低酯果膠制備方法的研究進(jìn)展

李永春，趙美榮，朱 月，楊曉坡，畢曉丹

（赤峰學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

低酯果膠制備方法的研究進(jìn)展

李永春，趙美榮，朱 月，楊曉坡，畢曉丹

（赤峰學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

低酯果膠是很好的食品穩(wěn)定劑、膠凝劑或增稠劑，在有糖或無糖的條件下均能形成性質(zhì)優(yōu)良的凝膠,主要用于低糖、低能量食品中.另外，低酯果膠還具獨(dú)特的藥用價(jià)值，因此日益受到消費(fèi)者青睞，有廣闊的市場前景，隨著人們生活質(zhì)量的提高，低酯果膠的需求也將急劇增加,然而由于生產(chǎn)技術(shù)的限制，國內(nèi)真正投入生產(chǎn)的不多.文章結(jié)合國內(nèi)外果膠的研究狀況，對低酯果膠的制備方法進(jìn)行了綜述.

乳酸菌,發(fā)酵酸菜；MRS培養(yǎng)基；廉價(jià)培養(yǎng)基

1 前言

果膠是存在于植物的根、莖、葉、果實(shí)的細(xì)胞壁中的一種高分子聚合物，相對分子質(zhì)量介于5×105～30×105之間.一般認(rèn)為，它是由D-吡喃半乳糖醛酸（圖1）通過α-1,4糖苷鍵連接成主鏈和由中性糖（包括D-半乳糖、L-阿拉伯糖、D-山梨糖、L-鼠李糖等）組成側(cè)鏈的雜多糖，且主鏈中的羧基通常以部分甲酯化狀態(tài)存在.按照酯化度（DE值）的不同分為高酯果膠（或HM-果膠，圖2）和低酯果膠（或LM-果膠），而低酯果膠又包括普通低酯果膠（圖3）和酰胺化低酯果膠（圖4）.

圖1 半乳糖醛酸

圖2 高酯果膠

圖3 普通低酯果膠

圖4 酰胺化低酯果膠

通常把酯化度高于50%（相當(dāng)于甲氧基含量7%～16.3%）的果膠稱為高酯果膠，把酯化度低于50%（相當(dāng)于甲氧基含量小于7%）的果膠稱為低酯果膠.普通低酯果膠的半乳糖醛酸殘基的C6位上除含有大部分以游離酸形式存在的羧基基團(tuán)之外，還含有被甲酯化的羧基基團(tuán)，而酰胺化低酯果膠除含有以游離酸形式存在的羧基基團(tuán)和被甲酯化的羧基基團(tuán)之外，還含有酰胺基團(tuán)，這是由于氨的胺基取代了甲氧基.

果膠是親水性膠體，其水溶液在適當(dāng)?shù)臈l件下可形成凝膠.高酯果膠只能在可溶性固形物高于55%和pH范圍在2.0～3.5之間才能膠凝，因此主要用于高糖類食品的生產(chǎn).而低酯果膠在Ca2+或其它二價(jià)陽離子存在下有糖或無糖均能形成性質(zhì)優(yōu)良的凝膠，所以主要用于低糖的果醬、果凍、軟糖、冷凍甜點(diǎn)、冰淇淋、酸奶果肉底料、焙烤制品上光等等，是很好的食品穩(wěn)定劑、膠凝劑或增稠劑.低糖、低熱量食品正好符合現(xiàn)代人們的消費(fèi)觀念，再加上其獨(dú)特的藥用價(jià)值，低酯果膠日益受到消費(fèi)者青睞，故有廣闊的市場前景[1].

由于存在于自然界的果膠一般是高酯果膠（甲氧基含量在7%～14%之間），天然低酯果膠很少（向日葵花盤中天然低酯果膠的含量約為15%、桿中約含30%）[1].

國內(nèi)生產(chǎn)的果膠主要是從天然植物組織中提取的高酯果膠，低酯果膠的生產(chǎn)較少，并且低酯果膠的加工規(guī)模與國外相比有很大差距，而低酯果膠的需求日益迫切，至今仍需從國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴[2].

2 低酯果膠的制備方法

制備低酯果膠的方法有多種，目前主要有以下幾種.

2.1 酸化醇沉法

傳統(tǒng)的酸提取法是最常用的方法，其原理是利用稀酸將果皮細(xì)胞中的非水溶性原果膠轉(zhuǎn)化成水溶性果膠，然后在果膠液中加入乙醇或多價(jià)金屬鹽類，使果膠沉淀析出.鹽析法是目前研究較多的沉淀方法，果膠浸提脫色后不需要濃縮即可進(jìn)行.采用鹽析法生產(chǎn)果膠要經(jīng)過脫鹽處理，多用鹽酸-乙醇溶液使果膠鹽中的金屬離子溶出而達(dá)到脫鹽的目的.鹽析法生產(chǎn)果膠工藝復(fù)雜，尤其是鹽析過程不易控制，而且后續(xù)脫鹽工序容易造成果膠質(zhì)量降低，現(xiàn)大多采用乙醇沉淀制取果膠[3，4].

向日葵盤中所含的果膠是一種天然的低酯果膠，而且向日葵盤中的果膠含量較高，屬于農(nóng)業(yè)廢棄物且資源豐富[5].王澤盛，張磊采用酒精沉淀法研究了濃縮倍數(shù)、酒精用量和提取液pH值對向日葵盤低酯果膠沉淀的影響，通過正交試驗(yàn)確定了向日葵盤果膠乙醇沉淀的最佳工藝[6].楊東輝、于保國也采用酸化醇沉法從蘋果皮渣中提取低酯果膠[7].

2.2 脫酯法

脫酯法一般為堿化脫酯法，具體是將高酯果膠在強(qiáng)堿條件下使果膠中的甲酯脫去，使果膠的分子量大大降低，在適當(dāng)條件下經(jīng)處理后能得到性能良好的的低酯果膠，此方法工藝較簡便，但是對pH值和溫度的要求嚴(yán)格，操作規(guī)范可將β-消去反應(yīng)，即果膠分子的解聚降到最低.

堿化脫酯法研究最初是由美國加利福尼亞水果種植交易所于1941年申請專利，主要用于柑橘果皮果膠脫酯加工；隨后一些研究人員又利用堿性條件對其它多種原料提取的HMP進(jìn)行脫酯實(shí)驗(yàn)，并取得了一定的成效，如1982年人們對豌豆殼果膠進(jìn)行的脫酯實(shí)驗(yàn).據(jù)相關(guān)報(bào)道，近年，英國的一些研究人員利用一定濃度純堿（碳酸鈉）溶液對橘子皮、酸橙肉、芒果皮等進(jìn)行處理，最后所得產(chǎn)物均符合低酯果膠的標(biāo)準(zhǔn)[8].隨著堿催化法的不斷發(fā)展，2000年Gerrit Limberg等不但分析了果膠脫酯的機(jī)制，而且還為果膠進(jìn)行堿催化脫酯前后分析DE值、多聚半乳糖醛酸含量（AGA%）、果膠溶液黏度（Viscosity）等提供了方法和依據(jù)[9].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙靜等人也于1995年對堿法脫酯的工藝條件進(jìn)行了探索，確定了檸檬果膠的最優(yōu)脫酯條件為pH 12.0，溫度為 25℃，時(shí)間為 60min[10].朱文等人在2001年采用堿法脫酯制備低酯果膠，得出西番蓮果皮最佳脫酯工藝條件是：溫度30℃，pH9.0，時(shí)間18～20h[11].雷激等人以柑橘高酯果膠為原料，探討了低溫堿法對果膠質(zhì)量的影響，以果膠的半乳糖醛酸含量、酯化度、特性粘度等指標(biāo)為考察依據(jù)，結(jié)果表明，低溫下（5℃）堿法脫脂對果膠品質(zhì)的β-消去反應(yīng)控制在較小程度，所得產(chǎn)品特性粘度能最大程度保持[12].張衛(wèi)紅，席暉.以從蘋果渣中提取的高酯果膠為原料，研究堿化法制備低酯果膠的工藝技術(shù)條件.通過單因素試驗(yàn)分別探討pH值、溫度和反應(yīng)時(shí)間對低酯果膠得率的影響，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出三因素三水平的正交試驗(yàn)，得出堿化法制備低酯果膠的最優(yōu)工藝條件為：pH9.0，反應(yīng)溫度36℃，反應(yīng)時(shí)間1.5h[13].

到目前為止，丹麥、美國、英國、法國、以色列等西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家的主要果膠公司已經(jīng)在堿催化法等果膠脫酯設(shè)備和工藝上已經(jīng)趨于成熟，在技術(shù)和設(shè)備上作為機(jī)密，基本上壟斷了全球的果膠生產(chǎn)和銷售.我國包括堿液催化脫酯在內(nèi)的果膠脫酯技術(shù)還處于理論探索階段，工藝和設(shè)備還相對比較落后，國內(nèi)果膠脫酯企業(yè)在國內(nèi)分布相對零星.我國地大物博，高酯果膠來源豐富且多種多樣，怎樣去解決國內(nèi)低甲氧基果膠供需矛盾以及國際少數(shù)公司產(chǎn)銷壟斷，需要我們加大科研力度去攻克[14].

2.3 酰胺化法

酰胺化法制取低甲氧基果膠是將高酯果膠在堿性條件下用氨處理使部分甲酯轉(zhuǎn)化為伯醇胺，從而降低了甲酯含量，這種方法制得的低甲氧基果膠稱為酰胺化低酯果膠.與其它幾種方法相比，此法制備的低酯果膠DE值最底，而且易溶解易凝膠，但是制備過程中會產(chǎn)生許多有害物質(zhì)[1].同時(shí)影響了產(chǎn)品的運(yùn)用范圍和性能，盡管現(xiàn)在有人對制備方案進(jìn)行了一些改進(jìn)，使酰胺化果膠生產(chǎn)時(shí)的有害副產(chǎn)物降低到了最低，但是目的產(chǎn)品的成本大幅度上升了[15].

對于酰胺化法制取低酯果膠，國外很早就進(jìn)行過研究，1944年McCray等在乙醇環(huán)境或濃氨水環(huán)境下進(jìn)行氨法脫酯，其速度接近于堿法脫酯速度的一半[16].S.A.EI-Nawawi等報(bào)道利用異丙醇-氨水混合液對高酯果膠脫酯，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的下降及氨水濃度的增加，酰胺化果膠的分子量能很大程度的保留，若經(jīng)短暫氨法脫酯后再進(jìn)行長時(shí)間酸處理，可得到酰胺化程度較低而分子量最大限度保留的低酯果膠，若在低溫且高氨水濃度的條件下，可得到酰胺化較高而分子量相對高的低酯果膠[17].

陳順偉等在1992年報(bào)道了有關(guān)氨法脫酯制取酰胺化低酯果膠的研究.以豆腐柴葉為原料，采用氨法脫酯為工藝路線，確定制備酰胺化低酯果膠的最佳工藝參數(shù)：酰胺化pH值11.0、時(shí)間12h、溫度30℃、中和反應(yīng)pH值1.2、中和反應(yīng)時(shí)間2h[18]；徐俊等于1999年報(bào)道了以柑橘果皮為原料，確定酰胺化低酯果膠制備工藝的最佳工藝參數(shù)：氨性酒精介質(zhì)pH值11.5、溫度20℃以及反應(yīng)時(shí)間5h[19].陳順偉等沒有進(jìn)行果膠酯化度與酰胺化度指標(biāo)的測定，而這是研究酰胺化脫酯中最重要的兩項(xiàng)指標(biāo)；徐俊等的報(bào)道雖測定酯化度與酰胺化度指標(biāo)，但是對酰胺化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)及酰胺化低酯果膠性質(zhì)沒有做深入研究.

張衛(wèi)紅，陳波在2009年報(bào)道了以蘋果渣為原料，研究了酰胺化法制備低酯果膠的工藝技術(shù)條件，以低酯果膠的最終得率為指標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)考察了氨水加入量、溫度和反應(yīng)時(shí)間對低酯果膠得率的影響，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并進(jìn)行了三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，得出了酰胺化法制備低酯果膠的最佳工藝條件[20].

目前，國內(nèi)酰胺化生產(chǎn)低酯果膠的生產(chǎn)技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化研究還處于初步階段，而國外對于酰胺化低酯果膠的研究已經(jīng)比較透徹，并且實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，只是對其技術(shù)高度保密，有關(guān)生產(chǎn)工藝的報(bào)道不是很多.

2.4 酶催化法

酶催化法分為內(nèi)源酶和外源酶作用兩種方法，作用機(jī)理都是激活果膠酯酶 （Pectinesterase，PE）來生產(chǎn)低酯果膠.

2.4.1 內(nèi)源酶作用制備低酯果膠

內(nèi)源酶作用制備低酯果膠就是通過加內(nèi)源酶激活劑激活果膠酯酶（PE）制備低酯果膠.Yoon等在1983年報(bào)道了利用碳酸鈉激活紅桔皮內(nèi)原酯酶PE制備低酯果膠的方法[21].蔡長河等也在1994年報(bào)道了采用碳酸鈉激活內(nèi)原果膠酯酶制備低酯果膠[22].雷激等在2006年報(bào)道以鮮橙皮為原料，在鹽酸水解乙醇沉淀提取果膠之前，激活并利用果皮中固有的果膠酶制備低酯果膠，以產(chǎn)品的甲氧基含量和果膠得率為指標(biāo)，確定了最佳工藝條件：加入果皮漿液量0.15%的內(nèi)源性果膠酯酶激活劑碳酸鈉，控制溫度45℃，pH值8.0脫酯，時(shí)間60min，果膠提取溫度90℃，時(shí)間60min，pH值2.0，在此條件下制備的果膠甲氧基含量為5.93%，果膠得率為2.46%[23].

2.4.2 外源酶作用制備低酯果膠

外源酶作用制備低酯果膠就是從植物組織或微生物（主要是黑曲霉）發(fā)酵液中提取PE，再利用該果膠酯酶生產(chǎn)低酯果膠.國外利用果膠酯酶制備低 酯 果 膠 的 歷 史 較 久 ，Methliz（1932），Mottern（1946）等人先后利用從蕃茄中提取到的PE進(jìn)行脫酯試驗(yàn)[1].Sandra Aparecida de Assis等通過明膠固定化果膠酯酶制備低酯果膠，確定了最佳工藝條件，結(jié)果表明：游離果膠酯酶脫酯的最佳工藝條件為，pH9.0，NaCl 0.1M，55℃；明膠固定化酶脫酯的最佳工藝條件為，pH9.0，NaCl 0.15M，40℃[24].

焦云鵬等人在2005年報(bào)道了利用所得的固定化果膠酯酶對高酯果膠進(jìn)行脫酯，所得的低酯果膠產(chǎn)品符合國家標(biāo)準(zhǔn)[25].李川等人在2010年報(bào)道了以橙皮渣為原料，在酸法提取果膠的基礎(chǔ)上，向果膠提取液中加入外源性果膠酯酶，制備低甲氧基果膠.通過單因素試驗(yàn)和Box-Behnken設(shè)計(jì)以及響應(yīng)面分析確定酶法制備低甲氧基果膠的最佳工藝參數(shù)為，加入經(jīng)1000倍稀釋的果膠酯酶5.39mL、反應(yīng)50min、42.71℃、pH4.61，在此條件下果膠酯化度由67.83%降低至42.55%[26].

酶法制備低酯果膠的工藝條件易于控制，但是產(chǎn)品同條件下凝膠強(qiáng)度低于其它3種方案的產(chǎn)品，現(xiàn)已有克服這種不利因素的方法的相關(guān)報(bào)道，如日本的Ishii等[27]人，從黑曲霉發(fā)酵液中分離提純得到PE，并用該酶脫酯提取低酯果膠，能更好的保證產(chǎn)品的膠凝度，目前利用果膠酯酶制備低酯果膠還未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn).

3 結(jié)語

目前，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家在制備低酯果膠技術(shù)方面先進(jìn)，并已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，其主要果膠公司在包括堿催化法等果膠脫酯設(shè)備和工藝上已經(jīng)趨于成熟，但在技術(shù)和設(shè)備上高度保密，國內(nèi)生產(chǎn)的低酯果膠主要是從向日葵中提取而得，或者用酸化或堿化脫酯制備，但我國包括堿液催化脫酯在內(nèi)的果膠脫酯技術(shù)還處于理論探索階段，工藝和設(shè)備還相對比較落后，果膠脫酯企業(yè)在國內(nèi)分布相對零星，而利用果膠酯酶制備低酯果膠也還未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn).當(dāng)今人們對低酯果膠的需求越來越大，我國的低酯果膠還主要依賴國外進(jìn)口，且價(jià)格相當(dāng)昂貴，如果能夠充分利用國內(nèi)豐富的高酯果膠資源，對果膠脫酯的工藝進(jìn)行更精湛的研究，將會帶來巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益.

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