“果汁中的果膠和果膠酶”教學中的問題討論

李士杏

摘 要 針對“果汁中的果膠和果膠酶”教學中常見的一些問題進行了歸納，對果膠和果膠酶的相關背景知識進行了適度的補充和拓展，對于實驗過程出現的問題進行了分析討論，并給出了對實驗進行改進的一些建議。

關鍵詞 果膠 果膠酶 實驗教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

“果汁中的果膠和果膠酶”是浙科版高中生物學選修1《生物技術實踐》模塊中的實驗。教材中雖然簡單地介紹了果膠和果膠酶的背景知識，但是在解題時，學生如果遇到更深入的問題，比如膠的化學本質、組成成分、理化性質、來源等問題以及果膠酶和果膠甲酯酶的關系等問題，學生就顯得比較茫然。該實驗操作看似簡單，其實影響因素較多，因此學生常反映實驗現象不夠明顯，重現性差。筆者下面補充了一些關于果膠和果膠酶的相關知識，討論了實驗過程中的常見問題，并給出了實驗改進的一些建議，為該實驗的教學提供參考。

1 果膠的化學本質和分子結構

果膠是一種天然的植物多糖，相對分子量介于50～300 kD之間。果膠分子不僅僅是由半乳糖醛酸以α-1，4糖苷鍵聚合而成的多糖鏈，其實還含有鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、海藻糖和芹菜糖等組成的側鏈以及少量的單糖，其中半乳糖醛酸中的C6可被甲酯化或酰胺化。果膠分子的結構非常復雜，且隨著植物的種類、組織部位、生長條件等的不同而不同。大致可分為同型半乳糖醛酸聚糖（HGA）、鼠李半乳糖醛酸聚糖-Ⅱ（RG-Ⅱ）、木糖半乳糖醛酸聚糖（XG）和鼠李半乳糖醛酸聚糖-Ⅰ（RG-Ⅰ）四個結構區域（圖1）。

2 果膠的水溶性及提取和純化果膠的方法

果膠的溶解性由果膠的聚合度及甲氧基的含量和分布決定。一般來說，果膠的相對分子量越小，酯化度越高，其溶解性越好。果膠顆粒溶解時是先溶脹再溶解。

果膠在植物細胞壁中的含量最高，主要存在于初生細胞壁和中間片層。山楂中果膠含量高于其他水果，約為6.4%。但實際生產中考慮到原料的成本較高，常從柑橘皮和蘋果皮渣中提取果膠。有研究表明柚子皮、向日葵盤以及臍橙皮中果膠含量也很高。

果膠的提取過程是一個將不溶性果膠轉化為可溶性果膠，可溶性果膠向液相轉移過程。果膠的提取方法有多種，應用最廣泛的傳統的方法是用稀酸進行提取。純化果膠的方法也有多種，普遍使用的是醇沉法，利用了果膠不溶于乙醇的特點。

3 果膠酶和果膠甲酯酶的區別

果膠酶是指能分解果膠物質的多種酶的總稱。果膠酶大致可分為果膠水解酶、果膠裂解酶（PL）、果膠酯酶（PE）和原果膠酶等。果膠水解酶又有多種，如聚半乳糖醛酸酶（PG）、聚半乳糖醛酸甲酯水解酶（PMG）、聚鼠李半乳糖醛酸酶（RHG）等。由于人們對PG的認識最早，早先常被稱為果膠酶。所以，果膠酶是一類酶的統稱還是特指半乳糖醛酸酶（PG）還需根據上下文進行理解。

聚半乳糖醛酸酶（PG）可以水解切斷果膠分子的α-1，4糖苷鍵，但對于酯化程度較高的果膠來說水解速度較低。果膠甲酯酶（PME）的作用位點是果膠分子的還原性末端或鄰近的游離羧基，能水解果膠中甲氧基與半乳糖醛酸之間的酯鍵，形成甲醇和果膠酸。再經過PG作用可形成半乳糖醛酸（圖2）。在果實軟化過程中，PME的作用是PG發揮作用的必要前提。

4 獲取果膠酶的方法

除了曲霉和青霉外，還有一些毛霉、根霉等也能產生果膠酶。由于黑曲霉屬于公認的代謝產物安全的菌種，所以市售的食品級果膠酶主要來源于黑曲霉。一些細菌，如浸麻芽孢桿菌、節桿菌、假單胞桿菌也都能生產果膠酶。某些放線菌和酵母菌也可以產生果膠酶。研究者們常通過物理和化學誘變方式選育出高產優質的果膠酶菌株。

如果微生物所產的果膠酶是胞外酶，通過過濾、離心獲得的培養基上清液即是粗酶液。如果產生的果膠酶是胞內酶，則需要通過超聲波、酶解以及研磨破碎等方法使酶釋放出來。制得的粗酶液先經過硫酸銨鹽析和有機溶劑沉淀進行初步分離，再通過層析法進行提純。

5 在“果汁中的果膠和果膠酶”實驗中難以觀察到明顯的果汁澄清現象的原因

在課堂教學中，很多學生反映此實驗的結果與預期不符。比如發現未添加果膠酶的試管中澄清現象比添加了果膠酶的試管更明顯，或者觀察不到明顯的果汁澄清現象，有時還會在試管上部發現一些懸浮物。這些問題的產生可能是由以下原因導致的。

蘋果勻漿為果汁和果泥的不均勻混合物，在分裝到試管中時難以保證各試管中反應物的一致性，由此影響試管中果汁澄清的實驗結果觀察。如果采用紗布或者濾紙將蘋果勻漿進行過濾，得到均一的果汁濾液，分裝時才能大大減少誤差，實驗結果才能可靠。

果膠酶使果汁澄清分層的時間是比較長的，往往要幾十分鐘甚至幾個小時才有明顯的現象。學生實驗的時間有限，可以采用不斷攪拌的方法促進酶和底物的接觸，也可以采取提高反應溫度的方法加快反應速率。比如將試管放在45～50℃的水浴鍋中10～20 min，就能有明顯的結果出現。

沉淀物在試管上部懸浮的現象可能是由于機械榨汁過程中果汁中混入大量氣泡導致的。用研磨過濾器制取的果汁進行上述實驗可以有效避免這個顯現，使果汁澄清更加明顯。

6 “果汁中的果膠和果膠酶”實驗中將試管沸水浴加熱的作用

很多學生把這一步驟誤以為是驗證酶在高溫下失活，催化作用喪失。其實在沸水浴之前，果膠酶和果汁已經混合，酶促反應已經發生，果膠已經分解。此處的加熱步驟不是用來證明高溫會破壞酶活性，而是一種果汁生產中常用的熱凝澄清工藝。果汁溫度上升到55℃以上時，某些酶蛋白發生變性失活，導致果汁中的可溶性固形物含量增加，從而達到澄清的效果。

7 使用乙醇檢驗果汁中果膠的分解程度的方法

由于果膠不溶于乙醇，因此在果汁中加入乙醇如果觀察到絮狀物現象這說明果汁中仍有果膠，絮狀物的形成速度和數量可反映果膠的含量。但是當試管中的果汁澄清效果不佳時，果膠沉淀絮狀物的觀察就受到影響。此時，可以吸取少量果汁上清液到點樣板中，加入體積分數95%的乙醇，就可看到明顯的絮狀沉淀產生。另外，也有文獻提到采用96%乙醇與1%濃鹽酸的按比例為99∶1配制成乙醇溶液，取一份果汁加兩份乙醇，也能觀察到明顯的絮狀物。

參考文獻：

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