紅薯渣中不同果膠組分的提取及結(jié)構(gòu)表征

宋靜蕾 潘曉帆 裴家偉 郭潤芳

摘要：為開發(fā)紅薯渣中的功能性營養(yǎng)組分，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)加工廢棄物的高值化利用，該研究以紅薯制粉工業(yè)的副產(chǎn)物紅薯渣為原料，優(yōu)化了果膠的鹽-堿連續(xù)提取工藝，并對提取得到的2種果膠分子進行結(jié)構(gòu)表征和性質(zhì)研究。結(jié)果表明，鹽提工藝中，在草酸鉀濃度為9.2 g/L、料液比為1∶39、提取時間為118 min的條件下，CSP型果膠產(chǎn)率最大，為8.68%，其分子量為49.42 kDa，結(jié)構(gòu)中包含78.77% HG和12.46% RG I。在隨后的堿提工藝中，當(dāng)碳酸鈉濃度為9.2 g/L、料液比為1∶44、提取時間為3.5 h時，ASP型果膠的產(chǎn)率最大，為14.30%，分子量為752.58 kDa，由42.57% HG和55.41% RG I組成。紅外光譜分析表明兩者都屬于典型的低甲氧基果膠多糖；SEM觀察到CSP型果膠呈片層狀聚集，ASP型果膠呈明顯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)；功能特性上兩者都表現(xiàn)出較好的WHC/OHC，但ASP型的總體乳化性優(yōu)于CSP型。該研究建立了鹽-堿連續(xù)提取工藝，獲得了不同類型的低甲酯化果膠，為進一步研究不同類型紅薯果膠的功能價值和精準(zhǔn)利用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：紅薯渣；鹽-堿連續(xù)提??；CSP型果膠；ASP型果膠；結(jié)構(gòu)表征

中圖分類號：TS201.7????? 文獻標(biāo)志碼：A???? 文章編號：1000-9973（2023）08-0024-09

Extraction and Structural Characterization of Different Pectin? Components from Sweet Potato Pomace

SONG Jing-lei， PAN Xiao-fan， PEI Jia-wei， GUO Run-fang*

（College of Food Science and Technology， Hebei Agricultural University， Baoding 071000， China）

Abstract： In order to develop the functional nutrients of sweet potato pomace and realize the high-value utilization of agricultural processing wastes， in this study， the salt-alkali continuous extraction process of pectin is optimized with the by-product sweet potato pomace of sweet potato flour industry as the raw material， and the structural characterization and properties of the two types of extracted pectin molecules are also studied. The results show that the yield of CSP-type pectin is the highest of 8.68% in the salt extraction process under the conditions of potassium oxalate concentration of 9.2 g/L， the solid-liquid ratio of 1∶39 and the extraction time of 118 min. The molecular weight of CSP-type pectin is 49.42 kDa and it contains 78.77% HG and 12.46% RG I. In the subsequent alkali extraction process， the yield of ASP-type pectin is the highest of 14.30% when the concentration of sodium carbonate is 9.2 g/L， the liquid-solid ratio is 1∶44 and the extraction time is 3.5 h. The molecular weight of ASP-type pectin is 752.58 kDa and it contains 42.57% HG and 55.41% RG I. The FT-IR spectra analysis shows that both of them are typical low methoxy-pectin polysaccharides. It is observed by SEM that CSP-type pectin is aggregated in lamellar form and ASP-type pectin has an obvious honeycomb structure. In view of functional properties， both of them show better WHC/OHC， but the overall emulsibility of ASP-type pectin is better than that of CSP-type pectin. In this study， a salt-alkali continuous? extraction process is established， and different types of low methyl-esterified pectin are obtained， which has laid a foundation for the further study on the functional value and accurate utilization of different types of sweet potato pectin.

Key words： sweet potato pomace;salt-alkali continuous extraction;CSP-type pectin;ASP-type pectin; structural characterization

收稿日期：2023-02-28

基金項目：河北省科技計劃項目（17227117D）

作者簡介：宋靜蕾（1998－），女，碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏及其副產(chǎn)物的高值化利用。

通信作者：郭潤芳（1969－），女，教授，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏及其副產(chǎn)物的高值化利用。

中國是世界上紅薯生產(chǎn)大國，2020年全球紅薯產(chǎn)量達9 145萬噸，其中中國產(chǎn)量達5 126萬噸[1]。紅薯渣是紅薯淀粉生產(chǎn)的主要廢料，常被用于動物飼料，數(shù)量大，附加值低[2]。伴隨著農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用值得進一步探索。紅薯渣中含有豐富的膳食纖維，其中以干物質(zhì)計約含有20%的果膠[2-3]，是開發(fā)功能性果膠的良好資源。

果膠（pectin）是一種由α-1，4糖苷鍵連接D-半乳糖醛酸（D-galacturonic acid，D-GalA）組成的線性酸性雜多糖，廣泛分布于植物細胞壁的初生壁和中膠層，主要由同型半乳糖醛酸聚糖（homogalacturonans，HG）、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖I （rhamnogalacturonan I，RG I）和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖Ⅱ （rhamnogalacturonan Ⅱ， RG Ⅱ）組成，一般RG Ⅱ含量較少[4-5]，果膠結(jié)構(gòu)見圖1中A。果膠在食品行業(yè)中被廣泛用作膠凝劑、穩(wěn)定劑、增稠劑、糖和脂肪的替代品，也是食用保鮮薄膜的首選，還被用于藥物輸送載體等[6-9]。最近有些學(xué)者開始關(guān)注果膠的功能組分，發(fā)現(xiàn)由于HG和RG I組成不同造成其理化、生物功能特性的差異[10]，其中富含RG I的果膠表現(xiàn)出更好的益生性、免疫調(diào)劑和治療心血管疾病的能力[11]。植物細胞壁模型（見圖1中B）說明中膠層的果膠多與纖維素、半纖維素等成分以離子鍵或氫鍵相結(jié)合，或以鈣橋結(jié)合在蛋殼模型中（見圖1中C），其中HG含量很高，屬于螯合劑溶解性果膠（chelator soluble pectin，CSP）；初生壁中的果膠主要以共價鍵和纖維素等細胞壁成分緊密結(jié)合，被稱為堿溶性果膠（alkaline soluble pectin，ASP），其中RG I含量較高[5]。

目前關(guān)于果膠功能組分的提取主要集中于RG I組分，Khodaei等[12-13]先后利用酶法、微波輔助堿法提取馬鈴薯中富含半乳聚糖的RG I；Zhang等[14]在室溫下先酸后堿水解，提取分離了富含RG I的柑橘皮果膠多糖。也有研究比較了酸提、堿提和微波輔助堿提對柚皮果膠的影響，表明微波輔助堿提的果膠產(chǎn)率高，而且果膠的粒徑最小[15]。通常酸提果膠為復(fù)合果膠，然后通過堿提進行分離，得到堿溶性RG I[16]。由此可見，RG I組分的基本提取技術(shù)是堿提法。Guo等[17]報道了草酸銨提取西番蓮果皮中線性高半乳糖醛酸結(jié)構(gòu)的HG型果膠。事實上，提取任何單一組分均造成了其他組分的流失，因此盡可能全面挖掘果膠的功能組分，有選擇性地進行提取方法的組合與創(chuàng)新，并用于特定的富含RG I/HG型果膠的提取，可以實現(xiàn)資源的高效利用。

紅薯渣果膠多糖主要采用酸溶醇沉法[18-20]，也有高靜水壓提取結(jié)合果膠酶改性的報道[2]，但未見其不同果膠組分的提取、結(jié)構(gòu)和特性等方面的研究。因此，本研究以紅薯粉加工廢渣為原料，根據(jù)不同果膠組分在細胞壁上的分布特性，采用螯合劑和堿性溶劑連續(xù)提取工藝，提取紅薯渣中的不同果膠組分，系統(tǒng)探究鹽-堿連續(xù)提取過程中提取劑濃度、提取時間、料液比對不同類型果膠提取率的影響，并通過高效尺寸排阻色譜-多角度激光散射技術(shù)、高效液相色譜結(jié)合紅外光譜和掃描電鏡，對最優(yōu)提取條件下不同類型果膠的結(jié)構(gòu)特征和理化性質(zhì)進行深入分析，為理解紅薯不同果膠組分的構(gòu)效關(guān)系，以及在食品工業(yè)中的精準(zhǔn)再利用提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

紅薯渣由河北紅薯嶺農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司供應(yīng)，使用的試劑有一水合草酸鉀、無水碳酸鈉（均為分析級）、三氟乙酸（色譜級），使用的酶有α-淀粉酶（邢臺萬達生物工程有限公司）、淀粉葡萄糖苷酶（麥克林試劑）、堿性α-淀粉酶（上海丹尼悅生物科技有限公司），標(biāo)品有L-鼠李糖（L-Rha）、L-阿拉伯糖（L-Ara）、D-半乳糖（D-Gal）、D-甘露糖（D-Man）、D-半乳糖醛酸（D-GalA）、D-葡萄糖（D-Glc），均為HPLC色譜級（麥克林試劑），商業(yè)低酯葵花盤果膠（KSP，新疆阜豐生物科技有限公司），葵花仁油為食品級（當(dāng)?shù)刭徺I）。

1.2 儀器與設(shè)備

DE-200 g萬能破碎機 浙江紅景天工貿(mào)有限公司；3K15離心機 北京科德遠揚科技有限公司；UV752N紫外分光光度計 上海佑科儀器儀表有限公司；Flame-NIR紅外光譜儀 美國海洋光學(xué)公司；1260 Infinity高效液相色譜儀 Agilent Technologies Inc.;LGJ-12型冷凍干燥機 北京四環(huán)起航科技有限公司；Prisma E環(huán)境掃描電鏡 北京歐波同光學(xué)科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 紅薯渣預(yù)處理

首先將紅薯渣在50 ℃烘干至恒重，破碎過40目篩，與水和95%乙醇按1∶1∶4混合，在室溫的水浴搖床中除雜4 h，將過濾后的濾渣按1∶8加水混勻，調(diào)節(jié)pH到6.9左右，加入100 U/g α-淀粉酶，37 ℃水解1.5 h，過濾后于50 ℃烘干至恒重，破碎后備用。

1.3.2 果膠連續(xù)提取工藝

按Zhang等[10]的方法提取果膠多糖并稍作修改，具體見圖2。

果膠得率根據(jù)式（1）和（2）計算：

Y1（%）=m2m1。（1）

Y2（%）=m4m3。（2）

式中：Y1和Y2分別為CSP型和ASP型果膠的提取率；m1為紅薯渣的干重；m2為CSP型果膠的干重；m3為CSP型果膠提取剩余紅薯渣的干重；m4為ASP型果膠的干重。

1.3.3 提取試驗設(shè)計與優(yōu)化

1.3.3.1 單因素試驗

CSP提取條件：提取試劑（草酸鉀、六偏磷酸鈉、磷酸二氫鈉、EDTA、檸檬酸鈉）、提取時間（15，60，105，150，195 min）、料液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50）、鹽溶液質(zhì)量濃度（4，8，12，16，20 g/L）、溫度（30，35，40，45，50 ℃）。

ASP提取條件：提取試劑（氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉）、提取時間（1.5，2.5，3.5，4.5，5.5 h）、料液比（1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70）、堿性溶液質(zhì)量濃度（6，10，14，18，22 g/L）。

1.3.3.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗

采用三因素三水平試驗設(shè)計。鹽提CSP工藝中，鹽溶液質(zhì)量濃度A1（4，8，12 g/L）、料液比B1（1∶20、1∶30、1∶40）、提取時間C1（60，105，150 min）；ASP果膠提取工藝中，堿性溶液質(zhì)量濃度A2（6，10，14 g/L）、料液比B2（1∶30、1∶45、1∶60）、提取時間C2（60，105，150 min）；果膠提取率被用作響應(yīng)指標(biāo)。根據(jù)Box-Behnken中心復(fù)合設(shè)計，使用Design Expert 10建立最優(yōu)提取模型，最后優(yōu)化的條件進行3個獨立的試驗來驗證模型。

1.3.4 半乳糖醛酸含量測定

半乳糖醛酸含量測定采用Kumar等[21]的方法并稍作修改，在0.45 mL多糖溶液中加入0.3 mL 0.3 mol/L NaCl、5 mL H2SO4，85 ℃水浴20 min后冷卻至室溫，加入0.25 mL 1 g/L 3，5-二甲基苯酚-冰醋酸溶液靜置20 min，GalA含量根據(jù)450 nm處的吸光度測定。

1.3.5 單糖組成測定

ASP、CSP型果膠的單糖組成采用Zhang等[10]的1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮（PMP）-高效液相色譜法進行分析。色譜柱Symmentry C18，柱溫35 ℃，流動相使用17%磷酸鹽-乙腈緩沖液（pH 6.8）1 mL/min洗脫。

1.3.6 分子量測定

分子量測定采用Zheng等[6]的方法并稍作修改，流動相為0.1 mol/L硝酸鈉-0.05%的疊氮化鈉水溶液，樣品用流動相溶解到合適的濃度，過濾進樣分析。檢測條件：柱溫30 ℃，1 mL/min的流速進行等度洗脫，折光指數(shù)增量dn/dc為0.1 mL/g。

1.3.7 形態(tài)結(jié)構(gòu)測定

紅外光譜分析使用Flame-NIR光譜儀，采用溴化鉀壓片法，掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。

采用SEM觀察紅薯渣粉（酶解處理）、CSP型果膠和ASP型果膠（烘干、凍干）的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征。將干燥后的樣品鍍金，圖像在加速電位30 kV下觀察。

1.3.8 理化特性測定

采用Bayar等[22]的方法評價持水性（water holding capacity，WHC）、持油性（oil holding capacity，OHC）、乳化性（emulsifying capacity，EC）和乳化穩(wěn)定性（emulsion stability，ES）。

1.3.9 統(tǒng)計分析

所有試驗均做3次重復(fù)，采用Excel 2010統(tǒng)計數(shù)據(jù)，SPSS Statistics軟件進行方差分析和顯著性分析，Design Expert 10軟件進行響應(yīng)面優(yōu)化和回歸方程擬合，Origin 2020軟件繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 CSP型果膠提取條件優(yōu)化

由圖3中a可知，5種螯合劑中，六偏磷酸鈉的提取率高于草酸鉀，但草酸鉀的GalA含量卻顯著高于六偏磷酸鈉（P＜0.05），說明草酸鉀提取的果膠純度更高。由圖3中b可知，提取溫度在30～55 ℃范圍內(nèi)果膠提取率呈現(xiàn)上升趨勢，但與GalA含量變化均不顯著（P＞0.05），說明該溫度范圍對果膠提取率的影響不大，故選用最大變化點40 ℃作為固定提取溫度；螯合劑濃度在12 g/L時提取率和GalA含量最大（P＜0.05）；提取時間為105 min時提取率顯著高于其他處理（P＜0.05）；不同料液比表現(xiàn)為提取率隨著料液比的增大而增大（P＜0.05），當(dāng)料液比大于1∶30后基本保持不變；不同提取時間和螯合劑濃度對半乳糖醛酸含量沒有顯著影響（P＞0.05）。

為了進一步優(yōu)化提取工藝，針對螯合劑質(zhì)量濃度、提取時間和料液比進行三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計，試驗結(jié)果見表1。擬合回歸方程：Y1=7.92+0.78A1+1.01B1+0.17C1－0.15A1B1－0.32A1C1+0.005B1C1－0.94A12－0.53B12－0.14C12，該方程的校正系數(shù)RAdj2=0.973 2，證明該模型能精準(zhǔn)預(yù)測響應(yīng)值。

由表2可知，模型的P＜0.01，失擬項的P=0.267 7＞0.05，說明模型顯著。根據(jù)響應(yīng)面分析預(yù)測最佳提取條件提取時間118.1 min、料液比1∶39.2、草酸鉀濃度9.17 g/L下CSP提取率為8.53%。考慮到實際操作情況，在提取時間118 min、料液比1∶39、草酸鉀濃度9.2 g/L下進行3次平行試驗，得到（8.68±0.12）%的提取率，與理論預(yù)測值僅相差0.154%，表明該預(yù)測模型適用于CSP型果膠的提取。

2.2 ASP型果膠提取條件優(yōu)化

已有研究證實，側(cè)鏈在高溫提取期間會發(fā)生水解，并且果膠在室溫的堿性條件下也會發(fā)生去酯化和降解[23]，故本研究直接選用40 ℃進行提取。各因素對ASP型果膠提取率的影響結(jié)果見圖4。

由圖4中a可知，在3種堿性溶液中碳酸鈉的果膠提取率和GalA含量最高（P＜0.05）；由圖4中b可知，碳酸鈉濃度在6～10 g/L范圍內(nèi)提取率顯著升高（P＜0.05），超過14 g/L提取率顯著下降（P＜0.05）；而且GalA含量在碳酸鈉濃度超過14 g/L之后也顯著降低（P＜0.05）。當(dāng)料液比為1∶50、提取時間為3.5 h時，果膠提取率分別達到最大值（P＜0.05），GalA含量無顯著差異。

針對碳酸鈉質(zhì)量濃度、提取時間和料液比進行三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計，試驗結(jié)果見表3，得到回歸方程：Y2=17.45+0.44A2+1.55B2+0.86C2+0.11A2B2+0.082A2C2－0.66B2C2－1.36A22－1.23B22－0.86C22，該方程的校正系數(shù)RAdj2=0.987 9，證明該模型能精準(zhǔn)預(yù)測響應(yīng)值。

由表4可知，模型的P＜0.01，失擬項的P=0.297 2＞0.05，說明模型顯著。根據(jù)響應(yīng)面分析預(yù)測最佳提取條件提取時間3.44 h、料液比1∶53.4、碳酸鈉濃度9.23 g/L下ASP提取率為18.05%?？紤]到實際操作情況，在提取時間3.5 h、料液比1∶53、碳酸鈉濃度9.2 g/L下進行了3次平行試驗，提取率為（17.88±0.35）%，與理論預(yù)測值僅差0.17%，表明該預(yù)測模型適用于ASP型果膠的提取。由于碳酸鈉提取優(yōu)化過程中使用的是干燥后第一步的濾渣，經(jīng)計算提取完CSP后薯渣約剩余（82.5±1）%，故每克酶解原料連續(xù)提取所需碳酸鈉料液比為1∶44，在該條件下進行3次平行試驗，提取率為（14.30±0.3）%。

2.3 2種果膠的單糖組成

2種紅薯渣果膠組分的單糖組成見表5。CSP型果膠的Rha/GalA＜0.05，為HG型果膠，由78.77% HG結(jié)構(gòu)和12.46% RG I結(jié)構(gòu)組成。ASP型果膠的Rha/GalA＞0.05，為RG I型果膠，由42.57% HG結(jié)構(gòu)和55.41% RG I結(jié)構(gòu)組成。已有研究使用（Ara+Gal）/Rha比值作為評價果膠分支程度的指標(biāo)[9]，由于ASP的（Ara+Gal）/Rha比值為10.47，高于CSP的6.48，表明ASP具有更豐富、更長的Ara和Gal側(cè)鏈。

2.4 2種果膠的分子量

2種紅薯渣果膠多糖的分子量測定結(jié)果見表6。ASP型果膠的分子量高于CSP型果膠，這與ASP型果膠中性糖側(cè)鏈分支多，RG I結(jié)構(gòu)含量高，而CSP型果膠的側(cè)鏈少有關(guān)。Mw/Mn的值代表了分子量分布范圍的大小，ASP型果膠的Mw/Mn小，表明其分子量分布較集中。CSP型果膠的Mw/Mn高，表明其分子量分布較寬。

根據(jù)樣品均方根半徑與Mw擬合的冪函數(shù)（rms=kMwα）結(jié)果可以判斷分子在水溶液中的分子構(gòu)象[25]，結(jié)果得出CSP和ASP的均小于0.33，表示2種果膠在水溶液中以球形存在，同時CSP的Rz為31.23 nm，大于ASP的28.20 nm，說明CSP的球形更舒展。

2.5 紅外光譜分析

CSP型和ASP型果膠的紅外光譜圖見圖5。

由圖5可知，1 743，1 618，1 101，1 018 cm-1處的吸收峰[26]屬于果膠的主要特征峰，說明兩者均為典型的果膠多糖。1 200～800 cm-1處的吸收帶通常被稱為果膠的指紋區(qū)，在1 101～1 018 cm-1內(nèi)除GalA骨架振動造成的吸收外，其他成分也可能參與了峰的形成，圖5中顯示ASP型的吸收峰更強，說明其中的Gal、Rha或Ara等含量更多，另外，CSP型在920 cm-1處的吸收峰相比于ASP型更強，表明D-吡喃葡萄糖含量可能更多，而890 cm-1和830 cm-1處的吸收峰說明了ASP型含有更多的Ara和Gal或Rha，這些均與液相測定結(jié)果一致。另外，果膠的甲酯化度（DE）可由1 743 cm-1的峰面積與1 743 cm-1 和1 618 cm-1 波段下面積之和的比值粗略估計[18]，由此發(fā)現(xiàn)CSP的DE為34.5%，ASP的DE為0，表明2種紅薯果膠均為低甲氧基果膠。酰胺的峰值較弱，表明蛋白質(zhì)含量較少，但也可能是C－N拉伸和羧酸鹽（-COO－）對稱伸縮振動之間的振動信號重疊所致[19]。

2.6 SEM分析

紅薯渣粉和2種紅薯果膠的掃描電鏡結(jié)果見圖6。

注：A-1和A-2為紅薯渣粉的形態(tài)，B-1和B-2為烘干的CSP型果膠形態(tài)，B-3和B-4為凍干的CSP型果膠形態(tài)，C-1和C-2為烘干的ASP型果膠形態(tài)，C-3和C-4為凍干的ASP型果膠形態(tài)。

由圖6中A-1和A-2可知，紅薯渣粉呈不規(guī)則形態(tài)，表面粗糙，其中圓形顆?？赡苁菤堄嗟矸邸Ｓ蓤D6中B-1和B-2可知，烘干的CSP型果膠顆粒形狀不規(guī)則，大小不均一，表面粗糙，裂紋明顯，而凍干的CSP型果膠呈疏松的片狀結(jié)構(gòu)，表面光滑，易卷曲（見圖6中B-3和B-4）。由圖6中C可知，烘干的ASP型果膠顆粒形狀不規(guī)則，表面不平整且有明顯孔洞，片層狀明顯且緊密性略差，但大小較CSP均勻（見圖6中C-1和C-2）；由圖6中C-3和C-4可知，凍干的ASP型果膠多呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，連接明顯，邊緣整齊，表面光滑。

2.7 2種果膠的部分理化特性

以商業(yè)果膠KSP為對照，對比分析了2種紅薯果膠的理化特性，結(jié)果見表7。紅薯渣ASP型果膠的WHC為15.79 g水/g，ES為71.03%，特性顯著高于CSP型和對照KSP，持油性O(shè)HC高于對照KSP；而紅薯渣CSP型果膠除了OHC顯著優(yōu)于其他兩組外，其他特性均不如ASP和KSP，由此可見，紅薯渣ASP型果膠具有相對較好的加工特性。另外，通過用改進的Lowry法測定了蛋白含量（protein content，PC）[27]，ASP型果膠蛋白含量為0.79%，高于CSP型果膠，這可能是ASP型果膠乳化性好的原因之一。

3 討論

果膠在植物細胞壁中與纖維素、半纖維素緊密相連，果膠的提取使果膠與纖維素、半纖維素等物質(zhì)分離，并轉(zhuǎn)移到提取溶液中，然后經(jīng)過沉淀將果膠析出。目前商品化植物果膠的生產(chǎn)主要采用酸溶醇沉法[11]，該方法提取的果膠是混合型果膠。而本研究優(yōu)化了鹽-堿連續(xù)提取法，建立了草酸鉀-碳酸鈉連續(xù)提取工藝，分別得到了直鏈CSP型果膠和支鏈ASP型果膠。草酸鉀是一種高效金屬螯合劑，鈣結(jié)合果膠在細胞壁中占很大部分，草酸鉀通過螯合Ca2+使HG從蛋殼結(jié)構(gòu)中釋放，而碳酸鈉的堿性水解破壞了與細胞壁聚合物纏結(jié)的大分子果膠的共價酯鍵，促進了RG I結(jié)構(gòu)域的提取[13]。

本研究中兩步連續(xù)提取法的總提取率為（22.98±0.5）%，高于報道的單獨采用六偏磷酸鈉（14%[28]）、磷酸氫二鈉（10.24%[29]）和鹽酸（6.24%[19]）的提取率，這除了與提取方式有關(guān)外，還可能與紅薯種類、成熟度、提取條件等因素有關(guān)。由于果膠在細胞壁中的分布和結(jié)合方式不同，針對性地采取相應(yīng)方法可能是獲取最大提取率的有效手段。本研究中第一步草酸鉀提取了細胞壁間的HG骨架，導(dǎo)致果膠網(wǎng)絡(luò)和RG I區(qū)的暴露，促進了第二步的碳酸鈉脫酯提取。在兩步連續(xù)提取過程中，隨著提取試劑濃度的升高，都有反應(yīng)速率加快的表現(xiàn)，然而濃度太高時，提取率和GalA含量下降，主要原因可能是高離子濃度或堿性條件導(dǎo)致半乳糖醛酸間的共價鍵等敏感性糖苷鍵水解，造成鏈降解，不易沉淀析出，這種現(xiàn)象在胡蘿卜渣果膠和水葫蘆果膠的提取中也有類似結(jié)果[30]，因此通過優(yōu)化提取劑濃度和提取條件以實現(xiàn)高提取率和鏈結(jié)構(gòu)的完整性。

直鏈CSP型果膠表現(xiàn)為GalA含量高、分子量低、HG結(jié)構(gòu)占比高、中性糖分支少、有較高的α值，所以CSP構(gòu)象相對舒展，更趨向柔性線團，SEM觀察凍干CSP型果膠呈松散片狀結(jié)構(gòu)也說明了這一點。而ASP型果膠中RG I結(jié)構(gòu)含量高、分子量大，主要歸因于豐富的中性糖含量，這除了提取的區(qū)域不同外，還可能是果膠主鏈因堿去酯化而斷裂，增加了果膠分子鏈中中性糖側(cè)鏈的比例。大量研究發(fā)現(xiàn)，高度分支的多糖在水中以緊密的線圈或球形（橢球狀）結(jié)構(gòu)存在[31-32]，這可能是氫鍵和空間效應(yīng)導(dǎo)致的側(cè)鏈之間的自由組織和相互作用，導(dǎo)致凍干ASP型果膠結(jié)構(gòu)緊密連接，呈現(xiàn)出蜂窩狀結(jié)構(gòu)的原因之一。

物質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成決定了其理化、功能特性，例如果膠的持水性和持油性與化學(xué)成分、孔隙度和毛細管等多種因素有關(guān)[9]。本研究提取的ASP型果膠的持油性和持水性優(yōu)于CSP型果膠，可能與其結(jié)構(gòu)中游離羥基或鈣的含量較高有關(guān)[6]，而且從電鏡結(jié)果看，凍干ASP型果膠的結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀，比CSP型果膠層狀更易持水、持油。

果膠乳化特性與HG/RG I比值、中性糖側(cè)鏈、蛋白質(zhì)含量、分子量等有關(guān)[9]。本研究發(fā)現(xiàn)含有RG I的ASP型果膠比線性骨架的CSP型果膠具有更好的乳化性能。有研究認為具有高酯化度[33]、低分子量[3]以及舒展構(gòu)象[14]的果膠應(yīng)表現(xiàn)出更優(yōu)的乳化能力，但本研究中CSP型果膠的乳化能力較弱，其原因極有可能是過小的分子量導(dǎo)致CSP型果膠乳化能力喪失，Ngouémazong等[34]也在果膠的乳化和乳化穩(wěn)定性的綜述中說明了這一點。另外，Nakauma等[7]研究發(fā)現(xiàn)溶液中鹽離子的存在導(dǎo)致油滴之間絮凝，通過屏蔽靜電斥力和通過氫鍵和/或配位鍵橋聯(lián)，導(dǎo)致直徑增加，影響乳化，這也可能是鹽溶性CSP型果膠乳化能力弱的原因之一。同時ASP型果膠更高的水溶性蛋白含量也可能發(fā)揮了重要作用，由于果膠的主要親水特性，其表面活性通常與連接到阿拉伯半乳聚糖的（殘留）蛋白質(zhì)部分的高疏水性相關(guān)，蛋白質(zhì)的存在增加了乳液容量[35]，降低了水和油滴之間的界面張力，利于乳化。此外，高RG I含量、高中性糖含量、大分子量可能是ASP型果膠乳液更穩(wěn)定的原因。中性糖側(cè)鏈通過在油滴上形成一層厚厚的水化層，通過空間位阻防止液滴聚集[19]，有助于乳液的長期穩(wěn)定性。Bayar等[22]在仙人掌多糖提取中發(fā)現(xiàn)乳狀液的穩(wěn)定性隨著相對分子質(zhì)量的降低而降低，這與我們的試驗結(jié)果符合。除此之外，果膠甲酯基、乙?；桶⑽核狨ヒ部赡苡绊懭榛匦訹9]，還需進一步研究。

4 結(jié)論

本研究建立了從紅薯粉加工廢渣中提取直鏈CSP型果膠和支鏈ASP型果膠的連續(xù)提取工藝。以紅薯加工廢渣為原料，鹽法提取CSP型果膠的條件為料液比1∶39、草酸鉀質(zhì)量濃度9.2 g/L、40 ℃恒溫提取118 min，提取率為8.68%；以第一步的濾渣為原料，堿法提取ASP型果膠的最優(yōu)提取條件為料液比1∶44、碳酸鈉質(zhì)量濃度9.2 g/L、40 ℃恒溫提取3.5 h，提取率為14.30%；鹽-堿連續(xù)提取的總提取率為22.98%。

CSP型果膠組成以GalA為主，含量為80.23%，DE為34.5%，Mw為49.42 kDa，為HG型低酯果膠；ASP型果膠組成以GalA、Gal和Ara為主，DE為0，Mw為752.58 kDa，屬于RG I型低酯果膠。兩者鏈構(gòu)象為具有支鏈的空心球，水溶液中分子排列呈層狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu)，都表現(xiàn)出了較好的WHC/OHC，但ASP的總體乳化性較CSP好，具備用于功能性食品成分、保濕、乳化劑以及靶向運送載體的潛能。

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