四種方法提取蘋果肉渣果膠的流變學特性研究

李　潔，郭玉蓉，竇　姣，薛戰鋒，張曉瑞

（陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西西安710119）

四種方法提取蘋果肉渣果膠的流變學特性研究

李潔，郭玉蓉*，竇姣，薛戰鋒，張曉瑞

（陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西西安710119）

采用傳統酸法（TA）、纖維素酶法（CL）、超聲輔助法（UA）和微波輔助法（MA）提取蘋果肉渣果膠并對其進行鑒定，考察剪切速率、濃度、溫度和放置時間對四種果膠流變學特性的影響，并測定黏均分子量來驗證其流變學特點。結果表明：果膠溶液的表觀黏度隨剪切速率的增加而降低，為典型的非牛頓流體中的假塑性流體行為。果膠溶液濃度越大，剪切稀化現象越明顯。溫度升高會使果膠溶液表觀黏度降低。放置時間越久，果膠溶液的表觀黏度越小。四種果膠溶液的表觀黏度和黏均分子量大小順序均為：TA＞CL＞UA＞MA，黏均分子量的測定結果從理論上很好地驗證了其流變學特點。

蘋果肉渣，果膠，鑒定，流變學

果膠物質作為植物體中一類復雜的膠體性質糖類，在自然界的存在非常廣泛，主要分布在植物的細胞壁和中間薄層。它是甲酯化的由α-1，4-糖苷鍵相連接的多聚半乳糖醛酸鏈，一般包含300～1000個半乳糖醛酸單元［1］，相對分子質量在1萬～40萬u之間［2］。果膠是一種天然的食品添加劑，在食品工業中廣泛應用，如用作凝膠劑、增稠劑、穩定劑［3-4］。果膠還具有醫學功效，如防癌和抗癌［5］。此外，果膠在化妝品中也有重要的作用。

蘋果作為世界四大水果之冠，營養豐富，食用方便，深受人們的喜愛。而隨著蘋果種植面積和產量的大幅度上升，我國每年產生的蘋果渣有100萬噸，其絕大部分直接用作飼料甚至被丟棄，只有少量蘋果渣被加工利用，這不僅造成資源的浪費也帶來環境污染。資料顯示，干蘋果渣中含有15%～18%的果膠［6］，利用蘋果渣提取果膠具有實現資源綜合利用，提高產品附加值和保護環境等重要意義。

果膠在食品工業中的應用主要取決于其黏度，流變特性是果膠應用于食品加工過程中極其重要的性質。影響流變性質的因素很多，如膠的種類、來源、聚合度、分子量以及膠溶液的濃度、溫度、pH、鹽以及非鹽物質。目前關于果膠的研究多集中在提取工藝優化階段［7-11］，不同工藝提取果膠的流變學特性的研究尚未見報道。本研究從易于控制的影響因素出發，主要研究剪切速率、濃度、溫度、放置時間對TA、CL、UA和MA提取蘋果肉渣果膠流變特性的影響，并測定四種果膠溶液的黏均分子量來驗證和解釋果膠的流變學特性，為果膠的開發及在食品中的利用提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

蘋果肉渣（水分含量10.2%） 陜西師范大學榨前分離榨汁生產線的副產物；纖維素酶活性單位為25000U/g，荷蘭DMS公司提供；95%糧食酒精西安市晶博生物有限公司；濃鹽酸、NaOH、磷酸緩沖液均為分析純。

KQ-300DE數控超聲波清洗器昆山市超聲儀器有限公司；RE 52-99旋轉蒸發儀上海亞榮生化儀器廠；LGJ-18C冷凍干燥機北京四環科學儀器廠；EQUINX55傅里葉變換紅外光譜儀德國Brucher公司；烏氏粘度計上海EHSY西域儀器公司；AR-G2流變儀美國TA公司；TU-1810紫外可見分光光度計北京普析通用儀器廠。

1.2四種方法提取蘋果肉渣果膠的制備

1.2.1原料預處理將榨前分離得到的蘋果肉渣用40℃的溫水浸泡三次，60℃下鼓風烘干，粉碎過80目篩備用。

1.2.2果膠的提取取上述預處理過的蘋果肉渣適量，分別按如下工藝參數進行提取：

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

將浸提液趁熱抽濾，濾液于55℃濃縮至原體積1/4，冷卻至室溫，用三倍體積95%的糧食酒精醇沉24h，在4000r/min的轉速下離心20min，將沉淀用95%酒精洗滌三次，真空冷凍干燥24h，即得到四種方法提取的蘋果肉渣果膠，粉碎后裝于干燥瓶中備用。

1.3四種方法提取蘋果肉渣果膠的鑒定

1.3.1果膠的鑒別實驗按照GB 25533-2010的方法，對四種果膠進行鑒定［16］。

1.3.2果膠的紅外光譜（IR）分析將1mg干燥的果膠樣品與100mg預先干燥好的KBr置于瑪瑙研缽中，混勻并研細，利用壓片器將其制成厚度適宜的薄片，迅速在4000～400cm-1的區間進行紅外光譜掃描，觀察譜峰情況［17］。

1.4流變學性質的測定

1.4.1濃度和剪切速率對四種方法提取蘋果肉渣果膠流體特性的影響用pH4的磷酸緩沖液配制質量濃度為2%的四種果膠溶液和0.5%的TA果膠溶液，采用AR-G2型動態流變儀在常溫動態模式下，測定果膠溶液的表觀黏度/剪切速率曲線。測定參數為：溫度25℃，椎板（40mm，2°），測定采用流體模式，數據獲取為連續模式，以剪切速率為變量，變量范圍為0～700s-1，變量掃描為線性模式［18］。

1.4.2溫度對四種方法提取蘋果肉渣果膠流體特性的影響用pH4的磷酸緩沖液將四種果膠配制成質量濃度為2%的溶液，用AR-G2型動態流變儀在變溫動態模式下測定溫度對四種方法提取蘋果肉渣果膠表觀黏度的影響。測定參數為：椎板（40mm，2°），溫度變化范圍為20～80℃，測定時間為10min，控制剪切速率為500s-1。

1.4.3放置時間對四種方法提取蘋果肉渣果膠流體特性的影響以TA提取的果膠為代表，用pH4的磷酸緩沖液配制2%質量濃度的果膠溶液，分別放置0.5h和24h后測定該果膠溶液的表觀黏度/剪切速率曲線，研究放置時間對果膠流體特性的影響。測定參數為：溫度25℃，椎板（40mm，2°），測定采用常溫動態模式，剪切速率范圍為0～700s-1。

1.5黏均分子量的測定

在25℃條件下，用0.1mol/L，pH為7的磷酸緩沖溶液配制質量濃度為1、2、3、4、5、6、7、8g/L的果膠溶液，用烏氏粘度計分別測定緩沖液和果膠溶液的黏度η0和η，測定三次取平均值。經驗公式（1～2）反應了比濃黏度、比濃對數黏度和溶液濃度之間的關系。

1.6數據處理

采用TA data analysis計算機分析軟件和Excel進行數據處理。

2　結果與分析

2.1四種方法提取蘋果肉渣果膠的鑒定

2.1.1果膠的鑒別實驗按照GB 25533-2010的鑒別方法，四種樣品溶液經加熱冷卻后均形成了粘稠狀液體，加入NaOH靜置15min后，均形成了半透明凝膠。加入等量HCl溶液后，均得到無色凝膠，再經煮沸時生成絮狀沉淀。以上現象表明，四種方法得到的樣品均為果膠產品。

2.1.2果膠的紅外光譜分析由圖1可知，四種果膠溶液在4000～400cm-1區間內均具有糖類的特征吸收峰。3440cm-1附近的寬峰代表-OH的伸縮振動，2934cm-1處較弱的吸收峰則是由亞甲基（C-H）伸縮振動引起的，1800～1600cm-1范圍內的吸收峰是用來比較不同果膠的典型區域，包括1750～1740cm-1和1650～1630cm-1兩個吸收峰，分別代表酯化羧基官能團的酯鍵C=O的伸縮振動和自由羧基官能團的酯鍵C=O的不對稱伸縮振動，1444cm-1處的吸收峰代表CH彎曲振動，而1100、1020cm-1附近的吸收峰正是果膠中半乳糖醛酸在指紋區的特征吸收峰［20］。紅外結果進一步證明四種方法的蘋果肉渣提取物均為果膠物質。

圖1　四種方法提取蘋果肉渣果膠的紅外光譜圖Fig.1　Fourier transforms infrared spectra of apple flesh pomace pectins extracted by the four methods

2.2四種方法提取蘋果肉渣果膠的流變學特性

2.2.1剪切速率對四種方法提取蘋果肉渣果膠流體特性的影響如圖2所示，隨著剪切速率的增大，四種果膠溶液的表觀黏度均降低，呈典型的非牛頓流體性質，且表現為假塑性流體行為。此外，在低剪切速率范圍（0～200s-1）內，四種果膠溶液表現為典型的剪切稀化流體，隨著剪切速率升高，四種果膠溶液的流體特性趨于穩定，表現為由剪切稀化的非牛頓流體轉向理想狀態的牛頓流體。這是因為在水溶液中，果膠分子會通過分子間相互作用形成一定的結構，當剪切速率增加的時候，剪切力也隨之增加，這會破壞果膠分子間的相互作用，從而導致果膠溶液的黏度降低，出現剪切稀化現象［21］。

圖2　剪切速率對四種方法提取蘋果肉渣果膠流體特性的影響Fig.2　Effect of shearing rate on the flow curve of apple flesh pomace pectins extracted by the four methods

2.2.2濃度對四種方法提取蘋果肉渣果膠流體特性的影響如圖3所示，在剪切速率0～700s-1的區間內，0.5%的TA果膠溶液的表觀黏度為0.012～0.025Pa·s，而2%的TA果膠溶液的表觀黏度為0.021～0.040Pa·s，果膠溶液的表觀黏度隨濃度的增大而升高，且在較低的濃度范圍內，剪切稀化現象隨濃度的增大而進一步加強。這是因為果膠是親水性高分子化合物，隨著溶液濃度的增加，果膠分子鏈之間的距離越來越小，果膠分子鏈纏結，分子間弱作用力（如氫鍵）增大，使流體流動阻力增大，從而使果膠溶液黏度增大［22］。

圖3　濃度對TA提取果膠的流體特性的影響Fig.3　Effect of concentration on the flow curve of apple flesh pomace pectins extracted by TA

2.2.3溫度對四種方法提取蘋果肉渣果膠流體特性的影響如圖4所示，四種蘋果肉渣果膠的表觀黏度隨溫度的升高而迅速降低，且降低趨勢逐漸減緩。溫度升高對TA、CL和UA提取果膠的流體特性影響較大，對MA提取果膠的流體特性影響不大。這主要是因為溫度升高導致果膠分子的熱運動加劇，削弱了膠體大分子間的纏結，分子間距離增大，分子間作用力減弱，流動時內摩擦減少，使分子鏈的柔順程度加強而使流動特性提高。在較低溫度范圍（20～40℃）時，隨著溫度的升高，果膠溶液中分子間的纏結體迅速被削弱，因此表觀黏度迅速降低；而在較高溫度范圍（50～80℃）時，分子間的纏結體幾乎完全被削弱，因此表觀黏度下降幅度減緩［23］，表現為趨于理想狀態牛頓流體的特性。

圖4　溫度對四種方法提取蘋果肉渣果膠流體特性的影響Fig.4　Effect of temperature on the flow curve of apple flesh pomace pectins extracted by the four methods

2.2.4放置時間對TA提取蘋果肉渣果膠流體特性的影響如圖5所示，短期放置0.5h和24h后果膠溶液的表觀黏度均下降。剪切速率在較低的范圍（0～200s-1）時，兩者均表現為剪切稀化流體；當剪切速率在較高范圍（200～700s-1）時，表觀黏度下降幅度均趨緩且趨于一致。放置24h后，果膠溶液的初始黏度有明顯的降低，該現象表明果膠分子間所形成的纏結體為一種不穩定的結構，隨著放置時間的延長，果膠分子的水合作用加強，分子間的相互作用力減弱，導致果膠溶液表觀黏度的下降，進而影響果膠的應用特性。

圖5　放置時間對TA提取蘋果肉渣果膠流體特性的影響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：不同因素對蘋果肉渣果膠流變特性影響不同，但四種果膠溶液的表觀黏度初始值順序一致，均為：TA＞CL＞UA＞MA。

2.3四種方法提取蘋果肉渣果膠黏均分子量的比較

四種方法提取蘋果肉渣果膠黏均分子量如表1所示。

表1　四種方法提取蘋果肉渣果膠黏均分子量比較（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，四種方法提取蘋果肉渣果膠黏均分子量在200～400ku之間，TA的分子量最大，其次是CL，UA次之，MA最小。CL雖然提取條件溫和，但提取時間過長會使果膠分子部分降解，導致分子量降低，而UA和MA的機械作用會打斷果膠的分子鏈或支鏈基團，導致分子量降低。而四種方法提取蘋果肉渣果膠表觀黏度的大小順序也為：TA＞CL＞UA＞MA。分子量比較低時，分子鏈短，不能發生纏結，表觀黏度較小，隨著分子量增大，分子鏈變長，容易纏結，分子間相對位移困難，故果膠溶液的特性黏度隨黏均分子量的增加而增大。黏均分子量的測定結果很好地解釋和驗證了果膠流變學特性。

3　結論

TA、CL、UA和MA提取蘋果肉渣果膠的表觀黏度均隨剪切速率的增大而減小，屬于典型的非牛頓流體中的假塑性流體行為。低剪切速率時剪切稀化現象嚴重，隨剪切速率的升高，果膠溶液流體逐漸趨向于理想狀態的牛頓流體。四種方法提取蘋果肉渣果膠流體行為還受濃度，溫度和放置時間的影響。而四種方法提取蘋果肉渣果膠的黏均分子量和表觀黏度大小具有相同的順序：TA＞CL＞UA＞MA，該結果很好地解釋和驗證了四種方法提取蘋果肉渣果膠溶液的流變學特點。對不同方法提取蘋果肉渣果膠流變學特性的研究將有助于其在食品工業中的進一步應用。

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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

李潔（1989-），女，碩士研究生，主要從事食品功能成分開發及利用方面的研究。

郭玉蓉（1962-），女，博士，教授，主要從事食品生物加工方面的研究。

現代農業產業技術體系建設專項資金資助（GK661001）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（GK261001330）。