超聲輔助提取工藝中pH對蘋果果膠品質(zhì)的影響

竇 姣，郭玉蓉，薛戰(zhàn)鋒，李 潔，陳瑋琦，張曉瑞

（陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西西安710062）

超聲輔助提取工藝中pH對蘋果果膠品質(zhì)的影響

竇 姣，郭玉蓉*，薛戰(zhàn)鋒，李 潔，陳瑋琦，張曉瑞

（陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西西安710062）

為了研究pH對蘋果果膠品質(zhì)的影響，利用不同pH的鹽酸溶液對蘋果渣中的果膠進行超聲輔助提取，并對果膠品質(zhì)進行了評估。結(jié)果表明：超聲輔助提取工藝中pH對所得果膠的品質(zhì)有顯著影響，在pH1.00～2.00范圍內(nèi)，隨著pH的升高，果膠得率、多酚含量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，半乳糖醛酸含量逐漸減少，酯化度、特性粘度和粘均分子量均呈逐漸增大的趨勢。紅外譜圖顯示：不同pH條件下所得蘋果果膠結(jié)構(gòu)基本一致，均具有糖類物質(zhì)的特征吸收峰。

蘋果果膠，超聲波，提取，pH，品質(zhì)

果膠是一類相對分子質(zhì)量在1～40萬之間的多糖聚合物，其主要結(jié)構(gòu)是以α－1，4－糖苷鍵連接而成的多聚半乳糖醛酸鏈[1]。果膠是一種完全無毒的天然食品添加劑，廣泛用于食品工業(yè)，主要作為凝膠劑、穩(wěn)定劑和增稠劑，可顯著提高食品品質(zhì)[2]。果膠的酯化度和半乳糖醛酸含量分別決定了它的凝膠特性和純度，被認為是判定果膠品質(zhì)的一個重要指標[3]。目前，我國對果膠的需求呈高速增長趨勢，但商品果膠的來源非常有限。據(jù)資料顯示，干蘋果渣中含有15%～18%的果膠，因此蘋果渣可以作為提取果膠的來源之一，而且果膠具有非常可觀的市場價格，提取、利用蘋果果膠對于實現(xiàn)資源綜合利用，提高產(chǎn)品附加值以及減少環(huán)境污染具有重要的意義[4]。

以蘋果渣為原料提取果膠，提取條件是影響果膠品質(zhì)的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)超聲輔助提取法可以極大地提高蘋果果膠得率、縮短提取時間、提高果膠純度，其中pH是果膠提取的一個重要參數(shù)[5]。目前，對超聲輔助提取果膠工藝的研究主要集中在提取工藝的優(yōu)化及與傳統(tǒng)提取工藝的對比等方面[6-7]，并沒有深入探討各因素對蘋果果膠品質(zhì)的影響。因此，本文以pH的變化為主要因素，研究了超聲輔助提取過程中不同pH對蘋果果膠品質(zhì)的影響，為超聲輔助提取技術(shù)在果膠產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用提供一定的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘋果渣（水分含量12%左右） 陜西師范大學(xué)冷破碎制汁生產(chǎn)線提供；無水乙醇、濃HCl、Na2HPO4、NaH2PO4、半乳糖醛酸、NaOH、咔唑、濃H2SO4、酚酞、沒食子酸、福林酚、無水Na2CO3均為分析純。

EQUINX55型傅里葉變換紅外光譜儀 德國Brucher公司；CR-400/410型色彩色差計 柯尼卡美能達投資有限公司；RE 52-99型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；LGJ-18C型冷凍干燥機 北京四環(huán)科學(xué)儀器廠；WFJ2100型分光光度計 尤尼科儀器有限公司上海分公司；PHS-3C型精密pH計 上海精密科學(xué)儀器有限公司；高速萬能粉碎機 北京科偉永興儀器有限公司；烏氏粘度計 上海EHSY西域儀器公司；DD-5M型低速大容量離心機 長沙平凡儀器儀表有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蘋果果膠的超聲波輔助提取工藝 蘋果渣→55℃干燥→粉碎（過60目篩）→分別加入pH為1.00、1.25、1.50、1.75、2.00的HCl溶液超聲輔助提取（料液比1∶25，溫度45℃，時間40min，功率180W）→離心20min（4000r/min）→上清液濃縮（至原體積的1/4）→95%乙醇沉淀（4℃，靜置過夜）→真空冷凍干燥→蘋果果膠→粉碎（過60目篩）備用。

1.2.2 蘋果果膠酯化度（degree of esterification，DE）的測定 果膠酯化度即果膠中的甲氧基含量，采用雙滴定法測定[8]。準確稱取0.2g果膠樣品移入250mL錐形瓶中，用乙醇潤濕，加入20mL 40℃不含CO2的蒸餾水，用瓶塞塞緊，搖勻振蕩，完全溶解后加1%的酚酞指示劑3滴，用0.1mol/L的NaOH標準溶液進行標定至粉紅色，記錄所消耗NaOH的體積（V1）即為初滴定度。繼續(xù)加入10mL 0.1mol/L的NaOH標準溶液，加塞后強烈振蕩2h，加入10mL 0.1mol/L的鹽酸溶液，搖勻至粉紅色消失為止。然后加入3滴酚酞指示劑，用0.1mol/L NaOH溶液滴定至呈微紅色。記錄所消耗NaOH的體積（V2），即為皂化滴定度。果膠酯化度計算公式如下：

式中：V1為樣品溶液的初滴定度（mL）；V2為樣品溶液的皂化滴定度（mL）。

1.2.3 蘋果果膠半乳糖醛酸含量的測定 果膠的純度以果膠中多聚半乳糖醛酸的含量（GA）為評判標準，用咔唑比色法測定[9]。果膠經(jīng)水解，其產(chǎn)物半乳糖醛酸可在強酸環(huán)境下與咔唑試劑產(chǎn)生縮合反應(yīng)，生成紫紅色化合物，其呈色深淺與半乳糖醛酸含量成正比，因此可在530nm下比色測定。

1.2.3.1 標準曲線的制作 精確稱取0.1g半乳糖醛酸標品，溶于蒸餾水中，定容至100mL，得到濃度為1mg/mL的溶液。分別取上述半乳糖醛酸溶液1、2、4、6、8、10mL置于100mL容量瓶中，加水定容至100mL，得到濃度為10、20、40、60、80、100μg/mL的溶液備用。分別吸取不同濃度的標準溶液1mL置于比色管中，各加入6mL濃H2SO4混勻，沸水浴20min，取出后快速冷卻至室溫，加入0.15%的咔唑-乙醇溶液0.2mL，混勻，暗處放置2h。在530nm處測定吸光值，繪制標準曲線。

1.2.3.2 樣品的測定 稱取0.1g果膠樣品溶于50mL去離子水中，將樣品溶液稀釋20倍，取1mL加入25mL比色管中，加入6mL濃H2SO4混勻，沸水浴20min，取出后快速冷卻至室溫，加入0.15%的咔唑-乙醇溶液0.2mL，混勻，暗處放置2h。在530nm處測吸光值，根據(jù)半乳糖醛酸標準曲線，計算相應(yīng)的半乳糖醛酸含量。果膠中半乳糖醛酸含量的計算公式為：

式中：C為對照標曲求得的果膠稀釋液的半乳糖醛酸含量（μg/mL）；V為果膠提取液原液體積（mL）；A為果膠提取液的稀釋倍數(shù)；W為樣品質(zhì)量（g）；106為質(zhì)量單位換算系數(shù)。

1.2.4 蘋果果膠總酚含量的測定 焦性沒食子酸標準曲線的制作：分別配制濃度為10、20、30、40、50μg/mL的焦性沒食子酸溶液，分別吸取2mL的各標準溶液于25mL棕色容量瓶中，加入12mL的飽和Na2CO3溶液和1mL的福林酚試劑，室溫，置于暗處靜止反應(yīng)1h，用可見分光光度計在765nm處測定吸光值[10-11]。

準確稱取0.1g果膠樣品溶于10mL棕色容量瓶中，取2mL樣品溶液于25mL棕色容量瓶中，分別加入12mL飽和Na2CO3溶液和1mL的福林酚試劑，加水定容至刻度，置于暗處靜止反應(yīng)1h，765nm處測定其吸光值。

1.2.5 蘋果果膠色值的測定 采用CR-400/410型色彩色差計測定蘋果果膠的色值。其中L*值代表亮度，a*值代表紅值，b*值代表黃值，C*值代表彩度值，h代表色調(diào)角[12]。

1.2.6 蘋果果膠特性粘度和黏均分子量的測定 用0.1mol/L的磷酸緩沖液將果膠樣品分別配制為濃度在0.1～0.8g/100mL范圍內(nèi)的溶液。用烏氏粘度計分別測定不同濃度果膠溶液和溶劑的絕對粘度η和η0，單位為mPa·s每次測定三次，取平均值[13]。計算相對粘度ηr和增比粘度ηsp，計算過程中ηr值在1.2～2.0范圍內(nèi)有效。反映了比濃粘度與比濃對數(shù)粘度與溶液濃度之間的關(guān)系。經(jīng)驗公式：

1.2.7 蘋果果膠紅外光譜分析 將1mg干燥果膠樣品與100mg KBr置于干燥的瑪瑙研缽中混合研磨壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀在4000～400cm-1區(qū)間對果膠樣品進行紅外光譜掃描，觀察譜峰情況[14-15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計方法

所有實驗均進行3次重復(fù)。實驗結(jié)果采用“DPS 7.05”統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，Excel軟件繪圖制表。不同處理間的數(shù)據(jù)采用多重比較的方法進行顯著性分析，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲輔助提取中pH對蘋果果膠得率的影響

由圖1可知，超聲輔助提取中pH對蘋果果膠得率有顯著（p＜0.05）影響。隨著pH增加，蘋果果膠得率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，pH1.50時果膠得率最大，與劉超等[16]研究結(jié)果一致。原因可能為高酸度損壞細胞結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致細胞壁上的原果膠降解，當提取液的pH為1.50時，蘋果渣中的原果膠水解強烈，果膠得率最高；當提取液的pH大于1.50時，果膠未充分溶出，得率降低；當提取液的pH小于1.50時，過高的酸度使果膠的半乳糖醛酸分子結(jié)構(gòu)被破壞，果膠脫酸裂解，產(chǎn)品得率降低[17]。因此，當提取液的pH為1.50時，果膠得率最大。

圖1 pH對蘋果果膠得率的影響Fig.1 Effect of pH on the yield of apple pectin

2.2 超聲輔助提取中pH對蘋果果膠酯化度的影響

由圖2可知，超聲輔助提取中pH對蘋果果膠酯化度有顯著（p＜0.05）影響，隨著pH的升高，酯化度由66.1%顯著增加到77.4%，果膠類型由高酯中凝果膠變?yōu)楦啧コ炷z，凝膠強度越來越大。原因可能為：低pH條件下，果膠半乳糖醛酸鏈上的酯化鍵比α（1→4）糖苷鍵更易發(fā)生酸性水解，因此pH1.00時果膠樣品的酯化度低于pH2.00時的酯化度，這一研究結(jié)果與曹敏霞等的研究結(jié)果一致[18]。

圖2 pH對蘋果果膠酯化度的影響Fig.2 Effect of pH on the degree of esterification of apple pectin

2.3 超聲輔助提取中pH對蘋果果膠半乳糖醛酸含量的影響

根據(jù)咔唑比色法，繪制出以半乳糖醛酸含量為橫坐標（單位：μg/mL），以530nm處溶液的吸光度值為縱坐標的標準曲線，如圖3所示，標曲方程為：y= 0.0051x+0.008（R2=0.9991）。

由圖4可知，超聲輔助提取中pH對蘋果果膠半乳糖醛酸含量有顯著（p＜0.05）影響。隨著pH降低，蘋果果膠的半乳糖醛酸含量由65.1%顯著增加到72.9%，表明果膠純度隨pH降低而增大，因為低pH條件下，提取果膠的同時會使蘋果渣中的纖維素、淀粉等雜質(zhì)水解為不能被乙醇沉淀的小分子多糖，進而使果膠的純度提高，而隨著果膠的pH逐漸增大，纖維素等雜質(zhì)繼續(xù)被乙醇沉淀，導(dǎo)致果膠純度降低[17-18]。

圖3 半乳糖醛酸標準曲線Fig.3 The standard curve of galacturonic acid

圖4 pH對蘋果果膠半乳糖醛酸含量的影響Fig.4 Effect of pH on the galacturonic acid content of apple pectin

2.4 超聲輔助提取中pH對蘋果果膠總酚含量的影響

由圖5可以得出，pH對蘋果果膠總酚含量有顯著（p＜0.05）影響。隨著pH不斷升高，總酚含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當pH為1.50時，總酚含量達到最高。原因可能為：高酸度促進了多酚物質(zhì)的溶出，進而使總酚含量升高；而當酸度過低時，部分多酚物質(zhì)被破壞導(dǎo)致含量降低[19]。因此，pH1.50時總酚含量最高。

圖5 pH對蘋果果膠總酚含量的影響Fig.5 Effect of pH on the content of total polyphenol of apple pectin

表1 pH對超聲輔助提取蘋果果膠色差的影響Table 1 Effect of pH on the colour values of apple pectin extracted by ultrasonic wave

2.5 超聲輔助提取中pH對蘋果果膠色差的影響

根據(jù)色差分析的原理可知，L*表示樣品的亮度值；a*表示紅值，a*值越大表示樣品越紅；b*表示黃值，b*值越大表示樣品越黃；C*表示樣品的彩度值，C*越大表示樣品顏色越純，h表示色調(diào)角，h值越大表示紅色減弱，黃色增強[19]。由表1可知，蘋果果膠的色差值隨pH變化顯著（p＜0.05），亮度值、黃值和色調(diào)角均隨著pH的升高呈上升趨勢；紅值隨pH升高呈下降趨勢；彩度值隨pH升高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當pH為1.25時，彩度值最大，而pH1.25與pH1.50的彩度值差異不顯著，當pH為1.50時酸度較低，所以，選擇pH 1.50時所得果膠顏色更純正，更單一。

2.6 超聲輔助提取中pH對蘋果果膠特性粘度和黏均分子量的影響

根據(jù)Huggins和Kramer方程擬合確定特性粘度[η]，通過外推法獲得Huggins特性粘度和Kramer特性粘度，分別以兩種特性粘度為依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗公式[η]= kMηα計算果膠樣品的黏均分子量。圖6、圖7分別為根據(jù)Huggins和Kramer經(jīng)驗方程所得到的比濃粘度和比濃對數(shù)粘度。特性粘度和粘均分子量計算結(jié)果見表2。

理論上，Huggins和Kramer兩條曲線在Y軸的截距應(yīng)歸于一點，但由圖6、圖7可以看出作圖會出現(xiàn)異常情況，這可能會與聚合物在溶液中的形態(tài)及本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于這種情況應(yīng)以作圖來確定聚合物溶液的特性粘度[η]，因為Huggins方程中的k值與和聚合物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，具有明確的物理意義，而Kramer為數(shù)學(xué)計算式，不具有明確意義[20]。

由圖6、圖7可以看出，蘋果果膠的比濃粘度與比濃對數(shù)粘度均隨pH的升高而增大，在相同pH條件下，比濃粘度與比濃對數(shù)粘度均隨濃度升高而增大，在一定的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出量效關(guān)系。由表2可知，蘋果果膠的粘均分子量隨pH的升高而增大，與比濃粘度和比濃對數(shù)粘度具有相同的趨勢，原因可能有兩方面：一方面是由于低pH條件可以加速果膠的降解，易使果膠中半乳糖醛酸鏈的α（1→4）糖苷鍵發(fā)生水解，果膠分子鏈被破壞，從而使分子量減小；另一方面可能是因為超聲波打斷了果膠內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)，促進了蘋果果膠的降解，導(dǎo)致分子量減少。

圖6 利用Huggins方程判定蘋果果膠的比濃粘度Fig.6 Intrinsic viscosity of apple pectin by extrapolation tozero concentration with Huggins equations

圖7 利用Kramer方程判定蘋果果膠的比濃粘度Fig.7 Intrinsic viscosity of apple pectin by extrapolation to zero concentration with Kramer equations

表2 pH對蘋果果膠固有黏度和黏均分子量的影響Table 2 Effect of pH on the intrinsic viscosity and average molecular weight of apple pectin

2.7 蘋果果膠的紅外光譜及解析

不同pH條件下所提果膠的紅外譜圖見圖8。紅外光譜圖顯示，不同pH條件下提取的蘋果果膠在400～4000cm-1范圍內(nèi)具有糖類的特征吸收峰。2500～3600cm-1范圍內(nèi)的寬峰是分子內(nèi)或分子間的O-H伸縮振動的結(jié)果，2934cm-1附近的吸收峰是由C-H（CH、CH2和CH3）伸縮振動引起的，1730～1760cm-1范圍內(nèi)的吸收峰為糖醛酸羧基中的酯鍵（-COOR）C-O的伸縮振動，1730cm-1附近的吸收峰，說明果膠中含有酸性糖，1600～1630cm-1范圍內(nèi)的吸收峰為游離羧酸或羧酸鹽（-COO-）的不對稱伸縮振動吸收峰，同時也是糖的水化物樣品的吸收峰，1000～1300cm-1范圍內(nèi)的強吸收峰是由C-O伸縮振動引起的，1150、1100、1020cm-1附近的吸收峰為果膠中半乳糖醛酸在指紋區(qū)的特征吸收峰[21-22]。由圖8可知，5種樣品果膠的吸收峰基本一致，說明超聲輔助提取中不同pH條件對蘋果果膠的結(jié)構(gòu)影響不大。

圖8 不同pH提取果膠的紅外光譜圖Fig.8 Fourier transforms infrared spectra of apple pectin extracted from different pH

3 結(jié)論

超聲輔助提取工藝中，不同pH對蘋果果膠得率及果膠品質(zhì)均有顯著影響。果膠得率和總酚含量均隨pH升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，果膠純度隨pH升高呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，酯化度、特性粘度和粘均分子量均呈逐漸增大的趨勢。蘋果果膠的色差值隨pH變化顯著（p＜0.05），亮度值、黃值和色調(diào)角均隨著pH的升高呈上升趨勢；紅值隨pH升高呈下降趨勢；彩度值隨pH升高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。紅外譜圖顯示，不同pH條件下提取的果膠樣品均具有果膠物質(zhì)的特征吸收峰。

綜合考慮各項指標，可以得出：不同pH條件下所得蘋果果膠的品質(zhì)各不相同，具有不同的特性，可根據(jù)自身特點應(yīng)用于不同的產(chǎn)品中。超聲輔助提取作為一種新穎、快速的提取工藝，在未來蘋果果膠的提取及應(yīng)用過程中將具有更大的發(fā)展空間。

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Effect of pH on the quality of apple pectin extracted with ultrasonic-wave assisted

DOU Jiao，GUO Yu-rong*，XUE Zhan-feng，LI Jie，CHEN Wei-qi，ZHANG Xiao-rui
（Shaanxi Normal University，College of Food Engineering and Nutritional Science，Xi’an 710062，China）

In order to study the effect of pH values on the quality of apple pectin，different pH of ultrasonic-wave assisted were adopted to extract apple pectin from apple pomace so as to evaluate the quality of apple pectin. The results indicated that pH had significant influence on the quality of apple pectin.In the range of pH1.00～2.00，as the pH arising，the pectin yields and polyphenol first increased and then decreased，while，the content of galacturonic acid decreased.However，the degree of esterification increased，the same trend as intrinsic viscosity and viscosity average molecular weight.IR spectral analysis showed that no major structural differences of apple pectin under different pH conditions.Meanwhile，different pectins all had characteristic absorption peak of carbohydrate.

apple pectin；ultrasonic-wave；extracted；pH；quality

TS201.2

A

1002-0306（2014）10-0172-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.10.030

2013－10－10 *通訊聯(lián)系人

竇姣（1990-），女，碩士研究生，主要從事食品功能成分開發(fā)及利用方面的研究。

農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項基金資助（CARS-28）。