馬鈴薯果膠的提取、結構、活性及應用研究進展

肖力力，曹國璠，何天久，田雙燕，劉均霞，劉冬梅，田山君*

（1.貴州大學農(nóng)學院，貴州 貴陽 550025；2.教育部山地植物資源保護與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省農(nóng)業(yè)科學院，貴州 貴陽 561000；4.桐梓縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 遵義 563200；5.江油市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 綿陽 621700）

多糖是由10個以上單糖通過糖苷鍵連接而成的天然大分子物質(zhì)，廣泛存在于動植物、細菌、真菌及某些病毒中，是自然界中含量最豐富的生物聚合物[1-2]。根據(jù)來源可將多糖分為植物多糖、動物多糖、菌多糖等；根據(jù)組成單糖的種類，多糖可分為同質(zhì)型多糖（僅由一種單糖組成）和雜型糖（兩種或兩種以上單糖組成）；根據(jù)酸堿性可分為中性多糖、酸性多糖和堿性多糖[2-4]。研究表明，多糖在免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、抗腫瘤、降血糖、抗病毒、抗凝血、抗炎、抗老年癡呆等方面具有獨特的生物活性[5-12]。

果膠是一種植物多糖，是植物初生細胞壁組成成分之一。根據(jù)主鏈和分支的結構，將果膠分為同型半乳糖醛酸聚糖（homogalacturonan，HG）、鼠李半乳糖醛酸聚糖 I（rhamngalacturonan I，RG I）和鼠李半乳糖醛酸聚糖II（rhamngalacturonan II，RG II）3類。HG是大多數(shù)植物中最簡單、最豐富的果膠，其結構是由α-（1→4）半乳糖醛酸聚合而成。HG分子上的半乳糖醛酸會發(fā)生甲酯化和乙酰化反應，甲酯化反應發(fā)生在C6羧基上，乙?；磻l(fā)生在O2或O3位置上[13-14]。HG分子上的半乳糖醛酸（galacturonic acid，GalA）的O3上可以連接木糖形成木聚半乳糖醛酸聚糖，O2或O3也可以連接芹菜糖以形成芹半乳糖醛酸聚糖[15]。RG I的主鏈是由二糖單位 α-L-鼠李糖-（1→4）α-D-半乳糖醛酸聚合而成，其中RGI分子上的80%的鼠李糖（L-rhamnose monohydrate，Rha）殘基可以連接不同量的阿拉伯糖（arabinose，Ara）、半乳糖（galactose，Gal）和阿拉伯半乳糖側鏈，使其側鏈含有阿拉伯糖和半乳糖[16-18]。RG II是自然界中最復雜的生物大分子之一，它由13種不同的單糖組成，至少含有22種獨特的糖苷鍵和6種獨特的側鏈[19-20]。

果膠現(xiàn)在已經(jīng)應用于食品、飼料、材料、醫(yī)療等領域。研究表明果膠通過增加膳食纖維的含量來提高食物的消化質(zhì)量[21]。果膠作為食品加工副產(chǎn)物的主要成分，常被應用于飼料生產(chǎn)。果膠能可逆的形成凝膠，并且凝膠硬度與聚合物的分子量、化學成分及凝膠中誘導的交聯(lián)程度有關，這使得它成為生產(chǎn)某些膜的材料[22]。殼聚糖和果膠的結合物已用作食品包裝中的功能膜。果膠凝膠與碳納米管結合，能制備出具有高溫敏感性的仿生材料[23]。研究表明，果膠能夠與大分子物質(zhì)結合形成凝膠，將其涂在藥物表面能夠減緩藥物釋放，具有成為藥物緩釋劑的潛力[22]。果膠還具有生物活性，研究表明果膠具有抗炎、抗氧化、抗癌和益生元等活性[24-27]。

馬鈴薯渣是馬鈴薯淀粉加工副產(chǎn)物，平均每生產(chǎn)1 t馬鈴薯淀粉會產(chǎn)生約6.5 t～7.5 t濕薯渣，由于其含水量高，在運輸過程中易腐敗變質(zhì)，不易加工成其他產(chǎn)品，常作為廢棄物丟棄，對生態(tài)環(huán)境建設造成極大壓力。薯渣運輸及綜合利用相關問題已成為當前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的研究熱點之一[28]。相關的研究表明，馬鈴薯渣富含果膠多糖，占馬鈴薯渣干重的15%～30%[29]。馬鈴薯渣的果膠多糖主要為鼠李半乳糖醛酸聚糖I。研究表明，每100 g的馬鈴薯果膠中含有70 g的鼠李半乳糖醛酸聚糖I和25 g的同型半乳糖醛酸聚糖[30-31]。不同于其他植物的RGI，馬鈴薯RGI富含β-（1→4）半乳糖，其含量可高達67%[32]。據(jù)統(tǒng)計，每年我國對果膠的需求量為1500萬噸，其中有80%為進口[33]。商品果膠來源非常有限，若以馬鈴薯渣作為果膠提取的來源物質(zhì)，不僅能使資源得到合理利用，產(chǎn)生更高的再生價值，還能解決薯渣所帶來的環(huán)境污染問題。因此，本文主要對近年來馬鈴薯果膠的分離技術、結構特征、生物活性和應用前景進行綜述，為馬鈴薯資源化開發(fā)利用提供參考，以期到達保護生態(tài)環(huán)境，增加馬鈴薯附加值，提高經(jīng)濟、生態(tài)與社會效益的目的。

1 馬鈴薯果膠多糖的提取工藝

馬鈴薯果膠提取流程見圖1。

圖1 馬鈴薯果膠提取流程Fig.1 Extraction process of potato pectin

目前生產(chǎn)中通常使用熱水、微波、超聲等方法提取果膠多糖。傳統(tǒng)的果膠提取方法是熱水提取。但是熱水提取需要提取液濃度大、反應時間長，可能導致果膠與提取液發(fā)生反應[34]。為了避免熱水提取的缺點，研究人員開發(fā)了微波和超聲輔助提取。微波輔助提取能使分子快速加熱、提取物內(nèi)部水分快速蒸發(fā)，分子內(nèi)部氣壓快速升高，細胞壁快速破碎，從而縮短提取時間、提高產(chǎn)量[35]。研究表明微波加熱可以減少共價鍵水解，從而使提取的果膠多糖分子量更大、黏度和凝膠強度更高[36]。由圖1可知，馬鈴薯果膠提取過程中使用的提取物質(zhì)通常是酸、堿、酶等[37-38]，酸提取是果膠多糖的主要提取方法，果膠的產(chǎn)量隨酸性增強而升高，但是酸提取會導致果膠中性側鏈的水解[39]。堿提取的果膠能很好地保留中性側鏈，且提取時間短，但堿會使果膠多糖的半乳糖醛酸側鏈和阿拉伯糖側鏈脫支化[40]。酶能夠很好地提取果膠多糖，避免酸和堿提取造成的負面影響，但是酶提取具有反應時間長，經(jīng)濟效益低的缺點[41]。具體的提取方法有以下幾種。

1.1 酸提取

由于操作方便，在食品工業(yè)中常采用稀酸溶液提取細胞壁果膠。酒石酸、蘋果酸、檸檬酸、乳酸、乙酸、鹽酸、硝酸、磷酸已被用于提取果膠，但由于成本的原因，用得最多的還是無機酸。在提取馬鈴薯果膠的過程中，酸的種類和濃度對果膠產(chǎn)量有很大的影響。YANG等[42]采用3種無機酸（鹽酸、硫酸、硝酸）和2種有機酸（檸檬酸、醋酸）來提取馬鈴薯果膠，發(fā)現(xiàn)影響馬鈴薯果膠產(chǎn)量高低的主要因素在于酸的螯合能力及其水解能力。檸檬酸是一種螯合劑，能與果膠中的鈣鎂離子形成螯合物，使得果膠與細胞壁的結合能力下降[43]，所以用檸檬酸提取的馬鈴薯果膠產(chǎn)量最高，為馬鈴薯干重的14.34%，而其他無機酸提取比醋酸提取產(chǎn)量高的原因是由于其他無機酸的水解能力強于醋酸，所以導致醋酸提取的果膠產(chǎn)量最低。研究者采用超聲-微波輔助酸法提取馬鈴薯果膠，研究溫度、pH值、提取時間對馬鈴薯果膠的影響，并通過響應面法來優(yōu)化提取條件，發(fā)現(xiàn)在93℃、pH 2條件下提取50 min，果膠產(chǎn)量最高，可達干重的22.86%[44]。王文霞等[45]分別用鹽酸法、檸檬酸法、堿性磷酸鹽法和復合鹽法從馬鈴薯渣中提取果膠，研究不同的提取方法對馬鈴薯果膠產(chǎn)量、組成特性的影響，發(fā)現(xiàn)堿性磷酸鹽法和復合鹽法提取的果膠產(chǎn)量較高，分別為29.89%和21.01%。

1.2 堿提取

堿提取是通過β-消除和氧化作用，大面積水解果膠中的HG區(qū)，使得果膠從細胞壁材料上釋放出來。堿提取可以增加果膠多糖中性鏈含量，降低果膠的酯化程度[46]。KHODAEIA等[40]用不同濃度的KOH、NaOH（0.5、1、2 mol/L）來提取馬鈴薯果膠多糖，發(fā)現(xiàn)隨著堿濃度的升高，馬鈴薯果膠的提取率隨之升高，同等濃度下KOH和NaOH所提取的果膠產(chǎn)量無顯著差異。研究者用微波輔助KOH提取富含半乳糖的馬鈴薯果膠多糖RGI，研究KOH濃度、固液比、提取時間、提取功率對產(chǎn)量、分子量（大于600 kDa）、單糖組成的影響，發(fā)現(xiàn)在微波功率為36.0 W、KOH濃度為1.5 mol/L、固液比為2.9%、提取時間為2 min條件下果膠產(chǎn)量最高[46]。

1.3 酶提取

使用相關酶可以有效提取果膠。提取果膠多糖的酶有多聚半乳糖醛酸酶、果膠酶、果膠裂解酶等。這些酶降解果膠的主鏈（多聚半乳糖醛酸酶）、取代基（果膠酶）或側鏈（果膠裂解酶和果膠解酶）[47]。前人用多聚半乳糖醛酸酶從去淀粉的馬鈴薯渣中提取果膠多糖，表明酶能很好地提取果膠RG I，提取的RG I的產(chǎn)量可達干重的40%，且分支程度較高[48]。KHODAEIA等[49]研究了多聚半乳糖醛酸酶濃度、馬鈴薯細胞壁濃度、提取時間對馬鈴薯果膠產(chǎn)量、中性糖含量、單糖組成的影響，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯細胞壁濃度和酶用量是影響果膠多糖產(chǎn)量和阿拉伯糖含量最重要的參數(shù)，在酶濃度為160U/g、細胞壁濃度為0.3 mg/mL條件下，反應30 h，果膠多糖的產(chǎn)量最高，可達干重的63.3%。ANNE等[50]用響應面法研究酶法提取馬鈴薯果膠的最佳提取條件，發(fā)現(xiàn)在0.27%的酶用量，溫度為62.5℃，pH 3.5條件下提取1 h，果膠產(chǎn)量最高。

2 結構特征

果膠多糖的結構非常復雜。從同種材料中提取的果膠也可能有不同的結構、理化特征和生物活性。通常來說，果膠多糖的結構特征主要包括分子量、單糖組成、酯化度、糖苷鍵的連接方式、單糖的連接順序。研究馬鈴薯果膠多糖結構的技術有核磁共振、氣相色譜、氣相色譜-質(zhì)譜，高效液相分子排阻色譜、紅外光譜等。

2.1 單糖組成

通常來說，要解析出馬鈴薯果膠的單糖組成，首先將果膠完全水解，使其分子上的糖苷鍵斷裂，釋放出氧化的單糖分子，然后被氧化的單糖還原，最后用已知單糖為標品，采用色譜技術來分析單糖組成。盡管從馬鈴薯中提取了很多種果膠，但是馬鈴薯果膠的單糖一般由不同摩爾比的半乳糖、半乳糖醛酸、鼠李糖、葡萄糖、甘露糖、木糖組成，其中半乳糖和半乳糖醛酸含量較高，木糖和葡萄糖的含量很少[42-50]。不同摩爾比的單糖組分可能與馬鈴薯成熟度、儲存時間、分離方法、純化方法等有關[51]。NASTARAN等[46]研究認為固液比是影響果膠中半乳糖/鼠李糖（Gal/Rha）的最重要參數(shù)，固液比越大，半乳糖/鼠李糖（Gal/Rha）越小；KOH濃度和提取時間會影響果膠多糖的半乳糖含量，提取時間不變，KOH濃度增加半乳糖含量增加，KOH濃度不變，提取時間增加，半乳糖的含量也增加，但是KOH濃度和提取時間同時增加會導致半乳糖的含量的降低。NASTARAN等[49]研究提取酶濃度、提取時間、馬鈴薯細胞壁材料濃度對提取果膠的單糖的影響，發(fā)現(xiàn)細胞壁濃度和酶用量是影響半乳糖和阿拉伯糖含量的最重要參數(shù)。

2.2 分子量

目前，測定聚合物平均分子量和分散指數(shù)的技術主要有：消光法、黏度測定法、沉降法、高效液相色譜法、分子排阻色譜法[52-56]。其中分子排阻色譜是測定馬鈴薯果膠多糖分子量分布最常用的方法。在對馬鈴薯果膠分子量分析中發(fā)現(xiàn)存在果膠分子量分部范圍廣、均一性差的問題。研究表明馬鈴薯果膠的分子量分部在 20 kDa～1 000 kDa 之間[42-50]。

2.3 酯化度

酯化度指果膠中被酯化的半乳糖醛酸殘基占總的半乳糖醛酸比例，是其甲酯化、乙?；王０坊目偤?。果膠的酯化度與提取方法、純化方法、原料等有關。YANG等[42，44]采用鹽酸提取馬鈴薯果膠多糖，發(fā)現(xiàn)微波-超聲波輔助提取的果膠的甲酯化程度和乙酰化程度分別為32.58%和17.84%，而用傳統(tǒng)的熱水提取的馬鈴薯果膠的甲酯化和乙酰化程度分別為28.61%和11.92%。

2.4 化學結構

研究果膠多糖化學結構的化學方法有：部分酸水解、高碘酸鉀氧化、Smith降解、甲基化分析。使用化學方法將其分解為小片段后，再通過氣相色譜、質(zhì)譜、紅外光譜、核磁共振、紫外光譜等方法研究果膠多糖的糖苷鍵連接方式和分支情況。

盡管提取的馬鈴薯果膠結構多樣，但其結構特征只有很少的一部分被解析出來。研究表明馬鈴薯果膠RG I的含量很高，馬鈴薯RG I含有高度分枝的（1-4）-β-半乳糖（67%）和（1-5）-α-阿拉伯糖（19%）側鏈[57]。INGE BYG等[41]研究表明馬鈴薯RGI型果膠的典型連接方式是果膠中的鼠李糖（Rha）中C1（O）-C2（O）原子連接和半乳糖醛酸（GalA）中C1（O）-C4（O）原子連接。?BRO J等[48]研究表明 RG I中的 Gal分支部分可能與I型阿拉伯半乳聚糖相連。I型阿拉伯半乳糖的主干由連接在C1（O）-C4（O）的半乳糖單元組成，其中半乳糖部分的C3（O）原子處進一步與阿拉伯糖連接形成I型阿拉伯半乳糖。馬鈴薯RG I中約72%的阿拉伯糖（Ara）以（1→5）形式連接，約11%的阿拉伯糖在C3（O）原子上有支鏈。ZANDLEVEN等[58]表明木糖殘基可能附著在馬鈴薯GalA的C3（O）上。NASTARAN等[49]研究表明馬鈴薯果膠多糖中Rha主要以（1→2）鍵連接，半乳糖和阿拉伯糖殘基分別以（1→4）和（1→5）連接，呈線型結構，支鏈半乳糖占總半乳糖的17.5%～18.2%，支鏈Ara占總阿拉伯糖的14.0%～12.5%，末端阿拉伯糖殘基的比例高于末端半乳糖殘基。

3 生物活性

盡管大量研究表明果膠在抗氧化、抗炎、抗腫瘤、益生元、免疫等方面具有生物活性。但是對馬鈴薯果膠生物活性的報道較少，目前相關研究主要針對抗癌性和益生元特性方向展開。

3.1 抗癌性

前人研究認為天然化合物在癌癥治療或預防中是一種很有前途的補充途徑。在動物體內(nèi)外研究中已經(jīng)證實果膠具有抗腫瘤活性。然而，具體的抗癌成分及其化學性質(zhì)尚待確定。分子量、酯化程度、單糖的組成是影響果膠抗癌性重要參數(shù)[59]。研究表明，果膠的抗腫瘤活性主要與其與半乳糖結合蛋白3的結合能力有關。半乳糖結合蛋白3是一種在癌細胞中上調(diào)表達的蛋白質(zhì)，能驅(qū)動許多癌變過程[60]。

研究表明富含RGI的果膠片段能有效抑制半乳糖結合蛋白3介導的凝血反應、半乳糖結合蛋白3與T細胞的結合。CHENG等[61]研究表明馬鈴薯RGI能抑制HT-29細胞的增殖，并顯著誘導細胞分裂停滯在G2/M期，這種抑制作用可能與細胞周期蛋白B1和細胞周期蛋白依賴性激酶1下調(diào)表達有關。MAXWELL等[62]研究了馬鈴薯RGI對結腸癌細胞株DLD1和HCT116增殖的影響，并確定半乳糖結合蛋白3在介導這些作用中的作用，發(fā)現(xiàn)RGI以劑量依賴的方式顯著降低了兩種細胞系的細胞增殖，馬鈴薯中提取的RGI以與半乳糖結合蛋白3結合的方式抑制結腸癌細胞株DLD1和HCT116的增殖。

3.2 益生元特性

益生元是不能在胃中消化，卻能夠促進腸道有益菌代謝和增殖的有機物質(zhì)。KHODAEI等[63]研究表明，馬鈴薯RG I及其水解物都是不可消化的，而且能促進腸道中雙歧桿菌的生長。THOMASSEN等[64]利用多聚半乳糖醛酸酶和果膠裂解酶從馬鈴薯果肉中提取高分子量多糖（高達400 kDa），發(fā)現(xiàn)其中的RG I能促進雙岐桿菌和乳酸菌的生長，并且富含RGI的部分比富含HG的部分的效果更好。此外，MICHALAK等[65]用多聚半乳糖醛酸酶和果膠裂解酶從馬鈴薯中提取果膠多糖，并用1，4-β-半乳糖內(nèi)切酶剪切果膠多糖，生成<10 kDa和>10 kDa的兩個組分，發(fā)現(xiàn)這些底物能過促進有益菌的生長，抑制有害菌的生長。

4 馬鈴薯果膠的開發(fā)應用前景

4.1 食品加工

在傳統(tǒng)的食品加工業(yè)中，果膠常用作食品添加劑。由于其形成凝膠能力很強，所以常用作酸奶、牛奶、冰淇淋、果醬等產(chǎn)品的穩(wěn)定劑、增稠劑和凝膠劑。果膠還有促進腸道有益微生物生長、抗氧化、吸收人體內(nèi)重金屬等特性，使其在保健食品的生產(chǎn)上具有很大的潛力。目前，在國內(nèi)保健食品中已使用果膠，如清除人體重金屬鉛的益多元和一些益生菌飲料等。馬鈴薯果膠在食品加工上的應用還有待研究。

4.2 食品包裝

食品包裝系統(tǒng)具有信息傳遞、包裝、銷售等多種功能，主要功能是將食品與周圍環(huán)境隔絕出來，避免食物變質(zhì)，延長保質(zhì)期。塑料和石油聚合物是市場上的主要食品包裝材料，但是它們具有不可再生、難降解的缺點。果膠作為一種廣泛存在、可再生、易于降解的天然化合物，可用作食品包裝中的涂層和可食用薄膜。研究表明以果膠作為主要原料的食用膜在隔絕氧氣、油方面具有較大優(yōu)勢[66]。果膠膜現(xiàn)已被用于包裝新鮮蔬菜和水果，如蘋果、西紅柿等[67]。馬鈴薯果膠在食品包裝中的應用有待深入研究。

4.3 醫(yī)療衛(wèi)生

果膠具有來源廣泛、可再生、細胞毒性低、生物兼容強等特點。在醫(yī)療領域已應用于口服藥劑、藥物傳遞系統(tǒng)和傷口敷料中。研究表明果膠有助于血液中膽固醇的降解，促進脂類代謝的功能[68]。一些臨床試驗表明，果膠具有促進腸道有益微生物生長的特性，能夠降低兒童腸道感染和腹瀉的風險[69]。研究表明，果膠不能被胃和腸道酶水解，且能在水和各種陽離子的溶液中形成凝膠。這一特性使得果膠具有成為藥物傳遞系統(tǒng)的潛力[70]。市場上已存在一些由果膠為主要成分的傷口敷料。果膠能夠裝載和釋放抗生素、止痛藥、組織修復劑等藥物和在傷口上形成軟凝膠來積極參與傷口愈合[70]。馬鈴薯果膠在醫(yī)療上的應用有待研究。

5 展望

馬鈴薯果膠具有抗癌、益生元等生理活性，市場前景廣闊，經(jīng)濟價值極高。馬鈴署果膠的高效提取，是其產(chǎn)業(yè)化的關鍵問題，在增加馬鈴薯附加值方面起著重要作用。目前，在研究果膠提取工藝方面，主要研究提取材料的粒徑大小、提取方法、純化方法對果膠產(chǎn)量和結構的影響。在研究提取物粒徑方面，傳統(tǒng)的方法是將提取物研磨成1 μm～100 μm大小。采用新的超細粉碎技術，可以將提取物的粒徑粉碎成0.1 μm～1 μm，使得材料中果膠鏈暴露[71]。研究發(fā)現(xiàn)原料經(jīng)過超細粉碎后，在25℃、pH 5的溫和條件下，能較好的提取果膠，這種方法提取對環(huán)境更加友好，在果膠的清潔生產(chǎn)中具有潛在的應用價值[72]。

在果膠多糖的提取方法中，現(xiàn)在生產(chǎn)中常用的方法是加熱、超聲輔助提取和微波輔助提取。這些方法需要酸、堿、酶等物質(zhì)對果膠進行水解，對于提取設備的要求較嚴，會產(chǎn)生酸性或堿性的廢氣液，需要進一步的處理。隨著科技的發(fā)展，研究人員又提出一些新的提取方法如亞臨界流體萃取、高速均質(zhì)剪切技術、射頻輔助提取等[73-75]。亞臨界流體萃取的高溫使得水在亞臨界條件下pH值較低，提取物的水解能自發(fā)進行，不需要酸的加入。目前研究者使用該方法，成功從柚子皮中萃取出一種低甲氧果膠[68]，該果膠中甲氧基低于7%，能促進結腸菌群發(fā)酵引起的糞便膨脹，刺激結腸蠕動，在開發(fā)低糖保健食品選擇用膠時具有無可比擬的優(yōu)勢[76]。傳統(tǒng)工藝中，低甲氧果膠的制備一般是通過高甲氧果膠來制備，亞臨界流體萃取能很好省略高甲氧果膠到低甲氧果膠的制備過程，節(jié)約成本。高速均質(zhì)剪切技術、射頻輔助提取等果膠提取新工藝，較之傳統(tǒng)生產(chǎn)方式也具有一定優(yōu)勢，與加熱法相比，高速均質(zhì)剪切技術和射頻輔助提取的果膠產(chǎn)量顯著升高，具有更高的黏度和平均分子量[74-75]。目前，以馬鈴薯為原料進行的果膠提取中，已有酶/酸/堿（結合超聲波/微波/熱水）等幾種工藝流程被報道，其它技術，如亞臨界流體萃取等方法，尚未應用于馬鈴薯中。因此，針對這些綠色新技術與新方法，開展深入的探索和研究，對馬鈴薯果膠的提取工藝優(yōu)化、品質(zhì)提升、商業(yè)性生產(chǎn)都具有積極的效應。

均一性是影響馬鈴薯果膠理化性質(zhì)、功能穩(wěn)定的關鍵因素之一，制約了果膠多糖的開發(fā)與應用。目前相關研究中，供試的馬鈴薯果膠均存在分子量分布廣、結構特征和生物活性重復性差等問題，這是由于沒有標準的純化工藝所導致的。因此，構建穩(wěn)定高效的純化流程體系，將是下一步馬鈴薯果膠研究的熱點問題之一。