剑麻渣果胶提取工艺的研究

陈芳艳，王林川，杨 艳，陈 希，刘伟强

(1 华南农业大学动物科学学院，广东广州 510642;2 华南农业大学兽医学院，广东广州 510642）

果胶具有良好的凝胶和乳化稳定作用，是在食品、医药和其他工业中应用的重要多糖之一.在食品中可用做胶凝剂、增稠剂、组织成型剂、乳化剂和稳定剂等，用来制造果酱、果冻、果脯、冰制品、酸奶制品、饮料和烤肉调味酱等［1］，在医药上具有抗菌、止血、消肿、解毒、止泻、降血脂、抗辐射等作用，还是一种优良的药物制剂基质，可与其他制剂合用配制软膏、膜、栓剂、胶囊等药物.果胶对维持血液中正常的胆固醇含量具有非常好的效果，还能够防止阳离子中毒，能有效地除去肠胃和呼吸道中的铅和汞［2］.剑麻Agave sisalana是一种龙舌兰科龙舌兰属的叶纤维作物，它含有多种皂苷元、蛋白质、多糖类化学成分，具有降胆固醇、抗炎、抗肿瘤等药理作用.性味甘、辛、凉;功能为凉血止血、消肿解毒;主治肺痨咯血、衄血、便血、痢疾、痈疮肿毒、痔疮等，在广西长期作为地方植物药应用［3］.剑麻根茎中的汁液可用于酿酒，如墨西哥的剑麻酒世界闻名，被称为墨西哥国酒.墨西哥亦开发利用剑麻作为动物饲料［4］.我国华南地区有丰富的剑麻资源，为麻工业提供了大量的原料，但同时也产生了大量的剑麻渣，不仅占用场地，而且污染环境.国内通常直接用来作为有机肥料或废渣处理，利用程度低，亟待对剑麻渣进行综合利用.剑麻渣中含有大量的果胶、皂甙、纤维素等物质，对其开发利用，不仅提高剑麻的经济效益，而且有利于保护环境.生产食品工业上需求量极大的果胶，是提高剑麻渣经济价值的有效方法.

本试验从提取了皂甙之后的剑麻渣中提取果胶，研究剑麻果胶的提取工艺及其理化性质，为果胶制备提供新的材料来源.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

剑麻渣:湛江剑麻厂提供;咔唑:分析纯，中国医药集团上海化学试剂公司;半乳糖醛酸(D－(+)Galacturonic acid):纯度＞93%，Sigma公司;其余试剂均为国产分析纯试剂.

1.2 剑麻果胶制备工艺流程

剑麻渣→漂洗灭酶→抽提→过滤浓缩→滤液脱色→醇析(过滤)→干燥→剑麻果胶.

1.3 剑麻果胶提取液的制备

1.3.1 剑麻果胶提取的正交试验 将萃取完皂甙后的剑麻渣按料液比0.1 g·mL－1的比例加入蒸馏水，在水浴中加热保温0.5 h，使其吸水充分软化，并适当加以搅拌，然后用纱布过滤，挤干，反复三四次，以达到漂洗及灭酶的目的.

准确称取9份各10 g经上述处理后的剑麻渣，加入草酸－草酸铵缓冲溶液，在一定温度下提取果胶.以料液比、温度、时间、草酸－草酸铵缓冲溶液浓度4个因素确定最佳的果胶提取条件，每个因素各取3个水平，以果胶产率为指标，进行4因素3水平的正交试验L9(34)(表1)，反应结束后用乙醇沉淀，过滤，70℃烘至衡质量后，称质量，计算果胶得率.

果胶得率=果胶质量/剑麻渣质量×100%.

表1 剑麻果胶提取的正交试验设计Tab.1 Orthogonal test table of extracting pectin from sisal

1.3.2 草酸－草酸铵浓度对果胶得率的影响 分别称取5 g经处理的剑麻渣9份，在料液比为0.1 g·mL－1、温度80℃、浸提90 min的条件下，加入浓度分别为 0.1、0.4、0.7、1.0、1.3、1.6、1.9、2.2、2.5 mol/L的草酸－草酸铵缓冲溶液(pH=3)进行抽提，比较果胶得率.

1.4 剑麻果胶脱色

取10 mL果胶提取液6份，分别置于具塞试管中，加入质量分数为30%的H2O2，使果胶提取液中过氧化氢的质量分数分别为0、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%、3.0%，混匀后放置12 h，观察颜色变化，然后加乙醇，沉淀，过滤，烘干得到脱色果胶.

1.5 剑麻果胶的分离

1.5.1 沉淀剂对果胶分离效果的影响 取100 mL果胶提取液 3份，分别加入 5 g CaCl2、5 g(NH4)2SO4、100 mL φ为95%的乙醇，搅拌混匀后放置12 h，过滤得到果胶，70℃烘干至恒质量，比较果胶得率.

1.5.2 醇析pH对果胶分离效果的影响 分别在6份50 mL果胶提取液中加入等体积的φ为95%的乙醇后，用 HCl调节 pH 分别为 1、2、3、4、5、6，放置 12 h后，过滤得到果胶，70℃烘干至恒质量，比较果胶得率.

1.6 剑麻果胶中半乳糖醛酸含量的测定

采用咔唑硫酸比色法，在波长530 nm处测定果胶溶液的光密度［5］.

1.7 果胶酯化度(DE)的测定

取3份干样品分别测果胶酯化度.参考Pinheiro等［6］的方法，称取0.2 g果胶移入250 mL锥形瓶中，用乙醇润湿，加入20 mL 40℃不含CO2的蒸馏水，用瓶塞塞紧并振摇，使样品全部溶解.加入5滴酚酞，用0.1 mol/L的NaOH标准溶液进行标定，记录所消耗NaOH的体积(V1)即为初滴定度.继续加入0.1 mol/L的NaOH标准溶液10 mL，加塞后强烈振摇2 h，加入0.1 mol/L的HCl 10 mL，振摇至粉红色消失为止.然后加入3滴酚酞指示剂，用0.1 mol/L的NaOH滴定至呈微红色.记录所消耗NaOH的体积(V2)，即为皂化滴定度.

1.8 剑麻果胶pH、总灰分的测定

剑麻果胶 pH、总灰分按照国标 QB2484—2000［7］中规定的方法进行测定.

2 结果与分析

2.1 剑麻果胶提取条件的确定

2.1.1 正交试验结果

从表2可看出，各因素的最优组合为A1B2C3D3，即提取剑麻果胶的最佳工艺条件:料液比为1 g∶10 mL、草酸－草酸铵溶液浓度为0.8 mol/L、温度为80℃、反应时间90 min.由R可知，各因素对果胶提取率影响的主要次序为D＞C＞B＞A，D的极差最大，A的极差最小.极差越大，反映该因素水平变动时，总指标变化越大，即草酸－草酸铵缓冲液的浓度对果胶提取率的影响最大.

表2 剑麻果胶提取正交试验结果Tab.2 Orthogonal test results of extracting pectin from sisal

2.1.2 草酸－草酸铵缓冲液浓度对果胶得率的影响 由于浓度对果胶提取率的影响最大，因此在其他条件相同的情况下，进一步确定草酸－草酸铵缓冲溶液的浓度，结果如图1所示:

图1 缓冲液浓度对剑麻果胶产率的影响Fig.1 Effect of buffer solution concentration on pectin yield from sisal

由图1可知，随着草酸－草酸铵缓冲液浓度的升高，果胶的提取率逐渐增大，当浓度为2.2 mol/L时，果胶的产率达到最大，继续升高缓冲液浓度，果胶产率不再增大反而下降.因此，确定草酸－草酸铵缓冲溶液的最佳提取浓度应为2.2 mol/L.

2.2 H2O2质量分数对剑麻果胶颜色及产率的影响

在果胶溶液中加入不同质量分数的H2O2脱色，比较脱色效果和果胶得率，结果如表3.随着H2O2质量分数的增大，果胶的脱色效果越来越好.但是由于H2O2有强氧化性会破坏果胶分子，影响果胶的得率，所以从脱色效果和得率两方面考虑，果胶溶液中过氧化氢质量分数为1.8% 时为最佳.

表3 H2O2质量分数对剑麻果胶脱色效果的影响Tab.3 Effect of hydrogen peroxide concentration on decoloration of pectin from sisal

2.3 剑麻果胶的分离

2.3.1 沉淀剂对果胶产率的影响 选择 CaCl2、(NH4)2SO4、乙醇作为果胶的沉淀剂，研究不同的沉淀剂对果胶产率的影响，结果表明，3种沉淀剂均能使果胶析出，采用CaCl2作为沉淀剂时，果胶产率为8.64%，(NH4)2SO4沉淀果胶产率为4.77%、乙醇沉淀果胶产率最高，为10.60%，因此选用乙醇来沉淀果胶.

2.3.2 醇析pH对果胶产率的影响 控制乙醇沉淀时的pH，研究不同pH对沉淀效果的影响，结果如图2.当溶液pH＜4时，果胶的沉淀率随pH的增大而升高，而当pH＞4时，果胶沉淀率随pH增大而减小，在溶液pH=4时，果胶得率最高，达14.87%.这是因为果胶是弱酸性物质，在酸性条件下稳定，pH偏离4时，果胶会带上电荷而呈溶解状态，不利于醇析.且pH越低，果胶的糖苷键和酯键的水解程度也会加大，更不利于醇析沉淀.因此调节醇析时的pH=4，使果胶易于沉淀析出.

图2 pH对果胶沉淀效果的影响Fig.2 Effect of pH on the result of pectin precipitation

2.4 果胶理化性质

2.4.1 剑麻果胶鉴别 剑麻果胶浅黄绿色，无异味.溶于40倍水中呈粘稠状液体，说明其溶于水;加入乙醇，即出现悬浮絮状沉淀，说明剑麻果胶不溶于乙醇;剑麻果胶与蔗糖和柠檬酸按一定比例混合，在一定条件下加热，冷却后呈现柔软而有弹性的胶冻，说明果胶具有胶凝性.

2.4.2 剑麻果胶质量分析 果胶是一种食品添加剂，国家对其有一定的质量标准.本文分别检测了剑麻果胶的半乳糖醛酸含量、酯化度、pH和灰分，并与国家轻工业标准［7］进行对比，结果如表4.由表4可知，剑麻果胶几项指标均符合国标，可用作食品添加剂.剑麻果胶的酯化度为23%，低于50%，属于低酯果胶.

表4 剑麻果胶质量指标Tab.4 Quality index of sisal pectin

3 讨论与结论

果胶的提取方法主要有酸法［8］、离子交换法［9］、微波法［10-12］、超滤法［13-14］、酶法［15］和草酸铵法［16］等.剑麻果胶含量丰富，每100 g新鲜剑麻柄中含糖量约6.6%、蛋白质2.2%、纤维60%、果胶5.29%、淀粉11.5%［17］.本试验以去除了纤维后的风干剑麻渣为材料提取果胶，采用pH 3的2.2mol/L草酸－草酸铵缓冲溶液在温度为80℃、反应时间90 min的条件下提取，然后用乙醇在pH4.0的条件下沉淀，剑麻果胶得率可达到14.87%，而过去单独用草酸铵溶液从其他材料中提取果胶的得率由3.82%到11.59%不等［16-20］.可见，用草酸－草酸铵缓冲溶液从剑麻渣中提取果胶的得率较高.

剑麻果胶黄褐色，很难满足市场的需求，因此需对果胶进行脱色处理.目前较为成熟的果胶脱色方法有:活性碳脱色、醇氨溶液脱色、过氧化氢脱色、树脂脱色等［21］.本试验选用了活性炭和H2O22种方法进行脱色，虽然采用活性碳脱色效果明显，但活性炭颗粒会混入果胶中，无论是过滤还是在12000 r/min的条件下超速离心，都无法将活性炭从果胶溶液中彻底去除.H2O2的脱色效果好，脱色后处理简单，但由于H2O2有强氧化性会使果胶分子受到破坏，影响产率.通过对H2O2用量与脱色效果及产率的比较，可以看出果胶提取液中H2O2质量分数控制在1.8%～2.4%，果胶的脱色效果好，产率高.本研究也曾利用还原剂亚硫酸钠进行脱色，但脱色效果不理想.

果胶沉淀方法有盐析法［22］和醇沉淀法［23］.本研究对CaCl2，(NH4)2SO4和乙醇3种沉淀剂的沉淀效果进行了比较.用乙醇沉淀的果胶产率最高，CaCl2次之，(NH4)2SO4最低.虽然采用乙醇和 CaCl2沉淀，二者间的产率相差不是很大，但采用CaCl2沉淀问题较多，CaCl2用量多会造成果胶的过滤、洗涤较困难，烘干后的果胶成品有细小的白色颗粒，用量少则沉淀不彻底.因此，选用乙醇作为剑麻果胶的沉淀剂，工艺简单，得到的果胶色泽好、灰分少，但也存在乙醇的用量大，不易回收，能耗大，生产成本高等问题.据报道，在痕量电解质存在的条件下，沉淀会更完全，这可能由于离子在果胶分子间形成了桥梁，使果胶分子连接、聚合，从而加速了果胶沉淀，一般选用HCl作为电解质加入到乙醇中［23］.在乙醇沉淀时利用HCl控制提取液pH4.0，沉淀效果更加理想，使果胶产率提高到14.87%.

该法制备的剑麻果胶各项指标均符合国家标准.剑麻果胶为低酯果胶，天然低酯果胶很少，它在Ca2+或其他二价阳离子存在下，有糖或无糖均能形成性质优良的凝胶.与高酯果胶只能在可溶性固形物高于55%才能胶凝而主要用于高糖类食品的生产相比，低酯果胶更符合人们低糖、低热量食品的消费观念，因此有着广阔的市场前景［24］.

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