃溫度下磁力攪拌10 min左右。將攪拌后的吊干杏粗果膠溶液放入高速離心機(jī)中離心10 min,去上清液,將沉淀加入熱蒸餾水中溶解。將其放入3 500 Da的滲析袋中滲析24 h,取滲析袋中的液體,抽濾出多余的水分,取濾渣,冷凍干燥24 h,得吊干杏純化果膠。用瑪瑙研缽將其研碎,制成粉末,放入樣品袋中置于冰箱中冷凍保存,備用。

1.2.5.7 傅里葉變換紅外光譜測定

取質(zhì)量為0.100 g的溴化鉀粉末、吊干杏果膠粉末0.001 g,將二者在研缽中研磨均勻。將研磨好的混合物制成透明壓片,在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行光譜掃描,分析吊干杏果膠的紅外圖譜。

1.2.5.8 掃描電鏡測定

將吊干杏果膠放于雙面膠膠帶上并涂薄金層檢驗(yàn)粉末無磁性后,將其放到樣品臺的雙面膠上并涂薄金層,在一定的加速電壓下用掃描電鏡檢測其形貌特征,放大4 300倍。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次以上重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,采用Microsoft Excel 2010計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,Origin 21.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同pH值對吊干杏果膠提取率的影響

由圖1可知,吊干杏果膠的提取率隨著pH值的升高總體呈先升高后降低的趨勢,在pH值為1.5時果膠提取率最大,為6.7%,在pH值為2.5之后又下降,pH值為3.0時最低,提取率為2.2%。這是因?yàn)楣z是一種酸性多糖,在一定的pH值范圍內(nèi),溶液的酸性增強(qiáng)利于原果膠由不溶性轉(zhuǎn)化為可溶性,pH值過高時,會促進(jìn)果膠水解生成果膠酸,造成果膠提取率降低。所以,溶液最適合的pH值為1.5。

圖1 不同pH值對吊干杏果膠提取率的影響Fig.1 Effect of different pH values on the extraction rates of PDP

2.2 不同料液比對吊干杏果膠提取率的影響

由圖2可知,吊干杏果膠的提取率隨著料液比的增加先升高后降低,因?yàn)榱弦罕容^小時,溶劑量小,溶液密度較大,體系黏度大,不利于吊干杏中的果膠溶出,提取率較低;而當(dāng)料液比增加時,果膠可以更加容易地轉(zhuǎn)移至提取液中,提取率增大;當(dāng)料液比為1∶20、1∶25時,果膠提取率分別為7.9%、8.1%,相差較小,考慮料液比增大會耗時和增加成本,故選擇料液比為1∶20進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同料液比對吊干杏果膠提取率的影響Fig.2 Effect of different solid-liquid ratios on the extraction rates of PDP

2.3 不同提取溫度對吊干杏果膠提取率的影響

由圖3可知,隨著提取溫度的升高,果膠的提取率先升高后降低,當(dāng)溫度為80 ℃時,提取率最高,為10.2%,但當(dāng)提取溫度繼續(xù)升高時,果膠提取率反而下降,這是由于在一定溫度范圍內(nèi),提取溫度的升高可以增大果膠多糖的溶解度,加快傳質(zhì)速度,降低溶液中大分子的黏度系數(shù),從而提高果膠提取率;但太高的提取溫度會造成果膠分子中的糖苷鍵斷裂,降低溶液果膠的提取率,故提取溫度太高不適宜果膠的提取,而在80 ℃時提取率最高。

圖3 不同提取溫度對吊干杏果膠提取率的影響Fig.3 Effect of different extraction temperatures on the extraction rates of PDP

2.4 不同提取時間對吊干杏果膠提取率的影響

由圖4可知,提取時間在30～60 min時果膠提取率逐漸升高,在60 min時提取率最大,為8.4%,超過60 min提取率則迅速下降。這可能是由于時間太短未提取完全,未充分反應(yīng),時間太長會使果膠糖苷鍵發(fā)生裂解,從而降低了提取率。所以,最適合的提取時間為60 min。

圖4 不同提取時間對吊干杏果膠提取率的影響Fig.4 Effect of different extraction time on the extraction rates of PDP

2.5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知,4個因素對果膠提取率影響的主次順序是A>D>B>C,即pH值>料液比>提取溫度>提取時間。果膠提取的最佳工藝為A1B3C3D2,即最佳工藝條件為pH值1.5、提取溫度90 ℃、提取時間75 min、料液比1∶20。

表2 L9 (34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 L9 (34) orthogonal experiment results

2.6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知,此條件下工藝重現(xiàn)性較好,果膠的平均提取率為10.26%,果膠提取率較穩(wěn)定,且高于正交實(shí)驗(yàn)中的其他組合,因此該工藝條件為最佳工藝條件。

2.7 吊干杏果膠的理化性質(zhì)

由表3可知,與商品橘子皮果膠(commercial orange pectin,COR)相比,吊干杏果膠(PrunusarmeniacaL.cv.Diaogan pectin,PDP)的溶解度、灰分含量、酸不溶物含量、pH值差別不大,半乳糖醛酸含量低于COR,可能與果膠來源、提取方法、純化方法有關(guān);PDP的酯化度為43.72%(酯化度≤50%),初步判斷吊干杏粗果膠為低酯果膠。只要有高價金屬離子(多為Ca2+)參與,低酯果膠即可在溶液低糖或無糖條件下形成凝膠,可以用作低糖酸奶、果凍、果醬等食品的增稠劑[26]。

表3 吊干杏果膠的理化性質(zhì)Table 3 Physicochemical properties of PDP

2.8 吊干杏粗果膠紅外光譜

紅外光譜是研究物質(zhì)特征吸收峰的基本方法,由圖5可知,在4 000～500 cm-1之間PDP和COP紅外光譜圖特征吸收峰大致相同,表明本實(shí)驗(yàn)提取的吊干杏果膠為果膠多糖。 PDP和COP在3 436 cm-1附近出現(xiàn)的寬峰來自于分子內(nèi)和分子間的O-H伸縮振動,在2 929 cm-1處的弱峰是糖類的C-H (-CH、-CH2、-CH3)氫鍵伸縮引起的。1 650 cm-1和1 750 cm-1處的吸收峰分別為游離羧基官能團(tuán)(-COO-)和酯化羧基官能團(tuán)(-COOR)[27]。 這兩個羧基吸收峰是判斷果膠多糖的特征峰,根據(jù)其相對峰值計算的PDP的酯化度為41.39%,與化學(xué)方法測定結(jié)果基本一致。通常1 500 cm-1以下的吸收峰被認(rèn)為是果膠分子的“指紋區(qū)”,1 105 cm-1和 1 015 cm-1處的吸收峰代表C-C、C-O、C-CH 和 -OCH的振動[28],COP和PDP在“指紋區(qū)”的吸收峰不同表明兩種果膠多糖在結(jié)構(gòu)上存在差異。

圖5 果膠樣品 FT-IR 譜圖Fig.5 FT-IR spectra of pectin samples

2.9 吊干杏粗果膠掃描電鏡

COP和PDP微觀結(jié)構(gòu)見圖6,COP呈現(xiàn)為疏松且粗糙的片狀結(jié)構(gòu),而PDP呈現(xiàn)表面稍光滑的緊密塊狀結(jié)構(gòu),這與火龍果果膠的微觀結(jié)構(gòu)相似[29]。提取果膠原料、方法的不同會造成果膠酯化度、溶解度、分子量等理化性質(zhì)的不同,從而表現(xiàn)為果膠結(jié)構(gòu)形態(tài)上的差異。

圖6 果膠樣品的掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron microscopy of pectin samples

3 結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)中,酸提取吊干杏果膠的提取率隨著料液比、pH值、提取溫度、提取時間的增加先升高后降低,正交實(shí)驗(yàn)的最佳提取條件: 料液比為1∶20,pH值為1.5、提取溫度為90 ℃、提取時間為75 min,該條件下吊干杏果膠提取率為10.26%。所提取的果膠屬于低酯果膠,半乳糖醛酸含量(64.34%)低于對照橘子皮果膠。紅外光譜顯示吊干杏果膠具備果膠的特征吸收峰,掃描電鏡下吊干杏果膠的結(jié)構(gòu)不如商品橘子皮果膠疏松多孔。

與高酯果膠相比,低酯果膠膠凝時只需要Ca2+的參與,不需要較高的糖分含量,可以滿足人們對現(xiàn)代保健食品的低熱量需求,較適合在現(xiàn)代食品工業(yè)中開發(fā)為低糖果凍、果醬、酸奶等低糖保健產(chǎn)品。吊干杏果膠屬于低酯果膠,其凝膠性、乳化性、流變性等理化性質(zhì)值得進(jìn)一步研究。另外,實(shí)驗(yàn)對吊干杏果膠使用傳統(tǒng)鹽酸提取方法,后續(xù)實(shí)驗(yàn)將繼續(xù)探究吊干杏其他無機(jī)酸類及有機(jī)酸類提取方法,并輔以超聲、微波等技術(shù),以提高吊干杏果膠提取率,為新疆杏資源的開發(fā)利用提供參考。