四种方法提取苹果肉渣果胶的流变学特性研究

李　洁，郭玉蓉，窦　姣，薛战锋，张晓瑞

（陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安710119）

四种方法提取苹果肉渣果胶的流变学特性研究

李洁，郭玉蓉*，窦姣，薛战锋，张晓瑞

（陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安710119）

采用传统酸法（TA）、纤维素酶法（CL）、超声辅助法（UA）和微波辅助法（MA）提取苹果肉渣果胶并对其进行鉴定，考察剪切速率、浓度、温度和放置时间对四种果胶流变学特性的影响，并测定黏均分子量来验证其流变学特点。结果表明：果胶溶液的表观黏度随剪切速率的增加而降低，为典型的非牛顿流体中的假塑性流体行为。果胶溶液浓度越大，剪切稀化现象越明显。温度升高会使果胶溶液表观黏度降低。放置时间越久，果胶溶液的表观黏度越小。四种果胶溶液的表观黏度和黏均分子量大小顺序均为：TA＞CL＞UA＞MA，黏均分子量的测定结果从理论上很好地验证了其流变学特点。

苹果肉渣，果胶，鉴定，流变学

果胶物质作为植物体中一类复杂的胶体性质糖类，在自然界的存在非常广泛，主要分布在植物的细胞壁和中间薄层。它是甲酯化的由α-1，4-糖苷键相连接的多聚半乳糖醛酸链，一般包含300～1000个半乳糖醛酸单元［1］，相对分子质量在1万～40万u之间［2］。果胶是一种天然的食品添加剂，在食品工业中广泛应用，如用作凝胶剂、增稠剂、稳定剂［3-4］。果胶还具有医学功效，如防癌和抗癌［5］。此外，果胶在化妆品中也有重要的作用。

苹果作为世界四大水果之冠，营养丰富，食用方便，深受人们的喜爱。而随着苹果种植面积和产量的大幅度上升，我国每年产生的苹果渣有100万吨，其绝大部分直接用作饲料甚至被丢弃，只有少量苹果渣被加工利用，这不仅造成资源的浪费也带来环境污染。资料显示，干苹果渣中含有15%～18%的果胶［6］，利用苹果渣提取果胶具有实现资源综合利用，提高产品附加值和保护环境等重要意义。

果胶在食品工业中的应用主要取决于其黏度，流变特性是果胶应用于食品加工过程中极其重要的性质。影响流变性质的因素很多，如胶的种类、来源、聚合度、分子量以及胶溶液的浓度、温度、pH、盐以及非盐物质。目前关于果胶的研究多集中在提取工艺优化阶段［7-11］，不同工艺提取果胶的流变学特性的研究尚未见报道。本研究从易于控制的影响因素出发，主要研究剪切速率、浓度、温度、放置时间对TA、CL、UA和MA提取苹果肉渣果胶流变特性的影响，并测定四种果胶溶液的黏均分子量来验证和解释果胶的流变学特性，为果胶的开发及在食品中的利用提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

苹果肉渣（水分含量10.2%） 陕西师范大学榨前分离榨汁生产线的副产物；纤维素酶活性单位为25000U/g，荷兰DMS公司提供；95%粮食酒精西安市晶博生物有限公司；浓盐酸、NaOH、磷酸缓冲液均为分析纯。

KQ-300DE数控超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司；RE 52-99旋转蒸发仪上海亚荣生化仪器厂；LGJ-18C冷冻干燥机北京四环科学仪器厂；EQUINX55傅里叶变换红外光谱仪德国Brucher公司；乌氏粘度计上海EHSY西域仪器公司；AR-G2流变仪美国TA公司；TU-1810紫外可见分光光度计北京普析通用仪器厂。

1.2四种方法提取苹果肉渣果胶的制备

1.2.1原料预处理将榨前分离得到的苹果肉渣用40℃的温水浸泡三次，60℃下鼓风烘干，粉碎过80目筛备用。

1.2.2果胶的提取取上述预处理过的苹果肉渣适量，分别按如下工艺参数进行提取：

TA：料液比1∶8，pH2.0，温度90℃，时间60min［12］；CL：料液比1∶10，pH4.6，酶加入量75U/g，温度50℃，时间300min［13］；UA：料液比1∶25，pH1.5，温度45℃，功率180W，时间40min［14］；MA：料液比1∶14.5，pH1.0，温度80℃，功率500W，时间20min［15］。

将浸提液趁热抽滤，滤液于55℃浓缩至原体积1/4，冷却至室温，用三倍体积95%的粮食酒精醇沉24h，在4000r/min的转速下离心20min，将沉淀用95%酒精洗涤三次，真空冷冻干燥24h，即得到四种方法提取的苹果肉渣果胶，粉碎后装于干燥瓶中备用。

1.3四种方法提取苹果肉渣果胶的鉴定

1.3.1果胶的鉴别实验按照GB 25533-2010的方法，对四种果胶进行鉴定［16］。

1.3.2果胶的红外光谱（IR）分析将1mg干燥的果胶样品与100mg预先干燥好的KBr置于玛瑙研钵中，混匀并研细，利用压片器将其制成厚度适宜的薄片，迅速在4000～400cm-1的区间进行红外光谱扫描，观察谱峰情况［17］。

1.4流变学性质的测定

1.4.1浓度和剪切速率对四种方法提取苹果肉渣果胶流体特性的影响用pH4的磷酸缓冲液配制质量浓度为2%的四种果胶溶液和0.5%的TA果胶溶液，采用AR-G2型动态流变仪在常温动态模式下，测定果胶溶液的表观黏度/剪切速率曲线。测定参数为：温度25℃，椎板（40mm，2°），测定采用流体模式，数据获取为连续模式，以剪切速率为变量，变量范围为0～700s-1，变量扫描为线性模式［18］。

1.4.2温度对四种方法提取苹果肉渣果胶流体特性的影响用pH4的磷酸缓冲液将四种果胶配制成质量浓度为2%的溶液，用AR-G2型动态流变仪在变温动态模式下测定温度对四种方法提取苹果肉渣果胶表观黏度的影响。测定参数为：椎板（40mm，2°），温度变化范围为20～80℃，测定时间为10min，控制剪切速率为500s-1。

1.4.3放置时间对四种方法提取苹果肉渣果胶流体特性的影响以TA提取的果胶为代表，用pH4的磷酸缓冲液配制2%质量浓度的果胶溶液，分别放置0.5h和24h后测定该果胶溶液的表观黏度/剪切速率曲线，研究放置时间对果胶流体特性的影响。测定参数为：温度25℃，椎板（40mm，2°），测定采用常温动态模式，剪切速率范围为0～700s-1。

1.5黏均分子量的测定

在25℃条件下，用0.1mol/L，pH为7的磷酸缓冲溶液配制质量浓度为1、2、3、4、5、6、7、8g/L的果胶溶液，用乌氏粘度计分别测定缓冲液和果胶溶液的黏度η0和η，测定三次取平均值。经验公式（1～2）反应了比浓黏度、比浓对数黏度和溶液浓度之间的关系。

1.6数据处理

采用TA data analysis计算机分析软件和Excel进行数据处理。

2　结果与分析

2.1四种方法提取苹果肉渣果胶的鉴定

2.1.1果胶的鉴别实验按照GB 25533-2010的鉴别方法，四种样品溶液经加热冷却后均形成了粘稠状液体，加入NaOH静置15min后，均形成了半透明凝胶。加入等量HCl溶液后，均得到无色凝胶，再经煮沸时生成絮状沉淀。以上现象表明，四种方法得到的样品均为果胶产品。

2.1.2果胶的红外光谱分析由图1可知，四种果胶溶液在4000～400cm-1区间内均具有糖类的特征吸收峰。3440cm-1附近的宽峰代表-OH的伸缩振动，2934cm-1处较弱的吸收峰则是由亚甲基（C-H）伸缩振动引起的，1800～1600cm-1范围内的吸收峰是用来比较不同果胶的典型区域，包括1750～1740cm-1和1650～1630cm-1两个吸收峰，分别代表酯化羧基官能团的酯键C=O的伸缩振动和自由羧基官能团的酯键C=O的不对称伸缩振动，1444cm-1处的吸收峰代表CH弯曲振动，而1100、1020cm-1附近的吸收峰正是果胶中半乳糖醛酸在指纹区的特征吸收峰［20］。红外结果进一步证明四种方法的苹果肉渣提取物均为果胶物质。

图1　四种方法提取苹果肉渣果胶的红外光谱图Fig.1　Fourier transforms infrared spectra of apple flesh pomace pectins extracted by the four methods

2.2四种方法提取苹果肉渣果胶的流变学特性

2.2.1剪切速率对四种方法提取苹果肉渣果胶流体特性的影响如图2所示，随着剪切速率的增大，四种果胶溶液的表观黏度均降低，呈典型的非牛顿流体性质，且表现为假塑性流体行为。此外，在低剪切速率范围（0～200s-1）内，四种果胶溶液表现为典型的剪切稀化流体，随着剪切速率升高，四种果胶溶液的流体特性趋于稳定，表现为由剪切稀化的非牛顿流体转向理想状态的牛顿流体。这是因为在水溶液中，果胶分子会通过分子间相互作用形成一定的结构，当剪切速率增加的时候，剪切力也随之增加，这会破坏果胶分子间的相互作用，从而导致果胶溶液的黏度降低，出现剪切稀化现象［21］。

图2　剪切速率对四种方法提取苹果肉渣果胶流体特性的影响Fig.2　Effect of shearing rate on the flow curve of apple flesh pomace pectins extracted by the four methods

2.2.2浓度对四种方法提取苹果肉渣果胶流体特性的影响如图3所示，在剪切速率0～700s-1的区间内，0.5%的TA果胶溶液的表观黏度为0.012～0.025Pa·s，而2%的TA果胶溶液的表观黏度为0.021～0.040Pa·s，果胶溶液的表观黏度随浓度的增大而升高，且在较低的浓度范围内，剪切稀化现象随浓度的增大而进一步加强。这是因为果胶是亲水性高分子化合物，随着溶液浓度的增加，果胶分子链之间的距离越来越小，果胶分子链缠结，分子间弱作用力（如氢键）增大，使流体流动阻力增大，从而使果胶溶液黏度增大［22］。

图3　浓度对TA提取果胶的流体特性的影响Fig.3　Effect of concentration on the flow curve of apple flesh pomace pectins extracted by TA

2.2.3温度对四种方法提取苹果肉渣果胶流体特性的影响如图4所示，四种苹果肉渣果胶的表观黏度随温度的升高而迅速降低，且降低趋势逐渐减缓。温度升高对TA、CL和UA提取果胶的流体特性影响较大，对MA提取果胶的流体特性影响不大。这主要是因为温度升高导致果胶分子的热运动加剧，削弱了胶体大分子间的缠结，分子间距离增大，分子间作用力减弱，流动时内摩擦减少，使分子链的柔顺程度加强而使流动特性提高。在较低温度范围（20～40℃）时，随着温度的升高，果胶溶液中分子间的缠结体迅速被削弱，因此表观黏度迅速降低；而在较高温度范围（50～80℃）时，分子间的缠结体几乎完全被削弱，因此表观黏度下降幅度减缓［23］，表现为趋于理想状态牛顿流体的特性。

图4　温度对四种方法提取苹果肉渣果胶流体特性的影响Fig.4　Effect of temperature on the flow curve of apple flesh pomace pectins extracted by the four methods

2.2.4放置时间对TA提取苹果肉渣果胶流体特性的影响如图5所示，短期放置0.5h和24h后果胶溶液的表观黏度均下降。剪切速率在较低的范围（0～200s-1）时，两者均表现为剪切稀化流体；当剪切速率在较高范围（200～700s-1）时，表观黏度下降幅度均趋缓且趋于一致。放置24h后，果胶溶液的初始黏度有明显的降低，该现象表明果胶分子间所形成的缠结体为一种不稳定的结构，随着放置时间的延长，果胶分子的水合作用加强，分子间的相互作用力减弱，导致果胶溶液表观黏度的下降，进而影响果胶的应用特性。

图5　放置时间对TA提取苹果肉渣果胶流体特性的影响Fig.5　Effect of storage time on the flow curve of apple flesh pomace pectins extracted by TA

由以上分析可知：不同因素对苹果肉渣果胶流变特性影响不同，但四种果胶溶液的表观黏度初始值顺序一致，均为：TA＞CL＞UA＞MA。

2.3四种方法提取苹果肉渣果胶黏均分子量的比较

四种方法提取苹果肉渣果胶黏均分子量如表1所示。

表1　四种方法提取苹果肉渣果胶黏均分子量比较（u）Table 1　Comparison of viscosity-average molecular weight（M）of apple flesh pomace pectins obtained by four methods（u）

由表1可知，四种方法提取苹果肉渣果胶黏均分子量在200～400ku之间，TA的分子量最大，其次是CL，UA次之，MA最小。CL虽然提取条件温和，但提取时间过长会使果胶分子部分降解，导致分子量降低，而UA和MA的机械作用会打断果胶的分子链或支链基团，导致分子量降低。而四种方法提取苹果肉渣果胶表观黏度的大小顺序也为：TA＞CL＞UA＞MA。分子量比较低时，分子链短，不能发生缠结，表观黏度较小，随着分子量增大，分子链变长，容易缠结，分子间相对位移困难，故果胶溶液的特性黏度随黏均分子量的增加而增大。黏均分子量的测定结果很好地解释和验证了果胶流变学特性。

3　结论

TA、CL、UA和MA提取苹果肉渣果胶的表观黏度均随剪切速率的增大而减小，属于典型的非牛顿流体中的假塑性流体行为。低剪切速率时剪切稀化现象严重，随剪切速率的升高，果胶溶液流体逐渐趋向于理想状态的牛顿流体。四种方法提取苹果肉渣果胶流体行为还受浓度，温度和放置时间的影响。而四种方法提取苹果肉渣果胶的黏均分子量和表观黏度大小具有相同的顺序：TA＞CL＞UA＞MA，该结果很好地解释和验证了四种方法提取苹果肉渣果胶溶液的流变学特点。对不同方法提取苹果肉渣果胶流变学特性的研究将有助于其在食品工业中的进一步应用。

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Rheological properties of apple flesh pomace pectins extracted by four methods

LI Jie，GUO Yu-rong*，DOU Jiao，XUE Zhan-feng，ZHANG Xiao-rui
（College of Food Engineering and Nutritional Science，Shaanxi Normal University，Xi’an 710119，China）

Apple flesh pomace pectins were extracted by traditional acid method（TA），cellulase method（CL），ultrasound-assisted method（UA）and microwave-assisted method（MA）and identified.The effects of shearing rate，concentration，temperature，and storage time on the rheological properties of pectins were investigated.In addition，viscosity-average molecular weights of pectins were measured to verify their rheological characterization. The results showed that the apparent viscosity of pectins dropped with the increase of shearing rate，which belonged to pseudo-plastic fluid behavior of typical non-Newtonian fluid.The shear thinning behavior was more obvious at high concentration.The increase of temperature and storage time extension led to a decrease of apparent viscosity of the pectin solution.The apparent viscosity and the viscosity-average molecular weights of the four pectins showed the following order：TA＞CL＞UA＞MA，the rheological properties of apple pectin was successfully verified by the viscosity-average molecular weights.

apple flesh pomace；pectin；identification；rheology

TS201.7

A

1002-0306（2015）12-0109-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.015

2014－09－12

李洁（1989-），女，硕士研究生，主要从事食品功能成分开发及利用方面的研究。

郭玉蓉（1962-），女，博士，教授，主要从事食品生物加工方面的研究。

现代农业产业技术体系建设专项资金资助（GK661001）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（GK261001330）。