超声辅助草酸铵法提取南瓜果胶及其理化性质研究

李晓娟，唐彦武，王珣*，李家磊，赵伟，赵曦，王家有，陆杰，高强

(1.黑龙江省农业科学院生物技术研究所，哈尔滨 150028；2.黑龙江大学 生命科学学院，哈尔滨 150080；3.黑龙江省农业科学院食品加工研究所，哈尔滨 150086；4.黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；5.东北农业大学 资源与环境学院，哈尔滨 150030)

南瓜属葫芦科南瓜属[1]。与肉用南瓜不同，籽用南瓜是取食种子的一类南瓜，果肉常被丢弃。中国是籽用南瓜栽植和生产大国，每年南瓜籽产量约占全世界的70%，而由此废弃的南瓜果肉不仅给环境带来污染，同时也造成了资源的巨大浪费[2]。籽用南瓜被丢弃的部分富含果胶、蛋白质及矿物质等，颇具开发前景[3]。果胶是一种分子量为20～400 kDa的生物大分子，最早于1824年由法国人Bracennot在胡萝卜根中发现[4]，由于具有出色的胶凝性和稳定性，常作为一些食物的添加剂，如调味品、饮料、果冻等[5]。虽然有大量研究从柑橘、甜菜、百香果、苹果、番薯及豆腐柴叶等副产品中取得果胶[6-11]，但随着果胶在食品领域的需求增加，需要从国外进口。当前，工厂中常采用酸法提取果胶。近年来涌现出大量新方法，如超声-微波法、离子交换法和酶法等[12-15]。针对工业生产中传统方法的不足，本文以南瓜废弃果肉为材料，采用超声草酸铵协同提取法优化果胶提取工艺，并分析果胶产品的特性，以期为南瓜果胶的工业化生产提供新参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

南瓜品种为“金龙瓜1号”，2018年10月采自黑龙江省农业科学院畜牧所园区，采收后运回实验室当天处理；所用试剂均为分析纯。

1.2 方法

1.2.1 材料预处理

南瓜→去籽、洗净、切块→灭酶→烘干→粉碎→过60目筛→南瓜粉。

1.2.2 南瓜果胶提取的工艺流程

精确称量南瓜粉适量，按设定比例放入设定浓度的草酸铵[(NH4)2C2O4]溶液，混匀，置于超声仪中，在设定温度下提取。将提取液真空浓缩至原来的1/4(V/V)，降至常温后，加入4倍体积95%乙醇，过滤，收集固形物，冷冻干燥待测。

1.2.3 果胶得率测定[16]

取1 mL不同浓度半乳糖醛酸对照溶液(10，20，30，40，50，60，70，80 μg/mL)，分别加入H2SO46 mL，混匀，90 ℃加热15 min，降至常温。加入1.5 mg/mL咔唑无水乙醇0.2 mL，避光反应2 h。以1 mL蒸馏水替代半乳糖醛酸溶液作为阴性对照，按相同显色步骤操作，检测530 nm处各溶液吸光度。绘制半乳糖醛酸标准曲线：y=0.006963x+0.003286，R2=0.9983(y为吸光值，x为半乳糖醛酸)。

取经过稀释的南瓜果胶1 mL，用来替代标准溶液。后续步骤按照标准曲线绘制方法进行。果胶得率按公式(1)计算：

果胶得率/%=(ρ×V×K)/(m×106)×100。

式(1)

式中：ρ为半乳糖醛酸含量(μg/mL)；V为果胶提取液总体积(mL)；K为果胶提取液稀释倍数；m为南瓜粉质量(g)。

1.2.4 单因素试验设计1.2.4.1 提取温度

称取一定量预处理得到的南瓜粉，加入0.8% (NH4)2C2O4溶液(1∶30，W/V)，混匀后置于超声仪中，在不同温度下提取60 min，降至常温后离心(6000 r/min，15 min)，上清液稀释后，采用硫酸咔唑法检测得率，确定最佳提取温度，温度设定为40，50，60，70，80 ℃，每个试验重复3次。

1.2.4.2 提取时间

称取一定量预处理得到的南瓜粉，加入0.8% (NH4)2C2O4溶液(1∶30，W/V)，混匀后置于超声仪中，在70 ℃温度下提取不同时间。降至常温后离心(6000 r/min，15 min)，上清液稀释后，采用硫酸咔唑法检测得率，确定最佳提取温度，时间设定为40，60，80，100，120 min，每个试验重复3次。

1.2.4.3 料液比

称取一定量预处理得到的南瓜粉，加入不同体积0.8% (NH4)2C2O4溶液，混匀后置于超声仪中，在70 ℃温度下提取60 min。降至常温后离心(6000 r/min，15 min)，上清液稀释后，采用硫酸咔唑法检测得率，确定最佳料液比，料液比设定1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50(W/V)，每个试验重复3次。

1.2.4.4 草酸铵[(NH4)2C2O4]浓度

称取一定量预处理得到的南瓜粉，加入不同浓度的(NH4)2C2O4溶液(1∶30，W/V)，混匀后置于超声仪中，在70 ℃温度下提取60 min。降至常温后离心(6000 r/min，15 min)，上清液稀释后，采用硫酸咔唑法测定，计算果胶得率，确定最佳(NH4)2C2O4浓度，浓度设定为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%，每个试验重复3次。

1.2.5 正交试验设计

通过单因素试验确定各元素取值范围，设置四因素三水平正交试验。正交试验设计见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 The factors and levels of orthogonal test

1.2.6 南瓜果胶品质分析

水分含量和pH值的测定分别参照GB 5009.3-2010[17]和QB 2484-2000[18]；总半乳糖醛酸的测定参照国标GB 25533-2010[19]；酯化度的测定参照顾振宇的方法[20]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 提取温度

由图1可知，果胶得率随着温度的上升先增多后减少，70 ℃是果胶得率的转折点，温度在40～70 ℃之间，果胶得率较低，可能是因为非水溶性果胶转化为水溶性果胶的速率与温度呈正相关[21]，故随温度上升生成更多可溶性果胶，故果胶得率不断增加；当温度大于70 ℃时，部分可溶性果胶分子被毁坏，所以出现得率降低的现象。因而，选择60～80 ℃作为正交试验果胶提取温度的水平范围。

图1 提取温度对果胶得率的作用

2.1.2 提取时间

由图2可知，40～60 min时果胶得率呈现上升趋势，60～120 min时果胶得率呈现下降趋势，这可能是由于非水溶性果胶需要一定时间转化为水溶性果胶，当转化过程不彻底时，果胶得率较低。随着时间的增长，非可溶性果胶不断转化为可溶性果胶。但时间过长可引起果胶解脂，得率随之减少。因而，选择40～80 min作为正交试验果胶提取时间的水平范围。

图2 提取时间对果胶得率的作用

2.1.3 料液比

由图3可知，增加料液比中溶剂的比例可使果胶得率上升。料液比大于1∶30，增速放缓。一方面，料液比中溶剂比例增大，降低了提取液的粘性，使得果胶易于溶出；另一方面，当料液比超过1∶30时，增加溶剂虽然不能大幅提升得率，但仍有小幅上升趋势。综合考虑，料液比过大，对设备要求较高，耗时耗能，因此增加后续分离工作的难度，因而选择1∶20～1∶40作为正交试验果胶料液比的水平范围。

图3 料液比对果胶得率的作用

2.1.4 草酸铵[(NH4)2C2O4]浓度

由图4可知，在浓度为0.2%～0.8%范围内，果胶得率随(NH4)2C2O4浓度的增加而增加，当(NH4)2C2O4浓度超过0.8%时，果胶得率开始减少。这可能是由于(NH4)2C2O4浓度较小时，果胶酸钙转化不完全，从而导致果胶提取不完全。而(NH4)2C2O4浓度过大时，水解程度往往超过预期而产生脱脂裂解现象，表现为得率减少[22]，因此选择(NH4)2C2O4浓度为0.8%。

图4 (NH4)2C2O4浓度对果胶得率的作用

2.2 正交试验结果

单因素试验结果确定了各因素的水平，为获得最佳参数，进行四因素三水平正交试验，结果见表2和表3，3次试验结果取平均值。

表2 正交试验直观分析表Table 2 The orthogonal test analysis table

表3 正交试验方差分析表Table 3 The variance analysis table of orthogonal test

极差(R)反映了各因子对果胶得率影响的显著性，由表2可知，对南瓜果胶的得率影响从大到小依次为A>D>C>B。由均值(K)结果可知南瓜果胶提取的最佳工艺组合为A3B2C2D2。

由表3可知，方差分析结果与直观分析结果一致，其中提取温度对果胶得率的影响最显著。因此，提取温度80 ℃、提取时间60 min、料液比1∶30、(NH4)2C2O4浓度0.8%是南瓜果胶提取的最优工艺。

2.3 验证试验

根据正交试验所得最优提取工艺条件，采用超声辅助草酸铵法提取南瓜果胶3次，结果见表4。

表4 验证试验结果Table 4 The results of verification test

由表4可知，验证试验得到的南瓜果胶得率最终为6.09%，表明超声辅助草酸铵法优化出的南瓜果胶提取参数可行。

2.4 南瓜果胶的理化指标测定

果胶产品质量评价一般参照QB 2484-2000和FCC标准。本试验对超声辅助草酸铵法提取果胶样品的pH值、溶解度、干燥减量、半乳糖醛酸和酯化度进行测定，测定结果与QB 2484-2000和FCC标准进行比较。

由表5可知，果胶的pH满足QB 2484-2000和FCC标准的要求。人体对果胶的利用程度与溶解度有关，南瓜果胶的溶解度较好。干燥减量可以反映出果胶水分含量，含水量低的果胶的品质较好，南瓜果胶的干燥减量满足QB 2484-2000和FCC标准的要求。果胶有高酯果胶和低酯果胶之分，酯化度大于50%的为高酯果胶，否则为低酯果胶。经测定，酯化度为75.23%，说明南瓜果胶属高酯果胶范畴。

表5 产品质量分析结果Table 5 The analysis results of product quality

3 结论

采用超声联合草酸铵法提取南瓜果胶，单因素试验说明不同提取温度、提取时间、料液比和(NH4)2C2O4浓度的果胶得率都呈现先上升后下降的趋势，极差分析结果表明提取温度对南瓜果胶得率的影响最显著，正交试验结果表明，提取温度80 ℃、提取时间60 min、料液比1∶30、(NH4)2C2O4浓度0.8%时，果胶得率可达6.09%。采用超声辅助草酸铵法最佳工艺条件提取南瓜果胶，符合QB 2484-2000和FCC标准。从环保、果胶品质等角度考虑，超声辅助草酸铵法可用于果胶的工业化生产。