不同提取方法對山楂果膠多糖得率的影響

摘要：山楂中果膠含量豐富，為在提取過程中提高山楂果膠多糖得率，以山楂粉為原料，探究傳統(tǒng)水提法、酸法和超高壓輔助酸法3種方法對其果膠多糖得率的影響。采用單因素試驗、正交試驗和響應(yīng)面試驗研究了酸法和超高壓輔助酸法這兩種方法的最佳工藝條件。酸法在料液比1∶30、提取液pH值2.5、提取時間150 min、提取溫度90 ℃的條件下提取果膠多糖得率最高，超高壓輔助酸法在料液比1∶62、提取壓力450 MPa、保壓時間598 s的條件下提取果膠多糖得率最高。在最佳工藝條件下，酸法提取山楂果膠多糖得率為7.26%，超高壓輔助酸法提取山楂果膠多糖得率為10.23%，與傳統(tǒng)水提法相比，其得率分別提高了1.11%和4.08%。相比之下，超高壓輔助酸法比傳統(tǒng)水提法和酸法對提取山楂果膠多糖更有效，更好地提高了山楂產(chǎn)品的附加值。

關(guān)鍵詞：山楂果膠多糖；超高壓輔助酸法；響應(yīng)面；工藝優(yōu)化

中圖分類號：TS244.5""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""文章編號：1000-9973（2025）02-0229-07

Effect of Different Extraction Methods on Yield of Pectin

Polysaccharides from Hawthorn

LYU Di-hu¹， CHEN Jian-ying¹， YANG Chun^2*

（1.College of Food Science and Engineering， Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030801， China;

2.Shanxi Institute for Functional Food， Shanxi Agricultural University， Taiyuan 030001， China）

Abstract： Hawthorn is rich in pectin. In order to improve the yield of hawthorn pectin polysacharides， with hawthorn powder as the raw material， the effect of traditional water extraction method， acid method and ultra-high pressure assisted acid method on the yield of pectin polysacharides is studied. The optimum process conditions of acid method and ultra-high pressure assisted acid method are studied by single factor test， orthogonal test and response surface test. Under the conditions of solid-liquid ratio of 1∶30， extraction solution pH value of 2.5， extraction time of 150 min and extraction temperature of 90 ℃， the yield of pectin polysaccharides extracted by acid method is the highest. Under the conditions of solid-liquid ratio of 1∶62， extraction pressure of 450 MPa and pressure holding time of 598 s， the yield of pectin polysaccharides extracted by ultra-high pressure assisted acid method is the highest. Under the optimal process conditions， the yield of hawthorn pectin polysaccharides extracted by acid method is 7.26%， and the yield of hawthorn pectin polysaccharides extracted by ultra-high pressure assisted acid method is 10.23%. Compared with traditional water extraction method， the yield increases by 1.11% and 4.08% respectively. In contrast， ultra-high pressure assisted acid method is more effective than traditional water extraction method and acid method for the extraction of hawthorn pectin polysaccharides， and the added value of hawthorn products is better improved.

Key words： hawthorn pectin polysaccharides; ultra-high pressure assisted acid method; response surface; process optimization

山楂又名紅果、山里紅，屬于薔薇科山楂屬植物，是我國最受歡迎的水果之一。在我國，其種植范圍廣，主要分布在北方地區(qū)^[1]，如山西運城，河北唐山、保定，山東泰安、臨沂，遼寧鐵嶺等地都是山楂的重點產(chǎn)區(qū)。山楂不僅可以當(dāng)作水果食用，而且可以藥用，有消食、提神、增強(qiáng)食欲等功效^[2]。山楂中還含有豐富的生物活性物質(zhì)，如糖類、黃酮類、酚類、萜類、果膠、有機(jī)酸類等^[3]，其中果膠含量較高，達(dá)到6.4%，位居水果之首^[4]，以原果膠、果膠和果膠酸3種形態(tài)存在于果實組織中。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對健康飲食的要求越來越高，果膠這一具有多種功能且安全性較高的天然物質(zhì)在食品領(lǐng)域中的需求量越來越大，目前我國每年果膠的需求量很大，果膠廣泛用于各個行業(yè)，但80%依賴于國外進(jìn)口^[5]，因此，為盡可能地滿足我國果膠的使用量，進(jìn)一步探索果膠提取具有重要意義。

超高壓技術(shù)（UHP）最初用于物料殺菌，2004年吉林工業(yè)大學(xué)的Zhang等^[6]首次將該技術(shù)用于中藥提取，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)與其他傳統(tǒng)的提取技術(shù)相比，具有減少提取時間、提高得率等優(yōu)點，受到許多科研人員的關(guān)注。近些年來，該技術(shù)也逐漸用于黃酮、蛋白、多酚等生物活性物質(zhì)的提取過程，但用于提取果膠的研究較少，同時UHP與其他提取方式結(jié)合更是鮮有報道。本試驗以山楂粉為提取原料，采用傳統(tǒng)水提法、酸法和超高壓輔助酸法對果膠進(jìn)行提取，同時對其進(jìn)行優(yōu)化，為超高壓輔助提取山楂果膠以及其他天然產(chǎn)物提供一定的技術(shù)支持和參考價值。

1"材料與方法

1.1"材料與試劑

山楂：山西省太原市小店區(qū)南馬村;D-（+）-半乳糖醛酸、透析袋、間羥基聯(lián)苯（生物試劑）：上海源葉生物科技有限公司；四硼酸鈉（分析純）：北京索萊寶生物科技有限公司；檸檬酸、氫氧化鈉（均為分析純）：天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；氯仿、正丁醇、濃硫酸（均為分析純）：實驗室保存。

1.2"主要儀器與設(shè)備

Scientz-10YD/A型冷凍干燥機(jī)"寧波新芝凍干設(shè)備股份有限公司；DZKW-4型電子恒溫水浴鍋"北京中興偉業(yè)儀器有限公司；SHPP-8.8 L-600 MPa型超高壓設(shè)備"山西三水河科技股份有限公司；LXJ-ⅡB型低速大容量離心機(jī)"上海安亭科學(xué)儀器廠；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器"上海亞榮生化儀器廠。

1.3"試驗方法

1.3.1"鮮山楂原料預(yù)處理

將新鮮山楂擦凈，放入沸水中2 min后迅速取出冷卻（滅酶），然后去核、切碎，將原料均勻擺放在鐵盤中并于-40 ℃過夜冷凍，冷凍干燥后粉碎，置于密封袋內(nèi)，在冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2"提取山楂果膠多糖

1.3.2.1"傳統(tǒng)水提法提取山楂果膠多糖

根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]的方法并稍作修改，稱取一定量混勻的山楂粉，按1∶15的料液比加入蒸餾水，在90 ℃水浴鍋中浸提4 h。提取液離心，上清液進(jìn)行濃縮，將Sevage試劑按照1∶4的比例加入濃縮液中，置于振蕩器中搖晃20 min，隨后在室溫下靜置一段時間，離心，提取液重復(fù)2次上述脫蛋白步驟，透析，加入無水乙醇靜置10 h。離心，向沉淀物中加入適量的蒸餾水溶解，冷凍干燥，得到山楂果膠，稱重。

1.3.2.2"酸法提取山楂果膠多糖

稱取一定量混勻的山楂粉，按照料液比加入蒸餾水，用2 mol/L檸檬酸溶液調(diào)節(jié)pH值，充分搖勻，置于恒溫水浴鍋中提取一定時間。后續(xù)步驟參考1.3.2.1。

1.3.2.3"超高壓輔助酸法提取山楂果膠多糖

在酸法提取的基礎(chǔ)上，將提取液倒入相應(yīng)規(guī)格且耐抗壓的塑料瓶中，設(shè)置好一定的提取壓力和保壓時間進(jìn)行超高壓提取。后續(xù)步驟參考1.3.2.1。

1.3.3"酸法提取單因素試驗

分別研究不同料液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50）、提取液pH值（1.0，1.5，2.0，2.5，3.0）、提取時間（30，60，90，120，150 min）和提取溫度（75，80，85，90，95 ℃）對山楂果膠多糖得率的影響。

1.3.4"酸法提取正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，確定4個影響因素的水平，按L₉（3⁴）設(shè)計正交試驗，因素水平見表1。

1.3.5"超高壓輔助酸法提取單因素試驗

基于酸法提取山楂果膠多糖優(yōu)化的參數(shù)，確定提取液pH值和提取溫度，分別研究不同料液比（1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70）、提取壓力（300，350，400，450，500 MPa）和保壓時間（420，480，540，600，660 s）對山楂果膠多糖得率的影響。

1.3.6"超高壓輔助酸法提取響應(yīng)面試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，采用三因素三水平響應(yīng)面分析法優(yōu)化山楂果膠多糖提取工藝，以山楂果膠多糖得率為響應(yīng)值，料液比（A′）、提取壓力（B′）、保壓時間（C′）3個因素為變量。響應(yīng)面試驗因素水平見表2。

1.3.7"D-（+）-半乳糖醛酸含量的測定

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，采用間羥基聯(lián)苯法測定半乳糖醛酸含量。得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.008 2x+0.057 8，相關(guān)系數(shù)R² =0.999 8，見圖1。

1.3.8"果膠多糖得率的計算

稱取山楂果膠多糖樣品0.001 0 g，用蒸餾水定容至10 mL，取1.0 mL 0.1 mg/mL樣品溶液于20 mL具塞試管中。后續(xù)按照標(biāo)準(zhǔn)曲線操作步驟測定吸光度值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算果膠多糖含量，果膠多糖得率按下公式計算：

X=m₁×Cm。

式中：X為樣品果膠多糖得率，%；m為原料的質(zhì)量，g；m₁為提取所得果膠多糖的質(zhì)量，g；C為依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線所得濃度計算出的D-（+）-半乳糖醛酸含量，%。

1.4"數(shù)據(jù)處理

所有試驗均重復(fù)3次，使用Excel 2016和SPSS 27.0軟件對單因素試驗和正交試驗結(jié)果進(jìn)行分析，使用Origin 2022軟件進(jìn)行繪圖，使用Design-Expert 12軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗優(yōu)化設(shè)計和結(jié)果分析。

2"結(jié)果與分析

2.1"酸法提取山楂果膠多糖

2.1.1"單因素試驗結(jié)果分析

不同料液比對山楂果膠多糖得率的影響見圖2中A。由圖2中A可知，當(dāng)料液比為1∶20時，山楂果膠多糖得率達(dá)到最高值，為（7.98±0.02）%。當(dāng)料液比高于1∶20時，隨著濃度的減小，果膠多糖得率不斷增加，這是由于料液比較大時，溶液太少，使得山楂粉不能充分地被浸濕，難以混勻，從而導(dǎo)致得率較低；當(dāng)料液比低于1∶20時，果膠多糖得率隨著濃度的減小呈下降趨勢，這可能是因為溶液濃度太稀不能保證果膠多糖膠質(zhì)部分完全溶于溶液中，醇沉不能完全析出，造成提取不徹底，得率降低^[9-10]；也可能是因為體系內(nèi)外不存在濃度差，達(dá)到飽和平衡狀態(tài)，溶液的酸度使得部分果膠多糖發(fā)生降解，致使山楂果膠多糖得率降低^[11]。

不同提取液pH值對山楂果膠得率的影響見圖2中B。由圖2中B可知，當(dāng)提取液pH值為2.0時，山楂果膠多糖得率達(dá)到最大值，為（6.21±0.04）%。隨著提取液pH值從2.0下降到1.0，山楂果膠多糖得率較緩慢地降低，這可能是因為過低的提取液pH值使得果膠結(jié)構(gòu)降解，影響果膠在醇沉階段的析出效果，從而使果膠多糖得率偏低^[12]；當(dāng)提取液pH值從2.0上升到3.0時，山楂果膠多糖得率下降速率較快，這可能是因為提取液pH值的增加意味著氫離子濃度的降低，影響酯鍵和氫鍵的斷裂，降低擴(kuò)散速率和果膠得率^[13]。

不同提取時間對山楂果膠得率的影響見圖2中C。由圖2中C可知，當(dāng)提取時間為120 min時，山楂果膠多糖得率最高，為（6.75±0.04）%。隨著提取時間不斷延長，果膠多糖逐漸轉(zhuǎn)化為水溶性果膠，果膠多糖得率不斷增加；當(dāng)提取時間超過2 h后，果膠多糖鏈分子降解，果膠多糖得率降低^[14]。

不同提取溫度對山楂果膠得率的影響見圖2中D。由圖2中D可知，山楂果膠多糖得率隨著提取溫度的升高呈上升趨勢，這是因為不斷地加熱會增強(qiáng)對細(xì)胞壁的破壞程度，從而使溶劑和果膠提取物從原料基質(zhì)中擴(kuò)散出來^[15]，但提取溫度過高會使提取出的果膠顏色偏深，品質(zhì)受到一定影響。

2.1.2"正交試驗結(jié)果分析

酸法提取山楂果膠多糖的正交試驗設(shè)計與結(jié)果極差分析見表3，正交試驗結(jié)果方差分析見表4。

由表3可知，4個因素的影響順序為Agt;Cgt;Dgt;B，即料液比gt;提取時間gt;提取溫度gt;提取液pH值，該順序與表4中F值分析結(jié)果一致。

2.1.3"最優(yōu)工藝驗證

由表3可知，酸法提取山楂果膠多糖的最優(yōu)工藝組合為料液比1∶30、提取液pH值2.5、提取時間150 min、提取溫度90 ℃。以此條件進(jìn)行3次驗證試驗，測得山楂果膠多糖得率為（7.26±0.34）%，高于正交試驗中的所有組合，因此該組合為最優(yōu)工藝條件。

2.2"超高壓輔助酸法提取山楂果膠多糖

2.2.1"單因素試驗結(jié)果分析

由圖3可知，不同料液比、提取壓力和保壓時間下對山楂果膠多糖得率的變化趨勢均一致，均先上升到最大值后開始下降。

由圖3中A可知，果膠多糖得率在料液比為1∶60時達(dá)到最大值（7.85±0.29）%，原因可能是在料液比較大的條件下，提取溶劑量少，使得提取液的黏度大，原料易結(jié)塊，果膠很難從原料內(nèi)部完全轉(zhuǎn)移出來，導(dǎo)致得率偏低；繼續(xù)增加料液比至1∶70，得率略有下降，但兩者差異不顯著。出現(xiàn)該趨勢的原因可能是在料液比減小的條件下，果膠得率略微下降，由于溶劑增大，搖晃過程中會有部分原料粉末黏在瓶口處，致使這部分原料中的果膠多糖沒有完全被提取出來，有少量損失。

由圖3中B可知，隨著提取壓力從300 MPa增加到400 MPa，果膠多糖得率顯著上升，在400 MPa時達(dá)到最大值（8.73±0.30）%，說明增加壓力有助于果膠多糖的提取，這與參考文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)果一致，原因可能是增加壓力會破壞細(xì)胞壁，可能導(dǎo)致溶質(zhì)傳質(zhì)速率增加^[17]；繼續(xù)增加提取壓力至500 MPa，得率顯著下降。出現(xiàn)該趨勢的原因可能是較高的壓力改變了細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)阻礙了果膠多糖的釋放^[18]，同時釋放出了其他雜質(zhì)^[19-20]，導(dǎo)致果膠多糖得率降低。

由圖3中C可知，隨著保壓時間從420 s增加到540 s果膠多糖得率顯著升高，在540 s時達(dá)到最大值（10.48±0.31）%，原因可能是細(xì)胞完全裂解需要一定的時間，時間延長促使更多的細(xì)胞破裂，使得山楂果膠多糖得率升高；繼續(xù)延長時間至660 s，果膠多糖得率顯著下降，該趨勢與參考文獻(xiàn)[21-22]的研究結(jié)果一致，造成果膠多糖得率下降的原因可能是細(xì)胞內(nèi)外已達(dá)到平衡狀態(tài)，保壓時間的延長會使已經(jīng)提取出的山楂果膠多糖黏附在山楂顆粒表面，造成提取效率降低^[21]；也可能是在一定的壓力下，保壓時間超過山楂果膠多糖的耐受時間后，其結(jié)構(gòu)被破壞，使得山楂果膠多糖得率下降^[23]。

2.2.2"響應(yīng)面試驗結(jié)果分析

2.2.2.1"響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

在上述單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，確定了三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，以山楂果膠多糖得率為響應(yīng)值建立數(shù)學(xué)模型，響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果見表5。

2.2.2.2"建立回歸模型及方差分析

利用Design-Expert 12軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項式擬合分析，得到二次多項式回歸方程：Y=9.39+0.660 7A′+0.186 6B′+0.486 9C′-0.015 4A′B′-0.284 4A′C′+0.042 9B′C′-1.16A′²+0.250 4B′²-0.086 9C′²。

響應(yīng)面試驗結(jié)果方差分析見表6。

由表6可知，模型達(dá)到極顯著水平，而失擬項不顯著，表明該模型能夠較好地預(yù)測出山楂果膠多糖得率。由二次各項式回歸模型計算得到的決定系數(shù)R²=0.995 8，調(diào)整相關(guān)系數(shù)R_Adj²=0.990 5，說明回歸模型較好地擬合了系統(tǒng)的真實行為，99.05%的響應(yīng)值可以通過該模型來解釋，具有較高的擬合度。A′、B′、C′、A′C′和二次項A′²、B′²均極顯著（Plt;0.01），其他各項系數(shù)（A′B′、B′C′、C′²）均無統(tǒng)計學(xué)意義（Pgt;0.05）。變異系數(shù)的大小表明試驗數(shù)據(jù)的可靠程度，該數(shù)據(jù)越小，說明精確度越高，試驗的可靠性越強(qiáng)^[24]。在該試驗中，變異系數(shù)（C.V.）為0.945 3%，表明試驗數(shù)據(jù)誤差較小。

2.2.2.3"各因素交互作用分析

料液比和提取壓力、料液比和保壓時間、提取壓力和保壓時間這3組因素之間存在兩兩交互作用，其對山楂果膠多糖得率影響的響應(yīng)曲面見圖4。

由圖4可知，料液比和保壓時間的交互作用對山楂果膠得率的影響最顯著，這與表5分析結(jié)果一致。

2.2.3"最優(yōu)工藝驗證

由響應(yīng)面分析可知，超高壓輔助酸法提取山楂果膠多糖的最佳工藝條件為料液比1∶61.890、提取壓力449.973 MPa、保壓時間597.860 s?？紤]實際可操作性，將最佳條件修改為料液比1∶62、提取壓力450 MPa、保壓時間598 s進(jìn)行3次重復(fù)驗證試驗。此時山楂果膠多糖得率為10.23%，與模型預(yù)測值（10.29%）基本吻合。結(jié)果表明，該模型在研究條件范圍內(nèi)能夠準(zhǔn)確、充分地預(yù)測山楂果膠多糖的提取工藝條件。

3"結(jié)論

本試驗采用傳統(tǒng)水提法、酸法和超高壓輔助酸法對山楂果膠多糖進(jìn)行提取，并對酸法和超高壓輔助酸法進(jìn)行工藝優(yōu)化，同時對山楂果膠多糖得率進(jìn)行比較，根據(jù)最佳工藝條件驗證試驗可知，超高壓輔助酸法與傳統(tǒng)水提法和酸法相比，其山楂果膠多糖得率分別提高了1.7倍左右和1.4倍左右，表明山楂果膠多糖采用超高壓輔助酸法提取更高效，為超高壓輔助酸法提取其他天然產(chǎn)物奠定了良好的基礎(chǔ)，進(jìn)一步完善了提取天然產(chǎn)物的研究方法和思路，同時豐富了國內(nèi)生產(chǎn)果膠的途徑，為工業(yè)上生產(chǎn)果膠提供了良好的依據(jù)，也提高了山楂的綜合利用率。

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