天然果膠的研究進(jìn)展

宋娟，易樂(lè)，李琦，，馮湘沅，楊琦，席果果，鄭科，段盛文?，成莉鳳?

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410221；2.湖南利爾康生物股份有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414100)

果膠是植物相鄰細(xì)胞壁間和胞間層中均存在的一種非均質(zhì)雜多糖，由C、H、O 3 種元素組成。1825 年，法國(guó)化學(xué)家Braconnot 第一次提取到果膠，并把這種能形成凝膠的物質(zhì)命名為“Pectin”，自此許多研究者將目光轉(zhuǎn)向果膠，并致力于對(duì)果膠的研究[1]。 果膠無(wú)毒無(wú)害，安全可靠，是人體七大營(yíng)養(yǎng)要素中的膳食纖維的主要成分之一，也是世界公認(rèn)安全無(wú)毒的天然食品添加劑[2]。 果膠具有許多良好的性能如凝膠、增稠、穩(wěn)定等，從而被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、日化、紡織等加工業(yè)。

現(xiàn)階段，我國(guó)的果膠需求量大幅度增長(zhǎng)，但80%依賴于進(jìn)口[3]。 我國(guó)果膠資源豐富，但是果膠資源利用率低，果膠提取產(chǎn)業(yè)不成熟。 目前大量含果膠的原料被直接丟棄，既浪費(fèi)資源，又污染環(huán)境。 因此，果膠原料綜合利用符合“綠色、生態(tài)、環(huán)?！钡睦砟?。 大力開展非常規(guī)原料來(lái)源的果膠提取及利用，探索提高果膠產(chǎn)量和質(zhì)量的新技術(shù)和新方法，在推動(dòng)果膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有重要意義。

1 果膠來(lái)源

天然果膠來(lái)源廣泛，橘子皮、蘋果皮及馬鈴薯渣等果蔬植物原料中均有不同含量的果膠存在(表1)。 目前，商業(yè)化果膠主要是柑橘果膠和蘋果果膠[4－5]，其他來(lái)源的大部分果膠還停留在研究階段[6－7]。

表1 果膠來(lái)源及含量Table 1 Pectin source and content

2 果膠提取方法

果膠有3 種形態(tài)，即原果膠、果膠和果膠酸[29]。 果膠在植物體內(nèi)一般以不溶于水的原果膠和果膠酸鹽的形式存在，不溶于水的果膠可溶于有機(jī)酸溶液或無(wú)機(jī)酸溶液。 通過(guò)一些物理、化學(xué)以及生物的手段使原料中的不溶性果膠轉(zhuǎn)化成可溶性果膠從而分散到提取介質(zhì)中，再經(jīng)分離和純化，得到產(chǎn)物果膠[30]。 常用的提取方法可以分為物理法、化學(xué)法和生物法，其均有各自的特點(diǎn)(表2)。

表2 果膠提取方法比較Table 2 Comparison of pectin extraction methods

2.1 物理法

2.1.1 微波法

微波是一種頻率為300 MHz～300 GHz 的電磁波，微波可以穿透萃取介質(zhì)，作用于材料中的極性部分，通過(guò)離子傳導(dǎo)和偶極子旋轉(zhuǎn)機(jī)制將其轉(zhuǎn)化為熱能。 熱量加速傳質(zhì)，有助于分解果膠、纖維素和半纖維素之間復(fù)雜的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)果膠的溶解和釋放[10]。 Spinei 等[27]利用微波技術(shù)從葡萄渣中提取果膠，提取的最佳條件是微波功率560 W、pH 1.8、持續(xù)120 s，果膠得率為11.23%。程振玉等[39]使用微波法提取龍膽草果膠，在料液比1∶20、微波輻射功率700 W、提取時(shí)間15 min、提取溫度90 ℃、龍膽草粒徑0.120 mm、料液比1∶30(g/mL)時(shí)，果膠提取率達(dá)7.51%。 針對(duì)植物原料的類型，優(yōu)化微波提取的功率和時(shí)間，對(duì)保證果膠的得率和品質(zhì)至關(guān)重要。

2.1.2 超聲法

超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)、剪切力及粉碎等效應(yīng)能綜合作用在溶液中并傳遞強(qiáng)大的能量，破壞植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)溶劑的滲透力，使果膠更充分地溶解釋放。 陳熠等[40]用超聲法提取野生火棘果中的果膠，最優(yōu)工藝參數(shù)為:料液比1∶10、超聲功率300 W、溫度70 ℃、提取時(shí)間40 min、pH 2，果膠得率為8.56%。 Dranca 等[11]使用超聲提取法提取蘋果渣中的果膠，工藝的優(yōu)化結(jié)果表明，在超聲頻率100%、pH 1.8、料液比1∶10(g/mL)、30 min 時(shí)，果膠得率最高，為9.18%，半乳糖醛酸含量為98.13 g/100 g，酯化度為83.2%。 超聲頻率是影響提取效率的關(guān)鍵因素，可結(jié)合超聲時(shí)間選取最佳超聲條件。

2.1.3 萃取法

萃取是利用系統(tǒng)中組分在溶劑中有不同的溶解度來(lái)分離混合物的方法。 常用來(lái)提取果膠的萃取方法主要有超臨界流體萃取法、連續(xù)逆流萃取法以及雙水相萃取法。 使用最廣泛的是超臨界CO2萃取，CO2成本低，無(wú)毒無(wú)味無(wú)污染。 周先玉等[41]研究超臨界CO2萃取火棘果實(shí)果膠，在溫度35 ℃，壓力15.0 MPa，二氧化碳流量40 L/h 的條件下，果膠提取率最高，為3.1%。 謝練武等[42]采用連續(xù)逆流萃取法與批量萃取法提取桔皮果膠，其果膠提取率分別為8.72%和6.57%。

常用的雙水相系統(tǒng)有高聚物雙水相體系、高聚物/無(wú)機(jī)鹽雙水相體系、低分子有機(jī)物/無(wú)機(jī)鹽雙水相體系以及表面活性劑雙水相體系。 胡金梅等[20]利用PEG/硫酸銨雙水相體系同時(shí)分離火龍果皮中的天然紅色素和果膠，最佳的雙水相分離條件為:質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%的PEG 6000，19%硫酸銨雙水相體系，pH 4.0，在此條件下，富集在上相的紅色素和下相的果膠得率分別為1.82%和3.68%。胡金梅等[43]采用雙水相體系分離臍橙皮中的果膠，其最優(yōu)條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)35%、磷酸氫二鉀18%、萃取溫度78 ℃，果膠得率為8.35%。 雙水相系統(tǒng)的操作條件溫和，生物相容性好，不易使活性成分變性，適用于生物活性物質(zhì)的提取。

2.1.4 高壓脈沖電場(chǎng)法

高壓脈沖電場(chǎng)法是利用高壓脈沖波瞬間對(duì)植物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜造成巨大破壞，加速體系中待提物質(zhì)溶出[44]。 王文淵等[33]使用高壓脈沖電場(chǎng)提取秋葵果膠，最佳條件為料液比1∶28(g/mL)、酶用量600 U/g、pH 5.5、提取溫度53 ℃、電場(chǎng)強(qiáng)度10 kV/cm、脈沖數(shù)9 個(gè)、酶解時(shí)間20 min，果膠得率可達(dá)17.62%。 張佩琳[45]采用脈沖電場(chǎng)提取柚皮果膠，其果膠得率最高為4.77%。

2.1.5 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法是將提取原料置于高溫、高壓的環(huán)境下，使原料孔隙被蒸汽充滿，解除高壓的瞬間，原料孔隙中的液體在釋放壓力的作用下迅速汽化，體積急劇膨脹使細(xì)胞爆破，從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)果膠的溶出。 LIANG 等[34]利用蒸汽爆破對(duì)百香果果皮果膠進(jìn)行提取，其果膠得率為10.7%。 物料的含水量以及粉碎細(xì)度在一定程度上會(huì)影響蒸汽爆破的效果，因此，原料預(yù)處理也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1.6 亞臨界水提取法

亞臨界水被定義為溫度在100～374 ℃、壓力在0.1～22.1 MPa 狀態(tài)下的水。 通過(guò)調(diào)控亞臨界水的溫度和壓力，使其極性可在較大范圍內(nèi)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)有選擇性地對(duì)物質(zhì)分離提取。 由于亞臨界水萃取使用的是價(jià)廉的水作為萃取劑，因此，該技術(shù)被視為綠色環(huán)保、前景廣闊的一項(xiàng)變革性技術(shù)。 CUI 等[35]使用亞臨界水萃取柿皮果膠，在138 ℃、2.84 min，液固比1∶10.02 條件下，獲得最佳提取效果，其得率為7.62%。

2.2 化學(xué)法

2.2.1 酸法提取

酸提取法使用的酸可分為無(wú)機(jī)酸(硫酸、鹽酸、硝酸)和有機(jī)酸(檸檬酸、乙酸)。 酸能水解細(xì)胞壁中復(fù)雜的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)果膠溶解和釋放[46]。 無(wú)機(jī)酸會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕并對(duì)環(huán)境造成污染，尋找合適的有機(jī)酸替代無(wú)機(jī)酸進(jìn)行果膠提取是酸法提取的趨勢(shì)。 Jarrín－Chacón 等[47]報(bào)道，檸檬酸、蘋果酸和富馬酸對(duì)可可果果膠的提取得率分別為6.17%、5.11%和3.2%。 TIAN 等[48]利用酸法提取山楂果膠，提取條件為料液比1∶3、0.1 mol/L 檸檬酸溶液、pH 2、55 ℃下提取20 min，得率為33.86%，果膠酯化度為45.58%。 這些研究結(jié)果表明，有機(jī)酸有望作為一種用于果膠提取的綠色溶劑替代無(wú)機(jī)酸。

2.2.2 草酸銨法

草酸銨可使非水溶性果膠酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘墓z酸，鈣離子和草酸根結(jié)合形成草酸鈣沉淀[49]。 草酸銨具有很強(qiáng)的金屬螯合作用，可與果膠酸鈣中的鈣離子螯合生成可溶性銨鹽，增加果膠的溶解性，且處理?xiàng)l件較為溫和。 李曉娟等[50]利用草酸銨法提取南瓜果膠，其果膠平均得率為6.09%。 CHENG 等[51]用草酸銨萃取法提取苧麻韌皮果膠，得到的最佳工藝組合為提取溫度90 ℃、料液比1∶30、草酸銨濃度0.95%、萃取時(shí)間4 h，在此條件下得率為15.81%。

2.2.3 離子交換

離子交換樹脂提取法中，陽(yáng)離子樹脂含有H＋，可交換果膠中的Ca2＋、Mg2＋等陽(yáng)離子，解除陽(yáng)離子對(duì)果膠的束縛，加速果膠溶解，從而提高果膠得率[52]。 劉顯明等[53]利用離子交換法從南瓜皮中提取果膠，最佳條件為提取時(shí)間2.5 h、提取溫度80 ℃、pH 2.0、液固比30︰1 (mL/g)，離子交換樹脂用量為5%時(shí)，果膠得率為18.5%。 樹脂可吸附果皮中的鈣、鎂離子，并通過(guò)置換反應(yīng)解除其與果膠的離子鍵作用。 同時(shí)，樹脂還能吸附小分子物質(zhì)，消除果膠的機(jī)械性牽絆，降低從果皮提取果膠所需的最低能量，從而明顯地提高果膠的產(chǎn)率。

2.3 生物法

2.3.1 微生物法

微生物發(fā)酵產(chǎn)生使果膠從植物組織中游離出來(lái)的酶，其能選擇性地分解植物組織中的復(fù)合多糖體，從而有效地提取出植物組織中的果膠。 黃敏剛[54]運(yùn)用微生物發(fā)酵法提取柑橘皮果膠，其最佳工藝條件為接種量10%、發(fā)酵時(shí)間40 h、發(fā)酵溫度36 ℃、底物pH 7.0、尿素添加量為1%，在該條件下，果膠提取率最高可達(dá)到21.5%。 LIU 等[38]利用土曲霉發(fā)酵提取柿子皮果膠，最佳發(fā)酵條件為:發(fā)酵時(shí)間30.09 h、發(fā)酵溫度25 ℃、發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH 6.9，果膠產(chǎn)量達(dá)到最大值0.449 g/g。 采用微生物發(fā)酵法提取的果膠相對(duì)分子質(zhì)量大、消耗低、污染低，果膠的膠凝度高，質(zhì)量穩(wěn)定[55]。

2.3.2 生物酶法

酶解提取法常應(yīng)用蛋白酶、纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素酶等復(fù)配，用于酶解植物細(xì)胞壁，促使果膠釋放。 劉義武等[56]采用木瓜蛋白酶提取檸檬皮果膠，果膠得率達(dá)32.3%。 戴少慶等[57]利用超聲波輔助復(fù)合酶法對(duì)椪柑皮中的果膠進(jìn)行提取，半纖維素酶和纖維素酶組成復(fù)合酶共同參與提取，在料液比1∶20(g/mL)、超聲波功率187.5 W、超聲時(shí)間65.3 min、復(fù)合酶用量(m半纖維素酶:m纖維素酶＝1∶1)5.6 mg、pH 4.82、溫度41.8 ℃的條件下，果膠得率為11.93%。 與單酶法相比，復(fù)合酶法提取的處理時(shí)間縮短了4～5 h，且提高了提取效率。 石海燕[17]使用復(fù)合酶法提取向日葵果膠，得到最佳化提取工藝為料液比1∶27、酶解時(shí)間1.9 h、酶解溫度60.5 ℃、酶解pH 5.3，果膠得率為11.94%。 Megías－Pérez 等[26]使用內(nèi)切木聚糖酶和內(nèi)切纖維素酶提取蘋果渣中的果膠，結(jié)果表明，內(nèi)切木聚糖酶對(duì)果膠的提取率最高，為19.8%，而內(nèi)切纖維素酶提取的果膠分子量較低。 生物酶易變性失活，其用于果膠提取對(duì)溫度要求一般為50 ℃左右，pH 值為3.5～4.5。

3 果膠純化方法

果膠經(jīng)提取后溶于液相中，得到提取液，需進(jìn)一步分離才能得到目標(biāo)果膠物質(zhì)，利用果膠的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分離。 純化方法可以影響果膠的化學(xué)成分、分子量分布、平均分子量和膠凝能力。目前國(guó)內(nèi)外最常用的分離純化方法是醇沉法、鹽析法、膜分離法等。 黃敏剛[54]分別采用醇沉法、鹽析法分離柑橘皮渣果膠，結(jié)果表明:乙醇沉淀的最佳工藝條件為乙醇溶液濃度為75%、溫度小于45 ℃、沉淀時(shí)間為60 min；鹽沉析的最佳工藝條件為每50 mL 果膠提取液使用飽和氯化鐵溶液5 mL，溫度為60 ℃，沉析時(shí)間為60 min，所得果膠均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 Yapo 等[58]發(fā)現(xiàn)超濾純化后醇沉淀的果膠與單獨(dú)醇沉淀的果膠相比，可以使酸提取的甜菜果膠的灰分和蛋白質(zhì)含量分別降低1.9和4.6 倍。 在酒精沉淀之前采用足夠大分子量的膜進(jìn)行超濾，可以有效去除果膠污染物“灰分和蛋白質(zhì)”等成分，從而改善最終果膠產(chǎn)品的成分質(zhì)量和可能的膠凝性能。

4 果膠的結(jié)構(gòu)及理化特征

4.1 果膠的結(jié)構(gòu)

果膠可以分成4 個(gè)部分，即聚半乳糖醛酸、鼠李半乳糖醛酸－Ⅰ、鼠李半乳糖醛酸－Ⅱ、木糖半乳糖醛酸[59]。 這些聚合物通過(guò)共價(jià)鍵互相連接，果膠的高度圖解模型顯示了廣泛存在于果膠的4 個(gè)組成部分(圖1)，雖然不同來(lái)源的果膠各組分?jǐn)?shù)量不同，但鼠李半乳糖醛酸－Ⅰ和聚半乳糖醛酸是主要“部件”，鼠李半乳糖醛酸－Ⅱ和木糖半乳糖醛酸是次要“部件”。 許多不同的變異存在于果膠，尤其是鼠李半乳糖醛酸－Ⅰ側(cè)鏈。 兩個(gè)在側(cè)鏈含有芹菜糖殘基的鼠李半乳糖醛酸－Ⅱ通過(guò)與一個(gè)硼酸酯連接從而形成鼠李半乳糖醛酸－Ⅱ二聚體[60]。

圖1 果膠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[60]Fig.1 Schematic structure of pectin

4.2 果膠的理化特征

純果膠是淡米黃色粉末，無(wú)異味，溶于20 倍水中則呈黏稠狀液體，不溶于有機(jī)溶劑。 不同植物原料和提取工藝得到的果膠，其酯化度、膠凝性、乳化性等理化特征差異大(表3)。

表3 果膠的理化特性Table 3 Physicochemical properties of pectin

4.2.1 酯化度

果膠的酯化度，是指甲基酯化的半乳糖醛酸單位與果膠中半乳糖醛酸單位的比例。 根據(jù)酯化度的大小可將果膠分為酯化度≥50%的高酯果膠和酯化度<50%的低酯果膠[6]。 酯化度是表征果膠性質(zhì)的重要指標(biāo)，能影響果膠的結(jié)構(gòu)與構(gòu)象[62]。 不同酯化度果膠之間存在結(jié)構(gòu)與構(gòu)象的差異，隨著酯化度降低，果膠分子鏈柔性下降，鏈剛度增加。 此外，增大酯化度可減少果膠分子的伸展度和卷曲度，增加水合體積[63]。

4.2.2 凝膠性

果膠作為膠體，在一定條件下能在水溶液中形成膠體，具有優(yōu)良的凝膠特性。 根據(jù)果膠中甲氧基含量不同分為高甲氧基果膠(HMP)和低甲氧基果膠(LMP)。 通常把甲氧基質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.00%～16.32%的果膠稱之為高甲氧基果膠；甲氧基含量低于7.00%的果膠稱為低甲氧基果膠[64]。 高甲氧基果膠在適宜的糖度、pH 及較高溫度下能形成凝膠(稍冷即凝)；低甲氧基果膠在Ca2＋或其他陽(yáng)離子存在下無(wú)論有糖或無(wú)糖均能凝膠。 果膠的甲氧基化程度越高，果膠分子量越大，其膠凝能力越強(qiáng)[61]。

4.2.3 乳化性

果膠因?yàn)榫哂杏H水性的羧基和疏水性的甲酯基和乙酰基，被證實(shí)具有一定的乳化能力。 王文霞等[13]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯果膠具有良好乳化性，馬鈴薯果膠乳化能力與大豆可溶性多糖乳液粒徑接近，并且乳化能力隨果膠添加量增加而增大。

5 果膠的功能與應(yīng)用

5.1 在食品中的應(yīng)用

果膠是綠色、環(huán)保的天然植物提取產(chǎn)物，被認(rèn)為是自然界最健康最安全的食品添加劑，是聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織推薦的不受添加量限制的食品添加劑[64]。 果膠由于其獨(dú)特的凝膠特性，添加在果凍、糖果、果醬以及冰淇淋中，改善口感，保持風(fēng)味；因其優(yōu)越的乳化穩(wěn)定性，添加在酸奶等乳制品中，使酸奶穩(wěn)定不離析分層；作為增調(diào)劑，用于果汁和軟飲料中改善口感。 此外，果膠憑借低糖、低熱量的特性，可在保健食品中作脂肪替代品[65]；果膠還可在焙烤食品中提高面團(tuán)的持氣性[19]。

5.2 在醫(yī)藥中的應(yīng)用

果膠作為一種再生性、凝膠性、生物降解性及相容性等良好的天然產(chǎn)物，有抗菌、抗癌、降血脂、抗腹瀉等多種藥理及其他生理功能[66]。 果膠可降低血糖和膽固醇含量，促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)，潤(rùn)腸通便；果膠還可抑制癌細(xì)胞的聚集，阻止其擴(kuò)散轉(zhuǎn)移等[67]。 同時(shí)，果膠具有一定的心臟保護(hù)作用[68]。果膠具有很強(qiáng)的吸水保水能力，食用后會(huì)讓人產(chǎn)生飽腹感，減少進(jìn)食，有利于減肥。 同時(shí)食用果膠能夠吸附殘留在腸胃中的鉛和汞等有毒離子。 此外，果膠還具有結(jié)腸定位分解的特性，可用作口服型藥物載體將定位釋放至結(jié)腸中，作為醫(yī)藥控釋載體，遞送藥物[69]。 果膠與殼聚糖形成水凝膠，能夠促使細(xì)胞增殖且安全無(wú)毒，可以作為傷口敷料[70]。

5.3 其他應(yīng)用

此外，果膠因其較好的成膜性、持水性、抗輻射性以及一定的黏性，可用于紙業(yè)、紡織、化妝品等行業(yè)[71]。 在化妝品中作乳化劑[72]；在微生物的培養(yǎng)基中可替代瓊脂作膠凝劑；利用天然果膠成膜性可制備超速離心膜和電滲析膜等[73]；在水處理行業(yè)中，開發(fā)以果膠為基質(zhì)的綠色阻垢劑阻垢硫酸鈣[74]；在新型可降解生物材料中，果膠作為打印材料基質(zhì)用于3D 打印[75－76]，以及其他一些活性包裝材料[77－78]。

6 總結(jié)與展望

果膠來(lái)源豐富，提取方法多樣，探討從農(nóng)副產(chǎn)品廢棄物中合理開發(fā)及利用果膠對(duì)于有效提高農(nóng)副產(chǎn)品附加值及助力鄉(xiāng)村振興具有重要意義。 然而，目前果膠產(chǎn)業(yè)還存在兩個(gè)主要問(wèn)題:(1)污染重、能耗高。 現(xiàn)階段果膠提取主要是化學(xué)法，強(qiáng)酸強(qiáng)堿的提取環(huán)境易造成環(huán)境污染，也易破壞果膠結(jié)構(gòu)。 采用生物法提取能有效緩解環(huán)境污染大和能耗高的問(wèn)題，加大果膠提取生物助劑(菌制劑和酶制劑)的開發(fā)與利用勢(shì)在必行。 (2)新原料不足。 目前商品化果膠主要是柑橘果膠和蘋果皮果膠，其他來(lái)源的果膠產(chǎn)業(yè)化程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

因此，大力開展果膠的研究與開發(fā)、探索提高果膠產(chǎn)量和質(zhì)量的新方法、發(fā)掘優(yōu)質(zhì)果膠及其新原料以及果膠的綠色環(huán)保生產(chǎn)和高效利用成為亟待解決的問(wèn)題。 隨著新興技術(shù)的不斷出現(xiàn)，有關(guān)果膠的新原料、新工藝、新產(chǎn)品將不斷涌現(xiàn)，有望改變我國(guó)果膠長(zhǎng)期依賴于進(jìn)口的局面。