酸法提取條件對蘋果果膠理化特性的影響及機制

謝蔓莉，葉發(fā)銀， 雷琳， 趙國華,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400175)

果膠是一種非常重要的食品添加劑，可作為膠凝劑、增稠劑、穩(wěn)定劑和乳化劑等在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用[1]。最新的研究還證明，來自蘋果等的果膠還具有降血脂和抗癌等多種生理活性[2-3]。目前，全球果膠年需求量超過3萬t，年需求增長率約4%～5%[4]。果膠主要存在于植物細胞壁的初生壁和中膠層中，與纖維素、半纖維素及蛋白質(zhì)相連，對細胞壁起著軟化和黏合作用。因此，工業(yè)上主要利用植物性食品加工剩余物為原料生產(chǎn)果膠，諸如柑橘皮渣和蘋果皮渣。據(jù)報道，蘋果皮渣中含有占其干基質(zhì)量10%～15%的果膠[5]。中國是世界最大的蘋果種植國(2014年產(chǎn)量4 093萬t)以及蘋果汁生產(chǎn)國(2013產(chǎn)量104萬t)和出口國(2013年出口量2.6萬t)，由此而產(chǎn)生的大量蘋果皮渣(約為原料用量的20%)為果膠生產(chǎn)提供了豐富的原料[6]。利用蘋果皮渣高效制取蘋果果膠是其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，在這方面有大量的研究報道。蘋果果膠主要的制取方法是酸溶醇沉(簡稱酸法)，其研究的重點是通過樣品前處理、優(yōu)化酸溶條件、輔助物理場等手段盡可能提高蘋果果膠的提取率。但必須指出，在開發(fā)高品質(zhì)果膠制取方法時，在注重得率的同時還需要密切關(guān)注產(chǎn)品的質(zhì)量。因為提取條件會對蘋果果膠理化特性產(chǎn)生重要影響，并最終影響產(chǎn)品的生物活性和應(yīng)用性能[7]。但對此方面的影響往往不被重視，系統(tǒng)性的研究也很少。本文利用文獻資料揭示常規(guī)酸法提取條件以及其物理輔助方式對蘋果果膠理化特性的影響及機制。

1 常規(guī)酸法提取條件的影響及機制

通常，工業(yè)用高黏度果膠有較高的酯化度(degree of esterification，DE)(甲氧基含量約8%～12%)，平均分子質(zhì)量為105～3×105u，半乳糖醛酸(galacturonic acid，GalA)含量大于65%，酸法提取條件一般為pH 1.3～3，液料比15∶1～35∶1 (mL∶g)，溫度60～100℃，時間20～360 min[8-9]。酸法提取蘋果果膠的原理是將果皮細胞中的非水溶性原果膠在酸性溶液中轉(zhuǎn)化為可溶性果膠，其機理主要包括：(1)稀酸媒介能使果膠分子羧基與二價陽離子之間的鹽鍵打開，從而增加果膠的溶出度；(2)酸液能解離與果膠復合的蛋白質(zhì)、纖維素及半纖維素而使果膠釋放；(3)酸液可水解水不溶性大分子果膠的糖苷鍵(如阿拉伯呋喃糖苷鍵)，使果膠降解而溶出。溶解到酸液中的果膠通過過濾、沉淀和離心分離而獲得[10]。常用于提取蘋果果膠的酸主要有檸檬酸、HCl、HNO3、H3PO4和H2SO4等，其中檸檬酸最常用。酸種類及用量、液料比和提取溫度是酸法提取的關(guān)鍵控制條件。

1.1 酸種類及用量的影響

GalA含量是表征果膠純度的重要指標，且與果膠的凝膠強度密切相關(guān)，而中性糖(特別是鼠李糖)含量越高表示果膠鏈分支程度越大。酸法提取所使用酸的種類會對果膠中GalA和中性糖的含量及分布產(chǎn)生影響。與HCl及HNO3相比，檸檬酸對蘋果果膠的提取效率和產(chǎn)量更高[11-12]，但產(chǎn)品GalA 含量較低，中性糖含量和DE較高[13-14]。H2SO4可以很好地將原果膠轉(zhuǎn)化為可溶性果膠，但水解后硫酸根離子的去除非常困難[15]。在酸法提取中，提取液的pH是關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)當pH值相同時，果膠的提取率和酸的種類沒有關(guān)系[16]。酸法提取中降低提取液pH值可使更多的原果膠轉(zhuǎn)化為可溶性果膠而提升果膠的提取率(溶出果膠占原料中總果膠的質(zhì)量百分比)，但是低pH值的強酸(如HNO3和HCl)液易使果膠發(fā)生水解而增加后續(xù)醇沉的難度，從而降低產(chǎn)品的得率(提取物占原料的質(zhì)量百分比)。CANTERI-SCHEMIN等[17]對比酸種類對蘋果果膠提取的影響發(fā)現(xiàn)H3PO4和蘋果酸的得率最低；HNO3的得率不穩(wěn)定，波動較大；檸檬酸的果膠平均得率最高，且其更加經(jīng)濟、環(huán)保和安全。

1.2 液料比的影響

通常，經(jīng)濟高效的果膠酸法提取需要控制合適的液料比[18]。液料比的確定主要是平衡好以下2個方面：一是從果膠溶出的角度來看，在一定范圍內(nèi)增大液料比對提高果膠提取率是有利的，這主要在物料顆粒與提取液之間維持較高的果膠濃度差而利于提取所需傳質(zhì)；二是從酸的消耗、濃縮能耗和廢液處理的角度來看，增大液料比會大幅度提升果膠生產(chǎn)的成本[19]。因此，果膠提取的液料比不僅是一個技術(shù)實驗的結(jié)果，更是一個工業(yè)經(jīng)濟成本效益核算的結(jié)果。當然，液料比的確定與酸的種類、提取液的pH值和溫度等條件也密切相關(guān)。曲昊楊等[20]用HCl從蘋果皮渣中提取蘋果果膠的研究發(fā)現(xiàn)，當液料比為20∶1 (mL∶g)時，果膠得率最高(5.3%)；白麗娟等[21]在相似的研究中則發(fā)現(xiàn)液料比為14∶1 (mL∶g)時，果膠得率最高(4.2%)；而劉少陽等[22]用HNO3浸提蘋果果膠的研究則發(fā)現(xiàn),當液料比為30∶1 (mL∶g)時果膠提取率最高(8.5%)。雖然發(fā)現(xiàn)過高或過低的液料比都會導致果膠得率下降，但不同結(jié)果得到的最佳液料比仍存在巨大差異。這可能與蘋果原料的品種、原料中的果膠含量、果膠的物理化學特性等有關(guān)系。必須指出的是這些最佳液料比的確定僅考慮了產(chǎn)品得率并沒有對提取過程進行成本效益核算。

1.3 提取溫度的影響

與液料比類似，選擇合適的提取溫度(一般為50～80 ℃)對蘋果果膠的生產(chǎn)意義重大[18,23]。過低的提取溫度往往伴隨較低的果膠提取率，而過高的提取溫度會導致果膠發(fā)生嚴重的降解而影響產(chǎn)品得率和性能。在較低溫度內(nèi)提高溫度能提升果膠的提取率，其原因有3個：(1)溫度的提升使物料中果膠分子與其他分子之間的作用力減弱，使果膠分子更容易溶出；(2)溫度提升增加了果膠分子的運動動能，擴散移動能力增強；(3)溫度提升使含有溶出果膠的提取液的粘度降低，這便于果膠分子從物料顆粒向提取液遷移。過高的溫度使果膠提取得率下降的原因主要包括2個方面：一是當溫度提升至一定水平(50～80 ℃)時，果膠分子間的纏結(jié)體完全解體，物料顆粒內(nèi)果膠分子游離化以及含有果膠的提取液的黏度降低達到了極限，再提升溫度對果膠提取率的影響有限[24]；二是過高的溫度導致果膠發(fā)生部分水解，使其分子質(zhì)量和DE值降低，嚴重影響后續(xù)醇沉效率而降低果膠得率[14]。高溫導致果膠解聚主要屬于非酶反應(yīng)，包括β-消除和脫甲氧基化[25]。溫度愈高，這兩類反應(yīng)進行的速率越高。在果膠分子中，糖醛酸羧基的β-位(C-4)常與另外一分子糖殘基以1,4-糖苷鍵連接。如果糖醛酸殘基C-6上有甲氧基，提取液中的OH-會奪取β-位上的H，形成不穩(wěn)定的中間陰離子，進而引發(fā)上述1,4-糖苷鍵斷裂，同時在糖醛酸殘基C-4和C-5之間形成β雙鍵。這一反應(yīng)會導致果膠鏈斷裂而使其解聚。β-消除反應(yīng)的速率與果膠DE值和提取液的pH值有關(guān)。一般果膠的DE值越高，提取液的pH值越高，β-消除反應(yīng)的速率越快。有研究表明，β-消除也是果蔬受熱時組織軟化的主要原因之一[26]。脫甲氧基化是指高溫條件下果膠分子中甲酯化糖醛酸殘基向游離糖醛酸殘基的轉(zhuǎn)化，使果膠產(chǎn)品的DE值下降，同時引起產(chǎn)品凝膠特性(如鈣離子敏感性)的巨大變化[27-28]。

1.4 其他因素的影響

除上述因素之外，諸如原料中果膠的特性、物料的粒度等都會影響蘋果果膠的提取。果膠分子中的糖苷鍵如具備良好的耐酸性和耐熱性則會阻礙在酸性條件下果膠的定量解聚和非水溶性原果膠向水溶性果膠的轉(zhuǎn)化，使其提取率難以提升[29-30]。從酸水解過程中單糖的釋放率來看，果膠分子的單糖組成對其耐酸性具有明顯的影響。果膠分子單糖組成的耐酸性強弱順序為：半乳糖醛酸>鼠李糖>半乳糖>阿拉伯糖[31]。即果膠分子中半乳糖醛酸含量越高其耐酸性越強；相反，阿拉伯糖含量越高，果膠分子的耐酸性越差。耐酸性越高的果膠，在特定酸度提取液中的溶出度越低。此外，蘋果果膠的提取率與原料粒度大小有關(guān)。CANTERI-SCHEMIN等[17]發(fā)現(xiàn)，粉碎后的蘋果皮渣的果膠提取率(9.73%)明顯高于未粉碎者(6.13%)；進一步研究發(fā)現(xiàn)，平均粒度為106、150 和600 μm蘋果皮渣粉末用檸檬酸液提取時，蘋果果膠的得率分別約為14.9%，14.6%和13.7%。CANTERI-SCHEMIN等[17]的研究還發(fā)現(xiàn)，蘋果品種對其皮渣中果膠提取率的影響不顯著，但ROP等[32]發(fā)現(xiàn)不同品種來源的蘋果皮渣其果膠提取率有明顯差異。另外，果膠酶和不明雜質(zhì)的存在會降低果膠的DE值和純度[33]。

2 物理輔助方式的影響及機制

在傳統(tǒng)酸法提取蘋果果膠的基礎(chǔ)上，輔以不同的物理手段，如微波和超聲波，可提高果膠的提取效率，縮短提取時間，降低對提取劑的要求。但同時這些物理輔助手段會對獲得的蘋果果膠的分子質(zhì)量、DE值、中性糖組成等理化特性產(chǎn)生不同程度的影響。

2.1 微波輔助的影響及機制

微波輔助主要通過產(chǎn)生如下3種影響而提升提取率：(1)破壞薄壁細胞；(2)降低內(nèi)源性酶活性；(3)改變比表面積和吸水性。與傳統(tǒng)酸法提取相比，微波輔助能加快果膠溶出，同時減少溶劑使用量，縮短提取時間，最終降低成本并提高產(chǎn)量。微波輔助提取的蘋果果膠GalA、DE和分子質(zhì)量較高，果膠結(jié)構(gòu)更緊湊，質(zhì)量更好[5,34]。微波輔助提取過程的微波功率、pH、液料比和提取時間等也會影響果膠的理化特性。在一定范圍內(nèi)增大微波功率，會使提取體系具有更高的溫度而促使果膠溶出；同時，微波能鈍化果膠酯酶而使產(chǎn)品果膠的DE更高。但微波輔助功率過高會導致果膠降解，使產(chǎn)品的凝膠性能下降[35]。和普通酸法一樣，適度降低微波輔助酸法提取液的pH值有利于提升果膠的提取率，但過低的pH值會引發(fā)果膠水解，降低果膠得率[36]。在微波輔助下，溶劑水分子由于吸收微波能而更易滲入物料顆粒使其溶脹，從而使果膠溶出增加并提高提取率。而液料比過高會導致物料對微波能的吸收減少，這對果膠溶出的傳質(zhì)不利[37]。WANG等[38]用響應(yīng)面法優(yōu)化蘋果果膠微波輔助提取條件時發(fā)現(xiàn)，當微波功率為499.4 W，鹽酸液pH值為1.01，料液比值為0.069 (g∶mL)，提取時間為20.8 min，果膠得率最高(15.75%)；當料液比值低于0.069時，較高的提取液黏度會影響其過濾，進而降低果膠得率。此外，微波輔助方式對蘋果果膠提取也有顯著影響。SWAMY等[39]發(fā)現(xiàn),脈沖間歇式微波輔助比連續(xù)微波輔助能更好地平衡熱量和物質(zhì)傳遞過程，避免原料過度受熱，從而具有更高的果膠提取率。

微波輔助提取蘋果果膠主要基于以下兩個機理：(1)加強傳熱傳質(zhì)。微波輻射過程發(fā)生離子傳導和偶極旋轉(zhuǎn)，引起分子的高頻振動而產(chǎn)熱，使蘋果皮渣顆粒整體快速升溫并均勻受熱[40-41]。隨著溫度升高，蘋果皮渣顆粒內(nèi)部壓力增加，內(nèi)部水分在顆粒毛細管空隙中形成密集的蒸汽，從而改變顆粒的組織結(jié)構(gòu)特性并進一步提高提取液滲透率和擴散性[34]。同時，微波電磁輻射引發(fā)的振動使蘋果皮渣細胞壁基質(zhì)松動，增大了細胞壁透性，促進了提取液向物料的滲透和果膠的溶出，進而提高提取效率。但過高的微波輻射功率可能會導致溶劑和基質(zhì)分子獲得過多的能量，嚴重擾亂提取過程的分子間相互作用，并可能引起果膠降解而損害其提取率[36]。(2)改變分子結(jié)構(gòu)。在較低功率時，微波輻射不會導致聚合物分子降解，但會引起其構(gòu)象變化。如微波輻射引起蛋白質(zhì)分子高級結(jié)構(gòu)變化，使蛋白質(zhì)與果膠分子間的氫鍵斷裂，有利于果膠的分離和溶出。在較高功率時，微波輻射可能導致果膠分子降解，這一方面會加速其溶出，但會使其分子質(zhì)量和表觀黏度下降[42]。

2.2 超聲波輔助的影響及機制

在酸法提取過程中輔以超聲波，會影響所得蘋果果膠產(chǎn)品的平均分子質(zhì)量、分子質(zhì)量分布、單糖組成、流變學特性和光學特性等性質(zhì)，其影響幅度和超聲強度與處理時間等密切相關(guān)。超聲波可使蘋果皮渣組織細胞壁破碎而加速果膠溶出并縮短提取時間[43]。在一定范圍內(nèi)，隨超聲強度、提取時間和溫度的增加，果膠的提取率、平均分子質(zhì)量、GalA和總糖含量逐步提升[44]；過高的超聲功率會加劇果膠分子的β-消除反應(yīng)，使果膠的平均分子質(zhì)量和表觀黏度下降[45]。田玉霞等[46]發(fā)現(xiàn)，超聲輔助提取50 min的蘋果果膠得率(13.64%)，明顯高于傳統(tǒng)酸法90 min的得率(11.45%)，且前者獲得的果膠產(chǎn)品色澤更好、灰分更低、黏度更高，但二者的單糖組成基本相同。而WANG等[47]發(fā)現(xiàn)，利用超聲輔助能提高葡萄柚皮中果膠酸法提取的得率，但產(chǎn)品的黏度比未輔助者低(3%，0.612→0.489 Pa·s)，這可能是超聲引發(fā)了果膠分子降解的原因。SESHADRI等[48]發(fā)現(xiàn),蘋果果膠的凝膠速率隨超聲強度和處理時間的增加而降低，但形成的凝膠更透明。這從另一個方面證實了超聲可能引發(fā)果膠分子降解。和傳統(tǒng)酸法提取一樣，在一定范圍內(nèi)隨液料比的增大果膠提取率會增加，但液料比過高會導致提取體系超聲波能量密度減弱，從而使提取率有所降低[49]。當提取液pH值較高時，果膠分子易發(fā)生聚合而難以從組織中釋放和溶出[50]。MUOZ-ALMAGRO等[44]發(fā)現(xiàn)，超聲輔助HNO3和檸檬酸液提取獲得的蘋果果膠性質(zhì)差異不大。

超聲提升蘋果果膠的提取效率以及對蘋果果膠理化性質(zhì)的影響主要依據(jù)以下兩個機理：(1)加強傳熱傳質(zhì)。除和微波輔助一樣存在熱效應(yīng)之外，超聲輔助還存在空化效應(yīng)和機械效應(yīng)[51]。具體而言，熱效應(yīng)提高提取溫度，超聲空化在液體中形成局部熱點和微射流，產(chǎn)生強烈攪動等機械效應(yīng)。這些作用都有利于果膠分子從基質(zhì)材料向提取液的溶出。另外，微射流作用可使皮渣細胞壁破裂，增加細胞壁透性，產(chǎn)生和暴露新的萃取位點，加快果膠析出，并提高果膠純度和產(chǎn)量[52]。超聲過程中過高的溫度會引起果膠降解而超聲空化產(chǎn)生的局部高溫高壓誘發(fā)的自由基也可能引起果膠降解[53]。(2)聲化學作用。超聲波可以強化物料中果膠分子水合作用，從而能增加果膠的溶出效率[54]。另一方面，超聲可使與果膠復合的蛋白質(zhì)等解聚，也可能使果膠分子解聚增加其溶解性從而提高果膠的提取率。

3 結(jié)語

酸法提取對蘋果果膠理化特性的影響要綜合考慮多種因素，應(yīng)根據(jù)果膠的實際應(yīng)用選擇最適提取條件。微波和超聲輔助提取蘋果果膠技術(shù)，效率高，果膠品質(zhì)好，改善了傳統(tǒng)酸法提取的產(chǎn)量低和廢液處理耗能大等缺點。但目前所涉及的酸法提取條件對蘋果果膠理化特性的影響的報道很少，在以后的研究中應(yīng)注意以下幾點：(1)微波和超聲輔助提取蘋果果膠的現(xiàn)象與原理過于分裂，可以通過對蘋果果膠理化特性的影響分析，更加深入地解釋這2種技術(shù)的作用原理；(2)通過控制流變學特性和結(jié)構(gòu)組成等來獲得更加綠色健康的蘋果果膠，在不顯著改變食品質(zhì)量的條件下，開發(fā)其更多的潛在功效；(3)降低微波和超聲輔助提取技術(shù)的生產(chǎn)成本，使其在食品加工中應(yīng)用更廣?？傊?，酸法提取條件對蘋果果膠理化特性的影響是復雜的，還需要更多的研究來闡明兩者之間的關(guān)系及作用機制。