田繼武，劉朝良*，朱保建，魏國(guó)清

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

桑枝皮中果膠的提取工藝優(yōu)化

田繼武，劉朝良*，朱保建，魏國(guó)清

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

以桑枝皮為原料，采用草酸銨-草酸水解、乙醇法沉淀提取果膠，研究料液比、pH值、提取溫度和提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響，并分析湖桑32、育711、農(nóng)桑14和農(nóng)桑8桑樹(shù)品種在不同時(shí)期和不同部位的桑枝皮中果膠的提取率。結(jié)果表明，提取桑枝皮中果膠的最佳工藝條件為料液比1∶14(g/mL)、pH2.0、提取溫度90℃、提取時(shí)間120min，脫色條件為溫度60℃、時(shí)間30min、活性炭與浸提液比例1∶100(g/mL)，在此條件下果膠提取率可達(dá)12%左右。不同桑樹(shù)品種、不同采摘時(shí)期、不同部位的桑枝皮中的果膠提取率都有所差異，其中湖桑32號(hào)、夏伐桑枝皮、春秋季中部位桑枝皮及夏伐一年生桑枝皮中果膠提取率較高。濕桑枝皮中果膠提取率比烘干后的桑枝皮中的提取率高。

桑皮；果膠；提取率

果膠是一種復(fù)雜的多糖聚合物，是植物組織的重要成分[1]，是由D-半乳糖醛酸經(jīng)糖苷鍵連接而成的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)。果膠作為一種天然的植物膠，因具有良好的乳化、增稠、穩(wěn)定和膠凝作用而被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中，主要用于生產(chǎn)果醬、果凍、果汁乳化劑，牛乳增稠劑和生物降解餐具等[2]。果膠在植物的葉、皮、莖及果實(shí)的植物細(xì)胞壁及胞間層中皆有存在，是植物體內(nèi)特有的細(xì)胞壁組分[3]。醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，果膠有降低膽固醇和血糖的作用，可用于治療心血管硬化、糖尿病和胃潰瘍等疾病，同時(shí)果膠在醫(yī)藥上還可用作凝膠劑、細(xì)菌培養(yǎng)基和金屬中的解毒劑[4]。此外，果膠在化妝品、紡織、印染、冶金、煙草等行業(yè)中亦有應(yīng)用[5-8]。

全世界的果膠年需求量近2萬(wàn)t，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年約消耗1500t以上，其中約80%從國(guó)外進(jìn)口[9]。目前，我國(guó)生產(chǎn)果膠大多是從柑橘皮和蘋(píng)果渣中提取[10-11]，原料來(lái)源受季節(jié)性和生產(chǎn)技術(shù)的限制，不利于果膠的連續(xù)生產(chǎn)，使得我國(guó)果膠需求主要依靠國(guó)外進(jìn)口，但進(jìn)口果膠價(jià)格十分昂貴，擴(kuò)大果膠產(chǎn)量和提高果膠生產(chǎn)技術(shù)水平具有巨大的市場(chǎng)潛力。中國(guó)是蠶桑大國(guó)，栽桑面積可觀，在蠶桑生產(chǎn)中桑枝由于不能用于養(yǎng)蠶，常常被當(dāng)作廢物所丟棄，利用率很低，既造成資源浪費(fèi)，又對(duì)環(huán)境造成污染[12]。平均每畝桑園夏伐桑枝可達(dá)到500～800kg，而桑枝皮占到桑枝產(chǎn)量的20%，新鮮桑皮的果膠含量可達(dá)到12%以上。因此，從桑枝皮中提取果膠，可以充分利用桑樹(shù)資源、避免浪費(fèi)、提高蠶農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，又可以防止環(huán)境污染，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外利用蘋(píng)果渣、柑橘皮等植物生產(chǎn)果膠的研究層出不窮[13-16]，但是有關(guān)桑枝皮中果膠的提取方法還未見(jiàn)系統(tǒng)研究和報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)研究桑枝皮中提取果膠的工藝條件，對(duì)不同條件的桑枝皮中所提取的果膠含量和提取率進(jìn)行比較分析，為桑枝皮中果膠的可提取利用性和綜合利用桑樹(shù)副產(chǎn)品的價(jià)值提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

以安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)桑園栽培的桑樹(shù)品種湖桑32、育711、農(nóng)桑8號(hào)和農(nóng)桑14號(hào)為材料，分別隨機(jī)采取3月初發(fā)芽前的春季桑枝、6月中旬春蠶結(jié)束后的夏伐桑枝和9月底秋蠶結(jié)束后的桑枝，并按不同部位進(jìn)行剝皮。透析袋 加拿大BBI公司；其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 方法

將所采的春季和秋季桑枝分別按桑枝長(zhǎng)度分為上、中、下3個(gè)部位，夏伐桑枝按夏伐桑枝的特點(diǎn)分為新生稍部枝桑皮和一年生枝桑皮2個(gè)部位。利用草酸銨-草酸酸解法提取桑枝皮中的果膠，選擇料液比、pH值、提取溫度、提取時(shí)間為影響因素，以果膠提取率為判斷指標(biāo)，做正交試驗(yàn)，設(shè)3次重復(fù)，結(jié)果取平均值。

1.2.1 桑枝皮的預(yù)處理

將粉碎后桑枝皮樣品均分為兩份，進(jìn)行兩種處理：①自然狀態(tài)下風(fēng)干；②人工干燥，90℃處理20min，然后50～60℃烘干至含水量10%以下，存放備用。取制備好的桑枝皮加水浸泡20min，過(guò)濾后再用溫水洗滌2～3次，洗去桑枝皮中可溶性的糖分及部分色素類物質(zhì)。

1.2.2 果膠的提取

在預(yù)處理過(guò)的桑枝皮中按一定料液比加入0.5%草酸銨-0.5%草酸溶液，調(diào)節(jié)料液比、pH值和溫度，待達(dá)到設(shè)定提取時(shí)間后，趁熱抽濾，收集濾液。

1.2.3 脫色和純化

將活性炭用去離子水洗除表面的粉塵等雜質(zhì)，活性炭與濾液用量比值為1∶100(g/mL)，在60℃的水浴鍋中脫色30min。然后用TCA法可除去60%以上的蛋白質(zhì)[17]，其方法為：用1mol/L NaOH溶液將脫色后的果膠液調(diào)pH10，80℃下保溫4h，過(guò)濾后取上清液，然后用1mol/L草酸溶液調(diào)上清液pH7，滴加3%三氯乙酸至pH6，于4000r/min離心30min，取上清液，測(cè)定脫除前、后果膠液中蛋白質(zhì)含量。用規(guī)格為截留分子質(zhì)量8000D以上的大分子物質(zhì)的透析袋，可除去90%以上的小分子多糖，其方法為將脫除蛋白后的果膠液裝入事先處理好的透析袋中，置于蒸餾水中透析24h，蒸餾水的量要充足，保證有足夠的外壓力促使可溶性糖外滲，期間每4h換一次水，測(cè)定透析前、后果膠液中的糖含量。

1.2.4 沉淀果膠

將脫色、純化后的果膠提取液，用鹽酸將其pH值調(diào)整為3.5，在溫度50℃條件，加入乙醇-HCl(乙醇內(nèi)含0.5mol/L的HCl)[18]，不斷攪拌，產(chǎn)生絮狀沉淀。加入乙醇-HCl的量約為濾液體積的1.1倍，使乙醇-HCl體積分?jǐn)?shù)為50%～60%，靜置30min，過(guò)濾得到果膠[19-20]。將分離出的果膠先用60%乙醇溶液進(jìn)行洗滌，再用無(wú)水乙醇洗滌，隨后進(jìn)行壓榨。

1.2.5 干燥及含量測(cè)定

桑枝皮中果膠含量的分析與測(cè)定采用硫酸咔唑比色法[21]。將果膠置于50℃鼓風(fēng)烘箱中烘至質(zhì)量恒定，再用電子天平稱量，計(jì)算果膠提取率。

式中：m1為提取的果膠質(zhì)量/g；m為桑枝皮質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制與桑枝皮果膠含量分析

利用咔唑比色法測(cè)定桑枝皮中的果膠含量，通過(guò)測(cè)定樣品中的半乳糖醛酸含量，從而測(cè)定其果膠含量。用不同質(zhì)量濃度梯度的半乳糖醛酸在540nm波長(zhǎng)處分別測(cè)定OD值，以半乳糖醛酸質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、OD值為縱坐標(biāo)，建立線性方程，所得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y＝0.0056χ＋0.0251，R2＝0.9741。

按照半乳糖醛酸的工作曲線法測(cè)得從桑枝皮中所提取的果膠其半乳糖醛酸含量為80.53%，該含量達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的要求。

2.2 草酸銨-草酸法提取桑枝皮中果膠的工藝參數(shù)

2.2.1 料液比對(duì)果膠提取率的影響

在溫度90℃、時(shí)間2h、pH2.0條件下，分別按照料液比1∶10、1∶12、114、1∶16、1∶18(g/mL)進(jìn)行果膠提取。由圖1可知，當(dāng)料液比1∶14時(shí)果膠產(chǎn)率最高。原因是當(dāng)料液比小于1∶14時(shí)，桑枝皮中的原果膠不能完全水解成水溶性的果膠；當(dāng)料液比大于1∶14時(shí)，溶液中果膠質(zhì)量濃度較大不利于果膠沉淀析出，隨著料液比的增加，果膠提取率增加緩慢。綜合考慮，選用料液比1∶14(g/mL)。

圖1 料液比對(duì)桑枝皮果膠提取率的影響Fig.1 Effect of solid-to-liquid ratio on pectin extraction rate

2.2.2 pH值對(duì)果膠提取率的影響

在溫度90℃、時(shí)間2h、料液比1∶14條件下，用鹽酸調(diào)整pH值，分別在pH值為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0條件下進(jìn)行果膠提取。由圖2可知，草酸銨-草酸提取桑枝皮果膠的最佳pH值為2.0。這可能是因?yàn)樵谌跛岬沫h(huán)境中，與果膠作用的H+減少，降低了水溶性果膠的轉(zhuǎn)化率；而在強(qiáng)酸環(huán)境中，會(huì)使生成的水溶性果膠進(jìn)一步水解成單糖，從而導(dǎo)致果膠產(chǎn)率降低[22]。

圖2 pH值對(duì)桑枝皮果膠提取率的影響Fig.2 Effect of pH value on pectin extraction rate

2.2.3 溫度對(duì)果膠提取率的影響

提取溫度分別設(shè)為75、80、85、90、95℃，其他條件同2.2.2節(jié)，測(cè)定果膠提取率。結(jié)果見(jiàn)圖3，隨著溫度的升高，桑枝皮果膠提取率增加較快，當(dāng)溫度大于90℃時(shí)，果膠提取率又緩慢下降。因?yàn)闇囟鹊纳?，有利于原果膠的水解，但當(dāng)提取溫度過(guò)高時(shí)，可能會(huì)引起果膠自身結(jié)構(gòu)的破壞，從而降低果膠的提取率，因此選取提取溫度90℃。

圖3 溫度對(duì)桑枝皮果膠提取率的影響Fig.3 Effect of temperature on pectin extraction rate

2.2.4 提取時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響

其他提取條件同2.2.3節(jié)，按照提取時(shí)間分別為60、90、120、150min進(jìn)行桑枝皮提取果膠，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 提取時(shí)間對(duì)桑枝皮果膠提取率的影響Fig.4 Effect of time on pectin extraction rate

由圖4可知，果膠提取率隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，當(dāng)提取時(shí)間達(dá)到120min時(shí)，水解已比較充分，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)增加緩慢，故本試驗(yàn)選用提取時(shí)間120min。

2.2.5 桑枝皮中果膠提取正交試驗(yàn)

表1 影響桑枝皮果膠提取的各因素水平表Table 1 Factor and their coded levels in orthogonal array design

根據(jù)酸解單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇料液比、pH值、提取溫度、提取時(shí)間為影響因素，果膠提取率為判斷指標(biāo)，做正交試驗(yàn)，其因素水平設(shè)置見(jiàn)表1。選用L9(34)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，試驗(yàn)結(jié)果與極差分析見(jiàn)表2。

由表2極差分析可知，各因素影響桑枝皮中果膠提取率的程度依次為A＞B＞D＞C，即料液比＞pH值＞提取時(shí)間＞溫度。由表2K值可知，桑枝皮果膠提取工藝的最佳組合為A3B2C3D2，即溫度9 0℃、時(shí)間120min、pH2.0、料液比1∶14，在此條件下，桑枝皮果膠的提取率可達(dá)12%。

表2 桑枝皮果膠提取工藝正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Orthogonal array design and corresponding experimental results

表3 桑枝濕皮和該桑枝皮烘干后果膠提取率比較表Table 3 Effects of cultivars, growth stage, stalk bark position and drying on pectin extraction rate %

2.3 濕皮和烘干后桑枝皮桑品種、采摘時(shí)期、部位對(duì)果膠提取率的影響

對(duì)所采摘的各個(gè)部位的新鮮桑皮分別進(jìn)行濕桑枝皮直接提取果膠和將其烘干后進(jìn)行提取果膠，測(cè)定其果膠提取率，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知：4個(gè)不同桑樹(shù)品種的桑枝皮中果膠提取率不同，4個(gè)品種桑枝皮中湖桑32果膠提取率最高，農(nóng)桑14次之，農(nóng)桑8最低；夏伐桑枝皮的果膠提取率比相同條件下春季和秋季的桑枝皮中果膠提取率高；不同部位的桑枝皮，無(wú)論是濕桑枝皮還是烘干后的桑枝皮果膠提取率均有所不同，春季和秋季的桑枝皮的中部位果膠提取率比上部位和下部位的高，夏伐桑枝皮中一年生部位桑枝皮中果膠提取率高于新生稍部位桑枝皮；濕桑枝皮中果膠提取率比烘干后桑枝皮中的提取率高，其原因可能是烘干過(guò)程中桑枝皮中部分原果膠遭到了破壞、降解。

3 結(jié) 論

3.1 草酸銨-草酸提取桑枝皮中果膠的最佳工藝為溫度90℃、pH2.0、提取時(shí)間2.0h、料液比1∶14。采用活性炭對(duì)果膠提取液進(jìn)行脫色，達(dá)到了較好的效果。脫色條件為溫度60℃、時(shí)間30min、活性炭與浸提液比例為1∶100(g/mL)。在此條件下測(cè)得桑枝皮中粗果膠的提取率可達(dá)12%左右，果膠顏色為淺黃色。與相關(guān)文獻(xiàn)[23]相比，本研究采用草酸銨-草酸法提取果膠的效率較高，這可能與選擇的材料和處理的工藝條件不同有關(guān)。

3.2 不同桑樹(shù)品種、不同時(shí)期、不同部位的桑枝皮中果膠提取率不相同。不同的桑樹(shù)品種桑枝皮中，湖桑32果膠提取率最高，農(nóng)桑14次之，農(nóng)桑8最低；夏伐桑枝皮的果膠提取率比相同條件下春季和秋季的桑枝皮中果膠提取率高；不同部位的桑枝皮，其果膠提取率也均有所不同，春季和秋季中部位桑枝皮的果膠提取率比上部位和下部位的高，夏伐桑枝皮中一年生部位桑枝皮中果膠提取率高于新生稍部位桑枝皮。

3.3 本實(shí)驗(yàn)確立的桑枝皮果膠提取工藝為生產(chǎn)上大量從桑枝皮中提取果膠提供了技術(shù)支持，并且對(duì)高效利用桑樹(shù)資源，提高蠶桑業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，減少環(huán)境污染，具有重要意義。

[1]HOFF J E, CASTRO M D. Chemical composition of potato cell wall [J]. J Agric Food Chem, 1969, 17(6)∶ 1328-1331.

[2]CLARK E G. Postweaning multisystemic wasting syndrome[C]. Proc Am Assoc Swine Pract, 1997∶ 499-501.

[3]PEREZ S, MAZEAU K, PENHOAT C H. The three-dimensional structures of the pectin polysaccharides[J]. Plant Physiol Biochem, 2004, 38 (1/2)∶ 37-55.

[4]DMITRII A Z, NATALYA M P. The composition and properties of pumpkin and sugarbeet pectins[J]. Food Hydrocolloids, 1995(2)∶147-149.

[5]THAKUR B R, SINGH R K, HANDA A K. Chemistry and uses of pectin[J]. Crit Rev Food Sci Nutr, 1997, 37(1)∶ 47-73.

[6]趙利. 果膠的制備及其在食品工業(yè)的應(yīng)用綜述[J]. 食品科學(xué), 1999, 20(5)∶ 32-34.

[7]馬彥彪, 桂卿, 馮輝. 果膠的研究概況[J]. 內(nèi)蒙古中醫(yī)藥, 2000, 19(增刊1)∶ 111-112.

[8]于惠生. 果膠在食品上業(yè)中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué), 1983, 4(11)∶ 29-32.

[9]田三德, 任紅濤. 果膠生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 食品科技, 2003, 28(3)∶ 53-55.

[10]潘小芳, 黃慰生, 胡東紅. 永春柑桔皮提取果膠的研究[J]. 泉州師范學(xué)院學(xué)報(bào)∶ 自然科學(xué)版, 2001, 19(4)∶ 36-39.

[11]李巧玲. 果膠的提取[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā), 2002, 23(3)∶ 16-17.

[12]鄒宇曉, 廖森泰, 唐翠明, 等. 桑枝的化學(xué)成分、藥理活性及綜合利用研究進(jìn)展[C]//全國(guó)桑樹(shù)種質(zhì)資源及育種和蠶桑綜合利用學(xué)術(shù)研討會(huì), 2005∶ 314-318.

[13]張雪, 魏慶葆. 蘋(píng)果皮果膠的提取工藝研究[J]. 食品工業(yè), 2007(2)∶35-36.

[14]才紅, 邱賀媛, 張贊源. 蘋(píng)果皮渣中提取果膠的最佳工藝研究[J]. 廣東化工, 2005, 32(7)∶ 14-15.

[15]陳雪峰, 詹雪英, 楊大慶. 蘋(píng)果渣中提取果膠的工藝研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2002, 23(3)∶ 19-21.

[16]謝練武, 周春山, 周盡花. 連續(xù)逆流萃取法從桔皮中提取果膠[J]. 食品工業(yè)科技, 2005, 26(7)∶ 140-142.

[17]徐金瑞. 蘋(píng)果渣中果膠的提取及純化技術(shù)研究[D]. 楊凌∶ 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2003∶ 38-39.

[18]魏海香, 木泰華, 孫艷麗. 果膠制備的研究進(jìn)展[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā), 2006, 27(4)∶ 157-160.

[19]張孟琴, 田愛(ài)琴, 劉占朝. 酸解法從三葉木通果皮中提取果膠的研究[J]. 食品科學(xué), 2008, 29(1)∶ 154-157.

[20]李明元. 利用微波輔助技術(shù)提高檸檬皮果膠提取率的研究[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā), 2007, 28(5)∶ 91-94.

[21]侯曼玲. 食品分析[M]. 北京∶ 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004∶ 89-90.

[22]趙江, 程彥偉. 蘋(píng)果渣提取果膠最佳水解條件的研究[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 28(4)∶ 48-53.

[23]費(fèi)建明, 占鵬飛, 施國(guó)方, 等. 桑枝皮果膠提取的試驗(yàn)研究[J]. 蠶桑通報(bào), 2010, 41(3)∶ 29-31.

Optimization of Extraction Process for Pectin from Mulberry Stalk Bark

TIAN Ji-wu，LIU Chao-liang*，ZHU Bao-jian，WEI Guo-qing
(School of Life Science, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China)

One-factor-at-a-time combined with orthogonal array design method was used to optimize process conditions for pectin extraction from mulberry stalk bark by ammonium oxalate-oxalic acid hydrolysis and subsequent ethanol precipitation. The effects of solid-to-liquid ratio, pH, temperature and time on pectin extraction rate were investigated. Pectin extraction rates from the bark of different stalk positions of mulberry cultivars Husang 32, Yu 711, Nongsang 8 and Nongsang 14 at different growth stages were compared. The optimal conditions for extracting pectin from mulberry stalk bark were solid-to-liquid ratio (g/mL) 1∶14, pH 2.0, temperature 90 ℃, and extraction time 120 min, and the addition of activated carbon at 1 g/100 mL for decolorization at 60 ℃ for 30 min resulted in the best decolorization. Under these conditions, the pectin extraction rate was roughly 12%. Cultivars, harvest periods and stalk bark positions showed a difference in the extraction rate of pectin. Among the four cultivars investigated, Husang 32 revealed the highest pectin extraction rate. In summer a higher pectin extraction rate from mulberry stalk bark was observed than in spring and autumn. In spring and autumn, the bark of the middle position of mulberry stalk exhibited a higher pectin extraction rate than that of the top and bottom. In summer, the pectin extraction rate from the bark of one-year-old mulberry stalk was higher than that of newly grown mulberry stalk. In addition, an increase in pectin extraction rate was found from fresh mulberry stalk bark as compared with its dried counterpart.

mulberry stalk bark；pectin；extraction rate

TS201.1

A

1002-6630(2011)16-0022-05

2010-10-08

安徽省國(guó)際合作項(xiàng)目(08080703018)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(nycytx-27-syz20)；安徽省人才專項(xiàng)(2008Z022)

田繼武(1983—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾Q業(yè)資源綜合利用。E-mail：tiianjiwu@163.com

*通信作者：劉朝良(1957—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)樾Q業(yè)資源綜合利用。E-mail：cyschx@163.com