蠶沙低甲氧基果膠的提取工藝研究

張睿姣，周　雯，呂　兵（江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫214122）

蠶沙低甲氧基果膠的提取工藝研究

張睿姣，周雯，呂兵*
（江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫214122）

采用酸萃取-鐵鹽沉淀法提取蠶沙低甲氧基果膠，通過單因素和正交實(shí)驗(yàn)確定最佳提取條件：用0.25%草酸水解，水解條件為：料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、85℃、60 min，沉淀?xiàng)l件為：pH3.5、鐵鹽濃度0.5%。采用該優(yōu)化工藝處理蠶沙，得到的果膠得率為5.21%。產(chǎn)品理化性質(zhì)分析結(jié)果表明，該優(yōu)化工藝提取的蠶沙果膠，其甲氧基含量5.62%，酯化度34.46%，半乳糖醛酸含量69.58%，品質(zhì)達(dá)到國標(biāo)要求。

蠶沙，果膠，鐵鹽沉淀，提取

果膠是一種線性植物多糖，主要由D-半乳糖醛酸構(gòu)成，分子量約5～30萬。按其酯化度（degree of esterification，DE）高低，可分為高甲氧基果膠（high methoxyl pectin，HMP，DE＞50%）和低甲氧基果膠（low methoxyl pectin，LMP，DE＜50%）。果膠作為穩(wěn)定劑、膠凝劑及增稠劑，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化工等行業(yè)中。全球果膠的年需求量約4萬噸，并以5%～10%的速度逐年增長，國內(nèi)年需求量約為3000噸，其中進(jìn)口果膠約占八成［1］。目前，商品果膠多為HMP，通常來源于植物組織，如柑橘皮、蘋果皮、甜菜渣等，而LMP主要由HMP脫酯所得，脫酯方法主要包括酶法、酸化乙醇法、堿化法和酰胺化法［2-4］。

蠶沙即蠶糞，家蠶不能吸收利用桑葉中的果膠，而由糞便中排出，因此蠶沙中含有一定量的果膠。蠶沙果膠是天然的低甲氧基果膠，其抗菌性好、實(shí)用性強(qiáng)，還可作為重金屬中毒的解毒劑［5-6］。我國干蠶沙年產(chǎn)量超過60萬噸，其成本低廉、來源豐富，是一種很好的潛在果膠來源［6-7］。目前，蠶沙果膠的提取多采用乙醇沉淀法，其工業(yè)化生產(chǎn)剛剛起步，生產(chǎn)中仍存在許多問題，如乙醇用量較大、產(chǎn)品灰分高、脫色難等［8］。因此，對蠶沙果膠提取工藝的優(yōu)化及其基本性質(zhì)的系統(tǒng)研究顯得尤為重要。本文采用酸萃取-鐵鹽沉淀法，嘗試從酸解、脫色和沉淀等環(huán)節(jié)入手，優(yōu)化蠶沙果膠提取工藝，以提高產(chǎn)品得率和品質(zhì)、降低成本。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

蠶沙江蘇南通海安大公鎮(zhèn)提供；鹽酸、草酸、硫酸、顆?；钚蕴俊彼?、氯化鐵、95%乙醇、無水乙醇、粒狀氫氧化鈉均為分析純。

DK-8D電熱恒溫水槽上海精宏設(shè)備有限公司；DUG-9203A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海精宏設(shè)備有限公司；RJ-TGL-16G-Ⅱ臺式高速離心機(jī)無錫市瑞江分析儀器有限公司；EL20pH計(jì)梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1工藝流程原料磨碎→滅酶→漂洗→脫色I(xiàn)→軟化→水洗壓干→酸解萃取→脫色I(xiàn)I→沉淀→洗滌→干燥

1.2.2操作要點(diǎn)滅酶：蠶沙中加入去離子水，加熱并保持微沸3～5 min，防止原果膠在天然果膠酶的作用下變?yōu)樗苄怨z，降低果膠得率。

漂洗：洗去灰塵、枝葉，初步除去色素和糖分等可溶性成分；可溶性果膠在漂洗過程中的損失可以忽略。

脫色I(xiàn)：加入85%～90%乙醇，用量為蠶沙∶乙醇= 1∶2（g/mL），40℃恒溫水浴3 h，重復(fù)3次。除去蠶沙中葉綠素、蛋白質(zhì)和脂肪等，濾渣用乙醇沖洗，少量多次，至濾液無色。

軟化：浸泡提取過葉綠素的蠶沙，過濾后靜置6 h以上，使之松軟。

水洗壓干：水洗，用紗布過濾至濾液無色后，將水分壓干，壓干后蠶沙質(zhì)量約為處理前的3倍。

酸解萃?。河?8%鹽酸調(diào)節(jié)酸解液pH，恒溫水浴并間歇攪拌。

脫色I(xiàn)I：加入活性炭并不斷攪拌，60℃恒溫水浴1 h，3000 r/min離心5 min，抽濾，濾液待用。

鐵鹽沉淀：用氨水調(diào)節(jié)濾液pH，細(xì)線狀加入FeCl3溶液（預(yù)先配制成20%的濃度）并緩慢攪拌，有大量絮狀沉淀產(chǎn)生，靜置時(shí)間＞6 h，抽濾。

洗滌干燥：將10%HCl緩慢加入至抽濾所得的果膠酸鐵沉淀中，用盡量少的鹽酸使沉淀完全溶解；加入95%乙醇并緩慢攪拌，使乙醇最終濃度＞70%，溶液中產(chǎn)生米黃色絮狀沉淀，靜置，待沉淀完全后抽濾；用95%乙醇及無水乙醇洗滌沉淀至濾液無色；55～60℃烘箱中干燥5 h，粉碎。

1.2.3單因素實(shí)驗(yàn)針對蠶沙果膠提取中的關(guān)鍵步驟：酸解萃取和鐵鹽沉淀，選取8個(gè)因素：酸的種類、料液比、酸解pH、酸解溫度、酸解時(shí)間、活性炭用量、沉淀pH、鐵鹽終濃度進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

1.2.3.1酸種類的確定精密稱取蠶沙20.00 g，在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH2.0、溫度85℃、時(shí)間60 min，脫色活性炭用量1 g/200 mL萃取液，沉淀?xiàng)l件為pH3.5、鐵鹽終濃度0.5%，考察不同酸的種類（0.25%鹽酸、0.25%草酸、0.25%硫酸）對果膠得率的影響；

1.2.3.2料液比的確定用0.25%草酸水解，在pH1.5、溫度85℃、時(shí)間60 min，脫色活性炭用量1 g/200 mL萃取液，沉淀?xiàng)l件為：pH3.5、鐵鹽終濃度0.5%的條件下，考察不同料液比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25 g/mL）對果膠得率的影響；

1.2.3.3酸解pH的確定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、溫度85℃、時(shí)間60 min，脫色活性炭用量1 g/200 mL萃取液，沉淀?xiàng)l件為：pH3.5、鐵鹽終濃度0.5%的條件下，考察不同酸解pH（1.0、1.5、2.0、2.5）對果膠得率的影響；

1.2.3.4酸解溫度的確定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、時(shí)間60 min，脫色活性炭用量1 g/200 mL萃取液，沉淀?xiàng)l件為：pH3.5、鐵鹽終濃度0.5%的條件下，考察不同酸解溫度（65、75、85、95℃）對果膠得率的影響；

1.2.3.5酸解時(shí)間的確定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5，溫度85℃、脫色活性炭用量1 g/200 mL萃取液，沉淀?xiàng)l件為：pH3.5、鐵鹽終濃度0.5%的條件下，考察不同酸解時(shí)間（30、60、90、120 min）對果膠得率的影響；

1.2.3.6活性炭用量的確定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、溫度85℃、時(shí)間60 min，沉淀?xiàng)l件為：pH3.5、鐵鹽終濃度0.5%的條件下，考察不同活性炭用量（0、0.5、1.0、1.5 g/200 mL萃取液）對果膠脫色的影響；

1.2.3.7沉淀pH的確定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、時(shí)間60 min、溫度85℃，鐵鹽終濃度0.5%的條件下，考察不同沉淀pH（3.0、3.5、4.0、4.5、5.0）對果膠得率的影響；

1.2.3.8鐵鹽終濃度的確定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、時(shí)間60 min、溫度85℃，沉淀pH3.5的條件下，考察不同鐵鹽終濃度（0.25%、0.50%、0.75%、1.00%）對果膠得率的影響。

上述每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，以確定各因素的適宜范圍。

1.2.4正交實(shí)驗(yàn)在上述單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。采用L9（34）正交表，對酸解液pH、酸解溫度、沉淀pH及鐵鹽終濃度四個(gè)因素進(jìn)行探討，以果膠得率為指標(biāo)優(yōu)化果膠提取條件。

表1　正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1　Orthogonal factors and levels table

1.2.5果膠得率測定果膠得率（%）=（提取的蠶沙果膠干重/蠶沙原料干重）×100。

1.2.6產(chǎn)品鑒別實(shí)驗(yàn)［9］

1.2.6.1取1 g樣品，加40 mL水，不斷攪拌，經(jīng)加熱后冷卻。

1.2.6.2取5 mL樣品溶液（1%），加入1 mL NaOH溶液（2 mol/L），靜置15 min。

1.2.6.3在1.2.6.2基礎(chǔ)上加入1 mL鹽酸溶液（1+1）。

1.2.7產(chǎn)品理化指標(biāo)依據(jù)GB25533-2010［9］和QB 2484-2000［10］中所述方法進(jìn)行測定。

1.2.8數(shù)據(jù)處理使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并作圖，使用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素影響及結(jié)果分析

圖1　酸的種類對果膠得率的影響Fig.1　Effect of type of acid on pectin yield

2.1.1酸的種類對果膠得率的影響由圖1可知，采用草酸酸解的得率高于鹽酸和硫酸。這可能是因?yàn)辂}酸和硫酸酸解太過劇烈，果膠分子降解，得率下降，也可能是因?yàn)椴菟釙镶}離子，釋放鈣結(jié)合型果膠，果膠得率相對較高，故選用草酸水解較為合適。

2.1.2料液比對果膠得率的影響由圖2可知，酸解過程中，若料液比過小，萃取不完全，并且萃取液黏度較大，增加過濾操作的難度，得率較低；若料液比過大，萃取液中果膠濃度過低，沉淀難度較大，得率下降，且酸和鐵鹽用量增多，能耗和成本相應(yīng)增加。因此，選擇料液比1∶20 g/mL較為合適。

圖2　料液比對果膠得率的影響Fig.2　Effect of solid-liquid on pectin yield

2.1.3酸解液pH對果膠得率的影響由圖3可知，酸解的目的是盡可能地促使原果膠向可溶性果膠轉(zhuǎn)化，同時(shí)減少果膠分子的降解。若酸解液pH過大，果膠水解較慢，導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長、成本增加；若酸解液pH過小，果膠分子脫酸裂解，果膠酯化度及凝膠強(qiáng)度下降，得率降低。因此，選擇酸解pH1.5左右為宜。

圖3　酸解液pH值對果膠得率的影響Fig.3　Effect of pH on pectin yield

2.1.4酸解時(shí)間對果膠得率的影響由圖4可知，酸解時(shí)間過短時(shí)，果膠未完全水解，得率較低；適當(dāng)延長酸解時(shí)間，能使果膠充分水解，但過長時(shí)間的酸萃取處理容易導(dǎo)致果膠水解過度，影響果膠品質(zhì)和得率。因此，酸解時(shí)間選擇60 min較為合適。

圖4　酸解時(shí)間對果膠得率的影響Fig.4　Effect of time on pectin yield

2.1.5酸解溫度對果膠得率的影響由圖5可知，萃取溫度過低會影響果膠水解速度，且過長時(shí)間的酸解處理會使果膠過度脫酯，得率較低；適當(dāng)?shù)厣邷囟瓤梢源龠M(jìn)果膠的水解，但果膠耐熱性差，過高的溫度會破壞其結(jié)構(gòu)，因此，酸解溫度選擇85℃為宜。

圖5　酸解溫度對果膠得率的影響Fig.5　Effect of temperature on pectin yield

2.1.6活性炭用量對果膠脫色的影響由表2可知，不同添加量的活性炭脫色處理后，果膠的色澤并無明顯差別，而殘留的活性炭顆粒又會增加果膠的灰分含量。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中活性炭脫色前的果膠的淺米灰色已可以接受，綜合考慮生產(chǎn)工藝的簡化及最終品質(zhì)，確定略去活性炭脫色步驟。

表2　活性炭用量對脫色結(jié)果的影響Table 2　Effect of activated carbon concentration on pectin extraction rate

2.1.7沉淀pH對果膠得率的影響由圖6可知，蠶沙中的果膠酸鈣在酸性條件下能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘墓z酸，其羧基能被NH3+中和，因此，先加入氨水使其形成銨鹽，再加入鐵鹽溶液，使之生成果膠酸鐵沉淀。果膠在其等電點(diǎn)pH3.5時(shí)，溶解度最小。當(dāng)沉淀pH＜3.5時(shí)，果膠酸鐵沉淀溶解，得率下降；當(dāng)沉淀pH＞3.5時(shí)，F(xiàn)e3+水解，生成氫氧化鐵沉淀，阻礙果膠酸鐵的形成，降低果膠得率，影響產(chǎn)品顏色。因此，選擇沉淀pH3.5較為合適。

圖6　沉淀pH對果膠得率的影響Fig.6　Effect of precipitation pH on pectin yield

2.1.8鐵鹽用量對果膠得率的影響由圖7可知，沉淀液中鐵鹽終濃度為0.5%時(shí)，果膠得率最高。若鐵鹽用量過少，果膠酸鐵無法完全沉淀，影響最終得率；若用量過多，產(chǎn)品中Fe3+含量增大，后期除鐵時(shí)的鹽酸用量增加，可能也會造成果膠的損失，使其得率下降。因此，鐵鹽用量以終濃度0.5%左右為宜。

圖7　鐵鹽用量對果膠得率的影響Fig.7　Effect of molysite concentration on pectin yield

2.2正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，各因素對蠶沙果膠得率的影響順序?yàn)锳＞B＞C＞D，蠶沙果膠提取工藝的最佳組合為A2B3C2D2，即酸解pH為1.5，酸解溫度85℃，沉淀pH3.5，鐵鹽終濃度0.5%，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，果膠得率可達(dá)5.21%±0.05%。由正交實(shí)驗(yàn)的方差分析（見表4）可知，酸解pH、酸解溫度、沉淀pH、鐵鹽終濃度四個(gè)因素對果膠得率的影響均十分顯著（p＜0.01）。

表3　正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table 3　Analysis of orthogonal test results

2.3產(chǎn)品性質(zhì)分析

2.3.1定性鑒別按1.2.6.1的方法處理，形成黏稠狀液體；按1.2.6.2的方法處理，形成不透明凝膠；按1.2.6.3的方法處理，形成無色凝膠，煮沸后生成絮狀沉淀。上述結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)提取得到的產(chǎn)品為果膠。

表4　正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 4　Variance analysis of orthogonal test results

2.3.2理化指標(biāo)結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)得到的低甲氧基果膠品質(zhì)達(dá)到國標(biāo)要求。

表5　理化指標(biāo)Table 5　Physicochemical indexes

3　結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上綜合得出，蠶沙果膠提取工藝的優(yōu)化條件為：用0.25%草酸酸解，水解條件為：料液比1∶20 g/mL、pH1.5、酸解時(shí)間60 min、酸解溫度85℃；沉淀pH3.5、鐵鹽用量約0.5%，在此條件下，蠶沙果膠得率為5.21%±0.05%。果膠樣品的理化指標(biāo)分析結(jié)果表明，由蠶沙果膠制備的低甲氧基果膠品質(zhì)達(dá)到國標(biāo)要求。由此可見，蠶沙是一種極具潛力的天然低甲氧基果膠來源。

［1］黃山三生緣生物技術(shù)有限公司.2013年中國果膠行業(yè)分析報(bào)告［R/EB］.http：//www.doc88.com/p-1068775107281.html，2013-3-29.

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［8］徐要學(xué).蠶沙中果膠的提?。跩］.化學(xué)世界，1989，5：230-232.

［9］GB25533-2010.食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑果膠［S］.

［10］QB2484-2000.食品添加劑果膠［S］.

Study on extraction of low methoxyl pectin from silkworm excrement

ZHANG Rui-jiao，ZHOU Wen，LV Bing*
（School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Pectins were extracted from silkworm excrement by means of acid extraction and then molysite precipitation.A single-factor experiment and an orthogonal test were used to optimize the production conditions.The optimal conditions for pectin production were determined to include extraction at pH1.7 and a solid-liquid ratio of 1∶20（g/mL）in oxalic acid solution for 60 min at 85℃，and precipitation with 0.5%molysite solution at pH3.5.Under optimal conditions，the extraction rate of the pectin was 5.21%，the methoxy content and the degree of esterification（DE）was 5.62%and 34.46%，respectively，and the total galacturonic acid content of the pectin was 69.58%.Thus，the quality of the pectin was absolutely acceptable.

silkworm excrement；pectin；molysite precipitation；extraction

TS202.3

B

1002-0306（2015）18-0267-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.18.015

2014－12－22

張睿姣（1992-），女，本科，研究方向：食品科學(xué)與工程，E-mail：1045839225@qq.com。

呂兵（1967-），女，博士，副教授，研究方向：食品加工，E-mail：lubing6709@163.com。