鹽酸法和磷酸氫二鈉法提取甘薯渣果膠效果的比較

張 軍，吳非凡，王嘉盛，趙天奇，王夢芝

（揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州 225009）

果膠是一種以α-1，4 糖苷鍵存在的D-半乳糖醛酸所形成的復(fù)合多糖物質(zhì)（徐夢瑤，2017），主要存在于細(xì)胞壁中（馬彥彪等，2000），其最初是從胡蘿卜中提取出來的，顏色以淺白、淺黃為主，多為粉末，具有很好的膠凝化和穩(wěn)定性，是FAO 推薦的無限制天然添加劑（徐夢瑤，2017），多使用在工業(yè)領(lǐng)域。甘薯渣是一類甘薯淀粉生產(chǎn)中制出的非主要產(chǎn)品，其成分主要有水、淀粉顆粒和纖維物質(zhì)等（徐夢瑤，2017），并含有豐富果膠，約占其干渣重量的20%，因甘薯品種的不同，其含量也有差異，果膠含量最高可達22.93%（韓俊娟等，2009）。Takamine 等（2008）認(rèn)為，甘薯渣中的果膠含量很多，可以作為提取果膠的優(yōu)良原料。目前國內(nèi)外食品工業(yè)用果膠主要從蘋果渣和柑橘渣中提取，大多從甘薯渣中提取膳食纖維，提取果膠的試驗較少，梁新紅等（2013）以甘薯渣為原料研究草酸鹽法提取果膠的工藝條件并進行優(yōu)化；劉倩倩（2015）采用超聲波輔助鹽法提取甘薯渣中果膠并對提取工藝進行優(yōu)化；田亞紅（2012）確定了微生物發(fā)酵法提取甘薯渣果膠的最佳條件；魏海香等（2008）用酸法提取甘薯果膠，從響應(yīng)面分析得出果膠最高提取率。本研究根據(jù)我國當(dāng)前甘薯渣資源浪費和環(huán)境污染的現(xiàn)狀，通過不同方法提取甘薯渣中的果膠，并對結(jié)果進行比較和討論，從而確定較佳的果膠提取條件，旨在簡化工藝和降低生產(chǎn)成本。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 原料：兩種甘薯渣（塊狀和粉狀），某公司提供；主要試劑：無水乙醇、α-淀粉酶、鹽酸、濃鹽酸、濃硫酸、碘；主要設(shè)備：離心機、電子天平、可見分光光度計、恒溫水浴鍋。

1.2 原料預(yù)處理及提取劑選擇 本試驗的甘薯渣事先需除去淀粉，因為果膠產(chǎn)品中含有大量淀粉，與果膠混合后難以分離，這對提取有很大影響。本試驗中使用α-淀粉酶降解淀粉，使甘薯渣中的淀粉含量不影響試驗進行（梅新等，2010）。本試驗方案用鹽酸和磷酸氫二鈉兩種試劑作為果膠的提取劑。

1.3 兩種甘薯渣中總果膠含量的測定 不同甘薯渣品種，其營養(yǎng)成分具有差異，因此對這兩種甘薯渣樣品進行果膠含量測定，根據(jù)《BC1405 總果膠含量檢測試劑盒微量法》 選出果膠含量較高的一種甘薯渣樣品。

甘薯果膠提取率/%=甘薯果膠含量/甘薯渣質(zhì)量×100。

1.4 單因素對果膠提取率的影響

1.4.1 酸法對果膠提取率的影響 本試驗中，當(dāng)對某一因素進行測定時，其余各因素標(biāo)準(zhǔn)如下（表1）：料液比1∶20，時間2 h，溫度95 ℃，pH 2，離心兩次（3000 g，30 min），取上清液定容到10 mL，用分光光度計測其吸光值，代入計算公式求得提取率。

表1 酸法單因素條件

1.4.2 堿法對果膠提取率的影響 本試驗中，當(dāng)對某一因素進行測定時，其余各因素標(biāo)準(zhǔn)如下（表2）：時間4 h，料液比1∶20，溫度60 ℃，pH 7，離心兩次（3000 g，30 min），取上清液定容到10 mL，用分光光度計測其吸光度，代入計算公式求得提取率。

表2 堿法單因素條件

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種甘薯渣中總果膠含量的測定結(jié)果 根據(jù)《BC1405 總果膠含量檢測試劑盒微量法》繪制出半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=0.0429x-0.086，R2=0.9728（y 為吸光度值，x 為半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度），從而得出兩種甘薯渣果膠含量。

由表3 可知，甘薯渣2 的總果膠含量極顯著高于甘薯渣1，因此本試驗選擇甘薯渣2 作為試驗樣本，進行酸堿兩種方法提取果膠。

表3 兩種甘薯渣果膠含量 μmol/g

2.2 酸法果膠單因素提取率試驗結(jié)果

2.2.1 pH 對果膠提取率的影響 由圖1 可知，在一定的提取條件下，果膠提取率隨著pH 上升，先逐漸降低再逐漸升高。其中當(dāng)pH 為1.5 時，果膠的提取率最高。

圖1 pH 與提取率的關(guān)系

2.2.2 時間對果膠提取率的影響 由圖2 所示，在一定提取條件下，隨著時間的增加，提取率變化幅度不穩(wěn)定，果膠的最佳提取時間為2.5 h。

圖2 時間與提取率的關(guān)系

2.2.3 料液比對果膠提取率的影響 由圖3 可知，在一定的提取條件下，果膠提取的最佳料液比為1∶25。

圖3 料液比與提取率的關(guān)系

2.2.4 提取溫度對果膠提取率的影響 由圖4 可知，在一定的提取條件下，果膠提取率在溫度升高時，整體表現(xiàn)為小幅度下降后又升高。果膠的提取效果在溫度75 ℃時，表現(xiàn)最好。

圖4 提取溫度與提取率的關(guān)系

本試驗采用鹽酸提取果膠時，各因素條件為pH 2、時間2 h、料液比1∶20 和溫度75 ℃時，果膠提取率最高。

2.3 堿法果膠單因素提取率試驗結(jié)果

2.3.1 pH 對果膠提取率的影響 由圖5 可知，在一定的提取條件下，隨著pH 的增加，所得果膠提取率逐漸上升后趨于平穩(wěn)，當(dāng)pH 為8 時，所得果膠提取效果最好。

圖5 pH 與提取率的關(guān)系

2.3.2 時間對果膠提取率的影響 由圖6 可知，在一定的提取條件下，果膠的提取效果在時間為4 h 時，表現(xiàn)最好。

圖6 時間與提取率的關(guān)系

2.3.3 料液比對果膠提取率的影響 由圖7 可知，在一定的提取條件下，果膠最適料液比為1∶30。

圖7 料液比與提取率的關(guān)系

2.3.4 提取溫度對果膠提取率的影響 由圖8 可知，在一定的提取條件下，隨著溫度的升高，果膠提取率先降低再升高趨于平穩(wěn)，最后再下降，其中當(dāng)提取溫度為30 ℃時果膠的提取率最高。

圖8 提取溫度和提取率的關(guān)系

本試驗采用磷酸氫二鈉提取果膠時，各因素條件為pH 7、時間4 h、料液比1∶30 和溫度60 ℃時，果膠的提取率最高。

3 討論

3.1 鹽酸提取法對果膠提取率的影響 酸法是一種提取果膠最常用的傳統(tǒng)方法，此方法可以在柑桔、甜菜和蘋果等多種不同來源的原料中提取果膠（梅新等，2010）。其主要原理是在酸溶液的作用下，提取植物細(xì)胞中水溶性的果膠，目前傳統(tǒng)工業(yè)用酸有鹽酸、草酸和亞硫酸等（梅新，2010）。鹽酸作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)常用提取劑，經(jīng)鹽酸將原料水解后，共價鍵和氫鍵被破壞而游離果膠，其優(yōu)點是簡單易操作，時間短，提取率和純度都比較高（李峰等，2016），更能節(jié)省成本。但缺點是在提取時，部分水解的果膠會造成質(zhì)量下降，同時提取液黏度增加導(dǎo)致廢液過濾困難，不易處理（陳熠等，2009）。

田亞紅等（2013）采用鹽酸配制酸溶液來提取甘薯渣中的果膠，通過試驗分析得出，當(dāng)提取條件為溫度90 ℃、時間1.5 h 和pH 2 時，提取果膠效果最好。王雅婷（2013）在用酸法提取籽瓜果膠時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度90 ℃、pH 1.5、時間2.5 h和料液比1∶15 時，果膠的提取效果最好。應(yīng)珊珊（2014）在用酸法提取火龍果果膠時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)料液比1∶10、、溫度95 ℃和時間140 min 時，果膠的提取效果較好，并且總結(jié)出可以在提取過程中添加高強度的酸溶液使提取率提高的建議。王銳等（2020）在提取柑橘果膠時發(fā)現(xiàn)，果膠提取效果在料液比1∶20 時表現(xiàn)最好。這都與本試驗的結(jié)果基本一致。

本試驗鹽酸提取果膠的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，料液比大時，不易實現(xiàn)溶解果膠的條件；料液比小時，酸對果膠的作用不大；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提取時間以1.0～2.5 h為宜。當(dāng)時間不夠長，果膠反應(yīng)不夠充分導(dǎo)致提取不完全。如果時間過長，果膠易發(fā)生分解導(dǎo)致成本增加。當(dāng)pH 在較低的情況下，酸溶液的濃度比較高可能會影響果膠水解，以致出現(xiàn)副反應(yīng)如其發(fā)生過分水解；當(dāng)pH 在較高的情況下，酸溶液的濃度比較低會導(dǎo)致果膠水解完全。

3.2 磷酸氫二鈉提取法對果膠提取率的影響堿提取法提取果膠條件較易控制，比酸法穩(wěn)定，且金屬離子和酸堿不會對此法產(chǎn)生一定的作用，不會對環(huán)境有太大的污染。其缺點是只能部分少量提取果膠，容易造成大量不溶于水果膠的浪費。堿法提取果膠時常進行堿法脫脂再提取果膠，當(dāng)脫脂反應(yīng)發(fā)生時，β-消去反應(yīng)也同步發(fā)生，果膠分子發(fā)生解聚，這與脫脂反應(yīng)形成一種競爭關(guān)系，對果膠分子量和黏度等都有一定的影響（謝明勇等，2013；Gunning 等，2009）。同時因其提取單一性較差，不能完全消除β-消去反應(yīng)，造成復(fù)雜化產(chǎn)物，此過程中廢液的產(chǎn)生會對環(huán)境造成相對的污染（高健等，2014）。研究表明，堿法提取果膠時，低溫堿法提取可以在一定程度上減小β-消去反應(yīng)，從而能保證果膠的質(zhì)量（雷激等，2006）。

本試驗采用磷酸氫二鈉提取果膠，結(jié)果表明，果膠提取率的降低，是隨提取溫度、pH、料液比和提取時間的改變而改變。其中，pH 降低、料液比的減小和提取時間的縮短都會顯著降低果膠的提取率，而溫度的上升也會一定程度上降低提取率。本試驗所得結(jié)果與雷激等（2006）在研究低溫堿法脫酯制取低酯果膠的試驗結(jié)果一致，低溫提取果膠效果較好。經(jīng)總結(jié)本試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用磷酸氫二鈉提取果膠時，各因素條件為pH 7、時間4 h、料液比1∶30 和溫度60 ℃時，果膠的提取率最高。這與張春蓬（2011）采用磷酸氫二鈉提取甘薯渣果膠結(jié)果基本一致，當(dāng)pH 7.9、時間3.3 h、料液比20∶1 和溫度66 ℃時，提取率能夠達到最高。Takamine 等（2008）采用不同提取劑從甘薯渣中提取果膠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較高的提取率出現(xiàn)在pH 為7 以上的磷酸氫二鈉溶液中。這也與本試驗結(jié)果中pH 條件基本一致。

4 結(jié)論

綜上，當(dāng)本試驗采用鹽酸提取果膠時，各因素條件為pH 2、時間2 h、料液比1∶20 和溫度75 ℃時，甘薯渣果膠提取率最高可達22.80%；采用磷酸氫二鈉提取果膠時，各因素條件為pH 7、時間4 h、料液比1∶30 和溫度60 ℃時，甘薯渣果膠的提取率最高可達21.10%。經(jīng)比較，鹽酸法提取甘薯渣果膠的提取率較高。