果膠特性及其低聚糖制備的研究綜述

焦旭，張路遙，韋云路，黃琳琳，李菲，李全宏

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，國(guó)家果蔬加工工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室（北京 100083）

糖類(lèi)數(shù)目繁多，根據(jù)其聚合度可分為單糖、低聚糖和多糖。單糖結(jié)構(gòu)單一，多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二者研究較多，而介于中間的低聚糖卻研究較少。果膠是一種來(lái)源廣泛的天然植物多糖，具有良好的理化性質(zhì)，可當(dāng)作穩(wěn)定劑、乳化劑、膠凝劑和增稠劑應(yīng)用于食品中，但復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)限制了其研究應(yīng)用。果膠低聚糖是果膠降解后的低聚產(chǎn)物，較大分子果膠而言結(jié)構(gòu)相對(duì)明確，是近年來(lái)的研究重點(diǎn)。果膠經(jīng)降解后，酯化度、凝膠特性等性質(zhì)隨著結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量的變化而改變，使得果膠低聚糖在工業(yè)和研究中發(fā)揮了不可替代的作用。研究針對(duì)果膠和果膠低聚糖的特性進(jìn)行了綜述，并對(duì)由果膠制備果膠低聚糖的方法進(jìn)行了總結(jié)歸納，以期為后續(xù)研究和進(jìn)一步利用提供理論基礎(chǔ)。

1 果膠及果膠低聚糖

1.1 果膠

果膠是一種廣泛分布于植物體內(nèi)的雜多糖，其分子由平滑區(qū)和毛發(fā)區(qū)組成。平滑區(qū)即同聚半乳糖醛酸區(qū)（Homogalacturonans，HG），由半乳糖醛酸殘基通過(guò)-1,4-糖苷鍵線性連接，部分C-6位置被甲酯化，部分O-2或O-3位置被乙?；痆1]。毛發(fā)區(qū)包含鼠李半乳糖醛酸聚糖I區(qū)（Rhamnogalacturonan type I，RG-I）、鼠李半乳糖醛酸聚糖II區(qū)（Rhamnogalacturonan type II，RG-II）及木糖半乳糖醛酸聚糖區(qū)（Xylogalacturonan，XGA）。其中RG-I區(qū)主鏈由半乳糖醛酸與鼠李糖交替組成，并連有阿拉伯（聚）糖、半乳（聚）糖或阿拉伯半乳聚糖等中性糖側(cè)鏈。RG-II區(qū)與XGA區(qū)的主鏈均為同聚半乳糖醛酸，但前者的側(cè)鏈?zhǔn)怯啥喾N不同的糖分子通過(guò)復(fù)雜的糖苷鍵連接而成的，后者的側(cè)鏈則為木（聚）糖[2]。

果膠的含量與結(jié)構(gòu)受植物源與植物部位差異的影響，例如，甜菜果膠中HG的聚合度低于柑橘和蘋(píng)果果膠，但RG-I的含量卻較高[3]。果膠的功能性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而相對(duì)分子質(zhì)量、單糖組成、半乳糖醛酸含量及酯化度作為分析果膠的指標(biāo)，也是影響其結(jié)構(gòu)的重要因素。此外，凝膠特性、黏度及溶解度等性質(zhì)也決定著其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。果膠作為一種親水性植物多糖，以食品功能因子添加到食品中，可以起到穩(wěn)定劑、乳化劑、增稠劑的效果[4]。

1.2 果膠低聚糖

低聚糖，又稱(chēng)寡糖，近年來(lái)由于其獨(dú)特的生物活性和特性，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的使用。果膠低聚糖（pectin oligosaccharides，POS）是果膠發(fā)生降解后生成的低相對(duì)分子質(zhì)量寡糖產(chǎn)物[5]。作為POS來(lái)源的果膠，相對(duì)分子質(zhì)量范圍很廣，高者可達(dá)Da，但過(guò)大的相對(duì)分子質(zhì)量與復(fù)雜的中性糖側(cè)鏈會(huì)影響其特性。Olmos等[6]的研究表明：低聚糖的特性取決于其組成和聚合度。特定聚合度的產(chǎn)品（通常為低聚物）相對(duì)于其來(lái)源的多糖更具優(yōu)勢(shì)，尤其體現(xiàn)在生物活性方面。蘇艷玲等[7]的研究也表明果膠的中性糖側(cè)鏈越多，對(duì)其膠凝的阻礙作用越明顯，反之，越有利于膠凝作用。

通過(guò)總結(jié)前人的研究可知，利用果膠為原料制備POS，不論對(duì)于科學(xué)研究還是工業(yè)利用來(lái)說(shuō)，都具有重要意義。

2 果膠特性

2.1 半乳糖醛酸含量

半乳糖醛酸（Gal-A）含量代表果膠的純度，其含量越高，果膠越純?！禛B 25533—2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 果膠》中規(guī)定：食品添加劑果膠的總Gal-A含量不得低于65。測(cè)定Gal-A含量的方法有：硫酸咔唑法、間羥基聯(lián)苯法、3,5-二硝基水楊酸法、離子色譜法及其他新方法。Baldassarre等[8]就利用新技術(shù)——近紅外高光譜成像法快速測(cè)定柑橘?gòu)U棄物中的果膠含量，并認(rèn)為該方法能替代傳統(tǒng)的硫酸咔唑法。

果膠來(lái)源十分廣泛，提取手段各不相同，這些導(dǎo)致了果膠Gal-A含量的千變?nèi)f化。不同植物源的果膠Gal-A含量不同。Grassino等[9]測(cè)定番茄渣中的果膠含量在15.1%～21.1%和31.0%～35.7%之間，Yang等[10]測(cè)定馬鈴薯果膠的Gal-A含量為41.78。同種植物源不同植物部位的果膠Gal-A含量不同。Kazemi等[11]測(cè)定茄子皮果膠和茄子花萼果膠的Gal-A含量分別為67.4和60.2。來(lái)源相同但樣品狀態(tài)不同的果膠Gal-A含量不同。Petkowicz等[12]測(cè)定新鮮西瓜皮和凍干西瓜皮的Gal-A含量分別為74.2和68.7。不同提取方法獲得的果膠Gal-A含量不同。Bagherian等[13]測(cè)定了傳統(tǒng)熱水浸提、超聲波輔助、微波輔助及超聲波微波輔助法提取柚子果膠的Gal-A含量，結(jié)果分別為69.9%，74.86%，68.21%和74.25%。

2.2 酯化度

酯化度（degree of esterification，DE）是指果膠分子中被酯化的半乳糖醛酸基占全部半乳糖醛酸基的百分比，其中，甲氧基含量不低于7的果膠稱(chēng)為高甲氧基果膠（low-methoxy pectin，LMP）（DE50），否則為低甲氧基果膠（high-methoxy pectin，HMP）（DE50）[14]。酯化度不論對(duì)果膠還是果膠低聚糖的物理化學(xué)性質(zhì)都具有重要影響，通常采用滴定法測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，凝膠特性、溶解度及黏度都與酯化度密切相關(guān)：酯化度越高，膠凝時(shí)間越短，同時(shí)膠凝速度越快；表觀黏度與酯化度成正比，而特性黏度和溶解度與之成反比[15]。果膠的酯化度可以通過(guò)不同方法來(lái)改變，一般采用甲酯化反應(yīng)提高酯化度，酸/堿脫酯化或脫酯酶作用降低酯化度。丁萍等[16]采用鹽酸催化甲酯化反應(yīng)，在無(wú)水甲醇的環(huán)境下制備酯化度高達(dá)91.20的高甲氧基橘皮果膠，并利用其甲氧基疏水、羥基親水的雙親性制備穩(wěn)定性良好的乳狀液。Hua等[17]的研究表明，在一定的脫酯酶作用下，脫酯果膠的特性黏度比原材料更高，但由于脫酯反應(yīng)的堿性環(huán)境使得果膠發(fā)生降解，高聚鏈解聚成低聚物的同時(shí)，特性黏度也會(huì)相應(yīng)降低。

2.3 凝膠特性

凝膠特性是判斷果膠成膠能力的重要指標(biāo)。對(duì)于HMP而言，一定溫度下適當(dāng)?shù)奶撬岜饶艽偈蛊涑赡z，條件一般為pH 2.0～3.8，可溶性固形物含量不低于55%；而對(duì)于LMP來(lái)說(shuō)，必須在有二價(jià)陽(yáng)離子存在的情況下才能成膠，條件一般為pH 2.6～2.8，可溶性固形物含量10%～80%[18]。Yang等[19]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH從3.5增加到8.5時(shí)，由于LMP游離羧基含量增加，其凝膠強(qiáng)度和成膠率均增加，但當(dāng)pH繼續(xù)增加至9.5時(shí)，-消除反應(yīng)使得果膠相對(duì)分子質(zhì)量降低，進(jìn)而導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度和凝膠速率下降。除pH、溫度、可溶性固形物含量及二價(jià)陽(yáng)離子濃度等外界條件外，酯化度對(duì)果膠凝膠特性也有很大影響。Kastner[20]用植物源果膠甲酯酶對(duì)柑橘果膠脫甲基化處理，得到的產(chǎn)物與原果膠相比，起始成膠溫度增高，且形成的凝膠更具彈性，分析其原因?yàn)槊擋セz的游離羧基形態(tài)、鈉離子含量及相對(duì)分子質(zhì)量發(fā)生了改變，進(jìn)而導(dǎo)致果膠凝膠特性的變化。此外，果膠的凝膠特性還會(huì)受其分子結(jié)構(gòu)的影響：Sousa等[21]使用針對(duì)阿拉伯聚糖和半乳聚糖的特性酶來(lái)探究帶有不同中性糖側(cè)鏈的果膠的成膠能力。結(jié)果表明：隨著中性糖濃度的特定降低，果膠的膠凝溫度和凝膠強(qiáng)度均有顯著下降，Zheng等[22]也得出了相似的結(jié)論：阿拉伯糖側(cè)鏈能促進(jìn)凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，對(duì)果膠成膠有積極作用，分析其原因?yàn)閭?cè)鏈的纏結(jié)使凝膠網(wǎng)絡(luò)更加致密，限制其流動(dòng)性，從而提高凝膠強(qiáng)度。

2.4 其他

果膠及其低聚糖的相對(duì)分子質(zhì)量也是影響其特性的因素。Michel等[23]的研究表明低相對(duì)分子質(zhì)量的POS比天然果膠更易溶解，低黏度使它們更易添加到食品中，例如制作酸奶時(shí)，在牛奶中添加POS能改善酸奶的質(zhì)地，低黏度的特性還可以使它們作為保濕劑添加到食品中。Kapoor等[24]證明了從果膠中分離出的低聚糖比其天然化合物具有更好的半乳糖凝集素3抑制活性，Singh等[25]也說(shuō)明了厚壁菌門(mén)細(xì)菌對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量小的POS的利用度高于相對(duì)分子質(zhì)量大的。

3 POS的制備

目前制備POS的方法主要有三種：從原料中直接提取、利用化學(xué)手段合成及降解果膠。雖然各種植物中POS含量存在差異，但總體來(lái)看含量較低，使得直接提取法的獲取率低，可行性低。利用化學(xué)合成手段雖然能得到特定結(jié)構(gòu)的POS，但此法更適合科研工作需要，對(duì)于工業(yè)上需求量大的特點(diǎn)而言存在成本高、產(chǎn)量低的問(wèn)題。而目前在研究中和工業(yè)上常通過(guò)降解果膠來(lái)制備POS，根據(jù)其作用原理，又可分為物理降解、化學(xué)降解及酶解。

3.1 物理降解制備POS

物理降解果膠主要包括熱降解、超聲波降解、輻照降解及高壓降解。楊蕾[26]在其研究中通過(guò)將果膠在121 ℃高溫下處理30 min來(lái)獲取POS，并發(fā)現(xiàn)POS的益生指標(biāo)較果膠而言有明顯提高，且益生效果與相對(duì)分子質(zhì)量大小成反比關(guān)系。Zhang等[27]對(duì)比了超聲波降解、超聲波輔助酸法降解及酸法降解柑橘果膠的差異，發(fā)現(xiàn)不同方法對(duì)柑橘果膠的相對(duì)分子質(zhì)量與結(jié)構(gòu)均有影響，并認(rèn)為超聲波降解法具有環(huán)保、溫和及省時(shí)等特點(diǎn)。Kang等[28]的研究表明，由輻照降解的POS可以降低由高膽固醇飲食誘導(dǎo)的小鼠血清中的甘油三酯、低密度脂蛋白及總膽固醇水平，因此可以將輻照作為一個(gè)從柑橘中生產(chǎn)功能性POS的方式。Chen等[29]利用動(dòng)態(tài)微流高壓控制法以蘋(píng)果果膠為原料制備POS，果膠轉(zhuǎn)化率32.92%，得到的POS能增加雙歧桿菌和乳酸菌的數(shù)量，同時(shí)減少擬桿菌和梭狀芽孢桿菌的數(shù)量，促進(jìn)部分短鏈脂肪酸的生成。

物理降解制備POS雖然不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)試劑的污染，但此法隨機(jī)性大，想要通過(guò)調(diào)節(jié)物理變量可控的制備低聚糖還具有一定挑戰(zhàn)[5]。

3.2 化學(xué)降解制備POS

常用的化學(xué)降解手段有酸水解與堿水解。三氟乙酸、乙酸、硝酸、鹽酸是常用的水解酸，而氫氧化鈉、氫氧化鉀是常用的水解堿。

Zhang等[30]通過(guò)調(diào)節(jié)三氟乙酸的濃度，得到三種柑橘皮POS，又通過(guò)改變過(guò)氧化氫的濃度和反應(yīng)時(shí)間，得到另外兩種低聚糖。對(duì)比兩種方法，發(fā)現(xiàn)后者所得產(chǎn)物具有更高的益生潛力。Kapoor等[24]的研究中采用先乙酸降解后乙醇沉淀的方法降解原果膠為具有抗癌作用的POS。Manderson等[31]用硝酸從橙汁副產(chǎn)物中提取POS，得率為8。Renard等[32]用鹽酸水解去酯化甜菜漿，得到含有鼠李糖、半乳糖醛酸、阿拉伯糖及半乳糖的POS。Khodaei等[33]采用堿提取，微波輔助的方法，以固液比2.9%（1.5 mol/L氫氧化鉀）、微波功率36.0 W，提取時(shí)間2 min的最佳提取工藝從馬鈴薯渣副產(chǎn)物中獲得富含半乳糖的RG-I。

化學(xué)降解法往往需要使用大量的化學(xué)試劑，對(duì)環(huán)境不友好，且得到的POS的聚合度有限[34]。

3.3 酶解制備POS

果膠的酶解包括兩部分：由水解酶催化的水解反應(yīng)和由裂解酶催化的β-消除反應(yīng)。水解反應(yīng)作用于果膠中性糖側(cè)鏈，常用的酶有阿拉伯糖苷酶/聚糖酶、半乳糖苷酶/聚糖酶、甘露糖苷酶/聚糖酶及木糖苷酶/聚糖酶，根據(jù)每種酶的作用點(diǎn)不同，以?xún)?nèi)切、外切兩種方式降解果膠中性糖側(cè)鏈。β-消除反應(yīng)作用于果膠主鏈，將高聚的HG、RG-I、RG-II及XGA主鏈進(jìn)行降解得到低聚物，常用酶有半乳糖醛酸聚糖酶、果膠裂解酶與鼠李半乳糖醛酸聚糖裂解酶，根據(jù)其作用位點(diǎn)不同也可分為內(nèi)切酶與外切酶。

Holck等[1]連續(xù)使用單組分酶來(lái)目的性的降解甜菜果膠，先用果膠裂解酶來(lái)釋放果膠分子中的HG區(qū)，再用阿拉伯糖苷酶和阿拉伯聚糖酶來(lái)降解果膠分子的側(cè)鏈，最后用RG-I裂解酶來(lái)降解果膠分子的RG-I區(qū)，并提出：無(wú)論是多糖還是低聚糖，分子大小是影響果膠益生作用的一個(gè)共同關(guān)鍵點(diǎn)。Olmos等[6]的研究中直接選用了兩種復(fù)合式商業(yè)果膠酶：Rohapect DA6L和Macer8 FJ，其中前者的果膠降解率為94.9，為工業(yè)降解果膠提供了參考。酶膜生物反應(yīng)器是酶解制備POS中常用的一種方法，它能在酶解的同時(shí)進(jìn)行膜分離，與傳統(tǒng)的酶解后再繼續(xù)透析或超濾相比，集降解與分離為一體。Baldassarre等[8]研究出一種基于錯(cuò)流式的酶膜生物反應(yīng)器，采用復(fù)合多糖酶L與截留分子質(zhì)量為10 kDa的膜可獲得體積產(chǎn)率22.0 g/L/h的POS（聚合度2～4），此體積產(chǎn)率是之前研究的3～5倍。

酶解法可制備特定的POS，不產(chǎn)生不良副產(chǎn)物，具有環(huán)保、溫和等特點(diǎn)，是工業(yè)中生產(chǎn)食品級(jí)POS的常用手段。

4 POS的分離純化

POS的制備物中常含有多糖、單糖及色素等雜質(zhì)，需通過(guò)分離純化來(lái)獲取單一產(chǎn)品。目前常用的分離純化分析手段分為兩種：色譜柱分離法和膜分離技術(shù)。

色譜柱分離法中常用到離子交換色譜法、凝膠過(guò)濾法及液相色譜法。離子交換色譜法是利用離子交換的原理將帶有不同電荷的樣品分離開(kāi)來(lái)，POS因富含半乳糖醛酸而帶有負(fù)電荷，所以常采用陰離子交換色譜柱。Wang等[34]利用高效陰離子交換色譜-脈沖安培檢測(cè)器和超高效液相色譜結(jié)合電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜分析蘋(píng)果果膠水解產(chǎn)物，結(jié)果表明主要水解產(chǎn)物是聚合度較小的低聚半乳糖醛酸（聚合度4～6）。凝膠過(guò)濾色譜法又叫排阻色譜法、分子篩等，是根據(jù)溶質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量的差別進(jìn)行分離的，相對(duì)分子質(zhì)量大的溶質(zhì)先被洗脫出來(lái)。王江浪[35]利用凝膠過(guò)濾色譜法分離純化蘋(píng)果POS，最終得到抑菌（大腸桿菌、金黃色葡萄球菌）效果良好的低聚糖。色譜柱分離法雖然是一種常用的分離純化方法，但因其制備量小，制備成本高而多用于實(shí)驗(yàn)室研究，不適合工業(yè)上大規(guī)模制備使用。

膜分離技術(shù)是不同粒徑分子的混合物在通過(guò)半透膜時(shí)實(shí)現(xiàn)選擇性分離的技術(shù)。根據(jù)膜的種類(lèi)可分為微濾、納濾、超濾、電滲析和反滲透等等。通過(guò)對(duì)膜截留相對(duì)分子質(zhì)量的選擇，可以將單糖、低聚糖和多糖進(jìn)行分離。Michelon等[36]利用納濾技術(shù)純化乳糖、葡萄糖和半乳糖的商業(yè)混合物中的低聚半乳糖，回收率達(dá)到61%。膜分離過(guò)程是一種純物理過(guò)程，具有無(wú)相態(tài)及化學(xué)變化、體積小、可拆分、環(huán)境友好等特點(diǎn)，根據(jù)混合物的相對(duì)分子質(zhì)量選擇不同的膜及合適的膜工藝，可以提高生產(chǎn)收率、減少投資規(guī)模和運(yùn)行成本。

5 結(jié)語(yǔ)

果膠來(lái)源十分廣泛，是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然植物多糖，具有多種功能，不僅能當(dāng)作添加劑添加到食品中改善食品的質(zhì)量，還在生物醫(yī)藥及保健品領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。而正是因?yàn)楣z的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使其在研究中受到阻礙，利用果膠制備POS也就成為了一個(gè)重要2的研究方向。

綜上所述，繼續(xù)拓展果膠的降解方法是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。酶解法降解果膠所用的酶大多是由真菌或細(xì)菌所產(chǎn)生，由它們酶解所得的果膠添加到食品中是否有負(fù)面作用值得思考，針對(duì)此問(wèn)題，應(yīng)挖掘能應(yīng)用于食品中的微生物來(lái)生產(chǎn)果膠酶，如畢赤酵母等，以此來(lái)消除潛在危險(xiǎn)。