原花青素與果膠相互作用對(duì)果蔬加工特性的影響

任佳琦，李福香，雷琳，趙吉春,2，李富華,2，明建,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(西南大學(xué),食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

原花青素與果膠因其分布廣泛、具有生物活性而成為研究熱點(diǎn)。在完整植物細(xì)胞中，果膠與原花青素一般不會(huì)發(fā)生接觸，當(dāng)細(xì)胞在外力作用下破裂時(shí)，二者得以接觸并發(fā)生相互作用。此時(shí)二者結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而引起其功能活性發(fā)生變化，最終將反映為功能特性的變化[1]。這種變化對(duì)于食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、感官風(fēng)味、后續(xù)精深加工等有非常大的影響。因此，深入研究二者的互作機(jī)制以及二者所處環(huán)境因素對(duì)其相互作用的影響十分必要。本文就原花青素與果膠互作機(jī)制、影響因素以及互作對(duì)果蔬加工的影響等方面進(jìn)行綜述，以期為原花青素與果膠互作機(jī)制的深入研究與工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 原花青素與果膠概述

1.1 原花青素

原花青素，又名縮合鞣質(zhì)、縮合單寧；是一類以黃烷-3-醇為結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)碳碳單鍵聚合形成的類黃酮化合物，主要存在于水果和蔬菜細(xì)胞液泡中[2]。按照聚合度分類可分為單倍體(圖1)、寡聚體及多聚體(10個(gè)以上聚合)[3]。

原花青素具有較高的生物活性。蘋(píng)果中的原花青素具有降低膽固醇、防治心腦血管疾病作用[4]；還可以通過(guò)抗炎、抗氧化、調(diào)節(jié)信號(hào)分子表達(dá)、阻滯細(xì)胞周期、抑制血管生成、促使腫瘤細(xì)胞凋亡等作用來(lái)抑制腫瘤[5]。對(duì)于保護(hù)人結(jié)腸細(xì)胞膜的完整性和降低IL-8對(duì)炎癥反應(yīng)的響應(yīng)方面，高聚合度的原花青素作用效果優(yōu)于低聚合度原花青素[6]。

A-兒茶素；B-表兒茶素；C-表沒(méi)食子兒茶素；D-表阿夫兒茶素圖1 原花青素單倍體化學(xué)結(jié)構(gòu)[3]Fig.1 The chemical structure of haploid proanthocya[3]

1.2 果膠

果膠是一種廣泛存在于植物細(xì)胞壁的復(fù)雜多糖，由D-吡喃半乳糖通過(guò)α-1,4-糖苷鍵連接成長(zhǎng)鏈，含有3個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)域，分別是同型半乳糖醛酸聚糖(homogalaeturonan, HGs)、鼠李半乳糖醛酸聚糖I(rhamnogalacturonan I, RGs I)和鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅱ(rhamnogalacturonan Ⅱ, RGs Ⅱ)。根據(jù)酯化度不同，果膠分為高甲氧基果膠(酯化度≥50%)和低甲氧基果膠(酯化度<50%)[7]。

果膠具有多糖的生物活性，其生物活性片段可能是果膠衍生的半乳聚糖[8]。研究表明，蘋(píng)果果膠對(duì)于肥胖具有一定的抑制作用[9]；獼猴桃果膠可以改善腸道環(huán)境，使其有利于有益菌的生長(zhǎng)[10]。具有不同結(jié)構(gòu)特征的果膠，其理化性質(zhì)差異顯著。改性果膠對(duì)于癌癥治療有著一定的作用[11]。果膠的甲基化水平會(huì)影響聚合物的疏水性，因此，果膠的甲基化程度可以調(diào)節(jié)自身與其他分子之間的相互作用[1]。

2 原花青素與果膠之間的相互作用

原花青素與果膠之間的相互作用對(duì)于果蔬加工影響很大。如果汁或果酒生產(chǎn)過(guò)程中，細(xì)胞破碎后，原花青素會(huì)自發(fā)結(jié)合到植物細(xì)胞壁多糖，二者相互作用產(chǎn)生不可逆多酚多糖復(fù)合物，形成“不可提取多酚物質(zhì)”或“果渣”，很難被二次提取[12]，嚴(yán)重影響果膠作為膳食纖維的價(jià)值。研究表明，原花青素與果膠之間的相互作用可以由焓或熵單一或共同驅(qū)動(dòng)，其相互作用存在著多種不同機(jī)制[2]。

2.1 非共價(jià)相互作用

非共價(jià)相互作用是指由氫鍵、疏水相互作用力、離子相互作用力等介導(dǎo)產(chǎn)生的相互作用。

研究發(fā)現(xiàn)，在pH 2.2～7，原花青素對(duì)細(xì)胞壁材料的吸附不受pH值變化的影響；且吸附作用隨著離子強(qiáng)度的升高而降低，隨溫度的上升而下降；尿素、二惡烷和乙醇可降低吸附作用，由此推斷原花青素與細(xì)胞壁物質(zhì)之間存在氫鍵和疏水相互作用[13]。WATRELOT等[14]的研究結(jié)果也表明，果膠的甲基群與原花青素中二氫吡喃雜環(huán)(C環(huán))之間存在疏水相互作用，原花青素與果膠形成聚合體是由熵驅(qū)動(dòng)的。

原花青素與細(xì)胞壁之間的作用是一個(gè)快速而直接結(jié)合過(guò)程，原花青素在熱酸條件下會(huì)轉(zhuǎn)化為花青素[15]?；ㄇ嗨嘏c纖維素-果膠之間的相互作用分為兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段存在少量偶然的結(jié)合位點(diǎn)，結(jié)合過(guò)程迅速但結(jié)合位點(diǎn)有限；在第二階段，隨著時(shí)間的推進(jìn)，花青素與果膠之間結(jié)合位點(diǎn)逐漸暴露，二者之間的結(jié)合變得緩慢，但結(jié)合數(shù)量增多[16]。LIN等[17]在研究藍(lán)莓果膠與花青素的相互作用時(shí)，也得到了類似的結(jié)論。

2.2 共價(jià)相互作用

共價(jià)相互作用是指由共價(jià)鍵維系的相互作用力。

原花青素與果膠之間的氧化共價(jià)反應(yīng)機(jī)理類似于多酚與蛋白質(zhì)之間的鄰醌機(jī)制[1]。在酶促褐變反應(yīng)中，共價(jià)相互作用是由原花青素的氧化反應(yīng)所介導(dǎo)，原花青素雖然不是多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)的底物，但可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的鄰醌。當(dāng)細(xì)胞破碎后，PPO在氧分子存在的條件下，能夠通過(guò)一個(gè)可逆過(guò)程催化鄰二酚的單酚羥基化，然后將其氧化為親電性的鄰醌[18]，可以與多糖或蛋白質(zhì)進(jìn)行親核加成，形成共價(jià)鍵[19]。

梨、柑橘、蘋(píng)果等水果在長(zhǎng)時(shí)間熱處理之后會(huì)變成粉紅色，這種現(xiàn)象可以在細(xì)胞壁-原花青素復(fù)合物中復(fù)制，且形成的復(fù)合物不能被酶制劑或溶劑重新提取，因此，認(rèn)為有共價(jià)化合物的形成，推斷其可能的機(jī)制為：在加工過(guò)程中，原花青素中的黃烷鍵在熱酸條件下斷裂，終端單元以游離的黃烷-3-醇形式釋放，而中間的活潑碳正離子或通過(guò)自氧化產(chǎn)生花青素或與親核化合物(如細(xì)胞壁聚合物)反應(yīng)形成共價(jià)鍵，從而生成多酚多糖復(fù)合物[20]。

2.3 影響原花青素與果膠相互作用的因素

2.3.1 原花青素結(jié)構(gòu)

原花青素的基本結(jié)構(gòu)、單體之間的連接方式、聚合度等都會(huì)顯著影響其與果膠之間的相互作用。

原花青素和細(xì)胞壁多糖之間的相互作用強(qiáng)度很可能取決于原花青素的結(jié)構(gòu)因素，包括大小、形態(tài)、構(gòu)象的流動(dòng)性和靈活性[20]?；ㄇ嗨氐暮诵慕Y(jié)構(gòu)含有糖基化葡萄糖或其他糖類，可被脂肪酸或芳香族化合物酯化，這些花青素衍生物通常被稱為?；ㄇ嗨兀哂懈叩姆€(wěn)定性和抗水解性，可結(jié)合更多的果膠[16]。兒茶素、表兒茶素、表沒(méi)食子兒茶素和表阿夫兒茶素可通過(guò)一定的連接方式聚合形成原花青素，原花青素在熱酸條件下又可以轉(zhuǎn)化為花青素[3]。與細(xì)胞壁結(jié)合的原花青素的量隨著(+)-兒茶素含量的增加而增加[13]。WANG等[21]研究發(fā)現(xiàn)含有不多于3個(gè)羥基基團(tuán)的類黃酮，羥基化有利于其吸附；沒(méi)食子?；瘯?huì)提高其對(duì)多糖的吸附，酚酸的甲基化及甲氧基化則不利于多糖的吸附。

原花青素單倍體可通過(guò)C—O—C鍵(A型)或C—C鍵(B型)相互連接，形成不同聚合度的原花青素(圖2)。

圖2 柿子單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)[23]Fig.2 The chemical structure of persimmontannins[23]

如蘋(píng)果、葡萄籽的原花青素是以表兒茶素(epicatechin, EC)為主要組成單元，以B型C4～C8黃烷鍵連接形成的多聚體，而柿子單寧則同時(shí)具備兩種連接方式[22]。

植物單寧中以C2-O-C7或C2-O-C5醚鍵相連的A型濃縮單寧，其結(jié)構(gòu)比B型更細(xì)長(zhǎng)、更堅(jiān)固。MAMET等[23]研究認(rèn)為果膠與B型縮合單寧的相互作用可能不同于與復(fù)合縮合單寧(同時(shí)具備A、B鍵)的相互作用。APPELDOORN等[24]研究發(fā)現(xiàn)原花青素的沒(méi)食子酸基團(tuán)和A型鍵均可以增強(qiáng)原花青素與果膠之間的結(jié)合，這是由于A型結(jié)構(gòu)中2β→O→7醚鍵具有更多的果膠結(jié)合位點(diǎn)，導(dǎo)致原花青素與果膠的親和力上升。

PONCET-LEGRAND等[25]研究發(fā)現(xiàn)低聚合度原花青素比高聚合度原花青素更易受自締合作用的影響，這種自締合作用趨勢(shì)可能會(huì)限制其與果膠的結(jié)合，因此具有較高聚合度的原花青素與果膠相互作用力更強(qiáng)[1]；這與LE BOURVELLEC等[26]的研究結(jié)果一致；CARN等[15]研究表明形成配合物的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)也取決于原花青素的聚合度。

2.3.2 果膠結(jié)構(gòu)

原花青素和細(xì)胞壁多糖之間的相互作用強(qiáng)度不僅取決于原花青素的結(jié)構(gòu)，還與果膠的結(jié)構(gòu)、鏈長(zhǎng)和構(gòu)象特征相關(guān)[20]。復(fù)合物的形成主要受氫鍵和疏水相互作用的控制，其中高聚合度單寧與高度甲基化果膠之間的相互作用最為強(qiáng)烈[23]，且相互作用的強(qiáng)度與果膠結(jié)構(gòu)和構(gòu)象特征有關(guān)。

果膠的HGs結(jié)構(gòu)區(qū)域由α-1,4-糖苷鍵連接而成，具有不同程度的甲基化和/或乙?；?；RGs I中的鼠李糖殘基通常被半乳聚糖、阿拉伯聚糖或阿拉伯半乳聚糖I取代，半乳糖醛酸殘基可被乙?；籖Gs Ⅱ是非常復(fù)雜的多糖，其骨架是帶有4個(gè)不同側(cè)鏈的HGs；由至少12種不同的單糖以多于20種不同的鍵合方式連接而成[7]。

果膠的酯化可以增加鏈的柔韌性，使其與原花青素的結(jié)合更加容易[27]，但當(dāng)果膠酯化度值小于61.25%時(shí)，渾濁蘋(píng)果汁模擬體系穩(wěn)定性減弱，可能是由于脫甲基的同時(shí)使果膠失去了與兒茶素結(jié)合的部分氫鍵結(jié)合位點(diǎn)，或者與疏水相互作用有關(guān)[28]。果膠甲酯化程度越高，與原花青素之間的締合程度越高，且更加穩(wěn)定，締和時(shí)間也更長(zhǎng)[14]。WATRELOT等[2]研究發(fā)現(xiàn)原花青素與果膠的結(jié)合能力大小主要取決于果膠的中性糖側(cè)鏈，其結(jié)合能力排序?yàn)?鼠李糖+半乳聚糖)>(阿拉伯糖+I型半乳聚糖+木糖聚半乳糖醛酸)>I型半乳聚糖>(阿拉伯糖+Ⅱ型半乳聚糖)>阿拉伯聚糖[1]。

果膠由于空間位阻而具有較低的表觀飽和度，但果膠可以通過(guò)凝膠形成疏水口袋以捕獲原花青素[29]。果膠的線性部分允許原花青素的堆積或結(jié)合，阿拉伯聚糖側(cè)鏈往往比半乳聚糖鏈更易移動(dòng)，在構(gòu)象上限制了與原花青素的關(guān)聯(lián)[2]。具有較高果膠含量以及構(gòu)象更加靈活的細(xì)胞壁與原花青素有著更高的結(jié)合度[30]，果膠的中性糖側(cè)鏈也影響其與原花青素的相互作用，柑橘果膠中山梨糖的含量高于蘋(píng)果果膠，使得前者結(jié)合原花青素的構(gòu)象更加靈活[31]。

2.3.3 其他

除了原花青素與果膠自身的結(jié)構(gòu)構(gòu)象之外，pH、離子強(qiáng)度、溫度，蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)、細(xì)胞壁孔隙率等因素均會(huì)對(duì)二者的相互作用產(chǎn)生影響。

原花青素與果膠相互作用強(qiáng)度隨溫度的上升而下降，隨離子強(qiáng)度的升高而降低[13]。BRAHEM等[32]研究發(fā)現(xiàn)不同品種的成熟梨果實(shí)汁液的初始多酚含量較過(guò)熟梨汁中的含量均有所下降，是因?yàn)楫?dāng)細(xì)胞壁失去阿拉伯糖和半乳糖之后，對(duì)原花青素具有更強(qiáng)的親和力。ZHAO等[33]研究發(fā)現(xiàn)pH會(huì)影響果膠的帶電狀態(tài)，引起果膠-麥醇溶蛋白-兒茶素體系穩(wěn)定性發(fā)生變化。LIBI等[34]研究發(fā)現(xiàn)富含鐵的果膠與多酚更易結(jié)合，認(rèn)為在關(guān)于果膠與多酚相互作用的研究不可忽視食品中含有的金屬離子。

蛋白質(zhì)等大分子的存在也會(huì)對(duì)原花青素與果膠的反應(yīng)產(chǎn)生影響。一些多糖類物質(zhì)(如果膠)可以顯著增加單寧濃度，而有些則會(huì)降低單寧濃度，這可能是由于體系中形成了多糖-單寧復(fù)合物或者是單寧與蛋白質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)與多糖相互反應(yīng)所致[35]。環(huán)境中的多糖分解酶可以降低原花青素對(duì)細(xì)胞壁的吸附量，促進(jìn)細(xì)胞壁多糖降解和釋放，部分釋放的多糖還可與原花青素反應(yīng)[36]。細(xì)胞壁孔隙率的改變也會(huì)影響自身對(duì)原花青素的吸附。孔隙率增加將促進(jìn)高聚合度原花青素分子滲透到更開(kāi)放的細(xì)胞壁網(wǎng)絡(luò)，提高其對(duì)高分子量單寧的吸附[37]。蘋(píng)果細(xì)胞壁在100℃劇烈干燥過(guò)程中，孔隙率降低，三維結(jié)構(gòu)改變，因此，原花青素對(duì)蘋(píng)果細(xì)胞壁的親和力下降[13]。

3 相互作用對(duì)果蔬加工特性的影響

總體來(lái)看，原花青素與果膠之間的相互作用可以提高原有功能特性或者獲得新的功能，這對(duì)于改善食品品質(zhì)、提升食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、增強(qiáng)食品風(fēng)味，以及作為功能性食品配料在食品工業(yè)中的應(yīng)用等方面有著重要意義。

3.1 對(duì)感官特性的影響

脫澀是果蔬加工中十分必要的工序。單寧與高、低甲氧基的果膠反應(yīng)，能夠有效提高兩種果膠的凝膠能力，同時(shí)形成的復(fù)合物可以降低水果的澀味[22]。SYMONEAUX等在模擬蘋(píng)果酒體系中發(fā)現(xiàn)原花青素含量對(duì)于苦味澀味有很大影響，在果酒制作中適當(dāng)添加果膠可以降低果酒入口后單寧與口腔中蛋白質(zhì)相互作用產(chǎn)生的澀味[38]。使用果膠作為載體包封多酚有望解決部分多酚澀味重、水溶性差等缺點(diǎn)，對(duì)于食品及醫(yī)藥行業(yè)均有所參考[39]。

對(duì)于果汁果酒等不穩(wěn)定體系，細(xì)胞壁與原花青素形成的復(fù)合物可作為一種替代動(dòng)物蛋白的新型澄清劑[18]。與蘋(píng)果汁渾濁有關(guān)的多酚是原花青素[28]，在模擬渾濁蘋(píng)果汁體系中，果膠能夠與蛋白質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合原花青素單體兒茶素，使得體系不易形成較大的顆粒，增強(qiáng)體系穩(wěn)定性[29]。果膠、EGCG的存在在一定程度上提高了乳鐵蛋白的熱穩(wěn)定性，三者的三元復(fù)合物可以顯著提高β-胡蘿卜素乳液的物理穩(wěn)定性，同時(shí)抑制乳液中β-胡蘿卜素降解，提高其化學(xué)穩(wěn)定性[40]。

3.2 對(duì)功能特性的影響

在果實(shí)破壁、打漿等過(guò)程中，果蔬細(xì)胞破裂使果膠與原花青素發(fā)生接觸。研究表明果膠與原花青素、兒茶素等多酚混合后具有協(xié)同抗氧化的效果[41]，還能增強(qiáng)二者的抗癌活性[42]。OLIVEIRA等[43]也得出相似的結(jié)論，并認(rèn)為一些食物成分與生物活性成分形成的復(fù)合物可以增強(qiáng)它們的穩(wěn)定性，保護(hù)其在胃腸消化中免于降解而更易在體內(nèi)吸收。梁迪等[44]研究發(fā)現(xiàn)添加了多酚后的蘋(píng)果果膠多酚復(fù)合膜液由于多酚與果膠形成的分子間氫鍵，其黏度會(huì)顯著增加且具有更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度及抗氧化能力，對(duì)于食品保鮮涂膜方面具有一定應(yīng)用前景。多酚多糖復(fù)合物還具有抗凝血、抗氧化、抗輻射、止咳等特性[45]。如黑木耳多糖與原花青素組合可以提高機(jī)體抗氧化狀態(tài)及免疫能力，通過(guò)線粒體凋亡途徑來(lái)抑制脾臟細(xì)胞凋亡，對(duì)輻射誘導(dǎo)氧化損傷顯示出協(xié)同防護(hù)功效[46]。因此認(rèn)為可以將復(fù)合物作為一種新型食品營(yíng)養(yǎng)添加劑進(jìn)行研究。

3.3 對(duì)生物利用度的影響

有效提高制品的生物利用度可以大大提升果蔬加工制品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。研究表明原花青素和果膠等膳食纖維相互作用可以減少對(duì)多糖的發(fā)酵，提高原花青素的代謝[47]。原花青素與細(xì)胞壁成分的結(jié)合可能對(duì)食物基質(zhì)中的酚類化合物以及膳食蛋白等的生物利用度具有一定的影響[48]。與細(xì)胞壁相連的原花青素在腸道的上半部分生物利用度差，但在結(jié)腸處可成為細(xì)菌菌落的可發(fā)酵底物被轉(zhuǎn)化為活性代謝物[49]。MATTILA等[50]研究發(fā)現(xiàn)原花青素與細(xì)胞壁之間的相互作用會(huì)影響腸道微生物菌群對(duì)原花青素的代謝作用。聚合度較高的原花青素分子能夠抑制微生物將其轉(zhuǎn)化為酚酸，同時(shí)抑制碳水化合物轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸，但這種抑制在食物基質(zhì)的存在下減弱，可能是由于細(xì)胞壁將原花青素轉(zhuǎn)化為活性代謝物，成為結(jié)腸微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)所致。

4 展望

在食品加工過(guò)程中，原花青素與果膠之間的相互作用不可避免。隨著研究技術(shù)手段的不斷發(fā)展，關(guān)于原花青素與果膠之間相互作用機(jī)制的研究日趨深入。其中，有關(guān)非共價(jià)互作機(jī)制方面的研究較多，而針對(duì)共價(jià)互作的研究以及在果蔬加工應(yīng)用方面的報(bào)道相對(duì)較少。因此，未來(lái)關(guān)于原花青素與果膠之間的相互作用方面的研究應(yīng)著重關(guān)注以下幾個(gè)方面：(1)深入理解和量化原花青素與細(xì)胞壁之間的相互作用對(duì)果蔬加工過(guò)程的影響，以及加工條件對(duì)原花青素與果膠互作的影響；(2)原花青素-果膠復(fù)合物作為新型食品添加劑對(duì)于果汁果酒品質(zhì)口感成型等方面的研究；(3)原花青素-果膠復(fù)合物在腸道的消化吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝情況，以及對(duì)腸道微生物群落的影響；(4)深入研究原花青素-果膠之間的共價(jià)作用機(jī)制，確認(rèn)共價(jià)鍵的存在，明確兩者之間確切的結(jié)合位點(diǎn)和連接方式，完善理論研究體系。