果膠降解與采后果實質(zhì)地變化研究進展

李倩倩 付佳璇 趙玉梅 曹建康*

（1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院 北京 100083

2北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院 北京 100191）

果膠是存在于高等植物初生細(xì)胞壁和中膠層中的一種酸性多糖物質(zhì)。果實質(zhì)地變化與果膠的代謝密切相關(guān)。一般地，在后熟軟化過程中，果實細(xì)胞壁果膠逐漸降解，引起細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的完整性受到破壞，使果實質(zhì)地出現(xiàn)軟化。本文綜述果膠分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和基本結(jié)構(gòu)模型、組分與含量、后熟軟化過程中果膠降解模式等，為深入研究果膠與果實質(zhì)地變化提供參考。

1 果膠分子化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)模型

果膠是由β-D-半乳糖醛酸（β-D-Galacturonic Acid，GalA）通過α-1，4-糖苷鍵相互連接而成的部分甲酯化的多聚物。多聚半乳糖醛酸鏈構(gòu)成果膠分子的基本主鏈骨架，在主鏈上還往往連接有大量的由中性糖組成的側(cè)鏈。果膠側(cè)鏈富含α-L-鼠李糖（α-L-Rhamnose，Rha）、α-L-阿拉伯糖（α-L-Arabinose，Ara）、 β-D-半乳糖（β-D-Galactose，Gal）等 20余種中性糖[1-2]。根據(jù)果膠分子結(jié)構(gòu)中主鏈和側(cè)鏈的組成不同，可以將其分為同型半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturonan，HG）、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-Ⅰ（Rhammogalacturonan-I，RG-Ⅰ）、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-Ⅱ（Rhammogalacturonan-Ⅱ，RG-Ⅱ），以及木糖半乳糖醛酸聚糖（Xylogalacturonan，XGA）和芹菜糖半乳糖醛酸聚糖（Apiogalacturonan，AGA）[3]。這些不同果膠多聚物之間大多以共價鍵相連。關(guān)于它們之間的連接方式，目前已提出多個模型。Visser等[4]認(rèn)為HG、RG-I和RG-II形成了一個連續(xù)的構(gòu)架，其中，由線性HG構(gòu)成的“光滑區(qū)”和由RG-I和RG-II構(gòu)成的“毛發(fā)區(qū)”交替存在（圖1a）。Vincken 等[1]提出了另一種模型，即RG-I作為主鏈，HG及阿拉伯糖和半乳糖為長側(cè)鏈（圖1b）。另外，Yapo[5]還提出了一種“l(fā)iving thing-like”模型，認(rèn)為果膠分子的主鏈結(jié)構(gòu)是由兩個線型的HG和一個RG-I交替連接。

1.1 HG

HG是由約100～200個β-D-半乳糖醛酸殘基通過α-1，4-糖苷鍵相連接而成的線性果膠分子（[（1→4）-α-D-GalA]n），是細(xì)胞壁中含量最多的果膠多聚物，約占細(xì)胞壁總果膠的60%～65%。其中，有些半乳糖醛酸殘基C-6羧基會被甲酯化（圖1a），有些半乳糖醛酸殘基O-2或O-3可能會發(fā)生乙酰化[6]。HG鏈的甲酯化程度和形式在很大程度上決定了果膠的功能特性[7-8]。未被甲酯化的β-D-半乳糖醛酸殘基帶負(fù)電荷，會與Ca2+通過離子鍵發(fā)生交聯(lián)。當(dāng)10個以上未酯化的半乳糖醛酸殘基與鈣離子相連時即可形成一個穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)，這種HG-Ca模型又被稱為 “蛋殼模型”[8]（圖2）。但是，乙?；鶊F的存在會阻礙HG與Ca2+的連接。果膠分析結(jié)構(gòu)中的HG與細(xì)胞壁多孔性、完整性和機械強度都密切相關(guān)；HG-Ca模型在增強細(xì)胞壁機械強度、增加細(xì)胞之間的相互粘附方面具有一定作用。

圖1 果膠的基本結(jié)構(gòu)模型[9]Fig.1 The basic structure of pectin

圖2 HG-Ca連接而成的蛋殼模型[9]Fig.2 The ‘Egg model’ derived from the crosslinking of HG-Ca

1.2 RG-I

RG-I是一類含有較多復(fù)雜結(jié)構(gòu)側(cè)鏈的果膠多聚物。RG-I是由β-D-半乳糖醛酸和α-L-鼠李糖通過α-1，2-和α-1，4-糖苷鍵連接的重復(fù)二糖單元（[→a-D-GalA-1，2-α-L-Rha-1，4→]n）構(gòu)成主鏈骨架，約有一半的鼠李糖殘基在C-4上帶有富含多聚半乳糖或多聚阿拉伯糖的側(cè)鏈[10]（圖1a）。RG-I約占細(xì)胞壁總果膠的20%～35%。RGI中的半乳糖醛酸殘基在O-2或O-3上也可能會被乙?；?。在莧科類植物（如甜菜和菠菜）中，RGI側(cè)鏈上的阿拉伯糖殘基和半乳糖殘基能分別與阿魏酸在O-2和O-6上發(fā)生酯化反應(yīng)，這些阿魏酸酯能夠進行氧化耦合反應(yīng)，進而形成脫氫二聚體，以進一步形成果膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[11]。RG-I和木葡聚糖之間還可以通過共價鍵連接，形成穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)[12]。

1.3 RG-II

RG-Ⅱ在細(xì)胞壁果膠中所占比例約為10%[6]。它由約7～9個半乳糖醛酸殘基相互連接形成主鏈骨架，帶有5個固定的側(cè)鏈基團。這些側(cè)鏈由富含鼠李糖的多聚糖構(gòu)成，含有12種不同的糖基，包括一些稀有糖類，如2-O-甲基木糖、2-O-甲基海藻糖、槭汁酸、2-酮-3-脫氧-D-來蘇庚酮糖酸和2-酮-3-脫氧-D-甘露辛酮糖酸等[13-14]。RG-II分子是自組裝起來的，硼酸鹽可通過硼酯鍵與側(cè)鏈中的芹菜糖殘基（Apiose，Apif）相連接形成RG-II果膠多糖二聚體[15]。

1.4 XGA和AGA

XGA是HG中的半乳糖醛酸殘基在C3位置被 D-木糖殘基取代（[Xylp-（1，2）-Xylp-（1，3）-GalpA]）形成的分支結(jié)構(gòu)，主要存在于大葉藻科海草和豆科植物中。AGA也是HG中半乳糖醛酸殘基在C2或C3位置被D-芹菜糖取代形成的芹菜糖聚半乳糖醛酸，主要存在于水生植物如浮萍和海草中[6]。

2 采后果實果膠含量的變化

不同種類果實的果膠含量差異很大（表1）。其中，柑橘皮、甜菜根和蘋果渣中果膠含量較高，是商業(yè)果膠的主要來源。果實的發(fā)育成熟、與衰老程度對果膠含量有較大影響。一般地，成熟度較低的果實果膠含量較高，而成熟高的果實果膠含量較低?！癎ala”蘋果在花后70 d總果膠含量最高，在之后發(fā)育過程中一直降低，在采后貯藏20周時進一步降低[16]。高成熟度的“Friar”李總果膠含量比中成熟度的低[17]。此外，不同果實組織中果膠含量也有較大差異。果皮、果渣的果膠含量比其果肉部分果膠含量高，如柑橘[18]、柚子[19]、西葫蘆[20]、百香果[21]、木瓜[22]等果實果皮中果膠含量都相比果肉中較高。蘋果[23]、番茄[24]、甘薯[25]和辣椒[26]等加工廢渣中果膠含量也很高，頗具利用價值。但是，有些果實果肉卻含有較豐富的果膠，如蘋果[16]、李[17，27]、梨[28]、南瓜[29]、胡蘿卜[30]等。

果膠的提取、分離方法對果膠含量也有較大的影響，同時還極大地影響果膠的得率和提取效率。果膠提取的方法主要有傳統(tǒng)酸提法、堿提法、酶法、微生物法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法、離子交換法、草酸銨提取法等（表1）[38]。果膠含量的數(shù)值還受到測定方法的影響。目前，果膠的測定方法主要有咔唑比色法和間羥基聯(lián)苯法（表1）。利用強酸將果膠水解生成半乳糖醛酸單體，與咔唑試劑發(fā)生縮合反應(yīng)生成紫紅色化合物，該化合物呈色強度與半乳糖醛酸溶液濃度成正比，可利用半乳糖醛酸含量來表示果膠含量。但果膠中的中性糖可與硫酸-咔唑形成棕色衍生物，干擾測定結(jié)果的準(zhǔn)確性[39]。后來用間羥基聯(lián)苯取代咔唑試劑，測定結(jié)果誤差有所減小，但各文獻(xiàn)報道差異較大[40-41]。

表1 采后果實果膠含量Table 1 Pectin contents in some fruits

3 采后果實中不同溶解性果膠組分的變化

由于果膠在細(xì)胞壁中存在狀態(tài)不同，表現(xiàn)出了不同的溶解性[42]。用熱乙醇溶液蒸煮果實原料以去除不溶性糖分，得到細(xì)胞壁乙醇不溶物（Alcohol insoluble residues，AIR）。利用水或苯酚、乙酸和水的混合液（Phenol/Acetic acid/Water，PAW）溶解AIR即可得到水溶性果膠（Water-soluble pectin，WSP）。WSP主要為那些能溶解在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞間隙溶液中的果膠組分。再利用螯合劑（一般為EDTA）從沉淀物中溶解所得的果膠為螯合劑溶解性果膠（Chelate-soluble pectin，CSP），主要為那些與細(xì)胞壁其它成分以離子鍵或氫鍵相結(jié)合的果膠，還有以鈣橋結(jié)合在“蛋殼模型”中的果膠。CSP又稱離子結(jié)合型果膠，主要位于中膠層，其中的多聚半乳糖醛酸含量很高。最后再用Na2CO3溶液從沉淀物中提取堿溶性果膠（Sodium carbonate-soluble pectin，SSP），主要是以共價鍵和纖維素等細(xì)胞壁成分緊密結(jié)合的果膠。SSP又稱共價結(jié)合型果膠，主要位于初生壁中，其中的RG-I含量較高，所以中性糖與糖醛酸之比值較高[43]。

果實在采后質(zhì)地軟化過程中，WSP含量往往顯著上升，有的果實CSP含量也會上升，相應(yīng)地，與細(xì)胞壁緊密結(jié)合的SSP含量一般會減少[43-45]。如梨在貯藏18d后WSP含量為采收時的2.3倍，CSP含量為采收時的2.9倍，而SSP含量卻下降了72%[28]。西葫蘆在貯藏過程中外果皮WSP和CSP含量均有所上升，而SSP含量下降[20]。梨采后軟化過程中，SSP可轉(zhuǎn)變形成WSP，經(jīng)長期貯藏后WSP又可進一步分解成小分子物質(zhì)脫離出細(xì)胞壁物質(zhì)[46]。然而有些果實如某些品種的桃[47]、棗[48]等，在采后質(zhì)地變化過程中，各種溶解性果膠組分含量均有所上升，但WSP含量上升幅度仍最大。還有些果實各果膠組分變化不明顯，如某些品種的蘋果，從貯藏初期到衰老過程中，果膠各組分變化很小[49]。相反，有些果實如番茄[50]、草莓[51]等在后熟軟化過程中SSP含量上升幅度很大，而WSP和CSP上升幅度則較小?？梢?，果實細(xì)胞壁中不同溶解性果膠代謝模式并不是此消彼長的關(guān)系。在果實成熟軟化過程中，細(xì)胞壁組分（包括果膠）會發(fā)生溶解、側(cè)鏈斷裂、解聚、去甲酯化、直接降解和溶脹等多種變化，從而影響果實質(zhì)地變化的模式。

4 采后果實果膠中性糖組成變化

不同溶解性果膠組分的中性糖組成都是以半乳糖、阿拉伯糖和鼠李糖為主，還有甘露糖、木糖、葡萄糖和巖藻糖等[50]（圖1）。中性糖主要存在于RG-I和RG-II的側(cè)鏈中。中性糖鏈通過化學(xué)鍵與半纖維素、纖維素等相結(jié)合從而將果膠分子錨定在細(xì)胞壁上[12，52]。果膠分子間也會通過中性糖側(cè)鏈發(fā)生物理纏繞。果實后熟軟化過程中，在細(xì)胞壁β-糖苷酶作用下，果膠側(cè)鏈中性糖會被水解而丟失，果膠多聚物會逐漸解聚和降解，果膠與細(xì)胞壁成分的結(jié)合力減弱，進而為果膠水解酶作用于其底物打開了接觸的通道，間接誘導(dǎo)了降解物片段逐漸溶解[53]。

不同溶解性果膠組分的中性糖含量變化有較大差異。綠熟番茄SSP中中性糖主要為半乳糖、鼠李糖和阿拉伯糖等，它們的含量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于WSP和CSP組分中相應(yīng)的中性糖含量[50]。但在貯藏過程中，番茄WSP中性糖含量顯著增加，CSP中性糖含量也有所增加，而SSP中性糖含量卻顯著減少[50]。西葫蘆在采后14 d內(nèi)，WSP中性糖含量先上升再下降，變化幅度不大，CSP中性糖含量緩慢下降，而SSP中性糖含量急劇下降[20]。不同種類的中性糖，變化趨勢也不一致。如獼猴桃在成熟過程中，鼠李糖含量上升，阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、木糖、葡萄糖和海藻糖含量均下降[32]。然而，在有些果實中，中性糖減少與果膠降解沒有直接關(guān)系，例如，當(dāng)李果實中果膠大量降解時，阿拉伯糖和半乳糖并沒有明顯減少；當(dāng)蘋果和沙梨中半乳糖大量減少時，果膠也并沒有發(fā)生顯著降解[54]。

5 采后果實果膠多聚物的解聚

原子力顯微鏡（AFM）技術(shù)的發(fā)展為研究果膠多聚物納米結(jié)構(gòu)的變化提供了有力的工具。利用AFM技術(shù)可得到果膠多聚物樣品表面的三維立體圖像，通過對圖像的解析可獲得果膠分子納米結(jié)構(gòu)特征[65]。表3列舉了一些果實中不同溶解性果膠組分的鏈長以及鏈寬。在果實質(zhì)地軟化過程中，果膠多聚物會在一系列細(xì)胞壁水解酶的作用下發(fā)生解聚，主要表現(xiàn)為聚合物的數(shù)量減少，果膠鏈長度變短，果膠鏈寬度縮小。其中，以SSP組分中果膠多聚物納米結(jié)構(gòu)的變化最為顯著。如未成熟櫻桃比成熟果實果膠擁有更寬和更長的SSP鏈，SSP片段數(shù)量更多并且纏繞得更緊密[56]。Yang等[59]分析了兩種不同質(zhì)地（軟質(zhì)和脆質(zhì)）的桃果實中3種組分果膠多聚物分子納米結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)最大的區(qū)別在于兩種類型果實的SSP長度不同，脆質(zhì)桃果實SSP長度（249 nm）比軟質(zhì)桃的（57 nm）長得多。另外，脆質(zhì)桃果實CSP和SSP果膠鏈帶有側(cè)鏈，而軟質(zhì)桃果膠組分中沒有或很少有側(cè)鏈。

CSP果膠組分的結(jié)構(gòu)也可能對果實質(zhì)地有明顯的影響。如番茄果實從轉(zhuǎn)色期到半熟期時，CSP鏈寬度減小，線型的、單一的、短的果膠鏈明顯增多[64]。棗果實CSP果膠鏈長度也隨著果實成熟而減小[48]。未成熟的草莓果實CSP組分中長鏈果膠較多，而成熟草莓中較短的鏈多；側(cè)鏈聚合物在未成熟和成熟草莓中出現(xiàn)的程度要高[63]。

表2 果實不同溶解性果膠組分的納米結(jié)構(gòu)Table 2 Nanostructural of different soluble pectin fractions of some fruits

6 采后果實質(zhì)地變化與果膠代謝

6.1 質(zhì)地變綿（沙）與果膠代謝

蘋果、梨、西瓜、冬棗等果實在長期貯藏后或后熟過度時容易出現(xiàn)果肉變綿（沙）、缺少汁液的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響口感。有報道表明，蘋果變綿（沙）時果實細(xì)胞之間的連接顯著減少，這可能與果實細(xì)胞壁中膠層果膠降解過快、失去了對相鄰細(xì)胞的粘結(jié)能力有關(guān)[66]。在咬下或咀嚼果實的過程中，由于中膠層果膠的降解失去粘結(jié)能力，果實細(xì)胞容易錯動而不易破裂，從而減少了細(xì)胞內(nèi)容物的流出；同時，中膠層水解的果膠容易與Ca2+形成凝膠復(fù)合物大分子溶脹吸水，從而減少了果實汁液中的自由水分，給人以沙質(zhì)綿軟、缺乏汁液的感覺[67]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，蘋果變綿（沙）與果膠甲酯酶基因表達(dá)下調(diào)最為相關(guān)[66]。京白梨果實快速軟化時，果實呈沙質(zhì)綿軟狀態(tài)，這可能與果實半乳糖醛酸酶、β-半乳糖苷酶和α-阿拉伯糖苷酶基因表達(dá)量和酶活性高、中膠層果膠迅速降解和溶解有關(guān)[28]。

6.2 組織漿化與果膠代謝

多數(shù)核果、番茄、獼猴桃、芒果、草莓等果實在采后容易出現(xiàn)漿狀軟化（又稱溶質(zhì)化）。獼猴桃是典型的漿化果實，在貯藏初期果肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整，果實較硬；貯藏一段時間后，中膠層逐漸溶解分離，細(xì)胞間產(chǎn)生空隙，果肉開始變軟；隨后，果膠進一步解體，中膠層液化，細(xì)胞壁空泡化，纖維素多聚物解散，微纖絲斷裂；果實衰老末期，果肉組織全部瓦解漿化，細(xì)胞壁和其它結(jié)構(gòu)己全部液化[68]。可見，與變綿過程中果肉組織崩解成細(xì)胞個體不同，果實組織漿化過程是細(xì)胞個體的崩裂、消融、溶解形成均一態(tài)膠體的過程。

果實組織的漿狀軟化與各組分果膠的形態(tài)變化有關(guān)。在軟質(zhì)桃‘Akatsuki’后熟軟化過程中，內(nèi)切多聚半乳糖醛酸酶活性升高，使SSP含量降低而CSP含量上升，果膠溶解性增加[34]。采后杏果實組織漿化過程中，CSP含量上升但側(cè)鏈結(jié)構(gòu)減少、鏈寬縮小、且短鏈CSP明顯增加而長鏈CSP減少[37]。另外，在草莓組織漿化過程中發(fā)現(xiàn)，WSP和SSP鏈的長度下降達(dá)30%～39%，CaCl2處理可減少草莓中SSP的解聚從而維持果實硬度[51]。

6.3 “慢軟化”果實的果膠代謝

“慢軟化”指一些品種果實后熟軟化速率比一般品種慢，軟化所需時間往往可達(dá)到一般品種的兩倍甚至更多。近年來，“慢軟化”機制的研究逐漸引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。如“Friar”李果實在25℃下可以貯藏 3～4周[17]?！癡98041”李也是一種“慢軟化”李，在4℃下貯存30 d后，還可在20℃下貯存12 d。“V98041”李的慢軟化與細(xì)胞壁降解相關(guān)酶的基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平很低有關(guān)[69]?！奥浕碧O果“Kanzi”在成熟軟化過程中沒有明顯的果膠解聚或者溶解發(fā)生，只是在衰老期，果實硬度才會陡然下降，但此時它的中膠層仍保持完整[49]?！癝cifresh”蘋果的“慢軟化”機制可能與其在早期發(fā)育階段果膠溶解較少、半乳糖丟失水平較低有關(guān)[16]。硬質(zhì)桃“Mochizuki”采后軟化緩慢，其果膠溶解程度也處在相當(dāng)?shù)偷乃?，果膠提取物分子質(zhì)量分布基本保持不變[34]。

近年來，各種細(xì)胞壁糖苷酶如β-半乳糖苷酶、β-甘露糖苷酶和α-呋喃阿拉伯糖苷酶等在果實細(xì)胞壁成分降解和質(zhì)地軟化中的作用得到越來越多的研究[49，70-71]。細(xì)胞壁不同組分往往以糖苷鍵相連接而牢固地結(jié)合在一起，維持了細(xì)胞壁的機械強度。細(xì)胞壁糖苷酶能夠水解這些糖苷鍵，釋放出中性糖，促進細(xì)胞壁物質(zhì)的解聚和溶解。但是，有研究認(rèn)為較高的半乳糖水平可減少細(xì)胞壁的多孔性，阻礙細(xì)胞壁酶作用的通道，進而有利于保持結(jié)構(gòu)完整，減緩果實軟化速率[72]。

6.4 果實冷害與果膠代謝

冷害往往導(dǎo)致果實組織出現(xiàn)絮敗、木質(zhì)化、半透明化、凝膠化、不軟化或過快軟化等質(zhì)地變化。這些癥狀的出現(xiàn)可能與低溫冷害引起的果膠代謝異常有關(guān)[73]。李果實常見冷害癥狀為半透明化，出現(xiàn)于近皮的果肉處，果肉呈膠狀、半透明的狀態(tài)。半透明化被認(rèn)為是由于細(xì)胞間隙WSP結(jié)合水形成膠體狀結(jié)構(gòu)而形成的現(xiàn)象[73]。桃果實在冷藏過程中經(jīng)常會發(fā)生果肉絮敗現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，絮敗果實比正常果實具有更高的CSP和SSP含量和更低的WSP含量[74]。杏果實在冷藏過程中也會發(fā)生絮敗，低溫容易發(fā)生冷害的杏果實多聚半乳糖醛酸酶活性低而果膠甲酯酶活性高，CSP和SSP含量高于正常成熟的果實，在貯藏過程中，冷害杏果實果膠物質(zhì)不能正常降解，因而容易形成果肉絮敗[75]。

7 結(jié)論與展望

在果實軟化過程中，在一系列細(xì)胞壁代謝相關(guān)酶的作用下，中性糖不斷丟失，果膠側(cè)鏈不斷解離，果膠多聚物逐漸降解，果膠分子結(jié)構(gòu)和果膠組分溶解性發(fā)生了改變，果膠物質(zhì)逐漸與細(xì)胞壁其它成分分離。在采后果實正常軟化過程中，不溶性果膠向可溶性果膠的轉(zhuǎn)變，使果實變得柔嫩多汁。然而，由于果實種類與品種、發(fā)育及成熟程度等本身生物學(xué)特性的影響，以及采后貯藏溫度等因素的影響，采后果實果膠發(fā)生降解的方式、不同溶解性果膠組分構(gòu)成都發(fā)生了變化，中性糖丟失與果膠多聚物的解聚程度也發(fā)生了改變，因此出現(xiàn)了果實變綿（沙）、漿化（溶質(zhì)化）、“慢軟化”等質(zhì)地軟化方式，還出現(xiàn)了半透明化、凝膠化、絮敗等異常質(zhì)地變化現(xiàn)象，嚴(yán)重地影響果實的后熟生理進程、貯藏品質(zhì)、加工性能、甚至醫(yī)療保健功能。果實細(xì)胞壁中果膠存在狀態(tài)復(fù)雜，不同果實果膠組成與含量又有較大差異，因此還需利用現(xiàn)代分析技術(shù)如熒光免疫定位、激光共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡觀察、核磁共振技術(shù)、光譜分析、高效離子交換色譜分析等手段，不斷深入研究果膠及其在果實后熟軟化、貯藏保鮮和加工過程中的變化規(guī)律。