酸法和酶法提取滇刺棗果膠的工藝

付雙超，李冠男，趙欣宇，劉璐*

煙臺南山學(xué)院健康學(xué)院（煙臺 265713）

滇刺棗（學(xué)名：Ziziphus mauritianaLam.），是一種熱帶水果，外形與蘋果非常相似，其味道兼顧梨子和蘋果的特點，甜脆可口。滇刺棗起源于云南，在四川、廣東、廣西等地也廣泛分布。近幾年迅速在臺灣發(fā)展，種植面積不斷擴(kuò)大，大部分產(chǎn)品由臺灣運往大陸，因此市場多稱其為臺灣大棗，青棗等。滇刺棗果大，脆甜可口，含水量多，富含營養(yǎng)物質(zhì)。其中碳水化合物含量最高，同時含有粗蛋白，且有種類豐富的維生素存在，除此以外多種微量元素和人體所需多種礦物質(zhì)，其中的一些微量元素對于人體的生命活動必不可少，因此經(jīng)常食用滇刺棗能夠滿足人體健康的需求。

果膠本質(zhì)上是一組聚半乳糖醛酸。1824年，法國藥劑師Bracennot首次從胡蘿卜中提取得到，并將其命名為pectin[1]。研究發(fā)現(xiàn)，果膠是高等植物中細(xì)胞壁中重要組成成分，屬于陰離子型聚電解質(zhì)和酸性多糖。果膠物質(zhì)糖醛酸殘基上可以是游離的，也能以鈉鹽、鉀鹽、銨鹽等形式或以甲酯化形式存在[2-3]。它具有良好的凝膠、增稠、穩(wěn)定等性能，常應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、紡織等行業(yè)[4]。

滇刺棗與酸棗仁時而難以區(qū)分，關(guān)于滇刺棗的研究文獻(xiàn)不多，有關(guān)滇棗仁的研究多為與酸棗仁進(jìn)行比較分析及鑒別[5]。國內(nèi)對于提取滇刺棗果膠的研究較少，研究主要集中在滇刺棗的藥用價值分析。如郭盛等[6]研究發(fā)現(xiàn)，滇刺棗干燥成熟種子在云南及其周邊地區(qū)常作為地方慣用藥材，功能與酸棗仁相一致；該研究還發(fā)現(xiàn)，滇刺棗樹皮及果實在產(chǎn)地常作藥用，具有清熱止痛，收斂止瀉功效。沈瑞芳等[7]研究發(fā)現(xiàn)其果實味甘、酸，食用后能調(diào)心腎交接，久服令人目清延年。

果膠被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、紡織等行業(yè)，也在減肥、防癌抗癌、養(yǎng)生保健等方面有著巨大的食用藥用價值[8]。研究發(fā)現(xiàn)，果膠具有降血糖、血脂等作用，可用于制作防治糖尿病、肥胖病、高血脂等疾病的藥物[9]。果膠物質(zhì)廣泛存在于植物中，尤其是水果、蔬菜中較多，如蘋果、橘皮、柚皮、檸檬和向日葵花盤等均是提取果膠的重要原料[10]。果膠常用的提取方法有酸水解法、離子交換樹脂提取法、酶提取法、微波輔助提取法，其中應(yīng)用最廣泛的是酸水解提取果膠法[11]。果膠有著非常大的消費市場，據(jù)不完全統(tǒng)計，中國對果膠的需求量很大，但供給量卻尤為不足[12]。因此，提高國內(nèi)果膠產(chǎn)量十分必要。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

滇刺棗（市售）；無水乙醇；95%乙醇；80%乙醇；1 mol/L檸檬酸溶液；1 mol/L氫氧化鈉溶液；纖維素酶（酶活力50 000 U/g）；蒸餾水。

1.1.2 儀器與設(shè)備

DSY-9002戴生高速萬碎機(jī)（永康市九順瑩商貿(mào)有限公司）；MP10001電子天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）；FA2004精密電子天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋（上海梅香儀器有限公司）；9246MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博訊實業(yè)有限責(zé)任公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 基本工藝流程

1.2.1.1 酸水解法

原料預(yù)處理→酸提→醇沉→干燥→稱量→計算

1.2.1.2 纖維素酶法

原料預(yù)處理→加酶→醇沉→干燥→稱量→計算

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 酸水解法

1.2.2.1.1 原料預(yù)處理

將新鮮大棗去核，破碎制成果渣，加熱到90～95℃保溫10 min滅果膠酶酶活，用50 ℃熱水漂洗滅酶后的樣品，洗至沒有顏色為止，并且沒有異味，反復(fù)用蒸餾水清洗幾次洗去可溶性糖，每次漂洗都要用紗布擠干再進(jìn)行下一次漂洗，洗完放入烘箱中烘干，粉碎后得到滇刺棗原料。

1.2.2.1.2 酸提

稱取經(jīng)預(yù)處理的適量滇刺棗粉，用檸檬酸調(diào)節(jié)pH，加熱至適宜酸水解的溫度，在恒溫水浴中水解一段時間，水解期間不斷攪動。將紗布對折2次，趁熱用紗布過濾，收集濾液為原濾液，量取體積。

1.2.2.1.3 醇沉

濾液冷卻后，用氫氧化鈉溶液調(diào)pH 3.5～4.0，量取1.5倍原濾液體積的乙醇，在不斷攪拌下緩緩加入95%乙醇，一邊緩緩加入，一邊逐漸發(fā)現(xiàn)絮狀沉淀物大量析出，靜置一段時間后，用紗布過濾得濕果膠。

1.2.2.1.4 干燥

將濕果膠轉(zhuǎn)移于100 mL小燒杯中，加入一定量無水乙醇用于濕果膠洗滌，過濾，迅速擠干，將脫水的果膠攤開，在烘箱中以60～70 ℃溫度干燥0.5 h，得到干果膠。

1.2.2.2 纖維素酶法

1.2.2.2.1 原料處理

纖維素酶法中原料處理步驟與酸水解法原料處理步驟相同。

1.2.2.2.2 加酶提取

稱取適量滇刺棗粉末，加入一定量蒸餾水，調(diào)節(jié)pH 4.5，加入一定濃度纖維素酶，在適當(dāng)溫度下酶解一段時間。用紗布進(jìn)行過濾，得到原濾液并量取原濾液體積。

1.2.2.2.3 果膠沉淀

按一定比例加入原濾液1.5倍體積的95%乙醇，使沉淀析出，靜置一定時間，過濾，所得的果膠用80%乙醇清洗，用95%乙醇脫水。

1.2.2.2.4 干燥

將濕果膠轉(zhuǎn)移于100 mL小燒杯中，加入一定量無水乙醇用于濕果膠洗滌，過濾，弄干之后，將脫水的果膠放入表面皿中攤開，在烘箱中以60～70 ℃溫度干燥0.5 h，得到干果膠。

1.2.3 酸水解法提取果膠單因素試驗

影響酸水解法提取果膠的因素主要有pH、提取溫度和提取時間3個因素，對這3個因素進(jìn)行單因素試驗。

確定初始提取條件。取1 g滇刺棗粉，按料液比1︰10（g/mL）加入檸檬酸，調(diào)節(jié)pH 2.0，在85 ℃下水解80 min，考察不同pH（1.0，1.5，2.0，2.5和3.0）、溫度（75，80，85，90和95 ℃）、水解時間（40，60，80，100和120 min）對提取率的影響。

1.2.4 纖維素酶法提取果膠單因素試驗

影響纖維素法提取果膠的因素主要有纖維素酶添加量、提取溫度和提取時間3個因素，對這3個因素進(jìn)行單因素試驗。

確定初始提取條件。取1 g滇刺棗粉，在45 ℃下纖維素酶添加量3.0%的溶液中酶解3 h，考察不同纖維素酶法酶的添加量（1%，2%，3%，4%和5%），溫度（35，40，45，50和55 ℃），時間（1，2，3，4和5 h）對提取率的影響。

1.2.5 酸水解法的正交試驗

由單因素試驗可知，pH、水解時間和水解溫度這3個因素對產(chǎn)品有影響，以這3個因素進(jìn)行L9(33)正交試驗。利用酸水解，確定最佳提取工藝，見表1。

表1 酸法L9(33)正交試驗因素水平

1.2.6 纖維素酶法的正交試驗

由單因素試驗可知，加酶量、提取溫度和提取時間這3個因素對產(chǎn)品有影響，以這3個因素進(jìn)行L9(33)正交試驗。確定最佳工藝條件，見表2。

表2 酶法L9(33)正交試驗因素水平

1.2.7 計算方法

2 結(jié)果與分析

2.1 酸水解法的單因素試驗

2.1.1 pH單因素試驗結(jié)果由圖1可知，pH 1～2時，果膠提取量增大，pH＞2時，果膠提取量逐步減小。因此，選取最適pH 2，此時得到最大提取量。原理是酸度太大時，原果膠水解程度大，果膠脫酯降解，導(dǎo)致果膠提取率低；pH＞2時，破壞果膠穩(wěn)定性，果膠易于水解成果膠酸，導(dǎo)致果膠提取提取率下降。任秋慧等[13]采用酸法提取蘋果渣中果膠，結(jié)論與試驗結(jié)果一致。

圖1 不同提取pH對果膠提取率的影響

2.1.2 水解溫度的單因素試驗結(jié)果

由圖2可知，隨著溫度增大，果膠提取率先上升后增長放緩，溫度達(dá)到90 ℃時，果膠提取率最大；溫度超過90 ℃時，果膠提取量很快減小。原因是剛開始溫度較低，原果膠水解程度低，溫度高于90 ℃，果膠耐熱性很差，水解過程太過劇烈后，果膠發(fā)生一部分降解，從而果膠提取量減少，提取率迅速降低。戴余軍等[14]通過酸解醇沉法提取柑橘皮果膠，分析浸提溫度低和浸提溫度過高的情況，結(jié)論均與試驗結(jié)果一致。

圖2 不同水解溫度對果膠提取率的影響

2.1.3 水解時間的單因素試驗結(jié)果

由圖3可知，隨著時間延長，提取出的果膠緩慢增多，80 min時達(dá)到最大，此后果膠提取量迅速下降，一開始下降較快，后來減緩。水解時間小于80 min，原果膠會發(fā)生不完全水解；水解時間大于80 min，會造成果膠的熱解反應(yīng)，果膠提取率降低。戴余軍等[14]利用酸解法柑橘皮中果膠進(jìn)行提取發(fā)現(xiàn)，浸提時間過短，原果膠水解程度較低，浸提時間過長，果膠降解越多，結(jié)論均與試驗結(jié)果一致。

2.2 纖維素酶法的單因素試驗

2.2.1 加酶量的單因素試驗結(jié)果由圖4可知，加酶量2%～3%時，果膠提取率隨著加酶量增加而增大，加酶量3%時果膠提取率達(dá)到最大；加酶量超過3%，果膠提取率緩慢減小。分析原因為，加酶量太小時，纖維素酶解不完全，增加纖維素酶用量時，會引入其他雜酶，也有可能是隨著纖維素用量增多，使酶附著在一起降低酶的活性，部分果膠水解從而影響果膠提取率。趙廣河等[15]對提取香蕉皮中的果膠開展酸法和酶法的研究，結(jié)論均與試驗結(jié)果一致。

圖3 不同水解時間對果膠提取率的影響

圖4 不同加酶量對果膠提取率的影響

2.2.2 提取溫度的單因素試驗結(jié)果

由圖5可知，溫度為30～40 ℃時，果膠提取率先緩慢增加，溫度為40～50 ℃時，果膠提取率增長較快，溫度為50 ℃時果膠提取率達(dá)到最大。溫度大于50 ℃，果膠提取率先緩慢降低，而后迅速降低。分析原因，隨著溫度升高，纖維素酶的活性逐漸升高，最終達(dá)到最適溫度，得出最高果膠提取率，超過最適溫度時，纖維素酶會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)改變，發(fā)生變形導(dǎo)致酶失活，使得果膠提取率迅速降低。王慧[16]采用酶法制備甘薯中果膠，結(jié)論均與試驗結(jié)果一致。

圖5 不同提取溫度對果膠提取率的影響

2.2.3 提取時間的單因素試驗結(jié)果

由圖6可知，隨著時間延長，果膠提取率緩慢增加，時間3 h時達(dá)到最大提取率，而后又緩慢下降。分析原因是，隨著時間延長，纖維素酶活性緩慢顯現(xiàn)，水解完全得到最大果膠溶出率，而繼續(xù)延長時間，纖維素酶制劑中的雜酶可能水解果膠，也可能是由于酶的水解產(chǎn)物大量增加后與果膠分子競爭的結(jié)果。石海燕[17]采用復(fù)合酶法提取向日葵中的果膠，分析果膠提取率變化，結(jié)論均與試驗結(jié)果相符。

圖6 不同提取時間對果膠提取率的影響

2.3 確定酸水解法提取果膠最佳工藝的正交試驗

以pH（A）、水解時間（B）、水解溫度（C）作為3個因素，從每個因素中各取3個水平，進(jìn)行L9(33)正交試驗。酸水解法工藝條件的正交試驗結(jié)果見表3。

表3 酸法提取滇刺棗中果膠的正交試驗結(jié)果

從表3酸法提取滇刺棗中果膠的正交試驗結(jié)果中可以看出，影響果膠提取的大小程度因素大致為A＞C＞B，即為pH＞水解溫度＞水解時間。最優(yōu)水平為A1B2C3，即pH 1.5、水解時間80 min、水解溫度90 ℃。其結(jié)果A1B2C3與正交試驗最優(yōu)組合A2B2C3不相同，進(jìn)行驗證試驗，見表4。

經(jīng)過驗證試驗，得出最優(yōu)組合為A1B2C3，即pH 1.5、水解時間80 min、水解溫度90 ℃時，為滇刺棗的酸法提取果膠的最佳提取工藝，最佳果膠提取率為13.62%。

表4 驗證試驗

2.4 確定纖維素酶法提取果膠最佳工藝的正交試驗

以加酶量（A）、提取溫度（B）、提取時間（C）作為3個因素，從每個因素中各取3個水平，進(jìn)行L9(33)正交試驗。纖維素酶法工藝條件的正交試驗結(jié)果見表5。

從表5中酶法提取滇刺棗中果膠的正交試驗結(jié)果可以看出，影響滇刺棗果膠提取的大小程度因素大致為B＞A＞C，即為提取溫度＞加酶量＞提取時間。最優(yōu)水平為A3B3C2，即加酶量3.5%、提取溫度55 ℃、提取時間3 h時，提取率達(dá)到最高水平，為10.20%。

表5 酶法提取滇刺棗中果膠的正交試驗結(jié)果

2.5 酸水解法和酶法的比較

酸水解法的優(yōu)點為耗時短、成本低、提取率高；缺點為對設(shè)備要求較高，應(yīng)用于實際生產(chǎn)中時，工廠應(yīng)利用耐腐蝕性設(shè)備對滇刺棗果膠進(jìn)行酸提。

酶法的優(yōu)點為催化效率相對較高，可使原料水解完全；缺點為纖維素酶的費用高，使得制作成本高，復(fù)合酶酶量不好控制，提取率低。

綜合比較，酸水解法優(yōu)于酶法。

3 結(jié)論

試驗采用檸檬酸法和纖維素酶法提取滇刺棗中果膠，通過提取率的大小比較得出2種方法最佳提取工藝條件。

1) 由酸水解法的單因素和正交試驗結(jié)果可得出，pH 1.5、溫度90 ℃、時間80 min時，提取率達(dá)到最高水平，為13.62%。

2) 由酸水解法的正交試驗可知，3個水平因素對果膠提取率的影響大小是pH＞溫度＞時間。

3) 由纖維素酶法的單因素和正交試驗結(jié)果可得出，在加酶量3.5%、溫度55 ℃、時間3 h時，提取率達(dá)到最高水平，為10.20%。

4) 由纖維素酶法的正交試驗可知，3個水平因素對果膠提取率的影響大小是溫度＞加酶量＞時間。

5) 由酸水解法和纖維素酶法的最佳提取工藝條件可知，酸水解法優(yōu)于酶法。