菠萝皮渣果胶的提取及理化性质

杭瑜瑜+王玉杰+齐丹+公维洁

摘要：以干菠萝皮渣为原料，运用超声波辅助纤维素酶法提取菠萝皮渣中的果胶，通过单因素和响应曲面试验，确定最优的提取工艺：超声波功率507 W、10 mL提取液中酶添加量为0.51 g，在此条件下果胶的提取率为2.584 3%。经过红外光谱分析，通过与标准样品图谱的比较证明，所提取的样品是果胶，其总半乳糖醛酸含量为68.57%，酯化度为47.99%，属于低酯果胶。

关键词：菠萝皮渣；果胶；提取；理化性质

中图分类号： S814；TS255文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0379-04

果胶是从植物组织中提取的一类酸性多糖物质，为植物细胞壁的重要组分。果胶的主要成分是半乳糖醛酸，以α-D-（1-4）-糖苷键聚合形成聚半乳糖醛酸聚糖[1-2]。相关研究表明，果胶具有抑制肿瘤[3]、降血糖[4]、降血脂[5]、吸附重金属[6]、抑制微生物生长[7]、抑制炎症[8]等作用。

目前国内外研究较多的果胶种类包括柑橘果胶、橙皮果胶、苹果果胶、向日葵果胶、甜菜果胶、马铃薯果胶、大豆果胶等[9]。关于果胶提取研究，报道的方法有酸提取法、草酸铵提取法、酶提取法、微波提取法、超声波提取法、微生物提取法等。Hromadkova等对比了传统碱法、超声辅助提取荞麦中半纤维素的产率，证明经过短时超声波处理后，与传统方法相比产率提高了1.2～1.5倍[10]。Seshadri等发现，超声波提取的果胶体系更清澈，色泽更好[11]。Panouille等发现，用纤维素酶、蛋白酶提取的果胶比用传统酸法提取的得率更高，单分子量更低[12]。

从自然界植物组织中提取的果胶以高酯果胶为主，低酯果胶主要通过高酯果胶脱酯而获得。低酯果胶即使不加糖、酸，只要存在高价态金属离子（如Ca2+、Al3+等）也可生成凝胶，广泛用于低糖产品，可生产低热低糖的功能性保健食品[13]。鉴于低酯果胶的性质和用途，从植物组织中提取低酯果胶具有广泛的研究意义。

菠萝在我国广泛种植，菠萝加工中产生大量的菠萝皮渣，然而这些果皮渣多作为废物丢弃，在造成环境污染的同时又是对资源的极大浪费[14]。菠萝皮渣中含有丰富的果胶物质，并且为低酯果胶。本研究以菠萝废弃物为对象提取果胶，并对所制备的果胶进行理化性质的研究，以为其在商业生产中的应用提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料与仪器

1.1.1材料菠萝皮渣：收集市场上新鲜的菠萝皮，处理后作为试验原料。

1.1.2试剂主要试剂：无水乙醇、氢氧化钠、盐酸、硫酸、纤维素酶（酶活性1 800 U/g）。

1.1.3主要儀器和设备TDI-80-2B离心机（金坛市盛蓝仪器制造有限公司）；HN-12P酸度计（上海越磁电子有限公司）；HWS-26恒温水浴锅（金坛市盛蓝仪器制造有限公司）；JU-6224调节型超声发生器（上海杰恩超声设备有限公司）；IRTracer-100傅里叶红外光谱仪（日本岛津公司）等。

1.2试验方法

1.2.1菠萝皮渣果胶的提取工艺流程主要流程：菠萝皮渣→清洗→沸水热烫灭酶10 min→60 ℃烘干→粉碎→过筛（100目）→菠萝皮渣粉末→酸解→纤维素酶酶解→过滤→滤液浓缩→沉淀→离心→沉淀洗涤→干燥→果胶。

↑

超声波处理

1.2.2提取工艺要点称取5.0 g干燥菠萝皮粉，加入 10 mL 蒸馏水作为溶剂，用0.5 mol/L盐酸调节pH值至2.0，于80 ℃超声波处理20 min。待酸解液冷却至室温后，调节pH值至4.0，再加入一定量活性为1 800 U/g的纤维素酶，置于70 ℃恒温水浴锅中40 min。将所得到的提取液于90 ℃灭酶5～10 min，趁热抽滤。滤液用旋转蒸发仪蒸发浓缩至原体积的1/4，向浓缩液中加入1.5倍体积的无水乙醇，静置沉淀1 h后，于5 000 r/min离心10 min，分离出沉淀。用95%乙醇清洗2次，以除去其他杂质，最后将果胶置于60 ℃真空干燥箱中干燥。

1.2.3果胶提取率的计算相关公式：

[JZ（]果胶提取率=果胶质量/菠萝皮渣原料质量×100%。[JZ）]

1.2.4单因素试验选择超声波功率、纤维素酶添加量2个因素，分别考察这2个因素对果胶提取率的影响。其中超声波功率设置360、480、600、720、840 W 5个梯度，10 mL提取液中纤维素酶添加量设置0.25、0.35、0.45、0.55、0.65 g 5个梯度。

1.2.5响应曲面优化试验根据单因素试验结果，对超声波功率、纤维素酶添加量组合进行2因素3水平的响应面试验，确定最佳提取工艺，并做验证试验。

1.2.6菠萝皮渣果胶红外光谱分析称取0.100 g溴化钾、0.001 g果胶粉末，将其混合，在红外灯下用玛瑙研钵研磨5 min。将研磨好的样品放进60 ℃干燥箱中干燥1 h，而后制成透明压片，采用傅里叶变换红外光谱仪进行400～4 000 cm-1 范围的光谱扫描。

1.2.7菠萝皮渣果胶理化性质测定

1.2.7.1果胶酯化度的测定采用滴定法测定酯化度[9]，称取 0.2 g 果胶样品，加入100 mL纯水。搅拌溶解后，加入3滴1%酚酞试剂，用0.1mol/L NaOH溶液滴定至溶液呈粉红色且保持0.5 min以上不褪色。然后加入20 mL 0.5 mol/L NaOH溶液，放置皂化2.5 h，用1 mol/L硫酸标准溶液滴定，相关公式：

[JZ]甲氧基含量=[SX（]（C2V2-C1V1）×0.031〖〗m[SX）]×100%；

[JZ]酯化度=甲氧基含量/16.3×100%。

式中：V2为皂化时加入的标准碱溶液的体积，mL；C2为皂化时加入的标准碱溶液的浓度，mol/L；V1为滴定皂化过量的碱消耗的硫酸体积，mL；C1为硫酸标准溶液浓度，mol/L；m为试样质量，g；0.031为甲氧基质量（g）当量数。

1.2.7.2果胶总半乳糖醛酸含量、灰分、酸不溶灰分测定的测定参照GB 25533—2010《食品添加剂果胶》测定果胶样品的总半乳糖醛酸、灰分、酸不溶灰分含量。

1.2.7.3果胶干燥质量损失的测定按照GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》中的直接干燥法进行测定。

2结果与分析

2.1单因素试验结果与分析

2.1.1超声波功率对果胶提取率的影响在纤维素酶添加量为0.45 g的条件下，考察不同超声波功率对果胶提取率的影响，试验结果见图1。

由图1可见，在超声功率为360～480 W的范围内，随着超声功率的增大，果胶提取率呈上升趋势；超声功率为480 W时，果胶提取率达到最大值；随着超声功率继续增大，果胶提取率则开始下降，最终趋于平缓。这可能是因为超声功率较低时，菠萝皮渣的细胞壁破裂得少，果胶质不能完全溶解，果胶产率较低[15]；而当超声功率过高时，超声波的空化作用、机械作用、热学作用造成部分果胶分解，使得果胶提取率有所下降。因此可知，适宜的超声波功率为480 W。

2.1.2纤维素酶添加量对果胶提取率的影响当超声波功率为480 W时，考察不同纤维素酶添加量对菠萝皮渣果胶提取率的影响，结果见图2。

由图2可知，果胶提取率随着纤维素酶添加量的增加而呈上升趋势；当10 mL提取液中纤维素酶添加量为0.45 g时，果胶的提取率趋于平缓趋势；继续增加酶用量，对果胶提取率的影响不大。这是由于纤维素酶的酶解作用能够破坏原料中纤维素的糖苷键，使部分纤维素降解而提高果胶的得率。在底物浓度一定的情况下，继续增加酶用量，产物反而会对酶有反馈抑制作用，从而出现果胶提取率不再升高的现象[16]。因此可知，适宜的纤维素酶添加量为10 mL提取液中0.45 g。

响应曲面三维图比较直观地反映出各因素间相互作用的强弱[17-18]，而响应曲面三维图在平面上的投影即为等高线图。等高线的形状可以反映因素相互影响的强弱：等高线的形状为椭圆形时，2个因素的相互作用相对较强；等高线趋于圆形时，2个因素的相互作用相对较弱[19]。从图3可以看出，超声波功率和纤维素酶添加量相互作用较大，与方差分析的结果一致。

根据响应面法试验结果及其回归方程模型分析可知，超声波辅助纤维素酶法提取菠萝皮渣中果胶的最优工艺：超声功率为507.36 W、10 mL提取液中纤维素酶添加量为0.51 g，预测果胶提取率为2.595 3%。考虑到实际操作的便利，将最佳工艺条件修正为超声功率为507 W、10 mL提取液中纤维素酶添加量为0.51 g，在此条件下进行3次重复验证试验，果胶提取率的平均值为2.584 3%。该试验值与模型方程的预测值仅相差0.42%，说明经响应面法优化的提取工艺组合条件较为准确，利用超声辅助纤维素酶法提取菠萝皮渣中的果胶具有一定的实际意义。

2.3菠萝皮渣果胶红外光谱分析

由图4可以看出，提取的果胶与果胶标准品的红外图谱相似。3 600～2 500 cm-1处的吸收峰是O—H的伸缩振动引起的，样品在3 417 cm-1有吸收峰，说明果胶分子中有很多 —OH；3 000～2 800 cm-1处的特征峰是C—H的反对称、对称伸缩振动引起的，样品在2 942 cm-1有吸收峰；1 760～1 720 cm-1处的特征吸收峰是半乳糖醛酸羧基形成的酯键（—COOR）中羰基的伸缩振动引起的，样品在1 740 cm-1有吸收峰；1 680～1 600 cm-1处的吸收峰为游离的羧酸（—COOH）中羰基的不对称伸缩振动引起的，样品在1 673 cm-1有吸收峰；1 462 cm-1处的峰是C—O—H的平面弯曲振动峰；1 300～1 000 cm-1间的吸收峰是由C[FY=，1]O伸缩振动所引起的；在1 253 cm-1的特征峰是C—O—C键的伸缩振动峰，表明有甲氧基存在；在1 300～800 cm-1之间中强吸收峰是果胶分子的指纹区。经比较可知，菠萝皮提取物与标准品果胶的红外图谱相似，证明其为果胶。

2.4菠萝皮渣果胶理化性质测定结果

3结论

通过响应曲面试验优化超声波辅助纤维素酶法提取菠萝皮渣果胶的工艺，结果表明：功率为507 W、10 mL提取液中纤维素酶添加量为0.51 g时，提取率为2.584 3%。用红外光谱分析验证提取的样品为果胶，其总半乳糖醛酸含量为68.57%，酯化度为47.99%，属于低酯果胶。低酯果胶在高价金属离子存在下即可形成凝膠，可用作低糖、无糖食品的增稠剂。本研究结果表明，菠萝皮渣果胶的各项理化指标符合GB 25533—2010《食品添加剂果胶》的规定，可作为一种低酯果胶用于商业生产，在充分提高菠萝附加值的同时也丰富了低酯果胶的来源。

参考文献：

[1]Lutz R，Aserin A，Wicker L，et al. Structure and physical properties of pectins with block-wise distribution of carboxylic acid groups[J]. Food Hydrocolloids，2009，23（3）：786-794.

[2]仇农学，田玉霞，邓红，等. 超滤法分离苹果果胶及其理化性质[J]. 中国农业科学，2009，42（10）：3609-3616.

[3]徐厚巍. 低分子柑橘果胶杀伤结肠癌细胞过程中关键凋亡蛋白的活化[D]. 广州：广州医学院，2010：12.

[4]邬晓婧，张爱珍，陈建国，等. 低分子柑橘果胶粉对糖尿病小鼠血糖血脂调节作用研究[J]. 中国全科医学，2006，9（20）：1685-1686.

[5]Nilsson A，Ostman E，Preston T，et al. Effects of GI vs content of cereal fibre of the evening meal on glucose tolerance at a subsequent standardized breakfast[J]. European Journal of Clinical Nutrition，2008，62（6）：712-720.

[6]王晓波，车海萍，陈海珍，等. 榴莲壳内皮果胶多糖和黄酮对重金属吸附作用的研究[J]. 食品工业科技，2011，32（12）：129-131.

[7]Fan L H，Cao M，Gao S，et al. Preparation and characterization of a quaternary ammonium derivative of pectin[J]. Carbohydrate Polymers，2012，88（2）：707-712.

[8]陈颖珊. 紫果西番莲果胶提取及预防溃疡性结肠炎活性[D]. 广州：华南理工大学，2014.

[9]冯静. 菠萝皮果胶的提取，理化性质及其多糖组成的研究[D]. 南昌：南昌大学，2012.[ZK）]

[10]Hromadkova Z，Ebringerova A. Ultrasonic extraction of plant materials-investigation of hemicellulose release from buckwheat hulls[J]. Ultrasonics Sonochemistry，2003，10（3）：127-133.

[11]Seshadri R，Weiss J，Hulbert G J，et al. Ultrasonic processing influences rheological and optical properties of high-methoxyl pectin dispersions[J]. Food Hydrocolloids，2003，17（2）：191-197.

[12]Panouille M，Thibault J-F，Bonnin E. Cellulase and protease preparations can extract pectins from various plant by products[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2006，54（23）：8926-8935.

[13]叶华，秦加兴. 利用果胶酯酶制备低酯果胶工艺研究[J]. 食品与机械，2009，25（1）：25-27.

[14]刘明绶. 菠萝皮中色素，果胶的提取纯化及性质研究[D]. 厦门：集美大学，2010.

[15]薛美香，张玉燕. 超声波辅助提取芦柑皮中果胶的研究[J]. 宜春學院学报，2014，36（3）：98-101.

[16]刘鹏超，汤英春，朱丽莉，等. 酶法提取胡萝卜皮渣可溶性膳食纤维的工艺研究[J]. 食品工业，2012，33（4）：44-46.

[17]刘鹏超，汤英春，朱丽莉，等. 酶法提取胡萝卜皮渣可溶性膳食纤维的工艺研究[J]. 食品工业，2012，33（4）：44-46.

[18]姚秋萍，罗明高，潘大托. 响应面法优化超声辅助提取鱼腥草多糖的工艺[J]. 江苏农业科学，2014，42（10）：252-255.

[19]嵇豪，蒋冬花，杨叶，等. 响应面法优化超声波辅助提取红曲米中水溶性色素[J].