黄秋葵果胶理化特性的研究

李加兴 1,石春诚 1,马 浪 2,吴 越 2,肖秀凤 2,周炎辉 2

(1.吉首大学化学化工学院,湖南 吉首 416000;2.湖南奇异生物科技有限公司,湖南 长沙 410008)

摘 要:以商品柑橘果胶为对照,研究黄秋葵果胶的理化特性及果胶质量浓度、加热温度、pH值、蔗糖质量浓度和CaCl 2质量浓度等因素对黄秋葵果胶黏度的影响。结果表明:黄秋葵果胶总半乳糖醛酸含量为86.68%,酯化度为75.45%,溶解度为82%,pH值为4.63,属于弱酸性高酯果胶;黄秋葵果胶的黏度随着加热时间的延长而下降,但其热稳定性优于商品柑橘果胶;黄秋葵果胶的黏度与其质量浓度、蔗糖质量浓度均成正相关,与加热温度成负相关,而随pH值、CaCl 2质量浓度的增大呈先上升后下降的趋势,表现出一般果胶的黏度特性。黄秋葵果胶的黏度及热稳定性能优于商品柑橘果胶,是一种优质果胶。

关键词:黄秋葵;果胶;黏度;理化特性

黄秋葵为锦葵科(Malvaceae)秋葵属(Abelmoschus manihot(L.)Medic)一年生草本植物,别名秋葵、补肾草、羊角豆等,原产于非洲,我国北京、上海、浙江、广东等地区也均有种植 [1-2]。黄秋葵富含多种营养物质,如蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、膳食纤维、黄酮及多糖等,是一种营养保健型蔬菜 [3]

果胶作为一种亲水性植物胶,常存在于高等植物的根、茎、叶和果实中,是从植物中提取的一种天然多糖类高分子化合物 [4]。果胶具有非常好的增稠性、凝胶性、稳定性、乳化性等,常作为天然食品添加剂应用于果酱、果冻、糖果、乳酸、果汁饮料等食品的加工中 [5]。研究表明,黄秋葵嫩果中含蛋白质约2.5%,含果胶约24.8%,具有促进消化、降低血脂水平、增强人的体力和耐力等功效,其开发应用前景广阔 [2,6]

目前,国内对黄秋葵的研究主要集中在种植、栽培以及主要成分的提取及工艺优化上,而对于黄秋葵的果胶、黄酮、多糖等活性成分理化特性的研究较少。果胶是一种天然高分子化合物,具有良好的胶凝化和乳化稳定作用,其作为食品添加剂应用前景广阔。因此,本实验以黄秋葵果胶为对象,研究其理化特性及果胶质量浓度、加热温度、pH值、蔗糖质量浓度和CaCl 2质量浓度等因素对果胶黏度的影响,以期为黄秋葵果胶的商品化应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄秋葵嫩果 湖南省浏阳市淳口镇湘纯黄秋葵种植专业合作社;商品柑橘果胶 河南金润食品添加剂有限公司。

D- (+)-半乳糖醛酸(高级纯) 合肥博美生物科技有限责任公司;咔唑、NaOH、H 2SO 4、CaCl 2、HCl、酚酞、无水乙醇、蔗糖均为分析纯。

1.2 仪器与设备

PHSJ-4A雷磁pH计 上海精密科学仪器有限公司;TMP-2电子天平、SopTop可见分光光度计、NDJ-8S数字式黏度计 上海舜宇恒平科学仪器有限公司;TD24医用离心机 长沙平凡仪器仪表有限公司;电热恒温鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;M-NJL07-3型实验用微波炉 北京中西远大科技有限公司;HH-2型数显恒温水浴锅 金坛市富华仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黄秋葵果胶的提取

除去黄秋葵果实中结蒂部位并切碎成小块,置于干燥箱内低温烘干至恒质量,粉碎过60 目筛,按1 20(m/V)的料液比加入蒸馏水并搅拌均匀,并用一定浓度的HCl调节pH值至酸性范围,在微波时间60 s、微波功率590 W、浸提时间30 min、浸提温度74 ℃的条件下进行微波辅助提取 [7],然后4 000 r/min离心15 min,收集上层清液后,在不断搅拌条件下加入等量无水乙醇,析出絮状沉淀并静置2 h,之后3 000 r/min离心15 min,收集果胶沉淀用无水乙醇洗涤2~3 次,然后于55 ℃干燥至恒质量,即得黄秋葵果胶。

1.3.2 黄秋葵果胶理化特性指标的测定

1.3.2.1 pH值的测定

采用QB 2484—2000《食品添加剂 果胶》 [8]中的方法,使用酸度计测定黄秋葵果胶的pH值。

1.3.2.2 酯化度的测定

采用梅新等 [9]的方法测定黄秋葵果胶的酯化度:取0.2 g黄秋葵果胶粉末于称量瓶中,用少量乙醇润湿,加20 mL蒸馏水,于40 ℃条件下搅拌2 h至溶解,加1 滴酚酞,用0.1 mol/L的NaOH滴定,所用NaOH体积记为V 1;之后,向该溶液中加入10 mL 0.1 mol/L的NaOH搅拌均匀,室温条件下静置2 h,再向溶液加入10 mL 0.1 mol/L的HCl,混匀后形成混合液,最后,用0.1 mol/L的NaOH进行滴定,至滴定终点所消耗的NaOH体积记为V 2。按照公式(1)计算黄秋葵果胶的酯化度。

1.3.2.3 半乳糖醛酸含量的测定

参照Yeoh等 [10]的方法,采用咔唑比色法测定黄秋葵果胶中的半乳糖醛酸含量。

标准曲线的绘制:取D- (+)-半乳糖醛酸标准品10 mg,用蒸馏水定容至100 mL。移取上述溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL至25 mL具塞刻度试管中,加水稀释至1 mL,得到一组梯度质量浓度的半乳糖醛酸标准液,分别加入6.0 mL浓H 2SO 4,沸水浴20 min,冷却至室温,再分别加入0.2 mL 1.5 g/L的咔唑-乙醇溶液,摇匀。置于暗处30 min,取出测定其在526 nm波长处的吸光度,用蒸馏水做空白实验,制作标准曲线,得到标准曲线回归方程为Y=0.008 2X-0.014 8(R 2=0.992 5)。

黄秋葵果胶半乳糖醛酸含量的测定:配制一定质量浓度的黄秋葵果胶溶液,定容至100 mL,取1 mL于具塞试管中,加入6 mL浓 H 2 SO 4,沸水浴20 min,冷却至室温,再加入0.2 mL 1.5 g/L的咔唑-乙醇溶液,摇匀。置于暗处30 min,取出测定反应液在526 nm波长处的吸光度。根据标准曲线计算黄秋葵果胶中的半乳糖醛酸含量。

1.3.2.4 溶解度的测定

取0.5 g黄秋葵果胶于100 mL的烧杯中,加入50 mL蒸馏水,用0.1 mol/L的HCl溶液调样品溶液pH值至4,搅拌混匀,在40 ℃条件下保温30 min后,4 200 r/min、25 ℃离心20 min,然后取上清液至恒质量的铝盒中,将其置于90 ℃的水浴锅中蒸干后,在105 ℃条件下烘干至恒质量,并按照公式(2)计算黄秋葵果胶的溶解度 [11]

式中:m 1为上清液烘干至恒质量时的质量/g;m 2为样品质量/g。

1.3.3 黄秋葵果胶热稳定性的研究

将装有0.5 g/100 mL黄秋葵果胶溶液的小烧杯密封后置于95 ℃的烘箱中,放置0、5、10、15、20、30、60 min后取出小烧杯,利用黏度计测其相对黏度,记录数值并绘制热稳定曲线。同时,采用0.5 g/100 mL的商品柑橘果胶溶液作为对照。

1.3.4 影响黄秋葵果胶黏度因素的研究

1.3.4.1 果胶质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响

配制1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 g/100 mL的黄秋葵果胶溶液和商品柑橘果胶溶液,分别测定其黏度,探讨果胶质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响。

1.3.4.2 加热温度对黄秋葵果胶黏度的影响

分别取质量浓度为3.0 g/100 mL的黄秋葵果胶溶液和商品柑橘果胶溶液,经过20、40、60、80、100 ℃处理20 min,分别测定其黏度,探讨加热温度对黄秋葵果胶黏度的影响。

1.3.4.3 pH值对黄秋葵果胶黏度的影响

分别取质量浓度为3.0 g/100 mL的黄秋葵果胶溶液和商品柑橘果胶溶液,然后用1 mol/L的HCl溶液和1 mol/L NaOH溶液调节果胶溶液的pH值分别为2、4、6、8、10、12,分别测定其黏度,探讨pH值对黄秋葵果胶黏度的影响。

1.3.4.4 蔗糖质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响

分别在质量浓度为3.0 g/100 mL的黄秋葵果胶溶液和商品柑橘果胶溶液中加入不同量的蔗糖,使果胶溶液中的蔗糖质量浓度分别为10、20、30、40、50、60 g/100 mL,分别测定其黏度,探讨蔗糖质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响。

1.3.4.5 CaCl 2质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响

分别取质量浓度为3.0 g/100 mL的黄秋葵果胶溶液和商品柑橘果胶溶液,加入不同量的CaCl 2,使果胶溶液中的CaCl 2质量浓度分别为10、20、30、40、50、60 g/100 mL,分别测定其黏度,探讨CaCl 2质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响。

1.4 数据处理

采用Excel进行数据处理和分析;所有实验数据均为3 次平行实验的平均值。

2 结果与分析

2.1 黄秋葵果胶的理化特性

表1 黄秋葵果胶的理化特性
Table1 Physicochemical properties of okra pectin

指标黄秋葵果胶商品柑橘果胶QB 2484—2000对商品果胶的要求pH4.632.652.6~3.0(高酯)4.5~5.0(低酯)酯化度/%75.4565.91总半乳糖醛酸含量/%86.6875.24≥65溶解度/%8254

由表1可知,黄秋葵果胶酯化度为75.45%,商品柑橘果胶酯化度为65.91%,均属于高酯果胶 [12]。黄秋葵果胶的pH值为4.63,商品柑橘果胶pH值为2.65,两者均属于酸性果胶,但黄秋葵果胶不在高酯果胶的最稳定pH值范围内,当pH值降低时,COO -数目减少,果胶分子相互间排斥力减小,果胶黏度会随之增大。黄秋葵果胶的溶解度为82%,总半乳糖醛酸含量为86.68%,均高于商品柑橘果胶,且总半乳糖醛酸含量符合QB 2484—2000中的要求;由此可见,黄秋葵果胶是一种溶解性好、纯度高的优质果胶。

2.2 黄秋葵果胶的热稳定性

图1 95 ℃条件下处理不同时间对黄秋葵果胶黏度的影响
Fig.1 Effect of heating time on the viscosity of pectin at 95 ℃

由图1可知,在热处理阶段的前期,黄秋葵果胶和商品柑橘果胶在高温下发生链解聚,果胶分子链的交联作用不断被破坏,使果胶分子间的分散度增加,从而使果胶黏度迅速下降;之后,当热处理时间超过20 min时,热力作用对果胶链的分子结构破坏达到最大,果胶黏度的下降趋势开始变缓 [13]。但在整个热处理过程中,黄秋葵果胶的黏度及热稳定性能均优于商品柑橘果胶,这表明黄秋葵果胶是一种热稳定性良好的优质果胶。

2.3 影响黄秋葵果胶黏度的因素

2.3.1 果胶质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响

图2 果胶质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响
Fig.2 Effect of pectin concentration on its viscosity

由图2可知,两种果胶的黏度均随果胶质量浓度的增大而增大。这可能是因为果胶质量浓度越大,其活化能越大,导致果胶流动的阻力增加,流动性变弱,从而使黏度增加 [14];同时,果胶属于长链大分子物质,分子间作用力较强,当果胶质量浓度增大后,分子间的氢键和疏水作用发生机率变大,使果胶整体更易形成结构复杂的聚合物而导致果胶黏度上升 [13,15]

2.3.2 加热温度对黄秋葵果胶黏度的影响

由图3可知,黄秋葵果胶和商品柑橘果胶的黏度均随着加热温度的升高呈下降趋势;而在30~60 ℃时,黏度下降较快,此后加热温度对黏度的影响减弱,果胶黏度下降趋势趋于平缓。其原因可能在于温度的升高增加了果胶分子链的柔顺程度,流动性得以增强,或者果胶分子间的交联作用减弱,从而使果胶黏度下降 [16]。此外,在相同加热温度下,黄秋葵果胶的黏度均高于商品柑橘果胶的黏度。

图3 加热温度对黄秋葵果胶黏度的影响
Fig.3 Effect of temperature on the viscosity of pectin

2.3.3 pH值对黄秋葵果胶黏度的影响

图4 pH值对黄秋葵果胶黏度的影响
Fig.4 Effect of pH on the viscosity of pectin

果胶分子在水溶液中带正电荷,其分子间的斥力使果胶分子伸展而分散于水中,形成较稳定的构象;当改变果胶溶液的pH值时,容易破坏这种稳定的构象而影响果胶溶液的黏度 [17]。由图4可知,pH值对两种果胶黏度的影响较大。在所测pH值范围内,黄秋葵果胶的黏度随pH值的增大先上升后下降,这主要是因为黄秋葵果胶为高酯果胶,在pH 2.5~4.5范围内高酯果胶较稳定,并且随着pH值的增加,分子间氢键的结合增强,果胶分子伸展程度增加,使得溶液黏度增大;当pH值为4.0~6.0时,高酯果胶的半乳糖醛酸主链随着糖苷键的酯化羧基的断裂而裂解,或者溶液中OH -与果胶分子相互吸引,使果胶分子形态发生改变,从而两者的黏度随pH值的增加迅速下降 [11],而商品柑橘果胶呈一直下降的趋势,主要与果胶自身的分子结构在强碱溶液中被破坏有关。

2.3.4 蔗糖质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响

图5 蔗糖质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响
Fig.5 Effect of sucrose concentration on the viscosity of pectin

黄秋葵果胶是一种高酯果胶,决定高酯果胶性质的最重要因素是酯化度,而蔗糖质量浓度影响着果胶凝固速率。由图5可知,加入蔗糖时,黄秋葵果胶和商品柑橘果胶的黏度均随蔗糖质量浓度的增加而升高。这是因为蔗糖分子为多羟基结构,具有强亲水性,其竞争作用使果胶的水合作用降低,导致果胶分子脱水结合,加剧了果胶分子间的相互作用,使果胶黏度增大 [13,18];并且果胶分子中含有疏水基团甲氧基,也能促进果胶分子间的脱水作用,使蔗糖与果胶分子间通过氢键结合,从而导致果胶黏度增大 [19]

2.3.5 CaCl 2质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响

图6 CaaCl 2质量浓度对黄秋葵果胶黏度的影响
Fig.6 Effect of calcium chloride concentration on the viscosity of pectin

Ca 2+在高酯果胶胶凝过程中能发挥一定作用,特别在酯基以嵌段形式分布在果胶分子中留下大段游离酸性基团时,Ca 2+与果胶链之间产生交联作用形成果胶凝胶。由图6可知,黄秋葵果胶和商品柑橘果胶的黏度随CaCl 2质量浓度的增加均呈先升后降的趋势;黄秋葵果胶和商品柑橘果胶对CaCl 2质量浓度的敏感程度差异较大,其黏度达最大时CaCl 2质量浓度分别为20、50 g/100 mL,CaCl 2质量浓度对商品柑橘果胶的黏度影响更大。这是由于Ca 2+正电荷能与果胶羧基结合形成网络结构,产生桥联作用,有利于果胶分子的有序结合,使黏度增加 [13];但Ca 2+质量浓度过高时,反而会破坏果胶分子链间的相互作用而发生不规则排序,从而导致果胶黏度下降 [20]

3 结 论

黄秋葵果胶的总半乳糖醛酸含量为86.68%,符合QB 2484—2000对商品果胶的要求,其酯化度为75.45%,溶解度为82%,pH 4.63,属于弱酸性高酯果胶;黄秋葵果胶的黏度随加热时间的延长而下降,但其热稳定性优于商品柑橘果胶;黄秋葵果胶的黏度与其质量浓度、蔗糖质量浓度均成正相关,与加热温度成负相关,而随pH值、CaCl 2质量浓度的增大先上升后下降,表现出一般果胶的黏度特性。黄秋葵果胶的黏度及热稳定性能优于商品柑橘果胶,是一种优质果胶,具有较好的应用前景。

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Physicochemical Properties of Okra Pectin

LI Jiaxing 1 , SHI Chuncheng 1 , MA Lang 2 , WU Yue 2 , XIAO Xiufeng 2 , ZHOU Yanhui 2
(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Jishou University, Jishou 416000, China; 2. Hunan Amazing Grace Biotechnology Co. Ltd., Changsha 410008, China)

Abstract: Using commercial citrus pectin as control for comparison, the physicochemical properties of okra pectin and the impact of pectin concentration, temperature, pH, sucrose concentration, calcium chloride concentration and other factors on the viscosity of okra pectin were studied. The results showed that the total galacturonic acid of okra pectin was 86.68% , esterification degree was 75.45% , solubility was 82% , and pH was 4.63. It was a weakly acidic and high methoxyl pectin. Its viscosity gradually decreased with increasing heating time, but its heat stability was better than that of commercial citrus pectin. The viscosity of okra pectin was positively correlated with its concentration and sucrose concentration but negatively correlated with temperature, displayed an initial increase and a subsequent decrease with increasing pH and calcium chloride concentration, and showed the general viscosity properties of pectin. The viscosity and heat stability of okra pectin were superior to those of commercial citrus pectin, and thus it was a kind of pectin with high quality.

Key words:okra; pectin; viscosity; physicochemical property

中图分类号:TS202.3

文献标志码:A

文章编号:

doi:10.7506/spkx1002-6630-201517020

收稿日期:2015-04-09

基金项目:2015年湖南省农业领域重点研发计划项目(2015NK3018)

作者简介:李加兴(1969—),男,教授,博士,主要从事植物资源开发利用与功能性食品研究。E-mail:jslijiaxing@sohu.com