大豆皮中提取的果胶类多糖在食品包装薄膜开发中的应用潜力

《Food Packaging and Shelf Life》：Potential of pectin-like polysaccharides extracted from soybean hulls for the development of food packaging films

　　**摘要**本研究旨在从大豆豆壳中提取类果胶多糖（PLP），并测定其理化性质及作为食品包装膜用生物聚合物的适用性。通过草酸铵超声提取法获得了5.6%的PLP产率。所提取的PLP显示出相对较高的当量（1111 g/mol），其特征为低酯化/低甲氧基材料（甲氧基含量=2.08%，酯化度=42%），表明其水分散性有限，但在二价阳离子存在下凝胶形成能力得到改善。所提取材料含有相对较少的半乳糖醛酸含量（27.6%），表明其更适合归类为类果胶多糖（PLP），而非高纯度的果胶。制备了PLP含量为1-4%的成膜液，其中4% PLP配方最适合成膜。因此，制备了两种不同的基于PLP的溶液：一种添加钙离子，另一种未添加。傅里叶变换红外（FT-IR）光谱表明，添加的钙离子具有交联作用并诱导形成更致密的聚合物基体。这一效果反映在改善的水蒸气阻隔性能上，以及富钙膜的透明度降低和厚度减小，而力学特性相比纯PLP膜有所下降。此外，由于PLP基体的亲水性，所制备的膜显示出较高的含水量、接触角和可溶性固形物总量值。**引言**近年来，从可再生资源开发生物降解包装膜一直是全球减少合成石油基聚合物需求、避免环境负面影响的领域中的高关注点。在各种可再生生物聚合物来源中，农业副产品和残留物从经济和环保角度来看尤其重要。大豆（Glycine max (L.) Merrill）属于豆科植物，是全球最重要的粮食作物，年产量约为3.8-4亿公吨（Bittencourt等，2021）。加工后，每年约产生1800-2000万吨大豆豆壳作为副产品，通常用作动物饲料或作为纤维、食品补充剂和生物燃料的来源（Gaffield等，2024）。大豆豆壳的化学组成因大豆品种、环境条件和脱壳工艺细节而异，主要由碳水化合物（主要是纤维素和半纤维素）组成，还含有蛋白质、果胶和木质素（Yang等，2023）。在这些成分中，类果胶多糖（PLP）代表一个有趣的组分，具有与果胶相似的结构特征，并可能有助于植物细胞壁的功能特性。果胶质是多糖复合大分子，主要由半乳糖醛酸残基组成，其酯化度和结构组织对其理化性质和功能特性，如水合行为、凝胶能力和与离子的相互作用有显著影响（Freitas等，2021，Mohnen，2008）。果胶材料在食品工业中广泛用作凝胶剂、稳定剂和质地改良剂，也在制药和包装应用中受到关注（Wang等，2014）。然而，从非常规来源和相对温和的提取条件下获得的果胶提取物通常代表类果胶多糖而非高纯度果胶，这是由于细胞壁其他成分的共提取和有限的纯化。这一区别对于结构表征和功能性能都很重要，在评估此类提取物的特性和潜在应用时也应予以考虑。各种技术已被用于果胶质多糖的提取，包括常规酸提取、酶提取、微波辅助提取和超声辅助提取（Yi等，2024）。传统方法通常与较长的提取时间和较高的溶剂消耗有关，而超声辅助提取具有增强传质、改善溶剂渗透和通过声学空化破坏植物组织等优点。此外，它代表了一种与生物炼制策略相符的绿色可持续方法，用于提高大豆豆壳的价值（Nin?evi? Grassino等，2016）。因此，本研究选择超声辅助提取作为从大豆豆壳中获取PLP的合适方法。果胶质多糖的一个吸引人的特性是其成膜能力（Lazaridou & Biliaderis，2020）。这种行为受酯化度和游离羧基可用性的强烈影响。低甲氧基果胶（LMP）的凝胶化可以通过在二价阳离子（最好为钙离子Ca2?）存在下的离子缔合来实现，由已知的"蛋盒"机制控制（Ventura等，2013）。在没有这些离子的情况下，膜可以通过溶剂蒸发和弱的非离子缔合形成，这可能有助于成膜而非真正的凝胶形成。相比之下，高甲氧基果胶（HMP）的凝胶化发生在酸性介质中，加入糖类并在降低静电排斥和水活性的条件下，即在高共溶质和低pH值下。在果胶基膜的配方和合成中，使用低分子量增塑剂如甘油来降低膜的粘聚力和强度，同时提高其柔韧性和弹性。在这种情况下，来自大豆豆壳的PLP可能代表一个有前景的成膜组分。然而，所得膜可能表现出与传统果胶基膜不同的结构特性，因为PLP组分可能代表含有共提取的非果胶成分的更复杂基体，这可能影响聚合物相互作用和成膜行为（Assifaoui等，2024）。此外，与传统果胶来源相比，大豆豆壳具有实际优势，因为加工前不需要预先干燥，可能降低能源消耗和加工成本。最近的研究探讨了各种农业副产品中果胶质组分在可食用生物聚合物膜开发中的应用，包括菠萝皮、芒果皮、红柚皮、阿拉比卡咖啡壳、低等级日晒无花果、咖啡果肉和红色火龙果（Biratu等，2024，Li等，2023，Oliveira等，2016，Rodsamran和Sothornvit，2019，Sood和Saini，2022，Wongkaew等，2020，Zhang等，2024，?avdaroglu等，2023）。然而，据我们所知，目前还没有关于使用从大豆豆壳中提取的PLP配制食品包装膜的研究。因此，将此废物升级再利用为有价值的产品，如一种新颖且未充分利用的包装膜用PLP来源，已被确定为研究空白。此外，在生物炼制框架内对大豆豆壳的价值提升通过将有价值的废物转化为具有食品包装应用潜力的增值材料，为可持续发展做出了贡献。因此，本研究的目的是通过对大豆豆壳进行价值提升，提取PLP，表征其理化性质，并评估其作为成膜生物聚合物的潜力，用于开发食品包装膜，特别关注钙离子对所得膜结构和功能特性的影响。**材料**大豆豆壳（去油）由塞尔维亚贝尔格莱德Bankom d.o.o.提供，甘油（99%）购自塞尔维亚贝尔格莱德NRK Engineering LTD。**PLP提取**本研究中应用的提取参数是作为从大豆豆壳中获取可溶性PLP组分的初始方法，在相对温和的提取条件下进行。目的是回收具有结构功能、适用于成膜的提取物，而不是建立最大化...（原文此处被截断）**PLP提取与表征**从大豆豆壳中提取的PLP的理化表征结果见表1。干燥PLP组分的提取产率为5.6%。该值低于Gnanasambandam和Proctor（1999）报告的14.75%和15.00%的产率，他们分别使用常规矿物酸和酸-酶预处理提取大豆豆壳果胶。本研究中观察到的较低回收率可能归因于相对温和的提取...（原文此处被截断）**结论**本研究的结果表明，大豆豆壳作为一种丰富的农业副产品，可以作为类果胶多糖（PLP）的来源，具有开发生物降解包装膜的潜力。尽管所获得的提取物显示出相对较高的当量并保留了与凝胶化和成膜相关的功能特性，但其相对较低的提取产率和半乳糖醛酸含量表明所提取材料应该...（原文此处被截断）**CRediT作者贡献声明**Ana Salevi?：撰写—初稿，调查，形式分析，数据管理，概念构思，撰写—审阅和编辑。Baye Moussé Niang：调查，形式分析。Nevena Bara?：数据管理。Miroljub Bara?：可视化，方法学，撰写—审阅和编辑。Ilija Djeki?：可视化，方法学，调查。Ana Sredojevi?：撰写—初稿，形式分析，撰写—审阅和编辑。Steva Levi?：撰写—初稿，形式分析，撰写...（原文此处被截断）**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。**致谢**塞尔维亚共和国科学、技术开发与创新部（编号：451-03-34/2026-03/200116）支持了本研究。Ana Salevi? | Baye Moussé Niang | Nevena Bara? | Miroljub Bara? | Ilija Djeki? | Ana Sredojevi? | Steva Levi? | Viktor Nedovi? | Tanja Petrovi?塞尔维亚贝尔格莱德大学农业学院食品技术与生物化学研究所，Nemanjina 6号，贝尔格莱德-Zemun 11080，塞尔维亚