甘薯果膠單糖構成及黏度分析*

梅新，木泰華

(中國農業科學院農產品加工研究所，北京，100193)

甘薯果膠單糖構成及黏度分析*

梅新，木泰華

(中國農業科學院農產品加工研究所，北京，100193)

以甘薯渣為原料制備果膠，采用高效離子交換色譜測定果膠單糖構成，滴定法測定果膠酯化度(DE)，并利用掃描電鏡對果膠粉及果膠凝膠顯微結構進行觀察，進而探討了溫度、pH值、剪切速率、Ca2+濃度對果膠溶液黏度的影響。結果表明:果膠單糖含量高低順序為半乳糖醛酸(79.23%)＞半乳糖(9.48%)＞鼠李糖(7.38%) ＞ 葡萄糖醛酸(3.76%) ＞ 木糖(3.74%) ＞ 葡萄糖(1.47%) ＞ 阿拉伯糖(1.23%)，DE 為 31.71%。甘薯果膠粉呈不規則片狀，而其凝膠則具有多孔網狀結構。隨著溫度升高，果膠溶液黏度均呈下降趨勢;pH值對黏度的影響較大，pH值5.0和9.0時，果膠溶液黏度最高，分別為3.82mP·s和3.65mP·s;隨著剪切速率增大果膠溶液黏度迅速降低后趨于穩定;Ca2+能顯著提高果膠溶液黏度，且在0～50 mmol/L內，Ca2+濃度與果膠溶液黏度值間存在一定正相關。

甘薯果膠，單糖構成，酯化度，黏度特性

甘薯渣作為淀粉生產過程中產生的副產物，通常被當作廢物丟棄或作為飼料簡單利用，造成資源的浪費和環境污染。甘薯渣中富含的果膠，約占干渣質量的20%［1］，如何開發利用薯渣中果膠資源已成為當前重要研究課題。

果膠是一類富含半乳糖醛酸的多糖的總稱，主要存在于植物的細胞壁中［2］。根據主鏈和側鏈的不同，果膠存在3種不同結構類型:(1)半乳糖醛酸聚糖(HGA)，它是一種線狀多聚體，由半乳糖醛酸通過α-1，4糖苷鍵鏈接而成［3］;(2)鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅰ(RG-Ⅰ)，主鏈由重復的二糖(1，4-α-半乳糖-1，2-α-鼠李糖)構成，其中鼠李糖殘基的O-4被由阿拉伯糖和半乳糖組成的中性糖側鏈取代［4］;(3)鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅱ(RG-Ⅱ)，它的主鏈由較短聚半乳糖醛酸組成，其側鏈由多種單糖構成［5］。果膠鏈中有部分半乳糖醛酸與甲氧基、乙?；王０坊ㄟ^酯鍵相連而被酯化，被酯化的半乳糖醛酸占果膠中總的半乳糖醛酸比例稱為酯化度(DE)，按DE高低可以將果膠分為高DE果膠(DE＞50%)和低DE果膠(DE＜50%)［6］，未被酯化的半乳糖醛酸殘基使得果膠在水溶液中帶一定量負電荷。

單糖構成可間接反映果膠結構，目前，果膠單糖測定方法主要有高效陰離子交換色譜法(HPAEC)［7］和氣液相色譜法(GLC)［8］，與 HPAEC法相比，GLC法步驟較為繁瑣，單糖水解后需要衍生才能測定，而不完全衍生會造成單糖含量測定值偏低于實際值［9］。Salvador等［10］和 Noda 等［11］以草酸銨法制備的甘薯果膠為材料，采用HPEAC法測定了其單糖構成，結果表明甘薯果膠主要由糖醛酸(包括半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸)、半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖構成，其糖醛酸含量分別60.4%和47.0%。目前，在食品工業中，尤其是在乳制品行業中［12-14］，果膠主要作為增稠劑和穩定劑使用，黏度是衡量果膠增稠或穩定效果的一個重要指標。此外，果膠黏度特性還與其降血脂的效果有關，高黏度果膠具有更好降血脂效果［15］。果膠溶液黏度不僅與果膠本身特征(DE、分子質量)及濃度有關，還受到溶液pH值、溶劑中離子強度、溫度及外界剪切力影響［16］。在前人研究中，果膠黏度特性研究主要集中于分子質量、DE、溫度對果膠固有黏度影響［17-18］，較少涉及果膠溶液表觀黏度研究。本研究采用酸提法制備甘薯果膠，并在對甘薯果膠單糖組成和DE進行分析基礎上，探討了溫度、pH值、剪切速率和Ca2+濃度對果膠溶液表觀黏度的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮甘薯由北京市密云縣原種場提供，品種為密選1號，提取淀粉后廢渣，水洗，60℃烘干，粉碎，過100目篩，4℃下密封放置備用。經測定本試驗所用干薯渣中總果膠含量為10.36%。

1.2 主要儀器與試劑

1.2.1 主要儀器

LXJ-IIB低速大容量多管離心機，上海安亭科學儀器廠;LGJ-10型冷凍干燥機，北京四環科學儀器廠;Ro(NaF-40)-UF-4010實驗用膜分離超濾裝置，上海亞東核級樹脂有限公司;S-570型掃描電子顯微鏡，日立;離子色譜 ICS-3 000，Dionex;Physica MCR301流變儀，Anton Paar;TA.XT2質構儀:Stable Micro System。

1.2.2 主要試劑

α-淀粉酶、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、木糖、葡萄糖標品，均購自Sigma公司，Viscozyme L9復合多糖酶購自諾維信，其他試劑均為化學純。

1.3 實驗方法

1.3.1 果膠制備

取一定量薯渣，糊化去淀粉后，殘渣干燥，粉碎過100目篩。取過篩殘渣按1∶20的比例(g∶mL)加水懸濁，1 mol/L的 HCl調節 pH值至1.5，懸浮液于95℃下水浴振蕩2.2 h，離心收集上清，1 mol/L的NaOH調節上清液pH值至中性，并用截留分子質量為10 ku的超濾膜濃縮上清，濃縮液與3倍體積無水乙醇混合，靜置1h沉淀果膠，離心收集沉淀，凍干粉碎后得果膠粉。

1.3.2 果膠單糖構成測定

果膠水解和單糖測定均參照Garna等［19］方法。先用三氟乙酸水解果膠，水解液再用Viscozyme L9復合多糖酶繼續水解成單糖，單糖構成用帶有脈沖安培檢測器的HPAEC(離子色譜 ICS-3000)進行測定，中性糖采用等度洗脫，糖醛酸采用梯度洗脫。用濃度為0.1～10 mg/kg的標準溶液用于制作標準曲線，標準溶液中含有鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、半乳糖等中性糖以及糖醛酸(半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸)。

1.3.3 果膠DE測定

參照Pinheiro等的［6］方法測定DE值。

1.3.4 果膠溶液黏度測定

探討不同溫度(10 ～90℃)、pH 值(2，3，4，5，6，7，8，9，10)、Ca2+濃度(1，5，10，20，30，40，50 mmol/L)、剪切速率(1～1 000 s-1)對果膠溶液黏度的影響。

不同條件下甘薯果膠溶液黏度測定采用應變控制流變儀(Physica MCR301 Anton Paar)進行，錐板直徑50 mm，錐角1°，錐板和平板間距為0.047 mm，果膠濃度10 g/L。在不探討測定溫度、pH值、剪切速率和Ca2+濃度對果膠溶液黏度影響的條件下，溫度、pH值、剪切速率和 Ca2+濃度分別為 25℃，5.0，50 s-1和0 mmol/L。

本研究中，沒有特殊說明，所有黏度值均為果膠溶液的表觀黏度。

1.3.5 果膠凝膠質構及掃描電鏡分析

果膠凝膠制備參照 Takamine等［1］方法，0.7 g 果膠和6.0 g蔗糖加入45 mL蒸餾水中，完全溶解后加入1.75 mL乳酸緩沖液(pH值3.5)，混合液加熱至沸騰后立即加入15.0 g蔗糖，再緩慢加入6.3 mL 0.1mol/L的 CaCl2，同時以5 000 r/min轉速均質混合液至其混合均勻，繼續煮沸至混合液凈重(70±0.5)g，后去除表面泡沫，迅速將其倒入無菌培養皿(直徑40mm，高15mm)中，封口冷卻。凝膠形成后于5℃下放置16 h，采用TA.XT2質構儀測定凝膠硬度、膠黏性、咀嚼性、黏結性、彈性和回復性等質構參數。

采用日立S-570型掃描電子顯微鏡將果膠粉及凍干后果膠凝膠樣品經過黏臺、噴金等步驟后，在加速電壓為12 kV的條件下用掃描電子顯微鏡進行觀察。

1.3.6 統計分析

所有試驗均重復3次，試驗數據采用平均數±標準差(mean±SD)表示，用DPS 7.55統計軟件進行方差分析，以P＜0.05為顯著性檢驗標準。

2 結果與討論

2.1 果膠單糖組成及酯化度

表1 三種不同果膠單糖構成及酯化度的比較 %

表1中比較了酸法制備的甘薯、柑橘和蘋果果膠的單糖構成。結果表明，與其他2種果膠相比，甘薯果膠半乳糖醛酸含量最高為72.93%，中性糖含量最低為23.3%，中性糖由高到低的順序分別為半乳糖9.48%、鼠李糖7.38%、木糖3.74%、葡萄糖1.47%、阿拉伯糖1.23%，另外還含有3.76%葡萄糖醛酸。柑橘果膠半乳糖醛酸含量最低43.09%，中性糖含量最高56.03%，中性糖由高到低順序分別為阿拉伯糖29.77%、半乳糖 16.83%、鼠李糖 8.04%、葡萄糖0.63%、木糖 0.50%、甘露糖 0.25%。此外，葡萄糖醛酸含量為0.88%;蘋果果膠半乳糖醛酸和中性糖含量處于前兩者之間，分別為65.0%和33.5%，中性糖由高到低分別為半乳糖10.70%、阿拉伯糖7.9%、木糖 6.2%、葡萄糖 0.80%。甘薯果膠酯化度為31.71%，屬于低DE果膠，而柑橘果膠和蘋果果膠酯化度分別為65.10%和57.0%，屬于高DE果膠。由此可見，不同材料，其果膠單糖構成和DE明顯不同。

果膠單糖構成上的差異，可間接反映果膠產品結構上差異。鼠李糖含量較多說明甘薯果膠中RG-Ⅰ含量可能較高;阿拉伯糖和半乳糖含量高低則與側鏈有關［5］。與 Salvador等［10］采用草酸銨法提取的甘薯果膠相比，在本試驗中采用酸提法制備的甘薯果膠半乳糖醛酸含量較高，阿拉伯糖和半乳糖含量低，鼠李糖含量相近，說明本試驗制備的果膠側鏈較少，這可能是由于制備果膠時高溫低pH值的條件導致側鏈水解。此外，相同提取方法制備甘薯果膠單糖構成之間也存在差異，與Salvador等結果相比，Noda等［11］采用草酸銨法提取的甘薯果膠中糖醛酸、半乳糖含量較低，阿拉伯糖含量相近，葡萄糖和鼠李糖含量較高，這兩者間差異可能與各自所用甘薯品種有關，Koubala等［8］的研究證實提取方法和芒果品種均對芒果果膠單糖構成有明顯影響。

2.2 溫度對果膠溶液黏度的影響

如圖1所示，pH值5.0條件下，果膠濃度10 g/L時，隨著溫度升高，果膠溶液黏度明顯呈下降趨勢，溫度超過50℃，黏度下降速率減緩。溫度為10℃時，果膠溶液黏度高達13.0 mP·s，而溫度升高到90℃時，黏度降至1.66 mP·s。這可能是隨著溫度升高，果膠分子熱運動加劇，分子間相互作用力減弱，在恒定的剪切速率下，黏度也隨之下降。

2.3 pH值對果膠溶液黏度的影響

圖2結果顯示，pH值從2.0升高到10.0過程中，果膠溶液黏度呈“M”型變化。在3個拐點中，pH值5.0和9.0處于頂點，黏度較高，黏度分別為3.82 mP·s和 3.65 mP·s，而 pH 值 7.0 處于底點，黏度低，僅為3.17 mP·s。較低pH值下，果膠中半乳糖醛酸的羧基電離受到抑制，溶液中分子間靜電作用減弱，伸展的果膠分子發生卷曲，溶液黏度降低。較高pH值條件下，溶液中較高的離子濃度屏蔽了果膠分子間靜電作用，同樣造成果膠分子卷曲和黏度降低。在中性pH值下，溶液中幾乎沒有離子存在，靜電作用較弱，黏度降低。在pH值5.0和9.0時，可能是果膠分子帶凈電荷較多，分子間靜電作用較強，果膠分子在溶液中較為伸展，黏度大［22］。

2.4 剪切速率對果膠溶液黏度的影響

圖3結果表明，剪切速率對果膠溶液黏度有明顯影響。在1～1 000s-1范圍內，隨著剪切速率升高，果膠溶液出現剪切變稀現象，呈現非牛頓流體的特征。剪切速率為1 s-1時，果膠溶液黏度為15.0 mP·s，當剪切速率上升到1 000 s-1時，黏度只有3.72 mP·s。剪切速率超過35 s-1時，剪切速率對果膠溶液黏度影響較小，溶液黏度趨于穩定，這可能是由于剪切速率超過35 s-1所形成的剪切力遠遠超過溶液中果膠分子間相互作用力。

圖1 溫度對果膠溶液黏度的影響

圖2 pH值對果膠溶液黏度的影響

2.5 Ca2+濃度對果膠溶液黏度的影響

圖4結果表明，Ca2+明顯影響果膠溶液黏度，隨著Ca2+濃度升高，溶液粘滯性明顯增強，黏度增大。在Ca2+濃度為0～50 mmol/L范圍內，Ca2+濃度與果膠溶液黏度呈一定相關性，相關系數R2=0.88。沒有Ca2+存在條件下，果膠溶液黏度為3.83 mP·s，而Ca2+濃度為50 mmol/L時，果膠溶液黏度達到了1 067.64 mP·s。甘薯果膠屬于低 DE果膠(31.71%)，果膠鏈上仍有部分半乳糖醛酸未被酯化，未酯化的半乳糖醛酸因電離而形成帶負電荷的羧基，它能與Ca2+之間形成離子鍵，一個Ca2+能與2個半乳糖醛酸殘基結合，由此，導致果膠分子之間因Ca2+存在而相互交聯［23］，溶液黏度隨之增加。

2.6 果膠凝膠質構特性及顯微結構

圖3 剪切速率對果膠溶液黏度的影響

圖4 Ca2+濃度對果膠溶液黏度的影響

圖5 果膠粉形態(左)及果膠顯微結構(右)

低DE的甘薯果膠溶液加入30%蔗糖和0.1%CaCl2后，能形成穩定凝膠。經測定，凝膠的硬度、膠黏性、咀嚼性、黏結性、彈性和回復性分別為46.09 g、26.09、24.98、0.57、0.96 以及 0.013。除回復性外，其余各項質構指標均高于高DE的蘋果果膠形成的凝膠［21］。凍干粉碎后甘薯果膠粉末很膨松，白色，有光澤，堆積密度為0.1 g/cm ，掃描電鏡結果(圖5)顯示，放大100倍后果膠粉呈不規則的片狀結構，而凍干后的果膠凝膠則呈多孔的網狀結構，水分子被包裹在內，這可能是果膠和Ca2+相互交聯而成，這種多孔網狀結構也存在于其他低DE果膠的凝膠結構中［23］。

3 結論

為了充分合理利用甘薯資源，以淀粉生產廢棄物甘薯渣為原料，采用酸提法制備的甘薯果膠呈白色，有光澤，呈不規則的片狀顯微結構。單糖構成分析結果表明，甘薯果膠主要由半乳糖醛酸、半乳糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸、木糖、葡萄糖、阿拉伯糖組成，其含量分別為 72.93%、9.48%、7.38%、3.76%、3.74%、1.47%、1.23%，DE 為31.71%，屬于低 DE 果膠。

溫度、pH值、剪切速率和Ca2+濃度均對果膠溶液黏度有顯著地影響，溫度升高，黏度降低，pH值5.0和9.0 時黏度最高，黏度分別為 3.82 mP·s和3.65 mP·s，隨著剪切速率增加，果膠溶液出現剪切變稀現象，Ca2+可與果膠中未酯化的半乳糖醛酸結合，顯著提高溶液黏度。當果膠濃度10 g/L，溶液中分別添加30%蔗糖和0.1%CaCl2時，能形成具有多孔網狀顯微結構的凝膠。

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Analysis on Sugar Composition and Its Viscosity Properties of Sweet Potato Pectin

Mei Xin，Mu Tai-hua
(Institute of Agro-Food Science and Technology，CAAS，Beijing 100193，China)

Pectin was extracted from sweet potato residues.Sugar composition and degree of esterification(DE)of pectin were determined by high performance anion exchange chromatography and titration method respectively.Microstructure of pectin powder and pectin gel was observed by scanning electron microscope.The effect of temperature，pH，shear rate and Ca2+concentration on viscosity of pectin solution were also investigated.The results showed that The order of sugar composition in sweet potato pectin was galacturonic acid(79.23%) ＞galactose(9.48%) ＞rhamnose(7.38%) ＞glucuronic acid(3.76%) ＞xylose(3.74%) ＞ glucose(1.47%) ＞arabinose(1.23%)，DE was 31.71%.The microstructure of pectin powder was irregular flake-like，whereas the pectin gel had a porous network form.The viscosity of pectin solution decreased when the temperature was increasing;pH affected viscosity obviously，pectin solution had higher viscosity at the pH 5.0 and 9.0，and the value were 3.82mP·s and 3.65mP·s respectively.With increasing the shear rate，viscosity decreased rapidly，and then trended to steady;Ca2+could improve the viscosity of pectin solution remarkably，in the extent of 0～50 mmol/L，there was positive relationship between Ca2+concentration and viscosity of pectin solution.

sweet potato pectin，sugar composition，degree of esterification，viscosity properties

碩士研究生(木泰華研究員為通訊作者，E-mail:mutaihuacaas@126.com)。

*現代甘薯農業技術體系建設專項(nycytx-16-B-16)

2010-04-01，改回日期:2010-06-23