酸法提取条件对苹果果胶理化特性的影响及机制

谢蔓莉，叶发银， 雷琳， 赵国华,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715) 2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400175)

果胶是一种非常重要的食品添加剂，可作为胶凝剂、增稠剂、稳定剂和乳化剂等在食品工业中广泛应用[1]。最新的研究还证明，来自苹果等的果胶还具有降血脂和抗癌等多种生理活性[2-3]。目前，全球果胶年需求量超过3万t，年需求增长率约4%～5%[4]。果胶主要存在于植物细胞壁的初生壁和中胶层中，与纤维素、半纤维素及蛋白质相连，对细胞壁起着软化和黏合作用。因此，工业上主要利用植物性食品加工剩余物为原料生产果胶，诸如柑橘皮渣和苹果皮渣。据报道，苹果皮渣中含有占其干基质量10%～15%的果胶[5]。中国是世界最大的苹果种植国(2014年产量4 093万t)以及苹果汁生产国(2013产量104万t)和出口国(2013年出口量2.6万t)，由此而产生的大量苹果皮渣(约为原料用量的20%)为果胶生产提供了丰富的原料[6]。利用苹果皮渣高效制取苹果果胶是其商业化应用的关键，在这方面有大量的研究报道。苹果果胶主要的制取方法是酸溶醇沉(简称酸法)，其研究的重点是通过样品前处理、优化酸溶条件、辅助物理场等手段尽可能提高苹果果胶的提取率。但必须指出，在开发高品质果胶制取方法时，在注重得率的同时还需要密切关注产品的质量。因为提取条件会对苹果果胶理化特性产生重要影响，并最终影响产品的生物活性和应用性能[7]。但对此方面的影响往往不被重视，系统性的研究也很少。本文利用文献资料揭示常规酸法提取条件以及其物理辅助方式对苹果果胶理化特性的影响及机制。

1 常规酸法提取条件的影响及机制

通常，工业用高黏度果胶有较高的酯化度(degree of esterification，DE)(甲氧基含量约8%～12%)，平均分子质量为105～3×105u，半乳糖醛酸(galacturonic acid，GalA)含量大于65%，酸法提取条件一般为pH 1.3～3，液料比15∶1～35∶1 (mL∶g)，温度60～100℃，时间20～360 min[8-9]。酸法提取苹果果胶的原理是将果皮细胞中的非水溶性原果胶在酸性溶液中转化为可溶性果胶，其机理主要包括：(1)稀酸媒介能使果胶分子羧基与二价阳离子之间的盐键打开，从而增加果胶的溶出度；(2)酸液能解离与果胶复合的蛋白质、纤维素及半纤维素而使果胶释放；(3)酸液可水解水不溶性大分子果胶的糖苷键(如阿拉伯呋喃糖苷键)，使果胶降解而溶出。溶解到酸液中的果胶通过过滤、沉淀和离心分离而获得[10]。常用于提取苹果果胶的酸主要有柠檬酸、HCl、HNO3、H3PO4和H2SO4等，其中柠檬酸最常用。酸种类及用量、液料比和提取温度是酸法提取的关键控制条件。

1.1 酸种类及用量的影响

GalA含量是表征果胶纯度的重要指标，且与果胶的凝胶强度密切相关，而中性糖(特别是鼠李糖)含量越高表示果胶链分支程度越大。酸法提取所使用酸的种类会对果胶中GalA和中性糖的含量及分布产生影响。与HCl及HNO3相比，柠檬酸对苹果果胶的提取效率和产量更高[11-12]，但产品GalA 含量较低，中性糖含量和DE较高[13-14]。H2SO4可以很好地将原果胶转化为可溶性果胶，但水解后硫酸根离子的去除非常困难[15]。在酸法提取中，提取液的pH是关键因素。研究发现当pH值相同时，果胶的提取率和酸的种类没有关系[16]。酸法提取中降低提取液pH值可使更多的原果胶转化为可溶性果胶而提升果胶的提取率(溶出果胶占原料中总果胶的质量百分比)，但是低pH值的强酸(如HNO3和HCl)液易使果胶发生水解而增加后续醇沉的难度，从而降低产品的得率(提取物占原料的质量百分比)。CANTERI-SCHEMIN等[17]对比酸种类对苹果果胶提取的影响发现H3PO4和苹果酸的得率最低；HNO3的得率不稳定，波动较大；柠檬酸的果胶平均得率最高，且其更加经济、环保和安全。

1.2 液料比的影响

通常，经济高效的果胶酸法提取需要控制合适的液料比[18]。液料比的确定主要是平衡好以下2个方面：一是从果胶溶出的角度来看，在一定范围内增大液料比对提高果胶提取率是有利的，这主要在物料颗粒与提取液之间维持较高的果胶浓度差而利于提取所需传质；二是从酸的消耗、浓缩能耗和废液处理的角度来看，增大液料比会大幅度提升果胶生产的成本[19]。因此，果胶提取的液料比不仅是一个技术实验的结果，更是一个工业经济成本效益核算的结果。当然，液料比的确定与酸的种类、提取液的pH值和温度等条件也密切相关。曲昊杨等[20]用HCl从苹果皮渣中提取苹果果胶的研究发现，当液料比为20∶1 (mL∶g)时，果胶得率最高(5.3%)；白丽娟等[21]在相似的研究中则发现液料比为14∶1 (mL∶g)时，果胶得率最高(4.2%)；而刘少阳等[22]用HNO3浸提苹果果胶的研究则发现,当液料比为30∶1 (mL∶g)时果胶提取率最高(8.5%)。虽然发现过高或过低的液料比都会导致果胶得率下降，但不同结果得到的最佳液料比仍存在巨大差异。这可能与苹果原料的品种、原料中的果胶含量、果胶的物理化学特性等有关系。必须指出的是这些最佳液料比的确定仅考虑了产品得率并没有对提取过程进行成本效益核算。

1.3 提取温度的影响

与液料比类似，选择合适的提取温度(一般为50～80 ℃)对苹果果胶的生产意义重大[18,23]。过低的提取温度往往伴随较低的果胶提取率，而过高的提取温度会导致果胶发生严重的降解而影响产品得率和性能。在较低温度内提高温度能提升果胶的提取率，其原因有3个：(1)温度的提升使物料中果胶分子与其他分子之间的作用力减弱，使果胶分子更容易溶出；(2)温度提升增加了果胶分子的运动动能，扩散移动能力增强；(3)温度提升使含有溶出果胶的提取液的粘度降低，这便于果胶分子从物料颗粒向提取液迁移。过高的温度使果胶提取得率下降的原因主要包括2个方面：一是当温度提升至一定水平(50～80 ℃)时，果胶分子间的缠结体完全解体，物料颗粒内果胶分子游离化以及含有果胶的提取液的黏度降低达到了极限，再提升温度对果胶提取率的影响有限[24]；二是过高的温度导致果胶发生部分水解，使其分子质量和DE值降低，严重影响后续醇沉效率而降低果胶得率[14]。高温导致果胶解聚主要属于非酶反应，包括β-消除和脱甲氧基化[25]。温度愈高，这两类反应进行的速率越高。在果胶分子中，糖醛酸羧基的β-位(C-4)常与另外一分子糖残基以1,4-糖苷键连接。如果糖醛酸残基C-6上有甲氧基，提取液中的OH-会夺取β-位上的H，形成不稳定的中间阴离子，进而引发上述1,4-糖苷键断裂，同时在糖醛酸残基C-4和C-5之间形成β双键。这一反应会导致果胶链断裂而使其解聚。β-消除反应的速率与果胶DE值和提取液的pH值有关。一般果胶的DE值越高，提取液的pH值越高，β-消除反应的速率越快。有研究表明，β-消除也是果蔬受热时组织软化的主要原因之一[26]。脱甲氧基化是指高温条件下果胶分子中甲酯化糖醛酸残基向游离糖醛酸残基的转化，使果胶产品的DE值下降，同时引起产品凝胶特性(如钙离子敏感性)的巨大变化[27-28]。

1.4 其他因素的影响

除上述因素之外，诸如原料中果胶的特性、物料的粒度等都会影响苹果果胶的提取。果胶分子中的糖苷键如具备良好的耐酸性和耐热性则会阻碍在酸性条件下果胶的定量解聚和非水溶性原果胶向水溶性果胶的转化，使其提取率难以提升[29-30]。从酸水解过程中单糖的释放率来看，果胶分子的单糖组成对其耐酸性具有明显的影响。果胶分子单糖组成的耐酸性强弱顺序为：半乳糖醛酸>鼠李糖>半乳糖>阿拉伯糖[31]。即果胶分子中半乳糖醛酸含量越高其耐酸性越强；相反，阿拉伯糖含量越高，果胶分子的耐酸性越差。耐酸性越高的果胶，在特定酸度提取液中的溶出度越低。此外，苹果果胶的提取率与原料粒度大小有关。CANTERI-SCHEMIN等[17]发现，粉碎后的苹果皮渣的果胶提取率(9.73%)明显高于未粉碎者(6.13%)；进一步研究发现，平均粒度为106、150 和600 μm苹果皮渣粉末用柠檬酸液提取时，苹果果胶的得率分别约为14.9%，14.6%和13.7%。CANTERI-SCHEMIN等[17]的研究还发现，苹果品种对其皮渣中果胶提取率的影响不显著，但ROP等[32]发现不同品种来源的苹果皮渣其果胶提取率有明显差异。另外，果胶酶和不明杂质的存在会降低果胶的DE值和纯度[33]。

2 物理辅助方式的影响及机制

在传统酸法提取苹果果胶的基础上，辅以不同的物理手段，如微波和超声波，可提高果胶的提取效率，缩短提取时间，降低对提取剂的要求。但同时这些物理辅助手段会对获得的苹果果胶的分子质量、DE值、中性糖组成等理化特性产生不同程度的影响。

2.1 微波辅助的影响及机制

微波辅助主要通过产生如下3种影响而提升提取率：(1)破坏薄壁细胞；(2)降低内源性酶活性；(3)改变比表面积和吸水性。与传统酸法提取相比，微波辅助能加快果胶溶出，同时减少溶剂使用量，缩短提取时间，最终降低成本并提高产量。微波辅助提取的苹果果胶GalA、DE和分子质量较高，果胶结构更紧凑，质量更好[5,34]。微波辅助提取过程的微波功率、pH、液料比和提取时间等也会影响果胶的理化特性。在一定范围内增大微波功率，会使提取体系具有更高的温度而促使果胶溶出；同时，微波能钝化果胶酯酶而使产品果胶的DE更高。但微波辅助功率过高会导致果胶降解，使产品的凝胶性能下降[35]。和普通酸法一样，适度降低微波辅助酸法提取液的pH值有利于提升果胶的提取率，但过低的pH值会引发果胶水解，降低果胶得率[36]。在微波辅助下，溶剂水分子由于吸收微波能而更易渗入物料颗粒使其溶胀，从而使果胶溶出增加并提高提取率。而液料比过高会导致物料对微波能的吸收减少，这对果胶溶出的传质不利[37]。WANG等[38]用响应面法优化苹果果胶微波辅助提取条件时发现，当微波功率为499.4 W，盐酸液pH值为1.01，料液比值为0.069 (g∶mL)，提取时间为20.8 min，果胶得率最高(15.75%)；当料液比值低于0.069时，较高的提取液黏度会影响其过滤，进而降低果胶得率。此外，微波辅助方式对苹果果胶提取也有显著影响。SWAMY等[39]发现,脉冲间歇式微波辅助比连续微波辅助能更好地平衡热量和物质传递过程，避免原料过度受热，从而具有更高的果胶提取率。

微波辅助提取苹果果胶主要基于以下两个机理：(1)加强传热传质。微波辐射过程发生离子传导和偶极旋转，引起分子的高频振动而产热，使苹果皮渣颗粒整体快速升温并均匀受热[40-41]。随着温度升高，苹果皮渣颗粒内部压力增加，内部水分在颗粒毛细管空隙中形成密集的蒸汽，从而改变颗粒的组织结构特性并进一步提高提取液渗透率和扩散性[34]。同时，微波电磁辐射引发的振动使苹果皮渣细胞壁基质松动，增大了细胞壁透性，促进了提取液向物料的渗透和果胶的溶出，进而提高提取效率。但过高的微波辐射功率可能会导致溶剂和基质分子获得过多的能量，严重扰乱提取过程的分子间相互作用，并可能引起果胶降解而损害其提取率[36]。(2)改变分子结构。在较低功率时，微波辐射不会导致聚合物分子降解，但会引起其构象变化。如微波辐射引起蛋白质分子高级结构变化，使蛋白质与果胶分子间的氢键断裂，有利于果胶的分离和溶出。在较高功率时，微波辐射可能导致果胶分子降解，这一方面会加速其溶出，但会使其分子质量和表观黏度下降[42]。

2.2 超声波辅助的影响及机制

在酸法提取过程中辅以超声波，会影响所得苹果果胶产品的平均分子质量、分子质量分布、单糖组成、流变学特性和光学特性等性质，其影响幅度和超声强度与处理时间等密切相关。超声波可使苹果皮渣组织细胞壁破碎而加速果胶溶出并缩短提取时间[43]。在一定范围内，随超声强度、提取时间和温度的增加，果胶的提取率、平均分子质量、GalA和总糖含量逐步提升[44]；过高的超声功率会加剧果胶分子的β-消除反应，使果胶的平均分子质量和表观黏度下降[45]。田玉霞等[46]发现，超声辅助提取50 min的苹果果胶得率(13.64%)，明显高于传统酸法90 min的得率(11.45%)，且前者获得的果胶产品色泽更好、灰分更低、黏度更高，但二者的单糖组成基本相同。而WANG等[47]发现，利用超声辅助能提高葡萄柚皮中果胶酸法提取的得率，但产品的黏度比未辅助者低(3%，0.612→0.489 Pa·s)，这可能是超声引发了果胶分子降解的原因。SESHADRI等[48]发现,苹果果胶的凝胶速率随超声强度和处理时间的增加而降低，但形成的凝胶更透明。这从另一个方面证实了超声可能引发果胶分子降解。和传统酸法提取一样，在一定范围内随液料比的增大果胶提取率会增加，但液料比过高会导致提取体系超声波能量密度减弱，从而使提取率有所降低[49]。当提取液pH值较高时，果胶分子易发生聚合而难以从组织中释放和溶出[50]。MUOZ-ALMAGRO等[44]发现，超声辅助HNO3和柠檬酸液提取获得的苹果果胶性质差异不大。

超声提升苹果果胶的提取效率以及对苹果果胶理化性质的影响主要依据以下两个机理：(1)加强传热传质。除和微波辅助一样存在热效应之外，超声辅助还存在空化效应和机械效应[51]。具体而言，热效应提高提取温度，超声空化在液体中形成局部热点和微射流，产生强烈搅动等机械效应。这些作用都有利于果胶分子从基质材料向提取液的溶出。另外，微射流作用可使皮渣细胞壁破裂，增加细胞壁透性，产生和暴露新的萃取位点，加快果胶析出，并提高果胶纯度和产量[52]。超声过程中过高的温度会引起果胶降解而超声空化产生的局部高温高压诱发的自由基也可能引起果胶降解[53]。(2)声化学作用。超声波可以强化物料中果胶分子水合作用，从而能增加果胶的溶出效率[54]。另一方面，超声可使与果胶复合的蛋白质等解聚，也可能使果胶分子解聚增加其溶解性从而提高果胶的提取率。

3 结语

酸法提取对苹果果胶理化特性的影响要综合考虑多种因素，应根据果胶的实际应用选择最适提取条件。微波和超声辅助提取苹果果胶技术，效率高，果胶品质好，改善了传统酸法提取的产量低和废液处理耗能大等缺点。但目前所涉及的酸法提取条件对苹果果胶理化特性的影响的报道很少，在以后的研究中应注意以下几点：(1)微波和超声辅助提取苹果果胶的现象与原理过于分裂，可以通过对苹果果胶理化特性的影响分析，更加深入地解释这2种技术的作用原理；(2)通过控制流变学特性和结构组成等来获得更加绿色健康的苹果果胶，在不显著改变食品质量的条件下，开发其更多的潜在功效；(3)降低微波和超声辅助提取技术的生产成本，使其在食品加工中应用更广。总之，酸法提取条件对苹果果胶理化特性的影响是复杂的，还需要更多的研究来阐明两者之间的关系及作用机制。