桑枝皮中果胶的提取工艺优化

田继武，刘朝良*，朱保建，魏国清

(安徽农业大学生命科学学院，安徽 合肥 230036)

桑枝皮中果胶的提取工艺优化

田继武，刘朝良*，朱保建，魏国清

(安徽农业大学生命科学学院，安徽 合肥 230036)

以桑枝皮为原料，采用草酸铵-草酸水解、乙醇法沉淀提取果胶，研究料液比、pH值、提取温度和提取时间对果胶提取率的影响，并分析湖桑32、育711、农桑14和农桑8桑树品种在不同时期和不同部位的桑枝皮中果胶的提取率。结果表明，提取桑枝皮中果胶的最佳工艺条件为料液比1∶14(g/mL)、pH2.0、提取温度90℃、提取时间120min，脱色条件为温度60℃、时间30min、活性炭与浸提液比例1∶100(g/mL)，在此条件下果胶提取率可达12%左右。不同桑树品种、不同采摘时期、不同部位的桑枝皮中的果胶提取率都有所差异，其中湖桑32号、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胶提取率较高。湿桑枝皮中果胶提取率比烘干后的桑枝皮中的提取率高。

桑皮；果胶；提取率

果胶是一种复杂的多糖聚合物，是植物组织的重要成分[1]，是由D-半乳糖醛酸经糖苷键连接而成的长链结构。果胶作为一种天然的植物胶，因具有良好的乳化、增稠、稳定和胶凝作用而被广泛应用于食品工业中，主要用于生产果酱、果冻、果汁乳化剂，牛乳增稠剂和生物降解餐具等[2]。果胶在植物的叶、皮、茎及果实的植物细胞壁及胞间层中皆有存在，是植物体内特有的细胞壁组分[3]。医学研究发现，果胶有降低胆固醇和血糖的作用，可用于治疗心血管硬化、糖尿病和胃溃疡等疾病，同时果胶在医药上还可用作凝胶剂、细菌培养基和金属中的解毒剂[4]。此外，果胶在化妆品、纺织、印染、冶金、烟草等行业中亦有应用[5-8]。

全世界的果胶年需求量近2万t，据不完全统计，我国每年约消耗1500t以上，其中约80%从国外进口[9]。目前，我国生产果胶大多是从柑橘皮和苹果渣中提取[10-11]，原料来源受季节性和生产技术的限制，不利于果胶的连续生产，使得我国果胶需求主要依靠国外进口，但进口果胶价格十分昂贵，扩大果胶产量和提高果胶生产技术水平具有巨大的市场潜力。中国是蚕桑大国，栽桑面积可观，在蚕桑生产中桑枝由于不能用于养蚕，常常被当作废物所丢弃，利用率很低，既造成资源浪费，又对环境造成污染[12]。平均每亩桑园夏伐桑枝可达到500～800kg，而桑枝皮占到桑枝产量的20%，新鲜桑皮的果胶含量可达到12%以上。因此，从桑枝皮中提取果胶，可以充分利用桑树资源、避免浪费、提高蚕农的经济效益，又可以防止环境污染，具有重要的经济和社会意义。

目前，国内外利用苹果渣、柑橘皮等植物生产果胶的研究层出不穷[13-16]，但是有关桑枝皮中果胶的提取方法还未见系统研究和报道。本实验研究桑枝皮中提取果胶的工艺条件，对不同条件的桑枝皮中所提取的果胶含量和提取率进行比较分析，为桑枝皮中果胶的可提取利用性和综合利用桑树副产品的价值提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

以安徽农业大学桑园栽培的桑树品种湖桑32、育711、农桑8号和农桑14号为材料，分别随机采取3月初发芽前的春季桑枝、6月中旬春蚕结束后的夏伐桑枝和9月底秋蚕结束后的桑枝，并按不同部位进行剥皮。透析袋 加拿大BBI公司；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 方法

将所采的春季和秋季桑枝分别按桑枝长度分为上、中、下3个部位，夏伐桑枝按夏伐桑枝的特点分为新生稍部枝桑皮和一年生枝桑皮2个部位。利用草酸铵-草酸酸解法提取桑枝皮中的果胶，选择料液比、pH值、提取温度、提取时间为影响因素，以果胶提取率为判断指标，做正交试验，设3次重复，结果取平均值。

1.2.1 桑枝皮的预处理

将粉碎后桑枝皮样品均分为两份，进行两种处理：①自然状态下风干；②人工干燥，90℃处理20min，然后50～60℃烘干至含水量10%以下，存放备用。取制备好的桑枝皮加水浸泡20min，过滤后再用温水洗涤2～3次，洗去桑枝皮中可溶性的糖分及部分色素类物质。

1.2.2 果胶的提取

在预处理过的桑枝皮中按一定料液比加入0.5%草酸铵-0.5%草酸溶液，调节料液比、pH值和温度，待达到设定提取时间后，趁热抽滤，收集滤液。

1.2.3 脱色和纯化

将活性炭用去离子水洗除表面的粉尘等杂质，活性炭与滤液用量比值为1∶100(g/mL)，在60℃的水浴锅中脱色30min。然后用TCA法可除去60%以上的蛋白质[17]，其方法为：用1mol/L NaOH溶液将脱色后的果胶液调pH10，80℃下保温4h，过滤后取上清液，然后用1mol/L草酸溶液调上清液pH7，滴加3%三氯乙酸至pH6，于4000r/min离心30min，取上清液，测定脱除前、后果胶液中蛋白质含量。用规格为截留分子质量8000D以上的大分子物质的透析袋，可除去90%以上的小分子多糖，其方法为将脱除蛋白后的果胶液装入事先处理好的透析袋中，置于蒸馏水中透析24h，蒸馏水的量要充足，保证有足够的外压力促使可溶性糖外渗，期间每4h换一次水，测定透析前、后果胶液中的糖含量。

1.2.4 沉淀果胶

将脱色、纯化后的果胶提取液，用盐酸将其pH值调整为3.5，在温度50℃条件，加入乙醇-HCl(乙醇内含0.5mol/L的HCl)[18]，不断搅拌，产生絮状沉淀。加入乙醇-HCl的量约为滤液体积的1.1倍，使乙醇-HCl体积分数为50%～60%，静置30min，过滤得到果胶[19-20]。将分离出的果胶先用60%乙醇溶液进行洗涤，再用无水乙醇洗涤，随后进行压榨。

1.2.5 干燥及含量测定

桑枝皮中果胶含量的分析与测定采用硫酸咔唑比色法[21]。将果胶置于50℃鼓风烘箱中烘至质量恒定，再用电子天平称量，计算果胶提取率。

式中：m1为提取的果胶质量/g；m为桑枝皮质量/g。

2 结果与分析

2.1 标准曲线的绘制与桑枝皮果胶含量分析

利用咔唑比色法测定桑枝皮中的果胶含量，通过测定样品中的半乳糖醛酸含量，从而测定其果胶含量。用不同质量浓度梯度的半乳糖醛酸在540nm波长处分别测定OD值，以半乳糖醛酸质量浓度为横坐标、OD值为纵坐标，建立线性方程，所得标准曲线方程为：y＝0.0056χ＋0.0251，R2＝0.9741。

按照半乳糖醛酸的工作曲线法测得从桑枝皮中所提取的果胶其半乳糖醛酸含量为80.53%，该含量达到工业生产的要求。

2.2 草酸铵-草酸法提取桑枝皮中果胶的工艺参数

2.2.1 料液比对果胶提取率的影响

在温度90℃、时间2h、pH2.0条件下，分别按照料液比1∶10、1∶12、114、1∶16、1∶18(g/mL)进行果胶提取。由图1可知，当料液比1∶14时果胶产率最高。原因是当料液比小于1∶14时，桑枝皮中的原果胶不能完全水解成水溶性的果胶；当料液比大于1∶14时，溶液中果胶质量浓度较大不利于果胶沉淀析出，随着料液比的增加，果胶提取率增加缓慢。综合考虑，选用料液比1∶14(g/mL)。

图1 料液比对桑枝皮果胶提取率的影响Fig.1 Effect of solid-to-liquid ratio on pectin extraction rate

2.2.2 pH值对果胶提取率的影响

在温度90℃、时间2h、料液比1∶14条件下，用盐酸调整pH值，分别在pH值为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0条件下进行果胶提取。由图2可知，草酸铵-草酸提取桑枝皮果胶的最佳pH值为2.0。这可能是因为在弱酸的环境中，与果胶作用的H+减少，降低了水溶性果胶的转化率；而在强酸环境中，会使生成的水溶性果胶进一步水解成单糖，从而导致果胶产率降低[22]。

图2 pH值对桑枝皮果胶提取率的影响Fig.2 Effect of pH value on pectin extraction rate

2.2.3 温度对果胶提取率的影响

提取温度分别设为75、80、85、90、95℃，其他条件同2.2.2节，测定果胶提取率。结果见图3，随着温度的升高，桑枝皮果胶提取率增加较快，当温度大于90℃时，果胶提取率又缓慢下降。因为温度的升高，有利于原果胶的水解，但当提取温度过高时，可能会引起果胶自身结构的破坏，从而降低果胶的提取率，因此选取提取温度90℃。

图3 温度对桑枝皮果胶提取率的影响Fig.3 Effect of temperature on pectin extraction rate

2.2.4 提取时间对果胶提取率的影响

其他提取条件同2.2.3节，按照提取时间分别为60、90、120、150min进行桑枝皮提取果胶，结果见图4。

图4 提取时间对桑枝皮果胶提取率的影响Fig.4 Effect of time on pectin extraction rate

由图4可知，果胶提取率随提取时间的延长而增加，当提取时间达到120min时，水解已比较充分，随着时间的延长增加缓慢，故本试验选用提取时间120min。

2.2.5 桑枝皮中果胶提取正交试验

表1 影响桑枝皮果胶提取的各因素水平表Table 1 Factor and their coded levels in orthogonal array design

根据酸解单因素试验结果，选择料液比、pH值、提取温度、提取时间为影响因素，果胶提取率为判断指标，做正交试验，其因素水平设置见表1。选用L9(34)正交表设计试验方案，试验结果与极差分析见表2。

由表2极差分析可知，各因素影响桑枝皮中果胶提取率的程度依次为A＞B＞D＞C，即料液比＞pH值＞提取时间＞温度。由表2K值可知，桑枝皮果胶提取工艺的最佳组合为A3B2C3D2，即温度9 0℃、时间120min、pH2.0、料液比1∶14，在此条件下，桑枝皮果胶的提取率可达12%。

表2 桑枝皮果胶提取工艺正交试验设计及结果Table 2 Orthogonal array design and corresponding experimental results

表3 桑枝湿皮和该桑枝皮烘干后果胶提取率比较表Table 3 Effects of cultivars, growth stage, stalk bark position and drying on pectin extraction rate %

2.3 湿皮和烘干后桑枝皮桑品种、采摘时期、部位对果胶提取率的影响

对所采摘的各个部位的新鲜桑皮分别进行湿桑枝皮直接提取果胶和将其烘干后进行提取果胶，测定其果胶提取率，结果见表3。

由表3可知：4个不同桑树品种的桑枝皮中果胶提取率不同，4个品种桑枝皮中湖桑32果胶提取率最高，农桑14次之，农桑8最低；夏伐桑枝皮的果胶提取率比相同条件下春季和秋季的桑枝皮中果胶提取率高；不同部位的桑枝皮，无论是湿桑枝皮还是烘干后的桑枝皮果胶提取率均有所不同，春季和秋季的桑枝皮的中部位果胶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胶提取率高于新生稍部位桑枝皮；湿桑枝皮中果胶提取率比烘干后桑枝皮中的提取率高，其原因可能是烘干过程中桑枝皮中部分原果胶遭到了破坏、降解。

3 结 论

3.1 草酸铵-草酸提取桑枝皮中果胶的最佳工艺为温度90℃、pH2.0、提取时间2.0h、料液比1∶14。采用活性炭对果胶提取液进行脱色，达到了较好的效果。脱色条件为温度60℃、时间30min、活性炭与浸提液比例为1∶100(g/mL)。在此条件下测得桑枝皮中粗果胶的提取率可达12%左右，果胶颜色为浅黄色。与相关文献[23]相比，本研究采用草酸铵-草酸法提取果胶的效率较高，这可能与选择的材料和处理的工艺条件不同有关。

3.2 不同桑树品种、不同时期、不同部位的桑枝皮中果胶提取率不相同。不同的桑树品种桑枝皮中，湖桑32果胶提取率最高，农桑14次之，农桑8最低；夏伐桑枝皮的果胶提取率比相同条件下春季和秋季的桑枝皮中果胶提取率高；不同部位的桑枝皮，其果胶提取率也均有所不同，春季和秋季中部位桑枝皮的果胶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胶提取率高于新生稍部位桑枝皮。

3.3 本实验确立的桑枝皮果胶提取工艺为生产上大量从桑枝皮中提取果胶提供了技术支持，并且对高效利用桑树资源，提高蚕桑业的经济效益，减少环境污染，具有重要意义。

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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

安徽省国际合作项目(08080703018)；现代农业产业技术体系建设专项(nycytx-27-syz20)；安徽省人才专项(2008Z022)

田继武(1983—)，男，硕士研究生，研究方向为蚕业资源综合利用。E-mail：tiianjiwu@163.com

*通信作者：刘朝良(1957—)，男，教授，博士，研究方向为蚕业资源综合利用。E-mail：cyschx@163.com