八月瓜果胶的性能测试研究

石兵艳， 赵 飞， 王 芸， 刘 毅， 李 祥

(陕西科技大学 化学与化工学院 农林技术推广工程中心， 陕西 西安 710021)

0 引言

八月瓜为木通科木通属攀援式常年生藤本植物三叶木通( Akebia trifoliate koidz) 的果实，是野生水果珍品，有"野香蕉"之称，又名八月炸、牛滚瓜、羊开口、牛腰子果、木通子等，分布于我国秦岭的平原、山地及国外的东南亚、日本等地[1-6].研究表明，八月瓜果皮中含有类黄酮物质、三萜类化合物、果胶等活性成分[7].

果胶是高分子多糖聚合物，其结构主要是由α-1,4糖苷键连接的D-半乳糖醛酸单元直链形成的高聚半乳糖醛酸，链上的基团大多是天然的甲氧基[8].果胶具有抗肿瘤活性，可降低血液和肝脏中的脂肪等，很少有研究者从八月瓜皮中提取果胶[9，10].近年来，随着消费水平的提高，消费者对天然成分需求量增大，而八月瓜果皮厚实，并且从果皮中提取的果胶得率能够达到12.15%，因此，可成为提取果胶的优良来源.

根据文献报道，李加兴等[4]曾研究过湖南省古丈县提供的八月瓜果皮中果胶的理化性质，测定了其酯化度和半乳糖醛酸含量，但并未深入探究果胶的其它性能.本实验则研究了陕西省户县八月瓜基地提供的八月瓜果皮中的果胶.根据GB2553-2010/QB2484-2000中的方法，研究了其理化特性及粘均分子量的测定，并利用傅里叶红外光谱分析了果胶中主要的官能团结构.此外，还研究了果胶质量浓度、温度、 pH、不同食品添加剂的质量浓度等因素对果胶粘度的影响，以及八月瓜果胶的热稳定性，这可为八月瓜果胶的商品化应用提供参考价值.

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

八月瓜果皮，陕西户县八月瓜基地；商品柑橘果胶，旺鑫生物科技有限公司； NaOH、CaCl2、NaCl、HCl、酚酞、无水乙醇，天津市科密欧化学试剂有限公司；蔗糖，安徽省肥东丰副食品厂.

1.2 仪器与设备

BSA224S电子天平、Sartorius普及型pH计， 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；FW-100高速万能粉碎机，上海科恒实业发展有限公司；TDL-40B型离心机，上海安亭科学仪器厂；电热恒温鼓风干燥箱，上海-恒科学仪器有限公司；KH-200KDB型高功率数控超声波清洗器，昆山禾创超声仪器有限公司；SYP-B玻璃恒温水浴，常州市英格尔仪器制造有限公司；天福牌PC396秒表，深圳市惠波工贸有限公司；KSL-1200X马弗炉，合肥科晶材料技术有限公司；傅立叶红外光谱仪，德国布鲁克Bruker公司.

1.3 实验方法

1.3.1 八月瓜果胶的提取

(1)原理预处理

将八月瓜果皮用35 ℃～40 ℃的蒸馏水洗涤3、4遍，洗掉污垢灰层，并且可以洗掉有机酸、色素、和可溶性糖，直到滤液无色.于电热鼓风干燥箱中60 ℃烘干，用粉碎机粉碎过筛，收集粉末.

(2)提取方法

准确称取10.00 g八月瓜果皮粉末，用80 mL蒸馏水煮沸灭酶10 min，除去果胶酶.灭酶后的八月瓜果皮用离心机2 800 r/min离心10 min过滤.将滤渣置于250 mL烧杯中，按照料液比1∶13(g/mL)加入蒸馏水，并用盐酸调节pH至1.5，浸取温度65 ℃，超声功率150 W，超声萃取60 min.提取结束后再次离心5 min，收集上清液.减压蒸馏浓缩，在每100 mL果胶提取液中加入0.9 g活性炭60 ℃保温脱色35 min，过滤.按照体积比1∶1(脱色果胶液：95%乙醇)加入95%乙醇在40℃条件下醇沉2 h，用纱布过滤，最后将制得的果胶置于鼓风干燥箱内60 ℃下干燥至恒重，即得到八月瓜果胶成品.

1.3.2 八月瓜果胶理化性质的测定

果胶理化性质测定的以下每个实验数据均重复测定三次.

(1)果胶鉴别实验

根据国标GB2553-2010方法对所提取的八月瓜果胶做验证试验[11].

(2)果胶干燥失重的测定

按标准QB2484-2000法测定果胶样品的干燥失重含量[12]，具体步骤如下.

称取果胶试样1～2 g置于称量瓶中，然后于100 ℃～102 ℃的恒温鼓风干燥箱中，干燥1.5 h， 最后置于装有蓝色变色硅胶的玻璃干燥器中冷却50 min，称量，反复操作至恒重(准确至0.002 g)，并按照下式计算果胶干燥失重含量.

(1)

式(1)中：m1为干燥前果胶试样和称量瓶的总质量，g；m2为干燥后果胶试样和称量瓶的总质量，g；m为果胶试样质量，g.

(3)果胶灰发含量的测定

按标准QB2484-2000法测定果胶样品的灰发含量[12]，具体步骤如下.

称取1～4 g果胶样品置于恒重的瓷坩埚中，然后置于马弗炉中升温速率为3.5 ℃/min，达到580 ℃灼烧至恒重，根据剩余物质质量计算含量，并按照下式计算果胶灰发含量.

(2)

式(2)中：m3为瓷坩埚质量与灰分果胶样的总质量，g；m4为果胶试样质量，g；m5为瓷坩埚质量，g.

(4) 酸不溶灰发的测定

按标准GB2553-2010方法测定果胶样品的灰发含量[11]，具体步骤如下.

将测完灰发含量的试样移入50 mL烧杯，缓慢加入20 mL盐酸，然后煮沸5 min，用恒重的砂芯漏斗过滤至不含氯离子(用0.1 M的AgNO3检验)，最后置于106 ℃的鼓风干燥箱烘干至恒重，并按照下式计算酸不溶挥发含量.

(3)

式(3)中：m4为果胶试样质量，g；m6为砂芯漏斗质量，g；m7为砂芯漏斗和酸不溶灰发的总质量，g.

(5)溶解度的测定

称取0.5 g果胶于150 mL的烧杯中，加入50 mL蒸馏水，用0.1 M的HCl调果胶溶液pH= 4，在40 ℃保温30 min后，用3号砂芯漏斗过滤，然后取过滤液于恒重的10 mL的小烧杯中，并置于90 ℃的水浴锅中蒸干，在105 ℃下的鼓风干燥箱中烘至恒重，并按照下式计算果胶的溶解度[13]

(4)

式(4)中：m8为过滤液恒重时的质量，g；m9为果胶样品质量，g.

(6)pH的测定[12]

称取干燥烘干的果胶试样0.25 g，用蒸馏水溶解于10 mL容量瓶中，使用pH酸度计测定配制的果胶溶液的pH值.

(7)酯化度的测定[4]

准确称取0.05 g干燥的果胶样品于250 mL锥形瓶中，用2 mL乙醇润湿，加入100 mL蒸馏水和4滴1%酚酞指示剂，用0.1 M的NaOH标准溶液滴定至呈粉红色，记录消耗NaOH的体积(V1)，继续加入0.5 M的NaOH溶液20 mL， 剧烈振荡后静置15 min， 再加入0.5 M的HCl 溶液20 mL，剧烈振摇至粉红色褪去，再加入4滴1%酚酞指示剂，最后用0.1 M的NaOH溶液滴定，溶液出现粉红色后，记录消耗NaOH 的体积(V2)，并按照下式计算果胶酯化度(DE).

(5)

(8)总半乳糖醛酸的测定

根据GB2553-2010的方法测定总半乳糖醛酸含量[10].

1.3.3 八月瓜果胶粘均分子量的测定

(1)实验原理[14]

式(6)、(7)和(8)中：η为高聚物溶液的粘度；ηr为相对粘度；η0为溶剂粘度；ηsp为增比粘度为；[η]为特性粘度.

(6)

(7)

(8)

高分子溶液的粘度是其在流动时所产生的摩擦，摩擦力越大，则粘度越大.本实验使用乌贝路德粘度计测定，摩擦力越大，流出粘度计的时间就越长，说明流出时间与溶液粘度成正比，所以可以用流出时间直接反应粘度大小.液体在毛细管粘度计内因重力作用而流动，样品流经粘度计两个刻度所消耗的时间为t，溶剂流经粘度计两个刻度所消耗的时间为t0，可用下式表示：

(9)

将式(9)代入式(6)中，且忽略能动项，则简化为式(10)：

(10)

通常是在溶液的浓度极稀的条件测定粘度，所以可以认为溶液和溶剂的密度有近似相等的关系，即ρ≈ρ0，样品流经粘度计两个刻度所消耗的时间为t，溶剂流经消耗的时间为t0，则可改写为：

(11)

(12)

增比粘度ηsp与特性粘数[η]之间的关系满足下列方程：

(13)

溶液浓度C为变量，做ηsp/C-C曲线，由相应的拟合曲线求得特性粘度[η].特性粘度与粘均分子量满足马克-霍温经验关系式：

(14)

式(14)中：k为比例常数；α为经验常数；本文取k值为2.34×10-5，α值为0.822 4[15].

(2)流出时间的测定

准确称取1.128 6 g八月瓜果胶样品，加入蒸馏水超声至全溶，定容于50 mL容量瓶.用移液管吸取10 mL蒸馏水注入粘度计中，在25 ℃条件下恒温5 min，且温度波动<0.1 ℃，每次测定值相差不大于0.2 s，平行测定3次，取其平均值为t0.然后洗净烘干粘度计向其注入10 mL溶液，测定流出时间为t1；然后用移液管移入5 mL蒸馏水溶剂，将稀释液抽至粘度计E球3次，以保证粘度计内溶液各处都相等，恒温5 min，测定流出时间t2；依次按此方法再分别注入5 mL、10 mL、10 mL蒸馏水，测出t3、t4、t5，以上实验均重复三次.

1.3.4 八月瓜果胶的红外光谱分析

利用傅里叶红外光谱对八月瓜果胶的主要官能团进行分析.取1 mg八月瓜果胶样品与100～200 mg干燥的溴化钾粉末混合碾磨后压片，其厚度不超过2 mm，在400～4 000 cm-1范围进行光谱扫描分析[16].

1.3.5 影响八月瓜果胶粘度的因素

按照1.3.3中(2)的方法，采用乌贝路德粘度计测定果胶溶液的粘度.所有实验均重复三次.

(1)温度对八月瓜果胶粘度的影响

分别配制质量浓度为0.1 g/100 mL的八月瓜果胶溶液和商品柑橘果胶溶液，剧烈搅拌至完全溶解，用3号砂芯漏斗过滤备用，用移液管取10 mL的果胶溶液，在分别在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃下恒温5 min测定，并探讨温度对八月瓜果胶粘度的影响.

(2)质量浓度对八月瓜果胶溶液粘度的影响

分别配制0.2 g/100 mL、0.4 g/100 mL、0.6 g/100 mL、0.8 g/100 mL、1 g/100 mL的八月瓜胶溶液和商品柑橘果胶溶液，剧烈搅拌至完全溶解，用3号砂芯漏斗过滤备用，分别用移液管取10 mL的溶液，在25 ℃条件下恒温5 min测定，并探讨果胶质量浓度对八月瓜果胶粘度的影响.

(3)pH值对八月瓜果胶溶液粘度的影响

分别取已配置且过滤后质量浓度为0.2 g/100 mL的八月瓜果胶溶液和商品柑橘果胶溶液，用1 M的HCl溶液和1 M的NaOH溶液调节果胶溶液的pH值分别为2、4、6、8、10、12，分别用移液管取10 mL的溶液，在25 ℃条件下恒温5 min测定，并探讨探讨pH值对八月瓜果胶粘度的影响.

(4)不同食品添加剂对八月瓜果胶溶液粘度的影响

利用蔗糖的胶凝作用、食品级氯化钙的增稠和凝固作用、柠檬酸的酸度调节功能、氯化钠的营养强化作用，考察了以上四种食品添加剂对果胶溶液粘度的影响.

分别取已配置且过滤后质量浓度为0.2 g/100 mL的八月瓜果胶溶液和商品柑橘果胶溶液，用移液管取7 mL的溶液，然后加入不同质量浓度的食品添加剂5 mL，如表1所示，混合均匀后在25 ℃条件下恒温5 min测其流出时间，探讨以下各种食品添加剂的质量浓度对八月瓜果胶粘度的影响.

表1 添加剂的类别和其质量浓度

1.3.6 八月瓜果胶的热稳定性

用已配置且过滤后质量浓度为0.2 g/100 mL的八月瓜果胶溶液和商品柑橘果胶溶液，分别移取10 mL溶液于20 mL的烧杯中且将烧杯用保鲜膜密封放入95 ℃的鼓风干燥烘箱中，依次取出放置时间为0、5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、60 min的烧杯冷却至室温，用乌贝路德粘度计测定果胶溶液，用流出时间反应样品粘度绘制热稳定性曲线.

2 结果与讨论

2.1 八月瓜果胶的鉴别实验

(1)准确称取1 g八月瓜果胶，加入40 mL蒸馏水，不断搅拌，形成了粘稠状的液体，如图1中左图所示.

(2)用移液管移5 mL的(1)中的溶液于25 mL的试管中，然后加入1 mL 1.25 M氢氧化钠溶液，静止20 min出现了凝胶沉淀，如图1中右图所示.

以上鉴别试验说明实验室从八月瓜果皮中提取的果胶符合果胶的表观特征.

图1 八月瓜果胶鉴别试验

2.2 八月瓜果胶的理化特性

本实验将八月瓜果胶和商品柑橘果胶的干燥失重、灰发、酸不溶挥发、pH、酯化度、半乳糖醛酸含量及溶解度的理化指标进行检测与对比，由表2可知八月瓜果胶的指标都符合国家现行实施有效的食品安全果胶标准.八月瓜果胶的酯化度为82.84%，商品柑橘果胶酯化度为65.91%，因此从八月瓜果皮中提取的果胶属于高酯果胶.同时八月瓜果胶和商品柑橘果胶的pH值都属于高脂果胶范围类.八月瓜果胶的溶解度为82.84%，总半乳糖醛酸含量为81.35%，二者都是高于商品柑橘果胶.由此，八月瓜果胶是一种溶解性好、纯度高的优质果胶.

表2 八月瓜果皮果胶的质量指标测定

2.3 八月瓜果胶粘均分子量的测定

不同浓度果胶溶液的粘度如表3所示.

表3 八月瓜果胶固有粘度的测定

图2 八月瓜果胶的拟合直线图

2.4 八月瓜果胶的红外光谱分析

八月瓜果胶的红外光谱如图3所示.在3 650～3 100 cm-1有处宽而杂的吸收峰，来自于-OH键的伸缩振动，在2 929 cm-1的吸收峰是CH2集团中的为C-H键的伸缩振动.1 745 cm-1和1 639 cm-1分别为酯化的羧基官能团(-COOR)和自由的羧基官能团(COO-)C=O的对称伸缩振动和不对称伸缩振动吸收峰，1 745 cm-1的吸收峰强度远远强于1 639 cm-1处，结合表2八月瓜果胶理化性质所得到DE值、半乳糖醛酸含量、pH测定结果，可以确定从八月瓜果皮中提取的果胶属于高脂果胶.1 539 cm-1和1 431 cm-1处的吸收峰为羧基不对称和对称伸缩.1 095 cm-1处的吸收峰是糖苷键(C-O-C)的弯曲振动峰.在1 300～8 00 cm-1是果胶分子的指纹区.以上红外谱图与商品标品果胶的红外图相似[18]，说明提取物就是果胶.

图3 八月瓜果胶的红外谱图

2.5 影响八月瓜果胶粘度的因素

2.5.1 温度对八月瓜果胶溶液粘度的影响

由图4可知，八月瓜果胶和商品柑橘果胶的粘度均随着加热温度的升高呈减少趋势；而20 ℃～60 ℃时，随着温度的增加粘度下降较快，60 ℃以后温度继续升高对粘度的影响减弱.果胶溶液加热后粘度依次下降其原因可能在于温度的升高增加了果胶分子的热运动，流动能力增强，分子链的柔顺程度增强，使果胶粘度降低；也可能是温度升高有利于削弱分子链间相互作用，会破坏链间的氢键，使得果胶粘度下降[19].

图4 不同温度对果胶粘度的影响

2.5.2 八月瓜果胶质量浓度对其果胶粘度的影响

由图5可知，八月瓜果胶和商品柑橘果胶都随着质量浓度的增加，粘度呈现出迅速增加的过程.这是因为果胶溶液浓度的增大，导致果胶链之间的氢键和疏水作用增大，使得交联作用增大，从而粘度增大[20].另一方面，随着果胶溶液浓度的增大，活化能增大，流体流动的阻力也增大，因此果胶的粘度增大[21].

图5 果胶质量浓度对果胶粘度的影响

2.5.3 pH对八月瓜果胶溶液粘度的影响

由图6可知，八月瓜果胶和商品果胶的pH在2～4范围内，呈递增趋势，当pH=4时高脂果胶的粘度又逐渐下降，当pH=10以后趋于平缓，酸碱度影响的程度大大减弱.其原因可能是在较低pH下，果胶分子电离受到抑制，氢键作用加强，从而果胶溶液的粘度值升高.而当pH>4时，随着溶液中OH-1增加，与果胶分子相互吸引，使得大分子卷曲，形态发生了变化，降低粘度[19].

图6 pH对果胶粘度的影响

2.5.4 不同食品添加剂对八月瓜果胶的影响

(1)蔗糖质量浓度对果胶溶液粘度的影响

由图7可知，八月瓜果胶和商品柑橘果胶的粘度都随着蔗糖质量浓度的增大而增大.其原因一是蔗糖分子属于多羟基结构，亲水性较强，其竞争作用使果胶的水和作用减弱，使得果胶脱水结合，导致粘度增大[13]；原因二是蔗糖的羟基结构可以与果胶分子的氢键结合，使聚合物体积变大，粘度增强[21].

(2)CaCl2质量浓度对果胶溶液粘度的影响

由图8可知，八月瓜果胶和商品柑橘果胶的粘度都随着CaCl2质量浓度的增加呈现先增大后减小的过程.当CaCl2质量浓度在0～20 g/100 mL范围，随着CaCl2质量浓度的增大，果胶的粘度依次递增，是因为Ca2+电荷能够和果胶带负电荷的羧基结构结合，产生桥联作用，使果胶分子的有序结合增强，从而粘度增大[13].但当Ca2+质量浓度超过20 g/100 mL 时，随着CaCl2浓度增大，分子间氢键的形成减弱，呈现出相反现象，使得果胶溶液的粘度降低.

图8 CaCl2质量浓度对果胶粘度的影响

(3)柠檬酸质量浓度对果胶溶液粘度的影响

由图9可知，随着柠檬酸质量浓度的递增，八月瓜果胶和商品柑橘果胶的粘度反而递减.这是因为随着柠檬酸浓度的增大，酸度增强，氢离子浓度也增大，使得果胶分子间的氢离子的量增多，果胶分子作用力减弱，从而阻碍果胶的电离，粘度也随着下降[22,23].

图9 柠檬酸质量浓度对果胶粘度的影响

(4)NaCl的质量浓度对果胶溶液粘度的影响

由图10可知，随着氯化钠质量浓度的增加，八月瓜果胶和商品柑橘果胶的粘度依次呈现测出递减的现象.这是因为果胶是一种聚电解质，随着氯化钠的不断加入，果胶溶液中离子强度不断也增大，使得果胶酸的电离度降低，导致果胶溶液粘度降低[24].

图10 NaCl质量浓度对果胶粘度的影响

2.6 八月瓜果胶的热稳定性

由图11可知，相同浓度的八月瓜果胶和商品柑橘果胶的粘度随着热处理时间的递增呈现出粘度降低的现象.热处理时间0～5 min时，果胶粘度急剧下降，5 min以后随着热处理时间的增加，粘度降低程度缓弱，两种果胶在热处理时间15 min以后，粘度基本保持不变的趋势.这是因为初始阶段热处理过程，果胶分子链之间交联作用不断被破坏，生成大量的小分子，因此粘度急剧下降；当热处理时间超过15 min以后，热力作用对果胶链的破坏已达到最大，不再影响分子结构，果胶粘度下降开始变缓[13,20,25].

图11 95 ℃条件下处理不同时间对果胶粘度的影响

3 结论

八月瓜果胶干燥失重10.89%、灰发含量4.17%、酸不溶灰发0.94%、溶解度84.66%，符合QB2484-2000对果胶的要求，且pH为2.92、酯化度82.84%、半乳糖醛酸81.35%，说明从八月瓜果皮中提取的果胶属于高脂果胶；通过乌贝路德粘度计测定八月瓜果胶粘均分子量为40万左右，红外光谱分析1 745 cm-1处酯化的羧基官能团(-COOR)吸收峰远远强于1 639 cm-1处自由的羧基官能团(COO-)C=O的伸缩振动，说明所提取的果胶为高脂果胶；八月瓜果胶的粘度与其质量浓度、蔗糖质量浓度成正相关，与温度，柠檬酸质量浓度，氯化钠质量浓度呈负相关，而随着pH和CaCl2质量浓度呈现出先增大后减少的趋势；八月瓜果胶的热稳定性研究表明果胶的粘度随着加热时间的延长而下降，与商品柑橘果胶呈现出一致的趋势.