方 园，崔 楠，代银银，刘素稳,2,，常学东,2
（1.河北科技师范学院食品科技学院，河北 秦皇岛 066600；2.河北省燕山农业特色产业技术研究院，河北 秦皇岛 066600）
山楂为蔷薇科山楂属落叶乔木，是我国原产特有果树，在亚洲、北美洲和欧洲也有广泛的分布，其中中国种植的山楂有18 种和6 种变种[1-2]。山楂中含有丰富的果胶，其果胶含量居水果之首，鲜山楂中果胶相对含量达6.4%[3]，是优质的果胶工业生产原料，具有良好的开发应用前景。果胶是由半乳糖醛酸为基本构成单位的高分子多糖，果胶作为一种食品添加剂或配料应用于食品工业中，主要起到胶凝、增稠、改善质构、乳化和稳定剂的作用[3-5]。随着现代工业的发展，果胶在各领域的需求量越来越多，由于进口果胶价格昂贵，因此大力开发果胶生产新工艺，利用我国丰富的果胶资源生产出优质果胶从而满足国内外市场需求已显得极为迫切。
不同粉碎、干燥条件和方法对果胶的理化性质影响不同[6-8]，其对食品产品质量也有影响。为明确山楂粉制备方法对果胶理化特性的影响，进一步了解山楂果胶的性质，本实验选取了生产上较为常见的两种干燥方法（热风干燥和冷冻干燥）以及3 种不同的粉碎方法（研磨、剪切和气流）处理山楂，通过对比研究其对山楂果胶理化性质的影响，为山楂果胶的提取及在食品制造方面的应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
山里红山楂（Crataegus pinnatifidavar.major N.E.Brown）为中国河北承德宽城市售。
无水乙醇、氢氧化钠（均为分析纯） 天津欧博凯化工有限公司；苯酚（分析纯） 北京化学试剂公司；咔唑（分析纯） 天津市光复精细化工研究所；浓硫酸、浓盐酸（均为分析纯） 永清县永飞化学试剂有限公司；酚酞（分析纯） 天津市风船化学试剂科技有限公司；D-半乳糖醛酸（纯度≥97%） 上海源叶生物科技有限公司。
1.2 仪器与设备
DHG-9073A恒温干燥箱 上海善志仪器设备有限公司；LGJ-30D真空冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂有限公司；YB-500A高速粉碎机 永康市速峰工贸有限公司；JFSD-70粉碎磨 上海嘉定粮油仪器有限公司；QDB型气流粉碎机、HH-4水浴锅 金坛市杰瑞尔电器有限公司；HJ-5电动搅拌机 常州国华电器有限公司；L530离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司；SHB-III真空泵 郑州长城科工贸有限公司；V1800型UV分光光度计 上海光谱有限公司；WQF-510傅里叶变换红外光谱仪 北京瑞利分析仪器有限公司；AR-G2/2000ex/1500ex流变仪 美国TA仪器公司；AL104分析天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；D/max-2500vk/pc型X射线衍射仪 日本Hitachi公司；ARC254差示扫描量热仪 德国耐弛公司。
1.3 方法
1.3.1 山楂粉的制备
热风干燥山楂粉的制备：山楂洗净、去蒂、去核、切片，置于65 ℃恒温干燥箱中干燥48 h后置于粉碎机中粗粉碎，过筛后得到山楂粗粉。将粗粉置于研钵中充分研磨5 min，即得到热风研磨处理的山楂粉；将粗粉置于高速粉磨机中剪切5 min即得到热风剪切处理的山楂粉；将粗粉于气流粉碎机中处理5 min（处理条件为10 Hz、7 kg/cm2），即得到热风气流处理的山楂粉。
冷冻干燥山楂粉的制备：山楂洗净、去蒂、去核、切片，置于－60 ℃真空冷冻干燥机中干燥72 h，干燥好的切片同热风干燥粉后续处理，即得到冷冻研磨、冷冻剪切、冷冻气流3 种不同研磨方法制得的山楂粉（下文中6 种山楂粉热特性、果胶得率、半乳糖醛酸质量分数等的对比都是基于干质量）。
1.3.2 山楂粉热特性的测定
参照黄鑫的方法[9]使用ARC254差示扫描量热仪进行。精准称取6 mg样品粉密封于铝坩埚中，用脱水氮气作载气和保护气体，进气速率为50 cm3/min，以20 ℃/min从20 ℃升至200 ℃进行扫描。
1.3.3 山楂果胶的提取
参照王娜等的方法[10]采用热水浸提法提取果胶。山楂粉与蒸馏水按质量体积比1∶20混合，于90 ℃水浴锅中搅拌3 h，将溶液4 000 r/min离心10 min，收集上清液。将上清液置于电炉上蒸发浓缩至原溶液体积的50%，缓慢搅拌加入2 倍体积的体积分数95%乙醇溶液进行沉淀，静置30 min后4 000 r/min离心10 min，收集沉淀物。用无水乙醇洗脱，收集沉淀物即得湿果胶。将湿果胶置于干燥箱（温度50 ℃）中干燥至恒质量，精确称取并记录其质量，按式（1）计算果胶得率。
式中：m0为干燥后果胶的质量/g；m为所取山楂粉的质量/g。
1.3.4 半乳糖醛酸质量分数的测定
通过咔唑比色法[11]测定不同山楂果胶中半乳糖醛酸质量分数。准确配制0～100 mg/mL（以10 mg/mL为一个质量浓度梯度）的D-半乳糖醛酸溶液，各取2 mL于试管中，分别加入6 mL浓硫酸，沸水浴20 min后冷却至室温，向各个试管中加入0.2 mL的咔唑-乙醇溶液（1.5 g/L），置于避光处静置30 min，测定上述样品在526 nm波长处的吸光度。以D-半乳糖醛酸质量浓度为横坐标、吸光度为纵坐标绘制标准曲线，得到D-半乳糖醛酸质量浓度标准曲线回归方程为y＝0.014 2x－0.007 5，R2＝0.994。
精确配制0.1 mg/mL的6 种山楂果胶溶液，取1 mL于试管中，处理步骤同绘制标准曲线时的做法，测定其在526 nm波长处的吸光度，根据式（2）计算得出果胶中半乳糖醛酸质量分数。
式中：ρ为根据标准曲线计算得到的样品半乳糖醛酸质量浓度/（μg/mL）；V为果胶溶液体积（1 mL）；m为样品质量（0.1 mg）。
1.3.5 总糖质量分数的测定
通过苯酚硫酸法[12]测定不同山楂果胶中总糖质量分数。
分别取0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL半乳糖醛酸标准溶液（0.1 g/mL）于试管中，稀释至10 mL得到系列质量浓度试液。从各个试管中分别吸取0.4 mL，加入0.4 mL苯酚（体积分数5%）、2 mL浓硫酸，充分振荡混合均匀，（20±1）℃下静置30 min，于490 nm波长处测定其吸光度。以半乳糖醛酸质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制标准曲线，得到总糖标准曲线回归方程为y＝0.004 2x－0.003 8，R2＝0.999 4。
精确配制0.1 mg/mL的6 种果胶溶液，取0.4 mL于试管中，处理步骤同绘制标准曲线时的做法，测定各果胶溶液样品在490 nm波长处的吸光度，根据公式（3）计算总糖质量分数（以半乳糖醛酸质量分数计）。
式中：ρ为根据标准曲线计算得到的样品半乳糖醛酸质量浓度/（μg/mL）；V为果胶溶液体积（0.4 mL）；ρ0为加入果胶溶液质量浓度（0.1 mg/mL）。
1.3.6 酯化度的测定
通过滴定法[12]测定不同山楂果胶中的酯化度。
分别取50 mg干燥的6 种山楂果胶样品溶解于含2 mL无水乙醇的100 mL蒸馏水中，加入5 滴酚酞，以氢氧化钠溶液（0.05 mol/L）滴定果胶样品，记录样品溶液变红时滴定体积为初始滴定度。然后加入10 mL氢氧化钠溶液（0.05 mol/L），剧烈振荡样品，于（20±1）℃静置15 min，加入盐酸溶液（1.5 mol/L），振荡样品直至溶液红色褪去。加入5 滴酚酞，用氢氧化钠溶液（0.05 mol/L）滴定样品，记录样品溶液再次变红时滴定的体积为最终滴定度。酯化度按式（4）计算。
式中：V1为样品的初始滴定度/mL；V2为样品的最终滴定度/mL。
1.3.7 傅里叶变换红外光谱分析
利用傅里叶变换红外光谱仪对山楂果胶进行傅里叶变换红外光谱分析，在波数范围4 000～400 cm－1下扫描32 次，分辨率为4 cm－1[13]。
1.3.8 X射线衍射分析
采用X射线衍射仪对6 种山楂果胶进行测定[14]。使用Cu Kα（波长为1.540 5 nm）辐射，在40 kV和20 mA的条件下进行X射线衍射分析。在室温下对山楂果胶粉末以5（°）/min的速率在2θ为3°～40°进行扫描。
1.3.9 果胶流变性的测定
稳态扫描：果胶质量浓度为2 g/mL、温度为25 ℃、剪切速率为0.1～100 s－1。在该步骤中选择铝制平板夹具（厚度40 mm、间隙1 000 μm）。使用Herschel-Bulkley模型（式（5））模拟流变实验的数据。
式中：σ为剪切应力/Pa；K为稠度系数/（Pa•sn）；γ为剪切速率/s－1；n为流变指数。
频率扫描[15]：果胶质量浓度为2 g/mL、温度为25 ℃、角频率范围为0.1～10 rad/s、应变为1%。频率扫描实验选择铝制平板夹具（厚度40 mm、间隙1 000 μm）。样品的储能模量G’和损失模量G”可分别用幂律模型（式（6）和式（7））表示。
式中：K’和K”为比例常数；n’和n”为频率指数；ω为角频率/（rad/s）。
1.4 数据处理与分析
所有实验均重复3 次，结果以平均值±标准差表示，采用SPSS软件中单因素方差分析法对数据进行显着性分析，以P＜0.05表示差异显着。
2 结果与分析
2.1 不同制备方法对山楂粉热特性的影响
不同处理条件下制备的山楂粉样品的差示扫描量热曲线如图1所示，20～200 ℃升温扫描过程中所有样品都表现出了类似的趋势。40～60 ℃间出现了较小的吸收峰，表明山楂粉为混合物[16]，其组成部分性质发生了变化，推测可能是山楂粉样品中的多糖和蛋白质发生了热变化而引起。150～190 ℃间也观察到了较明显的吸收峰，推测可能为山楂粉中的纤维素和半纤维素热分解产生[17]。热风研磨、热风剪切、热风气流、冷冻研磨、冷冻剪切和冷冻气流6 种不同处理条件得到的山楂粉在166.4～174.3 ℃间出现峰值，此时热风研磨、热风剪切、热风气流、冷冻研磨、冷冻剪切和冷冻气流的热流量分别为－4.249、－4.801、－4.770、－5.313、－4.856 mW/mg和－5.967 mW/mg。
图1 6 种山楂粉差示扫描量热曲线图Fig.1 Differential scanning calorimetric curves of six hawthorn powders
2.2 不同制备方法对山楂果胶得率的影响
热风研磨、热风剪切、热风气流、冷冻研磨、冷冻剪切、冷冻气流6 种不同处理条件所得山楂粉的果胶得率如图2所示。6 种不同处理条件所得山楂粉的果胶得率均高于9%，此结果与侯玉婷等的研究结果[18]相似。其中热风气流处理的山楂粉果胶得率最低，为9.2%；冷冻研磨处理的山楂粉果胶得率最高，为13.2%。热风干燥组不同粉碎方法间并未表现出显着差异（P＞0.05），冷冻干燥组不同粉碎方法间也未表现出显着差异（P＞0.05）。热风干燥组山楂粉的果胶得率均低于冷冻干燥组，推测可能为高温使果胶质结构发生破坏，从而导致果胶含量有所下降[19]。而在冷冻干燥组中，由于山楂片前期被快速冷冻，干燥过程中山楂中的水分始也终保持冻结状态，因此能够比较好地保持山楂切片的原有状态和保护细胞结构不被破坏[6]，所以果胶得率相对较高。
图2 6 种制备方法所得山楂果胶得率的比较Fig.2 Comparison of pectin yield from hawthorn using six preparation methods
2.3 不同制备方法对山楂果胶的半乳糖醛酸质量分数的影响
热风研磨、热风剪切、热风气流、冷冻研磨、冷冻剪切、冷冻气流6 种不同处理条件所得出的山楂粉果胶的半乳糖醛酸质量分数如图3所示，热风气流组果胶的半乳糖醛酸质量分数最低，为41.1%；冷冻研磨组果胶的半乳糖醛酸质量分数最高，为59.3%。热风干燥组不同粉碎方法间无显着差异（P＞0.05），而冷冻研磨组与冷冻气流组和冷冻剪切组之间存在显着差异（P＜0.05）。
图3 6 种制备方法所得山楂果胶半乳糖醛酸质量分数的比较Fig.3 Comparison of galacturonic acid contents in six hawthorn pectins prepared
6 种山楂粉果胶的半乳糖醛酸质量分数和果胶得率表现出了较为一致的趋势，原因为半乳糖醛酸是果胶的主要组成单元[20]。有研究表明，果胶多糖的活性与其单糖组成有密切的关系，不同的提取方法会影响果胶的化学组成、分子质量分布、平均分子质量和凝胶能力等[21]。
2.4 不同制备方法对山楂果胶总糖质量分数的影响
热风研磨、热风剪切、热风气流、冷冻研磨、冷冻剪切、冷冻气流6 种不同处理条件所制备山楂粉果胶的总糖质量分数如图4所示，6 种山楂粉所提取的果胶总糖质量分数均高于40%，其中热风气流组果胶的总糖质量分数最低，仅为48.2%，冷冻研磨组果胶的总糖质量分数最高，为75.2%。
图4 6 种制备方法所得山楂果胶总糖质量分数的比较Fig.4 Comparison of total sugar contents in six hawthorn pectins
热风干燥组中气流粉碎样品与研磨和剪切粉碎样品间总糖质量分数存在显着性差异（P＜0.05），冷冻干燥组中气流粉碎与另两种粉碎方法样品间总糖质量分数也存在显着差异（P＜0.05），推测可能是由于物料在气流干燥器内的停留时间很短（一般只有几秒），因此不易得到含水量更低的干燥产品，导致其总糖质量分数较低。冷冻干燥组果胶的总糖质量分数均高于热风干燥组，原因可能是虽然冷冻干燥较热风干燥时间更长，但由于真空和低温的条件降低了其反应速率和对糖的消耗，此实验结果与刘光鹏等的研究结果[22]相吻合。
2.5 不同制备方法对山楂果胶酯化度的影响
6 种山楂粉果胶的酯化度如图5所示，其酯化度均在80%～87%之间。其中冷冻剪切条件下果胶酯化度最低，为80.5%，热风气流条件下果胶酯化度最高，为86.7%。热风处理组不同粉碎方法间无显着性差异（P＞0.05），冷冻处理组不同粉碎方法间也无显着差异（P＞0.05），且热风干燥处理组山楂粉所提的果胶酯化度均高于冷冻干燥组。
图5 6 种制备方法所得山楂果胶酯化度的比较Fig.5 Comparison of esterification degrees of six hawthorn pectins prepared
酯化度是指半乳糖醛酸主链的羧基被甲基或乙酰基酯化的程度[23]，酯化度越大，果胶中游离羧基的数量越少，脱水凝胶速度越快，导致果胶与水分子形成水合离子后形成长分子链的三维网状结构[24]。由于热风干燥组间和冷冻干燥组间各提取方法之间不存在显着差异，说明果胶的酯化度受提取方法的影响不大，这与侯玉婷等[18]的实验结果一致。
2.6 不同制备方法山楂果胶的傅里叶变换红外光谱分析结果
不同制备方法山楂粉所提果胶的傅里叶红外变换光谱如图6所示。6 种不同处理条件所得的果胶谱线之间无明显差异，几乎所有吸收峰都没有发生较大的位置偏移和个数变化。红外光谱在3 300～2 600 cm－1范围内的峰主要来自于半乳糖醛酸分子内和分子间的氢键[25]，3 000～2 750 cm－1的吸收峰主要是受C—C—H中碳原子邻接方法的影响而产生，1 000～0 cm－1范围内的吸收峰表征物质的主要官能团，各光谱图间无明显差异，说明6 种果胶间不存在明显的结构差异[26]。进而说明这6 种不同处理条件对山楂果胶的主要结构和官能团没有明显影响。
图6 6 种制备方法所得山楂果胶的傅里叶变换红外光谱图Fig.6 Fourier transform infrared spectra of six hawthorn pectins prepared
2.7 山楂果胶X射线衍射分析结果
如图7所示，6 种不同处理条件制备的山楂果胶的X射线衍射图谱都具有大致相同的峰形。6 种果胶粉都在2θ约为20.6°处出现峰值。研究表明，峰值位置与结晶纤维素的晶型有关，6 种不同条件所制得的果胶具有相同的峰位置，说明样品间具有相同的结晶纤维素晶型，不同处理条件对山楂果胶粉的晶型无明显影响。
此外，从图7中可以观察到冷冻干燥组果胶的衍射峰较热风干燥组宽化，而宽化是由晶体细化造成，因此推测冷冻干燥可能会使山楂果胶的粒度减小。
图7 6 种制备方法所得山楂果胶的X射线衍射图谱Fig.7 X-ray diffraction patterns of six hawthorn pectins prepared
2.8 不同制备方法对山楂果胶流变性的影响
2.8.1 山楂果胶的稳态扫描分析结果
不同处理条件制备的山楂果胶流动行为如图8所示，6 种果胶溶液的表观黏度均随着剪切速率的增加而减小，说明6 种果胶都具有剪切稀化的特性[27]。在高剪切速率下，随着剪切速率的增加，链缠结次数减少，因此胶体的黏度降低[28]。
图8 6 种制备方法所得山楂果胶溶液表观黏度的比较Fig.8 Comparison of apparent viscosity of six hawthorn pectin solutions prepared
不同处理条件制备山楂果胶的Herschel-Bulkley模型[29]参数如表1所示，所有的R2均高于0.9，说明该模型较好地拟合了6 种果胶溶液的流变行为。热风干燥系列果胶溶液的稠度系数K均在0.17～0.19范围内，冷冻干燥系列果胶K均在0.20～0.22范围内，表明相同干燥方法所制备的果胶溶液液滴之间具有相同强度的相互作用。6 种果胶溶液的流变指数n均小于1，表明质量浓度2 g/mL的山楂果胶溶液具有剪切稀化性质。
表1 6 种制备方法所得山楂果胶溶液的Herschel-Bulkley模型参数Table 1 Herschel-Bulkley model parameters for six hawthorn pectin solutions prepared
2.8.2 频率扫描分析结果
通过对6 种果胶进行频率扫描，结果如图9所示，所有山楂果胶样品G’和G”随着角频率的增加而增大，且在整个角频率范围内（0.1～10 rad/s）G’均大于G”。与其他处理条件所提取的果胶相比，冷冻剪切条件所提取样品显示出最低的G’和G”。
图9 6 种制备方法所得山楂果胶溶液的储能模量和损失模量随角频率变化曲线Fig.9 Storage modulus and loss modulus of six hawthorn pectin solutions prepared as a function of angular frequency
表2为6 种山楂果胶的幂律模型参数，结果表明不同处理条件所提取的山楂果胶在动态黏弹性方面有所差别。对于所有山楂果胶样品，K’均高于K”，n’均高于n”，这表明所有果胶溶液相比于黏性特性，表现出更多的弹性特性[30]。热风剪切条件的果胶溶液具有最高的K’和K”，说明其具有相对更强的黏弹性结构。热风气流条件的果胶溶液具有最高的n’和n”，说明其模量的频率依赖性最高，显示出最高的频率敏感度。
表2 6 种制备方法所得山楂果胶溶液的Power law模型参数Table 2 Power law model parameters for six hawthorn pectin solutions prepared
3 结 论
6 种不同处理条件所制备的山楂粉采用热水浸提法都获得了较高的果胶得率，均高于9%，其中冷冻研磨处理的山楂粉果胶得率最高，为13.2%；热风干燥组不同粉碎方法对山楂果胶中的半乳糖醛酸质量分数无显着影响，冷冻干燥组研磨处理所得样品与气流和剪切处理所得样品之间半乳糖醛酸质量分数存在显着差异（P＜0.05），其中冷冻研磨处理的山楂粉半乳糖醛酸质量分数最高，为59.3%；热风干燥组气流粉碎与研磨和剪切粉碎方法以及冷冻干燥组间气流粉碎与另外两种粉碎方法对山楂果胶总糖质量分数的影响存在显着性差异（P＜0.05），其中冷冻研磨组的总糖质量分数最高，为75.2%；热风处理组与冷冻处理组不同方法对山楂果胶酯化度的影响无显着性差异（P＞0.05），热风气流条件的果胶酯化度最高，为86.7%；傅里叶变换红外光谱和X射线衍射分析结果说明不同的处理条件对山楂果胶的主要结构、官能团和晶型没有影响。
同种干燥方法不同粉碎方法对山楂果胶的理化性质影响总体差异不显着（P＞0.05），同种粉碎方法不同干燥方法冷冻干燥组的各项理化性质优于热风干燥组。实际生产中可根据不同用途和产品选择合适的制备方法。
