蚕沙低甲氧基果胶的提取工艺研究

张睿姣，周　雯，吕　兵（江南大学食品学院，江苏无锡214122）

蚕沙低甲氧基果胶的提取工艺研究

张睿姣，周雯，吕兵*
（江南大学食品学院，江苏无锡214122）

采用酸萃取-铁盐沉淀法提取蚕沙低甲氧基果胶，通过单因素和正交实验确定最佳提取条件：用0.25%草酸水解，水解条件为：料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、85℃、60 min，沉淀条件为：pH3.5、铁盐浓度0.5%。采用该优化工艺处理蚕沙，得到的果胶得率为5.21%。产品理化性质分析结果表明，该优化工艺提取的蚕沙果胶，其甲氧基含量5.62%，酯化度34.46%，半乳糖醛酸含量69.58%，品质达到国标要求。

蚕沙，果胶，铁盐沉淀，提取

果胶是一种线性植物多糖，主要由D-半乳糖醛酸构成，分子量约5～30万。按其酯化度（degree of esterification，DE）高低，可分为高甲氧基果胶（high methoxyl pectin，HMP，DE＞50%）和低甲氧基果胶（low methoxyl pectin，LMP，DE＜50%）。果胶作为稳定剂、胶凝剂及增稠剂，广泛应用于食品、医药和化工等行业中。全球果胶的年需求量约4万吨，并以5%～10%的速度逐年增长，国内年需求量约为3000吨，其中进口果胶约占八成［1］。目前，商品果胶多为HMP，通常来源于植物组织，如柑橘皮、苹果皮、甜菜渣等，而LMP主要由HMP脱酯所得，脱酯方法主要包括酶法、酸化乙醇法、碱化法和酰胺化法［2-4］。

蚕沙即蚕粪，家蚕不能吸收利用桑叶中的果胶，而由粪便中排出，因此蚕沙中含有一定量的果胶。蚕沙果胶是天然的低甲氧基果胶，其抗菌性好、实用性强，还可作为重金属中毒的解毒剂［5-6］。我国干蚕沙年产量超过60万吨，其成本低廉、来源丰富，是一种很好的潜在果胶来源［6-7］。目前，蚕沙果胶的提取多采用乙醇沉淀法，其工业化生产刚刚起步，生产中仍存在许多问题，如乙醇用量较大、产品灰分高、脱色难等［8］。因此，对蚕沙果胶提取工艺的优化及其基本性质的系统研究显得尤为重要。本文采用酸萃取-铁盐沉淀法，尝试从酸解、脱色和沉淀等环节入手，优化蚕沙果胶提取工艺，以提高产品得率和品质、降低成本。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

蚕沙江苏南通海安大公镇提供；盐酸、草酸、硫酸、颗粒活性炭、氨水、氯化铁、95%乙醇、无水乙醇、粒状氢氧化钠均为分析纯。

DK-8D电热恒温水槽上海精宏设备有限公司；DUG-9203A电热恒温鼓风干燥箱上海精宏设备有限公司；RJ-TGL-16G-Ⅱ台式高速离心机无锡市瑞江分析仪器有限公司；EL20pH计梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司。

1.2实验方法

1.2.1工艺流程原料磨碎→灭酶→漂洗→脱色I→软化→水洗压干→酸解萃取→脱色II→沉淀→洗涤→干燥

1.2.2操作要点灭酶：蚕沙中加入去离子水，加热并保持微沸3～5 min，防止原果胶在天然果胶酶的作用下变为水溶性果胶，降低果胶得率。

漂洗：洗去灰尘、枝叶，初步除去色素和糖分等可溶性成分；可溶性果胶在漂洗过程中的损失可以忽略。

脱色I：加入85%～90%乙醇，用量为蚕沙∶乙醇= 1∶2（g/mL），40℃恒温水浴3 h，重复3次。除去蚕沙中叶绿素、蛋白质和脂肪等，滤渣用乙醇冲洗，少量多次，至滤液无色。

软化：浸泡提取过叶绿素的蚕沙，过滤后静置6 h以上，使之松软。

水洗压干：水洗，用纱布过滤至滤液无色后，将水分压干，压干后蚕沙质量约为处理前的3倍。

酸解萃取：用18%盐酸调节酸解液pH，恒温水浴并间歇搅拌。

脱色II：加入活性炭并不断搅拌，60℃恒温水浴1 h，3000 r/min离心5 min，抽滤，滤液待用。

铁盐沉淀：用氨水调节滤液pH，细线状加入FeCl3溶液（预先配制成20%的浓度）并缓慢搅拌，有大量絮状沉淀产生，静置时间＞6 h，抽滤。

洗涤干燥：将10%HCl缓慢加入至抽滤所得的果胶酸铁沉淀中，用尽量少的盐酸使沉淀完全溶解；加入95%乙醇并缓慢搅拌，使乙醇最终浓度＞70%，溶液中产生米黄色絮状沉淀，静置，待沉淀完全后抽滤；用95%乙醇及无水乙醇洗涤沉淀至滤液无色；55～60℃烘箱中干燥5 h，粉碎。

1.2.3单因素实验针对蚕沙果胶提取中的关键步骤：酸解萃取和铁盐沉淀，选取8个因素：酸的种类、料液比、酸解pH、酸解温度、酸解时间、活性炭用量、沉淀pH、铁盐终浓度进行单因素实验。

1.2.3.1酸种类的确定精密称取蚕沙20.00 g，在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH2.0、温度85℃、时间60 min，脱色活性炭用量1 g/200 mL萃取液，沉淀条件为pH3.5、铁盐终浓度0.5%，考察不同酸的种类（0.25%盐酸、0.25%草酸、0.25%硫酸）对果胶得率的影响；

1.2.3.2料液比的确定用0.25%草酸水解，在pH1.5、温度85℃、时间60 min，脱色活性炭用量1 g/200 mL萃取液，沉淀条件为：pH3.5、铁盐终浓度0.5%的条件下，考察不同料液比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25 g/mL）对果胶得率的影响；

1.2.3.3酸解pH的确定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、温度85℃、时间60 min，脱色活性炭用量1 g/200 mL萃取液，沉淀条件为：pH3.5、铁盐终浓度0.5%的条件下，考察不同酸解pH（1.0、1.5、2.0、2.5）对果胶得率的影响；

1.2.3.4酸解温度的确定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、时间60 min，脱色活性炭用量1 g/200 mL萃取液，沉淀条件为：pH3.5、铁盐终浓度0.5%的条件下，考察不同酸解温度（65、75、85、95℃）对果胶得率的影响；

1.2.3.5酸解时间的确定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5，温度85℃、脱色活性炭用量1 g/200 mL萃取液，沉淀条件为：pH3.5、铁盐终浓度0.5%的条件下，考察不同酸解时间（30、60、90、120 min）对果胶得率的影响；

1.2.3.6活性炭用量的确定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、温度85℃、时间60 min，沉淀条件为：pH3.5、铁盐终浓度0.5%的条件下，考察不同活性炭用量（0、0.5、1.0、1.5 g/200 mL萃取液）对果胶脱色的影响；

1.2.3.7沉淀pH的确定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、时间60 min、温度85℃，铁盐终浓度0.5%的条件下，考察不同沉淀pH（3.0、3.5、4.0、4.5、5.0）对果胶得率的影响；

1.2.3.8铁盐终浓度的确定在酸解料液比1∶20（g/mL）、pH1.5、时间60 min、温度85℃，沉淀pH3.5的条件下，考察不同铁盐终浓度（0.25%、0.50%、0.75%、1.00%）对果胶得率的影响。

上述每组实验均重复3次，以确定各因素的适宜范围。

1.2.4正交实验在上述单因素实验基础上，进一步进行正交实验。采用L9（34）正交表，对酸解液pH、酸解温度、沉淀pH及铁盐终浓度四个因素进行探讨，以果胶得率为指标优化果胶提取条件。

表1　正交实验因素水平表Table 1　Orthogonal factors and levels table

1.2.5果胶得率测定果胶得率（%）=（提取的蚕沙果胶干重/蚕沙原料干重）×100。

1.2.6产品鉴别实验［9］

1.2.6.1取1 g样品，加40 mL水，不断搅拌，经加热后冷却。

1.2.6.2取5 mL样品溶液（1%），加入1 mL NaOH溶液（2 mol/L），静置15 min。

1.2.6.3在1.2.6.2基础上加入1 mL盐酸溶液（1+1）。

1.2.7产品理化指标依据GB25533-2010［9］和QB 2484-2000［10］中所述方法进行测定。

1.2.8数据处理使用Excel进行数据处理并作图，使用SPSS 18.0进行数据统计分析。

2　结果与分析

2.1单因素影响及结果分析

图1　酸的种类对果胶得率的影响Fig.1　Effect of type of acid on pectin yield

2.1.1酸的种类对果胶得率的影响由图1可知，采用草酸酸解的得率高于盐酸和硫酸。这可能是因为盐酸和硫酸酸解太过剧烈，果胶分子降解，得率下降，也可能是因为草酸会螯合钙离子，释放钙结合型果胶，果胶得率相对较高，故选用草酸水解较为合适。

2.1.2料液比对果胶得率的影响由图2可知，酸解过程中，若料液比过小，萃取不完全，并且萃取液黏度较大，增加过滤操作的难度，得率较低；若料液比过大，萃取液中果胶浓度过低，沉淀难度较大，得率下降，且酸和铁盐用量增多，能耗和成本相应增加。因此，选择料液比1∶20 g/mL较为合适。

图2　料液比对果胶得率的影响Fig.2　Effect of solid-liquid on pectin yield

2.1.3酸解液pH对果胶得率的影响由图3可知，酸解的目的是尽可能地促使原果胶向可溶性果胶转化，同时减少果胶分子的降解。若酸解液pH过大，果胶水解较慢，导致生产周期延长、成本增加；若酸解液pH过小，果胶分子脱酸裂解，果胶酯化度及凝胶强度下降，得率降低。因此，选择酸解pH1.5左右为宜。

图3　酸解液pH值对果胶得率的影响Fig.3　Effect of pH on pectin yield

2.1.4酸解时间对果胶得率的影响由图4可知，酸解时间过短时，果胶未完全水解，得率较低；适当延长酸解时间，能使果胶充分水解，但过长时间的酸萃取处理容易导致果胶水解过度，影响果胶品质和得率。因此，酸解时间选择60 min较为合适。

图4　酸解时间对果胶得率的影响Fig.4　Effect of time on pectin yield

2.1.5酸解温度对果胶得率的影响由图5可知，萃取温度过低会影响果胶水解速度，且过长时间的酸解处理会使果胶过度脱酯，得率较低；适当地升高温度可以促进果胶的水解，但果胶耐热性差，过高的温度会破坏其结构，因此，酸解温度选择85℃为宜。

图5　酸解温度对果胶得率的影响Fig.5　Effect of temperature on pectin yield

2.1.6活性炭用量对果胶脱色的影响由表2可知，不同添加量的活性炭脱色处理后，果胶的色泽并无明显差别，而残留的活性炭颗粒又会增加果胶的灰分含量。因为本实验中活性炭脱色前的果胶的浅米灰色已可以接受，综合考虑生产工艺的简化及最终品质，确定略去活性炭脱色步骤。

表2　活性炭用量对脱色结果的影响Table 2　Effect of activated carbon concentration on pectin extraction rate

2.1.7沉淀pH对果胶得率的影响由图6可知，蚕沙中的果胶酸钙在酸性条件下能够转变为可溶性的果胶酸，其羧基能被NH3+中和，因此，先加入氨水使其形成铵盐，再加入铁盐溶液，使之生成果胶酸铁沉淀。果胶在其等电点pH3.5时，溶解度最小。当沉淀pH＜3.5时，果胶酸铁沉淀溶解，得率下降；当沉淀pH＞3.5时，Fe3+水解，生成氢氧化铁沉淀，阻碍果胶酸铁的形成，降低果胶得率，影响产品颜色。因此，选择沉淀pH3.5较为合适。

图6　沉淀pH对果胶得率的影响Fig.6　Effect of precipitation pH on pectin yield

2.1.8铁盐用量对果胶得率的影响由图7可知，沉淀液中铁盐终浓度为0.5%时，果胶得率最高。若铁盐用量过少，果胶酸铁无法完全沉淀，影响最终得率；若用量过多，产品中Fe3+含量增大，后期除铁时的盐酸用量增加，可能也会造成果胶的损失，使其得率下降。因此，铁盐用量以终浓度0.5%左右为宜。

图7　铁盐用量对果胶得率的影响Fig.7　Effect of molysite concentration on pectin yield

2.2正交实验及结果分析

正交实验结果见表3。由表3可知，各因素对蚕沙果胶得率的影响顺序为A＞B＞C＞D，蚕沙果胶提取工艺的最佳组合为A2B3C2D2，即酸解pH为1.5，酸解温度85℃，沉淀pH3.5，铁盐终浓度0.5%，验证实验表明，果胶得率可达5.21%±0.05%。由正交实验的方差分析（见表4）可知，酸解pH、酸解温度、沉淀pH、铁盐终浓度四个因素对果胶得率的影响均十分显著（p＜0.01）。

表3　正交实验结果分析Table 3　Analysis of orthogonal test results

2.3产品性质分析

2.3.1定性鉴别按1.2.6.1的方法处理，形成黏稠状液体；按1.2.6.2的方法处理，形成不透明凝胶；按1.2.6.3的方法处理，形成无色凝胶，煮沸后生成絮状沉淀。上述结果表明，本实验提取得到的产品为果胶。

表4　正交实验结果方差分析Table 4　Variance analysis of orthogonal test results

2.3.2理化指标结果表明，本实验得到的低甲氧基果胶品质达到国标要求。

表5　理化指标Table 5　Physicochemical indexes

3　结论

在单因素实验和正交实验的基础上综合得出，蚕沙果胶提取工艺的优化条件为：用0.25%草酸酸解，水解条件为：料液比1∶20 g/mL、pH1.5、酸解时间60 min、酸解温度85℃；沉淀pH3.5、铁盐用量约0.5%，在此条件下，蚕沙果胶得率为5.21%±0.05%。果胶样品的理化指标分析结果表明，由蚕沙果胶制备的低甲氧基果胶品质达到国标要求。由此可见，蚕沙是一种极具潜力的天然低甲氧基果胶来源。

［1］黄山三生缘生物技术有限公司.2013年中国果胶行业分析报告［R/EB］.http：//www.doc88.com/p-1068775107281.html，2013-3-29.

［2］Liu L，Cao J，Huang J.Extraction of pectins with different degrees of esterification from mulberry branch bark［J］.Bioresource Technology，2010，101：3268-3273.

［3］刘忆冬，张磊，陈国刚，等.低甲氧基果胶生产工艺现状及其发展前景［J］.农产品加工，2008，1（1）：57-58.

［4］邓红，宋纪蓉.盐析法从苹果渣中提取果胶的工艺条件研究［J］.食品科学，2002，23（3）：57-60.

［5］唐翠娥，杨海霞，朱祥瑞，等.蚕沙的开发利用研究进展［J］.［6］杨海霞，朱祥瑞，房泽民，等.蚕沙的开发利用研究进展［J］.桑蚕通报，2002，33（3）：9-12.

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［7］万里平.从蚕沙中提取果胶的研究［J］.重庆三峡学院学报，2001，6（17）：83-85.

［8］徐要学.蚕沙中果胶的提取［J］.化学世界，1989，5：230-232.

［9］GB25533-2010.食品安全国家标准食品添加剂果胶［S］.

［10］QB2484-2000.食品添加剂果胶［S］.

Study on extraction of low methoxyl pectin from silkworm excrement

ZHANG Rui-jiao，ZHOU Wen，LV Bing*
（School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Pectins were extracted from silkworm excrement by means of acid extraction and then molysite precipitation.A single-factor experiment and an orthogonal test were used to optimize the production conditions.The optimal conditions for pectin production were determined to include extraction at pH1.7 and a solid-liquid ratio of 1∶20（g/mL）in oxalic acid solution for 60 min at 85℃，and precipitation with 0.5%molysite solution at pH3.5.Under optimal conditions，the extraction rate of the pectin was 5.21%，the methoxy content and the degree of esterification（DE）was 5.62%and 34.46%，respectively，and the total galacturonic acid content of the pectin was 69.58%.Thus，the quality of the pectin was absolutely acceptable.

silkworm excrement；pectin；molysite precipitation；extraction

TS202.3

B

1002-0306（2015）18-0267-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.18.015

2014－12－22

张睿姣（1992-），女，本科，研究方向：食品科学与工程，E-mail：1045839225@qq.com。

吕兵（1967-），女，博士，副教授，研究方向：食品加工，E-mail：lubing6709@163.com。