果膠改性的研究進(jìn)展

馬文鑫，賈敏，李倩，徐志祥，林雪青，宗愛珍*

1(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與營養(yǎng)研究所，山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點實驗室，農(nóng)業(yè)部新食品資源 加工重點實驗室，山東 濟(jì)南，250100)2(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安，271018) 3(山東省葡萄研究院，山東省葡萄栽培與精深加工工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南，250100)

果膠是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能多樣的天然植物多糖[1-2]，廣泛存在于高等植物I型的初生壁(primary cell wall, PCW)和胞間層(middle lamella, ML)，在低等植物如苔蘚等中的含量也很豐富[3]。果膠主要由D-吡喃半乳糖醛酸(D-Galp A)通過α-1,4糖苷鍵連接構(gòu)成，還含有少量的中性糖如L-鼠李糖(L-Rha)、L-阿拉伯糖(L-Ara)和D-半乳糖(D-Gal)等[4]。目前商品果膠主要原材料有蘋果渣、橘皮、檸檬皮等農(nóng)副產(chǎn)品[5]，近年來比較新穎的原材料還有甜菜根和向日葵盤等。大部分植物細(xì)胞壁中果膠的含量都在30%左右，果膠的提取實際上就是由不溶性果膠轉(zhuǎn)變成可溶性果膠至溶液中，再對其進(jìn)行提取的過程，主要的提取方法有酸提法、酶與微生物法、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。果膠具有多種功能，如：促進(jìn)腸道蠕動[6]、防輻射[7]、吸附重金屬離子[8]、增強(qiáng)飽腹感等。果膠溶于水而不溶于有機(jī)溶劑[9]，其水溶液呈弱酸性，可以作為食品添加劑添加到食品中改善食品的質(zhì)量風(fēng)味[10]，因此被廣泛應(yīng)用于食品、藥品領(lǐng)域。

根據(jù)甲酯化程度的不同，果膠又分為高酯果膠(high methoxyl pectin, HMP)和低酯果膠(low methoxyl pectin, LMP)。高酯果膠的凝膠性與pH有較大關(guān)系，而低酯果膠主要跟二價金屬離子有關(guān)，所以相比HMP在食品工業(yè)中作為增稠劑、凝膠劑等添加到食品中，LMP的應(yīng)用范圍廣，低甲氧基果膠的甲酯化程度低，游離羧基較多，較容易和Ca2+結(jié)合形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使果膠結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。然而大多數(shù)果膠是以原果膠的形式存在，分子質(zhì)量較大，溶解性和凝膠性較差，不利于人體吸收[11]，對果膠進(jìn)行改性后有利于增強(qiáng)其生理功能，近年來有關(guān)果膠改性的研究成為熱點。

本文總結(jié)了果膠改性的幾種方法，并簡述了改性后果膠的生理功能，以期為實現(xiàn)果膠功能更大程度的開發(fā)和利用以及開發(fā)新的改性果膠產(chǎn)品提供參考。

1 改性方法

果膠因結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分子質(zhì)量大，絕大部分果膠經(jīng)消化道排出體外，這種不被消化的特性能夠很好地促進(jìn)胃腸蠕動，對便秘有較好的預(yù)防效果；同時果膠因很難被消化吸收，很多生理功能都被限制。因此，試圖對果膠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的人為修飾，得到具有特殊功能的果膠產(chǎn)品，這類果膠稱為修飾果膠或改性果膠[12]。果膠改性后產(chǎn)生了一些富含鼠李半乳糖醛酸聚糖(RG)或鼠李半乳糖醛酸聚糖II(RGII)的小分子片段，使改性后的果膠有更好的溶解性，能夠很好地溶解在血液中被人體吸收。

1.1 化學(xué)改性

果膠的化學(xué)改性是通過酸和堿改變pH實現(xiàn)的。化學(xué)改性的過程一般是：先用堿處理、再用酸處理。堿處理使果膠發(fā)生β消除反應(yīng)，將聚半乳糖醛酸長鏈分解為小片段，使酯化度降低，酸處理是將側(cè)鏈上的中性糖脫除[13]。此方法比較簡單，被廣泛應(yīng)用于柑橘類果膠、豌豆殼果膠等低酯果膠的制備，但是對pH值和溫度的要求較高。吳莎極[14]對佛手皮渣果膠進(jìn)行化學(xué)改性，使果膠酯化度降低，游離羧基的數(shù)量增加，而游離羧基對重金屬的吸附尤為重要，通過體外實驗表明改性后的果膠對鎘的吸附能力顯著增強(qiáng)。BOSTANUDIN等[15]通過對果膠進(jìn)行化學(xué)改性，合成了丁基甘油果膠并制成納米顆粒，此改性果膠可以作為阿霉素藥物的載體，在給藥應(yīng)用中具有較大潛力。

化學(xué)改性效率較高，降酯化度效果較好，但是不同原料應(yīng)用化學(xué)改性的最佳工藝條件差別較大，因此不同的廠家生產(chǎn)改性果膠的工藝條件不盡相同，生產(chǎn)的低酯果膠的質(zhì)量也不一樣。

1.2 生物改性

果膠的生物改性主要是利用酶處理進(jìn)行果膠脫酯，又叫做酶改性。用于果膠改性的酶有內(nèi)源酶和外源酶2種，它們的作用機(jī)理都是激活果膠酯酶來制備改性果膠。內(nèi)源酶法是利用內(nèi)源酶激活劑激活果膠中的果膠酯酶來切除果膠主鏈中的甲氧基，釋放出游離羧基并產(chǎn)生甲醇。外源酶法是從植物或者微生物(如黑曲霉)中提取果膠酶作用于果膠來制備低酯果膠。CAMERON等[16]用果膠甲基酯酶和多聚半乳糖醛酸酶降解果膠得到低甲氧基果膠，并通過數(shù)學(xué)模型分析預(yù)測了酶解產(chǎn)物的分子質(zhì)量和酯化度。KIM等[17-18]利用2種果膠酶對橘皮果膠進(jìn)行改性得到幾種不同酯化度、分子質(zhì)量和酰胺化程度的果膠，通過感官分析得出改性后的果膠在凝膠能力、彈性和咀嚼性等幾個方面都有一定的改善。HUANG等[19]在黑曲霉中提取果膠酶，并將其作用于果膠，得到酯化度為11.6%的低酯果膠，較未改性的果膠酯化度降低了20%，此改性果膠清除自由基的活性較強(qiáng)，也可提高大豆分離蛋白乳液的穩(wěn)定性，延長儲藏期。

酶法改性具有專一性強(qiáng)、安全、反應(yīng)條件溫和、無毒副作用等優(yōu)點，雖然通過酶法制備的改性果膠凝膠強(qiáng)度要低于其他方法，但在排鉛和抗腫瘤等功能方面效果較好。酶的價格比較昂貴是限制酶改性在工業(yè)生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的主要原因。

1.3 熱改性

熱改性是果膠先經(jīng)高溫高壓處理然后冷卻、過濾、干燥獲得改性果膠的過程，因為采用高溫和高壓處理，故熱改性果膠也被稱為高溫/高壓改性果膠[20]。WANG等[21]將果膠溶液經(jīng)過高壓蒸汽熱處理一定時間后冷卻至室溫，離心后上清液加雙倍的無水乙醇，置于-20 ℃條件下一段時間后離心，沉淀用丙酮清洗，過濾、干燥得到改性果膠。張燕燕等[22]將甘薯果膠在123.2 ℃下加熱60 min，冷卻靜置過夜，吸取上清液后凍干得到熱改性甘薯果膠，此改性果膠對結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29和乳腺癌細(xì)胞Bcap-37等有明顯的抑制作用。孟凡磊等[23]通過對石榴皮果膠分別進(jìn)行化學(xué)改性和熱改性后得到改性石榴果膠，并發(fā)現(xiàn)與未改性的果膠相比，改性果膠的總糖含量變化不明顯，半乳糖醛酸含量分別提高37%和24%，酯化度分別降低21%和23%，兩者的抗氧化能力提高，此改性果膠具有很好的開發(fā)應(yīng)用潛力。

1.4 輻照改性

近幾年，隨著輻照技術(shù)的成熟，果膠的輻照改性技術(shù)發(fā)展良好，輻照改性是指用60Co等輻射源技術(shù)對果膠進(jìn)行輻照處理后得到的改性果膠[24]。利用不同輻照劑量和射線對果膠進(jìn)行處理使果膠發(fā)生一定的物理變化，以此來達(dá)到果膠改性的目的。王培等[24]使用不同輻照劑量的60Co輻照不同濃度的果膠溶液使果膠降解，并通過實驗發(fā)現(xiàn)改性后的果膠半乳糖醛酸含量、酯化度、分子鏈寬值都變小，且通過流變學(xué)特性研究表明，輻照對果膠黏度和凝膠狀態(tài)的影響較大。DOGAN等[25]分別用0、2、6、8和10 kGy輻照瓜爾膠、果膠和黑果漿，研究了輻照對果膠流變特性的影響，結(jié)果表明，輻照對瓜爾膠的影響較大，輻照后瓜爾膠的一致性和表觀黏度均下降，而對果膠和黑果漿的流變性影響不大，故可用輻照保存果膠和黑果漿。與其他較為傳統(tǒng)的改性方法相比，輻照改性具有方便、快捷、節(jié)能等優(yōu)點。

1.5 其他改性方法

近幾年，越來越多研究者發(fā)現(xiàn)只用一種方法對果膠進(jìn)行改性時，在果膠的生物學(xué)活性和構(gòu)效關(guān)系方面有較大缺陷，他們試圖將2種方法結(jié)合，輔助降解果膠，發(fā)現(xiàn)會有更好的效果。牟方婷等[26]利用超聲波和微波輔助果膠酶處理果膠得到改性果膠，并對其的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲和微波輔助時能有效提高果膠酶的降解效率，且半乳糖醛酸含量提高，酯化度降低，但是不會改變單糖的類型，增加了果膠的功能性，擴(kuò)展應(yīng)用范圍。趙文婷[27]將超高壓輔助果膠甲酯酶和傳統(tǒng)的化學(xué)法做對比，通過研究果膠的理化性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)以及流變性質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超高壓輔助酶法脫脂效率高，制備的低酯果膠分子質(zhì)量大、黏度好且增稠性好，該方法可以作為一種高效、環(huán)保的新技術(shù)制備改性果膠。MELANI等[28]用高靜水壓輔助果膠酶對甘薯果膠進(jìn)行改性，并研究改性后果膠結(jié)構(gòu)、功能以及對Pb2+吸附能力的影響，結(jié)果表明與單獨(dú)高靜水壓和果膠酶改性相比，2種方法協(xié)同改性果膠分子質(zhì)量和酯化度最低，分別為0.05×105g/mg和18.16%，對重金屬離子Pb2+的吸附能力也明顯優(yōu)于未改性果膠，此改性方法在食品工業(yè)中具有很大的應(yīng)用潛力。MUDUGAMUWA等[29]利用高靜壓輔助果膠酶制備改性果膠，改性后的甘薯果膠對Pb2+的吸附能力較天然果膠好，吸附曲線符合Langmuir模型，吸附過程涉及含O官能團(tuán)和陽離子交換和靜電相互作用，而且表現(xiàn)出良好的環(huán)保性能。

2 果膠改性后的生理功能

因改性后的果膠功能較多使得改性果膠受到廣泛的重視，其應(yīng)用范圍擴(kuò)大，例如抵抗癌細(xì)胞、吸附重金屬等有毒物質(zhì)、抗炎、用于研發(fā)保健功能食品等。

2.1 抵抗癌細(xì)胞

有研究統(tǒng)計，世界上約1/3的癌癥都是可通過食療方法預(yù)防，而果膠作為一種天然膳食成分，能夠抑制癌細(xì)胞的繁殖、擴(kuò)散等，且對人體沒有任何毒副作用[30]。一般認(rèn)為改性果膠的抑癌效果和Galectin-3(Gal3)的結(jié)合相關(guān)，Gal3與果膠結(jié)合后失去了與其他蛋白或肽結(jié)合的能力，抑制了癌細(xì)胞的吸附、轉(zhuǎn)移和增殖，促進(jìn)了細(xì)胞的凋亡。果膠也具有一定的免疫調(diào)節(jié)作用，能夠通過激活體內(nèi)的免疫系統(tǒng)來抵抗癌細(xì)胞的侵襲。RAMACHANDRAN等[31]通過實驗證明改性果膠在人體血液中有免疫刺激特性，能夠激活T細(xì)胞、B細(xì)胞和NK細(xì)胞，對抗K562白血病細(xì)胞。張文博等[32]研究表明改性果膠能夠抑制腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，使得癌癥患者化療效果得到一定的改善，并且增強(qiáng)免疫響應(yīng)的活性，由此看來，改性果膠對開發(fā)抗腫瘤功能食品具有極大潛能。楊國華等[33]通過對改性果膠聯(lián)合內(nèi)皮抑制素對小鼠奧沙利鉑耐藥結(jié)腸癌種植瘤生長及肝轉(zhuǎn)移的研究表明，兩者聯(lián)合使用抑制奧沙利鉑耐藥結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移可能與其協(xié)同減少血管形成有關(guān)。李志平等[34]研究了果膠阿霉素大分子前藥納米體系的體外抗腫瘤效果，結(jié)果表明果膠對于肝癌細(xì)胞的增殖具有明顯的抑制效果。

2.2 吸附重金屬

環(huán)境中有很多對人體有害的重金屬，如砷、鉛和汞等，重金屬在體內(nèi)富集會導(dǎo)致很多慢性疾病，例如動脈硬化和高血壓等，會擾亂人體正常的免疫系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)。目前清除體內(nèi)重金屬的方法主要是用一些人工合成的螯合劑，果膠溶液中有較多的羧基陰離子而重金屬離子帶正電荷，兩者會進(jìn)行螯合形成果膠-重金屬復(fù)合物，然后通過糞便排出體外。LI等[35]合成了乙二酸交聯(lián)改性果膠，利用傅里葉變換紅外光譜對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性果膠表面粗糙多孔，對Pb2+、Cu2+和Zn2+的負(fù)載能力達(dá)到了1.82、1.794和0.964 mmol/g，結(jié)果表明該果膠有較高的吸附重金屬能力。

2.3 抗炎癥

果膠能夠調(diào)節(jié)抗炎因子，有研究表明高酯果膠和低酯改性果膠都能夠預(yù)防腸道中炎癥的發(fā)生，并且低酯改性果膠具有特異性，能夠抑制局部和系統(tǒng)中的炎癥發(fā)生。POPOV等[36]通過對小鼠口服不同甲酯化的果膠來觀察對3種炎癥的作用，結(jié)果表明低酯果膠的口服抗炎效果要優(yōu)于高酯果膠，低酯果膠可以抑制局部和全身的炎癥。RAMACHANDRAN等[37]通過體外研究發(fā)現(xiàn)改性果膠具有抗氧化和抗炎的作用，改性果膠聯(lián)合厚樸酚的抗炎癥作用效果要優(yōu)于單一的化合物，因此改性果膠可用于改善氧化反應(yīng)和自由基損傷產(chǎn)生的不良影響。

2.4 降低膽固醇

膽固醇是人體不可或缺的營養(yǎng)物質(zhì)，也是合成人體所需物質(zhì)的重要原料[38]。人體中有2種膽固醇，一種是對身體有益的高密度脂蛋白(或稱H13上膽固醇)，另一種是對人體有一定害處的低密度脂蛋白(或稱/D/膽固醇)。膽鹽是以人體中的膽固醇為原料產(chǎn)生的，而果膠能夠和人體內(nèi)的膽鹽結(jié)合而隨著排泄物被排出體外，隨著人體膽鹽含量的減少，用于制造膽鹽的膽固醇含量就會減少，以此來達(dá)到降膽固醇的目的。RUBIO-SENENT等[39]研究發(fā)現(xiàn)，從生產(chǎn)橄欖的廢水中提取出來的果膠在結(jié)合膽汁酸等方面有很好的作用，而且能夠降低葡萄糖在人體內(nèi)的吸收程度。BROUNS等[40]研究了不同酯化度的改性果膠對降膽固醇的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著酯化度的增加，果膠降低膽固醇的效果越好。研究表明果膠的降解產(chǎn)物-丙酸會使肝臟膽固醇的含量降低，機(jī)理是降低腎小管的重吸收作用來抑制人體對膽固醇的吸收[41]。

2.5 藥物運(yùn)輸

果膠作為一種高分子膳食纖維，在體內(nèi)不易被胃中的蛋白酶和淀粉酶分解，進(jìn)而能夠避免在結(jié)腸中被腸道菌群降解，所以果膠可以作為載體將藥物運(yùn)輸?shù)剿栉恢?。JUNG等[42]測定用改性果膠包埋吲哚美辛珠狀水凝膠的能力，使水凝膠珠分別在模擬胃液和模擬腸液中浸泡2和3 h并測定藥物釋放率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)吲哚美辛在腸道中的釋放率<15%，釋放率明顯低于天然形成的微珠，由此說明改性果膠能夠降低吲哚美辛在胃腸運(yùn)輸過程的損耗。SALBU等[43]通過利用壓縮和減壓彈射后果膠彈性恢復(fù)程度研究不同酯化度果膠的變形行為，結(jié)果表明果膠的酯化度對果膠的擠壓特性有重要影響，可以用直接壓片法制備以低酯果膠為包衣的藥片。

2.6 抗血栓的作用

血栓是指在血液流動過程中血管壁脫落形成的塊狀物體。血栓會導(dǎo)致人體中血液的流速變慢，血液組織中凝固組織增加。目前治療血栓的藥物一般是肝素，但是肝素能夠引起血小板減少等不良反應(yīng)。有研究者發(fā)現(xiàn)果膠可作為肝素替代品減少不良反應(yīng)的發(fā)生，例如CIPRIANI 等[44]對改性柑橘果膠進(jìn)行硫酸化，并對改性果膠的抗凝和抗血栓活性以及出血效應(yīng)做了一定的研究，結(jié)果表明改性后的果膠可以直接通過獨(dú)立機(jī)制抑制凝血酶的活性，且與肝素相比，改性果膠的出血風(fēng)險更低。HU等[45]的研究也得到了類似的結(jié)果，通過對硫酸化的果膠進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)硫化主要發(fā)生在GalA的C-2、C-3位置，抗凝實驗表明，硫酸柑橘果膠可實現(xiàn)凝血酶失活，此果膠可以開發(fā)成為肝素替代品。

3 結(jié)語

改性果膠是一種功能豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的可溶性多糖，改性過程降低了果膠的分子質(zhì)量、酯化度等，擴(kuò)大了果膠的應(yīng)用范圍，具有較大的市場開發(fā)價值。改性后的果膠生理功能也有一定改善，例如抗癌、吸附重金屬、抗炎癥、降低膽固醇、藥物運(yùn)輸和抗血栓等。隨著人們健康意識的增強(qiáng)，人們對改性果膠的認(rèn)識也逐漸加深，利用改性果膠開發(fā)綠色健康的新型果膠資源是以后研究的重點方向。