方 園，崔 楠，代銀銀，劉素穩(wěn),2,，常學東,2

（1.河北科技師范學院食品科技學院，河北 秦皇島 066600；2.河北省燕山農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)技術研究院，河北 秦皇島 066600）

山楂為薔薇科山楂屬落葉喬木，是我國原產(chǎn)特有果樹，在亞洲、北美洲和歐洲也有廣泛的分布，其中中國種植的山楂有18 種和6 種變種[1-2]。山楂中含有豐富的果膠，其果膠含量居水果之首，鮮山楂中果膠相對含量達6.4%[3]，是優(yōu)質的果膠工業(yè)生產(chǎn)原料，具有良好的開發(fā)應用前景。果膠是由半乳糖醛酸為基本構成單位的高分子多糖，果膠作為一種食品添加劑或配料應用于食品工業(yè)中，主要起到膠凝、增稠、改善質構、乳化和穩(wěn)定劑的作用[3-5]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，果膠在各領域的需求量越來越多，由于進口果膠價格昂貴，因此大力開發(fā)果膠生產(chǎn)新工藝，利用我國豐富的果膠資源生產(chǎn)出優(yōu)質果膠從而滿足國內(nèi)外市場需求已顯得極為迫切。

不同粉碎、干燥條件和方法對果膠的理化性質影響不同[6-8]，其對食品產(chǎn)品質量也有影響。為明確山楂粉制備方法對果膠理化特性的影響，進一步了解山楂果膠的性質，本實驗選取了生產(chǎn)上較為常見的兩種干燥方法（熱風干燥和冷凍干燥）以及3 種不同的粉碎方法（研磨、剪切和氣流）處理山楂，通過對比研究其對山楂果膠理化性質的影響，為山楂果膠的提取及在食品制造方面的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山里紅山楂（Crataegus pinnatifidavar.major N.E.Brown）為中國河北承德寬城市售。

無水乙醇、氫氧化鈉（均為分析純） 天津歐博凱化工有限公司；苯酚（分析純） 北京化學試劑公司；咔唑（分析純） 天津市光復精細化工研究所；濃硫酸、濃鹽酸（均為分析純） 永清縣永飛化學試劑有限公司；酚酞（分析純） 天津市風船化學試劑科技有限公司；D-半乳糖醛酸（純度≥97%） 上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

DHG-9073A恒溫干燥箱 上海善志儀器設備有限公司；LGJ-30D真空冷凍干燥機 北京四環(huán)科學儀器廠有限公司；YB-500A高速粉碎機 永康市速峰工貿(mào)有限公司；JFSD-70粉碎磨 上海嘉定糧油儀器有限公司；QDB型氣流粉碎機、HH-4水浴鍋 金壇市杰瑞爾電器有限公司；HJ-5電動攪拌機 常州國華電器有限公司；L530離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司；SHB-III真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；V1800型UV分光光度計 上海光譜有限公司；WQF-510傅里葉變換紅外光譜儀 北京瑞利分析儀器有限公司；AR-G2/2000ex/1500ex流變儀 美國TA儀器公司；AL104分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；D/max-2500vk/pc型X射線衍射儀 日本Hitachi公司；ARC254差示掃描量熱儀 德國耐弛公司。

1.3 方法

1.3.1 山楂粉的制備

熱風干燥山楂粉的制備：山楂洗凈、去蒂、去核、切片，置于65 ℃恒溫干燥箱中干燥48 h后置于粉碎機中粗粉碎，過篩后得到山楂粗粉。將粗粉置于研缽中充分研磨5 min，即得到熱風研磨處理的山楂粉；將粗粉置于高速粉磨機中剪切5 min即得到熱風剪切處理的山楂粉；將粗粉于氣流粉碎機中處理5 min（處理條件為10 Hz、7 kg/cm2），即得到熱風氣流處理的山楂粉。

冷凍干燥山楂粉的制備：山楂洗凈、去蒂、去核、切片，置于－60 ℃真空冷凍干燥機中干燥72 h，干燥好的切片同熱風干燥粉后續(xù)處理，即得到冷凍研磨、冷凍剪切、冷凍氣流3 種不同研磨方法制得的山楂粉（下文中6 種山楂粉熱特性、果膠得率、半乳糖醛酸質量分數(shù)等的對比都是基于干質量）。

1.3.2 山楂粉熱特性的測定

參照黃鑫的方法[9]使用ARC254差示掃描量熱儀進行。精準稱取6 mg樣品粉密封于鋁坩堝中，用脫水氮氣作載氣和保護氣體，進氣速率為50 cm3/min，以20 ℃/min從20 ℃升至200 ℃進行掃描。

1.3.3 山楂果膠的提取

參照王娜等的方法[10]采用熱水浸提法提取果膠。山楂粉與蒸餾水按質量體積比1∶20混合，于90 ℃水浴鍋中攪拌3 h，將溶液4 000 r/min離心10 min，收集上清液。將上清液置于電爐上蒸發(fā)濃縮至原溶液體積的50%，緩慢攪拌加入2 倍體積的體積分數(shù)95%乙醇溶液進行沉淀，靜置30 min后4 000 r/min離心10 min，收集沉淀物。用無水乙醇洗脫，收集沉淀物即得濕果膠。將濕果膠置于干燥箱（溫度50 ℃）中干燥至恒質量，精確稱取并記錄其質量，按式（1）計算果膠得率。

式中：m0為干燥后果膠的質量/g；m為所取山楂粉的質量/g。

1.3.4 半乳糖醛酸質量分數(shù)的測定

通過咔唑比色法[11]測定不同山楂果膠中半乳糖醛酸質量分數(shù)。準確配制0～100 mg/mL（以10 mg/mL為一個質量濃度梯度）的D-半乳糖醛酸溶液，各取2 mL于試管中，分別加入6 mL濃硫酸，沸水浴20 min后冷卻至室溫，向各個試管中加入0.2 mL的咔唑-乙醇溶液（1.5 g/L），置于避光處靜置30 min，測定上述樣品在526 nm波長處的吸光度。以D-半乳糖醛酸質量濃度為橫坐標、吸光度為縱坐標繪制標準曲線，得到D-半乳糖醛酸質量濃度標準曲線回歸方程為y＝0.014 2x－0.007 5，R2＝0.994。

精確配制0.1 mg/mL的6 種山楂果膠溶液，取1 mL于試管中，處理步驟同繪制標準曲線時的做法，測定其在526 nm波長處的吸光度，根據(jù)式（2）計算得出果膠中半乳糖醛酸質量分數(shù)。

式中：ρ為根據(jù)標準曲線計算得到的樣品半乳糖醛酸質量濃度/（μg/mL）；V為果膠溶液體積（1 mL）；m為樣品質量（0.1 mg）。

1.3.5 總糖質量分數(shù)的測定

通過苯酚硫酸法[12]測定不同山楂果膠中總糖質量分數(shù)。

分別取0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL半乳糖醛酸標準溶液（0.1 g/mL）于試管中，稀釋至10 mL得到系列質量濃度試液。從各個試管中分別吸取0.4 mL，加入0.4 mL苯酚（體積分數(shù)5%）、2 mL濃硫酸，充分振蕩混合均勻，（20±1）℃下靜置30 min，于490 nm波長處測定其吸光度。以半乳糖醛酸質量濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制標準曲線，得到總糖標準曲線回歸方程為y＝0.004 2x－0.003 8，R2＝0.999 4。

精確配制0.1 mg/mL的6 種果膠溶液，取0.4 mL于試管中，處理步驟同繪制標準曲線時的做法，測定各果膠溶液樣品在490 nm波長處的吸光度，根據(jù)公式（3）計算總糖質量分數(shù)（以半乳糖醛酸質量分數(shù)計）。

式中：ρ為根據(jù)標準曲線計算得到的樣品半乳糖醛酸質量濃度/（μg/mL）；V為果膠溶液體積（0.4 mL）；ρ0為加入果膠溶液質量濃度（0.1 mg/mL）。

1.3.6 酯化度的測定

通過滴定法[12]測定不同山楂果膠中的酯化度。

分別取50 mg干燥的6 種山楂果膠樣品溶解于含2 mL無水乙醇的100 mL蒸餾水中，加入5 滴酚酞，以氫氧化鈉溶液（0.05 mol/L）滴定果膠樣品，記錄樣品溶液變紅時滴定體積為初始滴定度。然后加入10 mL氫氧化鈉溶液（0.05 mol/L），劇烈振蕩樣品，于（20±1）℃靜置15 min，加入鹽酸溶液（1.5 mol/L），振蕩樣品直至溶液紅色褪去。加入5 滴酚酞，用氫氧化鈉溶液（0.05 mol/L）滴定樣品，記錄樣品溶液再次變紅時滴定的體積為最終滴定度。酯化度按式（4）計算。

式中：V1為樣品的初始滴定度/mL；V2為樣品的最終滴定度/mL。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜分析

利用傅里葉變換紅外光譜儀對山楂果膠進行傅里葉變換紅外光譜分析，在波數(shù)范圍4 000～400 cm－1下掃描32 次，分辨率為4 cm－1[13]。

1.3.8 X射線衍射分析

采用X射線衍射儀對6 種山楂果膠進行測定[14]。使用Cu Kα（波長為1.540 5 nm）輻射，在40 kV和20 mA的條件下進行X射線衍射分析。在室溫下對山楂果膠粉末以5（°）/min的速率在2θ為3°～40°進行掃描。

1.3.9 果膠流變性的測定

穩(wěn)態(tài)掃描：果膠質量濃度為2 g/mL、溫度為25 ℃、剪切速率為0.1～100 s－1。在該步驟中選擇鋁制平板夾具（厚度40 mm、間隙1 000 μm）。使用Herschel-Bulkley模型（式（5））模擬流變實驗的數(shù)據(jù)。

式中：σ為剪切應力/Pa；K為稠度系數(shù)/（Pa?sn）；γ為剪切速率/s－1；n為流變指數(shù)。

頻率掃描[15]：果膠質量濃度為2 g/mL、溫度為25 ℃、角頻率范圍為0.1～10 rad/s、應變?yōu)?%。頻率掃描實驗選擇鋁制平板夾具（厚度40 mm、間隙1 000 μm）。樣品的儲能模量G’和損失模量G”可分別用冪律模型（式（6）和式（7））表示。

式中：K’和K”為比例常數(shù)；n’和n”為頻率指數(shù)；ω為角頻率/（rad/s）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有實驗均重復3 次，結果以平均值±標準差表示，采用SPSS軟件中單因素方差分析法對數(shù)據(jù)進行顯著性分析，以P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同制備方法對山楂粉熱特性的影響

不同處理條件下制備的山楂粉樣品的差示掃描量熱曲線如圖1所示，20～200 ℃升溫掃描過程中所有樣品都表現(xiàn)出了類似的趨勢。40～60 ℃間出現(xiàn)了較小的吸收峰，表明山楂粉為混合物[16]，其組成部分性質發(fā)生了變化，推測可能是山楂粉樣品中的多糖和蛋白質發(fā)生了熱變化而引起。150～190 ℃間也觀察到了較明顯的吸收峰，推測可能為山楂粉中的纖維素和半纖維素熱分解產(chǎn)生[17]。熱風研磨、熱風剪切、熱風氣流、冷凍研磨、冷凍剪切和冷凍氣流6 種不同處理條件得到的山楂粉在166.4～174.3 ℃間出現(xiàn)峰值，此時熱風研磨、熱風剪切、熱風氣流、冷凍研磨、冷凍剪切和冷凍氣流的熱流量分別為－4.249、－4.801、－4.770、－5.313、－4.856 mW/mg和－5.967 mW/mg。

圖1 6 種山楂粉差示掃描量熱曲線圖Fig.1 Differential scanning calorimetric curves of six hawthorn powders

2.2 不同制備方法對山楂果膠得率的影響

熱風研磨、熱風剪切、熱風氣流、冷凍研磨、冷凍剪切、冷凍氣流6 種不同處理條件所得山楂粉的果膠得率如圖2所示。6 種不同處理條件所得山楂粉的果膠得率均高于9%，此結果與侯玉婷等的研究結果[18]相似。其中熱風氣流處理的山楂粉果膠得率最低，為9.2%；冷凍研磨處理的山楂粉果膠得率最高，為13.2%。熱風干燥組不同粉碎方法間并未表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05），冷凍干燥組不同粉碎方法間也未表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05）。熱風干燥組山楂粉的果膠得率均低于冷凍干燥組，推測可能為高溫使果膠質結構發(fā)生破壞，從而導致果膠含量有所下降[19]。而在冷凍干燥組中，由于山楂片前期被快速冷凍，干燥過程中山楂中的水分始也終保持凍結狀態(tài)，因此能夠比較好地保持山楂切片的原有狀態(tài)和保護細胞結構不被破壞[6]，所以果膠得率相對較高。

圖2 6 種制備方法所得山楂果膠得率的比較Fig.2 Comparison of pectin yield from hawthorn using six preparation methods

2.3 不同制備方法對山楂果膠的半乳糖醛酸質量分數(shù)的影響

熱風研磨、熱風剪切、熱風氣流、冷凍研磨、冷凍剪切、冷凍氣流6 種不同處理條件所得出的山楂粉果膠的半乳糖醛酸質量分數(shù)如圖3所示，熱風氣流組果膠的半乳糖醛酸質量分數(shù)最低，為41.1%；冷凍研磨組果膠的半乳糖醛酸質量分數(shù)最高，為59.3%。熱風干燥組不同粉碎方法間無顯著差異（P＞0.05），而冷凍研磨組與冷凍氣流組和冷凍剪切組之間存在顯著差異（P＜0.05）。

圖3 6 種制備方法所得山楂果膠半乳糖醛酸質量分數(shù)的比較Fig.3 Comparison of galacturonic acid contents in six hawthorn pectins prepared

6 種山楂粉果膠的半乳糖醛酸質量分數(shù)和果膠得率表現(xiàn)出了較為一致的趨勢，原因為半乳糖醛酸是果膠的主要組成單元[20]。有研究表明，果膠多糖的活性與其單糖組成有密切的關系，不同的提取方法會影響果膠的化學組成、分子質量分布、平均分子質量和凝膠能力等[21]。

2.4 不同制備方法對山楂果膠總糖質量分數(shù)的影響

熱風研磨、熱風剪切、熱風氣流、冷凍研磨、冷凍剪切、冷凍氣流6 種不同處理條件所制備山楂粉果膠的總糖質量分數(shù)如圖4所示，6 種山楂粉所提取的果膠總糖質量分數(shù)均高于40%，其中熱風氣流組果膠的總糖質量分數(shù)最低，僅為48.2%，冷凍研磨組果膠的總糖質量分數(shù)最高，為75.2%。

圖4 6 種制備方法所得山楂果膠總糖質量分數(shù)的比較Fig.4 Comparison of total sugar contents in six hawthorn pectins

熱風干燥組中氣流粉碎樣品與研磨和剪切粉碎樣品間總糖質量分數(shù)存在顯著性差異（P＜0.05），冷凍干燥組中氣流粉碎與另兩種粉碎方法樣品間總糖質量分數(shù)也存在顯著差異（P＜0.05），推測可能是由于物料在氣流干燥器內(nèi)的停留時間很短（一般只有幾秒），因此不易得到含水量更低的干燥產(chǎn)品，導致其總糖質量分數(shù)較低。冷凍干燥組果膠的總糖質量分數(shù)均高于熱風干燥組，原因可能是雖然冷凍干燥較熱風干燥時間更長，但由于真空和低溫的條件降低了其反應速率和對糖的消耗，此實驗結果與劉光鵬等的研究結果[22]相吻合。

2.5 不同制備方法對山楂果膠酯化度的影響

6 種山楂粉果膠的酯化度如圖5所示，其酯化度均在80%～87%之間。其中冷凍剪切條件下果膠酯化度最低，為80.5%，熱風氣流條件下果膠酯化度最高，為86.7%。熱風處理組不同粉碎方法間無顯著性差異（P＞0.05），冷凍處理組不同粉碎方法間也無顯著差異（P＞0.05），且熱風干燥處理組山楂粉所提的果膠酯化度均高于冷凍干燥組。

圖5 6 種制備方法所得山楂果膠酯化度的比較Fig.5 Comparison of esterification degrees of six hawthorn pectins prepared

酯化度是指半乳糖醛酸主鏈的羧基被甲基或乙酰基酯化的程度[23]，酯化度越大，果膠中游離羧基的數(shù)量越少，脫水凝膠速度越快，導致果膠與水分子形成水合離子后形成長分子鏈的三維網(wǎng)狀結構[24]。由于熱風干燥組間和冷凍干燥組間各提取方法之間不存在顯著差異，說明果膠的酯化度受提取方法的影響不大，這與侯玉婷等[18]的實驗結果一致。

2.6 不同制備方法山楂果膠的傅里葉變換紅外光譜分析結果

不同制備方法山楂粉所提果膠的傅里葉紅外變換光譜如圖6所示。6 種不同處理條件所得的果膠譜線之間無明顯差異，幾乎所有吸收峰都沒有發(fā)生較大的位置偏移和個數(shù)變化。紅外光譜在3 300～2 600 cm－1范圍內(nèi)的峰主要來自于半乳糖醛酸分子內(nèi)和分子間的氫鍵[25]，3 000～2 750 cm－1的吸收峰主要是受C—C—H中碳原子鄰接方法的影響而產(chǎn)生，1 000～0 cm－1范圍內(nèi)的吸收峰表征物質的主要官能團，各光譜圖間無明顯差異，說明6 種果膠間不存在明顯的結構差異[26]。進而說明這6 種不同處理條件對山楂果膠的主要結構和官能團沒有明顯影響。

圖6 6 種制備方法所得山楂果膠的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.6 Fourier transform infrared spectra of six hawthorn pectins prepared

2.7 山楂果膠X射線衍射分析結果

如圖7所示，6 種不同處理條件制備的山楂果膠的X射線衍射圖譜都具有大致相同的峰形。6 種果膠粉都在2θ約為20.6°處出現(xiàn)峰值。研究表明，峰值位置與結晶纖維素的晶型有關，6 種不同條件所制得的果膠具有相同的峰位置，說明樣品間具有相同的結晶纖維素晶型，不同處理條件對山楂果膠粉的晶型無明顯影響。

此外，從圖7中可以觀察到冷凍干燥組果膠的衍射峰較熱風干燥組寬化，而寬化是由晶體細化造成，因此推測冷凍干燥可能會使山楂果膠的粒度減小。

圖7 6 種制備方法所得山楂果膠的X射線衍射圖譜Fig.7 X-ray diffraction patterns of six hawthorn pectins prepared

2.8 不同制備方法對山楂果膠流變性的影響

2.8.1 山楂果膠的穩(wěn)態(tài)掃描分析結果

不同處理條件制備的山楂果膠流動行為如圖8所示，6 種果膠溶液的表觀黏度均隨著剪切速率的增加而減小，說明6 種果膠都具有剪切稀化的特性[27]。在高剪切速率下，隨著剪切速率的增加，鏈纏結次數(shù)減少，因此膠體的黏度降低[28]。

圖8 6 種制備方法所得山楂果膠溶液表觀黏度的比較Fig.8 Comparison of apparent viscosity of six hawthorn pectin solutions prepared

不同處理條件制備山楂果膠的Herschel-Bulkley模型[29]參數(shù)如表1所示，所有的R2均高于0.9，說明該模型較好地擬合了6 種果膠溶液的流變行為。熱風干燥系列果膠溶液的稠度系數(shù)K均在0.17～0.19范圍內(nèi)，冷凍干燥系列果膠K均在0.20～0.22范圍內(nèi)，表明相同干燥方法所制備的果膠溶液液滴之間具有相同強度的相互作用。6 種果膠溶液的流變指數(shù)n均小于1，表明質量濃度2 g/mL的山楂果膠溶液具有剪切稀化性質。

表1 6 種制備方法所得山楂果膠溶液的Herschel-Bulkley模型參數(shù)Table 1 Herschel-Bulkley model parameters for six hawthorn pectin solutions prepared

2.8.2 頻率掃描分析結果

通過對6 種果膠進行頻率掃描，結果如圖9所示，所有山楂果膠樣品G’和G”隨著角頻率的增加而增大，且在整個角頻率范圍內(nèi)（0.1～10 rad/s）G’均大于G”。與其他處理條件所提取的果膠相比，冷凍剪切條件所提取樣品顯示出最低的G’和G”。

圖9 6 種制備方法所得山楂果膠溶液的儲能模量和損失模量隨角頻率變化曲線Fig.9 Storage modulus and loss modulus of six hawthorn pectin solutions prepared as a function of angular frequency

表2為6 種山楂果膠的冪律模型參數(shù)，結果表明不同處理條件所提取的山楂果膠在動態(tài)黏彈性方面有所差別。對于所有山楂果膠樣品，K’均高于K”，n’均高于n”，這表明所有果膠溶液相比于黏性特性，表現(xiàn)出更多的彈性特性[30]。熱風剪切條件的果膠溶液具有最高的K’和K”，說明其具有相對更強的黏彈性結構。熱風氣流條件的果膠溶液具有最高的n’和n”，說明其模量的頻率依賴性最高，顯示出最高的頻率敏感度。

表2 6 種制備方法所得山楂果膠溶液的Power law模型參數(shù)Table 2 Power law model parameters for six hawthorn pectin solutions prepared

3 結 論

6 種不同處理條件所制備的山楂粉采用熱水浸提法都獲得了較高的果膠得率，均高于9%，其中冷凍研磨處理的山楂粉果膠得率最高，為13.2%；熱風干燥組不同粉碎方法對山楂果膠中的半乳糖醛酸質量分數(shù)無顯著影響，冷凍干燥組研磨處理所得樣品與氣流和剪切處理所得樣品之間半乳糖醛酸質量分數(shù)存在顯著差異（P＜0.05），其中冷凍研磨處理的山楂粉半乳糖醛酸質量分數(shù)最高，為59.3%；熱風干燥組氣流粉碎與研磨和剪切粉碎方法以及冷凍干燥組間氣流粉碎與另外兩種粉碎方法對山楂果膠總糖質量分數(shù)的影響存在顯著性差異（P＜0.05），其中冷凍研磨組的總糖質量分數(shù)最高，為75.2%；熱風處理組與冷凍處理組不同方法對山楂果膠酯化度的影響無顯著性差異（P＞0.05），熱風氣流條件的果膠酯化度最高，為86.7%；傅里葉變換紅外光譜和X射線衍射分析結果說明不同的處理條件對山楂果膠的主要結構、官能團和晶型沒有影響。

同種干燥方法不同粉碎方法對山楂果膠的理化性質影響總體差異不顯著（P＞0.05），同種粉碎方法不同干燥方法冷凍干燥組的各項理化性質優(yōu)于熱風干燥組。實際生產(chǎn)中可根據(jù)不同用途和產(chǎn)品選擇合適的制備方法。