柠檬酸-纤维素酶法提取甜菜果胶的研究

杜国军，孟凡龙，田英华，许瑞雪，李学涛，王兴和

(1.齐齐哈尔大学，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔鹏程北方糖业有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔 161006；3.依安东方瑞雪糖业有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

甜菜是蔗糖生产的主要原料之一，在制糖过程中会产生大量的甜菜废丝。甜菜废丝经干燥处理后成为甜菜干粕，甜菜干粕含有大约25%的果胶[1]。果胶是一种结构复杂的大分子多糖[2]，具有调节血脂、控制肥胖、改善肠道菌群等作用，在医药、化妆品、食品、纺织和化工行业都有广泛的应用[3]。同时，果胶还是一种十分重要的食品添加剂，主要用作稳定剂、增稠剂、乳化剂和胶凝剂。目前果胶的生产主要以苹果皮、柑橘皮以及甜菜废丝为原料[4]，常用的提取方法有酸法、酶法、碱法、离子交换树脂法、超声波-微波协同法等[5-8]。

研究表明，有机酸对果胶影响较小，具有环保、安全等特点，且酶制剂的成本也越来越低，故本文以甜菜干粕为原料，采用柠檬酸-纤维素酶法提取优质甜菜果胶，可以大幅提高制糖企业的效益，具有较好的应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料

甜菜干粕：依安东方瑞雪糖业有限公司；无水乙醇：辽宁泉瑞试剂有限公司；柠檬酸：天津市科密欧化学试剂有限公司；纤维素酶(≥10000 U/g)：宁夏和氏璧生物技术有限公司；氢氧化钠、咔唑试剂等。

1.2 仪器

数显式电热恒温水浴锅、电热鼓风干燥箱、电子天平、酸度计、粉碎机、高速离心机等。

1.3 方法

1.3.1 原料处理

甜菜干粕经粉碎，过80目筛，常温保鲜袋贮存。

1.3.2 工艺流程

1.3.3 柠檬酸法提取果胶

将甜菜干粕与水按一定比例混合，添加适量的柠檬酸来提取果胶。以料液pH、温度、时间为因素，通过单因素试验和正交试验研究各因素对果胶产率的影响。

1.3.4 纤维素酶法提取果胶

在经柠檬酸法提取果胶后的上清液中加入适量的纤维素酶继续提取果胶。以酶添加量、温度、时间、pH为因素，通过单因素试验和正交试验研究各因素对果胶产率的影响。

1.4 果胶含量的测定方法

咔唑比色法[9]。

2 结果与讨论

2.1 不同条件对柠檬酸法提取果胶的影响

2.1.1 料液pH对果胶产率的影响

称取适量甜菜干粕粉，按照料液比1∶50加入蒸馏水后，添加柠檬酸调节成不同pH的溶液，90 ℃水浴4 h，研究料液pH对果胶产率的影响，结果见图1。

图1 料液pH对果胶产率的影响

由图1可知，在pH为1.25时，果胶的产率最高；pH<1.25时，由于柠檬酸加入量过高会造成一部分果胶分子的水解和降解而降低产率；pH>1.25时，随着溶液酸度的降低果胶产率开始降低。因此，选定柠檬酸法提取果胶的最佳料液pH为1.25。

2.1.2 温度对果胶产率的影响

称取适量甜菜干粕粉，按照料液比1∶50加入蒸馏水后，添加柠檬酸调节成pH 1.25的溶液，不同温度下水浴4 h，研究温度对果胶产率的影响，结果见图2。

图2 温度对果胶产率的影响

由图2可知，果胶产率随温度的升高而升高，在95 ℃达到了最大值23.12%，温度继续升高，果胶产率趋于平稳，故选择柠檬酸法提取果胶的最适温度为95 ℃。

2.1.3 时间对果胶产率的影响

称取适量甜菜干粕粉，按照料液比1∶50加入蒸馏水后，添加柠檬酸调节为pH 1.25的溶液，90 ℃水浴若干时间，研究时间对果胶产率的影响，结果见图3。

图3 时间对果胶产率的影响

由图3可知，果胶产率随着时间的增加而升高，在3.5 h达到了最大值22.76%，时间继续延长，果胶产率变化不大，故选择柠檬酸法提取果胶的最适时间为3.5 h。

2.1.4 柠檬酸法提取果胶的正交试验结果

在单因素的基础上，选择料液pH、温度、时间进行3因素3水平的正交试验，因素水平及试验结果见表1和表2。

表1 柠檬酸法提取果胶正交试验因素和水平

表2 柠檬酸法提取果胶正交试验设计与结果

续 表

由表1和表2可知，柠檬酸法提取果胶产率影响因素的主次顺序为：料液pH>时间>温度。A2B2C3为柠檬酸法提取果胶的最佳条件，即料液pH 1.25、温度95 ℃、时间4 h，此时果胶的产率为25.21%。

2.2 不同条件对纤维素酶法提取果胶的影响

2.2.1 纤维素酶添加量对果胶产率的影响

取一定量经柠檬酸法提取果胶后的上清液，加入氢氧化钠调成pH 4的水溶液，添加不同量的纤维素酶，40 ℃水浴30 min，研究纤维素酶添加量对果胶产率的影响，结果见图4。

图4 纤维素酶添加量对果胶产率的影响

由图4可知，果胶产率开始随着纤维素酶添加量的增加而升高，在0.15%时达到了最大值1.23%，添加量继续增加时，果胶产率变化不大，故选择纤维素酶的最适添加量为0.15%。

2.2.2 pH对果胶产率的影响

取一定量经柠檬酸法提取果胶后的上清液，添加0.15%的纤维素酶，加入氢氧化钠调成不同pH的溶液，40 ℃水浴30 min，研究pH对果胶产率的影响，结果见图5。

图5 pH对果胶产率的影响

由图5可知，果胶产率在pH 4.5时达到了最大值1.34%，pH继续增加时，果胶产率有所降低，故选择纤维素酶法提取果胶的最适pH为4.5。

2.2.3 温度对果胶产率的影响

取一定量经柠檬酸法提取果胶后的上清液，加入氢氧化钠调成pH 4的溶液，添加0.15%的纤维素酶，不同温度下水浴30 min，研究温度对果胶产率的影响，结果见图6。

图6 温度对果胶产率的影响

由图6可知，果胶产率在45 ℃时达到了最大值，继续升高温度，果胶产率无明显变化，故选择纤维素酶法提取果胶的最适温度为45 ℃。

2.2.4 时间对果胶产率的影响

取一定量经柠檬酸法提取果胶后的上清液，添加0.15%的纤维素酶，加入氢氧化钠调成pH 4的溶液，40 ℃水浴若干时间，研究时间对果胶产率的影响，结果见图7。

图7 时间对果胶产率的影响

由图7可知，果胶产率随着时间的增长而升高，在45 min时达到了最大值，继续增加水浴时间，果胶产率无明显提高，故选择纤维素酶法提取果胶的最适时间为45 min。

2.2.5 纤维素酶法提取果胶的正交试验结果

以果胶产率为指标，选择纤维素酶添加量、温度、时间、pH进行4因素3水平的正交试验，因素水平及试验结果见表3和表4。

表3 纤维素酶法提取果胶正交试验因素和水平

表4 纤维素酶法提取果胶正交试验设计与结果

续 表

由表3和表4可知，纤维素酶法提取果胶产率影响因素的主次顺序为：纤维素酶添加量>pH>时间>温度。A3B1C3D2为最佳果胶提取条件，即纤维素酶添加量0.2%、温度40 ℃、时间50 min、pH 4.5，此时果胶的产率为1.58%。

3 结论

以甜菜干粕为原料，采用柠檬酸-纤维素酶法提取果胶，通过单因素试验和正交试验确定了甜菜果胶的最佳提取工艺。柠檬酸法提取果胶的最佳工艺条件为料液pH 1.25、温度95 ℃、时间4 h；纤维素酶法提取果胶的最佳工艺条件为酶添加量0.2%、温度40 ℃、时间50 min、pH 4.5；将2次提取的果胶均匀混合，测得果胶最后的总产率为26.79%，纯度为86%。