果膠提取技術及對品質影響研究進展

李琦，廖柳月，梁榮，李燕，郭興峰

（聊城大學農學院，山東聊城252000）

1825年，法國人J.Braconnot首次從胡蘿卜中提取出一種可形成凝膠的水溶性物質，并將其命名為“Pectin（果膠）”[1]。后期的研究發現，該物質廣泛存在于陸生植物細胞壁的中膠層。果膠是一種高分子多糖聚合物，主要是由α-1，4糖苷鍵連接的D-半乳糖醛酸與鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖等中性糖形成[2]，具有酯化度、膠凝性、流變性等多種理化品質。

果膠作為一種天然的食品添加劑，其增稠、乳化、穩定等作用被廣泛應用于食品、醫藥、日化及紡織等領域[3]，且需求量不斷增加。自20世紀末，果膠每年國際市場的貿易量約為30 000 t，約占食品膠的10%[4]，需求量在相當長的時間內仍將以每年15%的速度增長。據不完全統計，我國每年約消耗5 000 t，其中80%依靠進口，需求量與世界平均水平相比呈高速增長趨勢[5]。我國雖是水果生產大國，果膠資源豐富，但國內果膠生產工藝落后，生產成本較高，大部分原料被直接丟棄，導致了環境污染問題[6]。

本文介紹近年來國內外果膠的研究進展，提出果膠的研究重點與提取技術的發展方向，旨在為我國果膠的研究與發展提供理論依據。

1 果膠的結構及應用

果膠是植物中的一種天然組分，一般相對分子量為5萬～30萬，主要存在于植物的果實、根、莖、葉中[7]，幾乎無臭，口感粘滑，其水溶液呈現乳白色粘稠狀，為弱酸性，耐熱性較強，幾乎不溶于乙醇等有機溶劑。一般果膠的結構由主鏈和側鏈兩部分組成，主鏈是由α-1，4糖苷鍵連接的D-半乳糖醛酸單元直鏈形成的高聚半乳糖醛酸，側鏈則是由短的呈毛發狀的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖構成[8]。實際上，果膠內部存在的不同雜質使其結構也有所不同，而植物的種類、儲藏期的長短和加工工藝也會影響其結構。因此，復雜的結構和多樣的功能使果膠成為當今研究的熱點。

果膠的復雜結構決定了其分類與功能的多樣性。目前發現的果膠結構有4種：同聚半乳糖醛酸（homogalacturonan，HG）、鼠李糖半乳糖醛酸 Ⅰ（rhamnogalacturonanⅠ，RG-Ⅰ）、鼠李半乳糖醛酸Ⅱ（rhamnogalacturonanⅡ，RG-Ⅱ）以及木聚糖-半乳糖醛酸（xylogalacturonan，XGA），果膠的基本結構組成見圖1[9]。果膠的酯化度是將果膠應用到不同領域的重要參數，根據果膠的酯化度（degree of esterification，DE）不同，可將其分為高甲氧基果膠和低甲氧基果膠，其中酯化度大于50%的果膠稱為高甲氧基果膠，即高酯果膠（high methoxyl pectin，HMP）；酯化度小于50%的果膠稱為低甲氧基果膠，即低酯果膠（low methoxyl pectin，LMP）[3]。

圖1 果膠分子結構Fig.1 The molecular structure of pectin

根據我國GB 2760-2014《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》中規定：果膠是聯合國糧食及農業組織、世界衛生組織、食品添加劑聯合委員會推薦的安全無毒的食品添加劑，無每日添加量限制，可按生產需要量用于各類食品[10]。果膠是一種親水性植物多糖，在食品工業生產中可用作膠凝劑、增稠劑、穩定劑、懸浮劑、乳化劑等，廣泛應用于果醬、果凍、冰淇淋、飲料和焙烤等食品[11]。同時，果膠還是一種水溶性的膳食纖維，黏度大，能夠吸附重金屬離子，可以促進腸道的蠕動和營養物質的吸收，具有降血脂、降膽固醇、潤腸通便和抗癌等作用[12]。此外，果膠的成膜性、持水性、抗輻射性都較好，可用于造紙、紡織和化妝品行業。

2 果膠的提取方法

2.1 酸提取法

酸提取法是利用稀酸將植物中的非水溶性原果膠轉變為水溶性果膠的相轉移過程[13]。原果膠不溶于水，但在酸、堿、鹽等化學試劑的作用下能水解成可溶性的果膠酸，再向溶液中加入乙醇或多價金屬鹽類可使果膠沉淀析出，從而提取出果膠。

Girma等[14]利用無機酸（硫酸）提取芒果和香蕉中的果膠，在溫度82℃、時間105 min、pH 2.0時，果膠得率分別為18.50%和11.31%。Cristiane等[15]采用無機酸（HNO3）和有機酸（檸檬酸）提取無梗茄（Solanum sessiliflorum D.）果皮中的果膠，采用pH 1.5的硝酸提取2 h時，所得的果膠產量最高，為14.2%。無機酸的成本較低，但是其酸性和腐蝕性都較強，提取中會損壞容器，提取廢液也會污染環境，而采用有機酸在一定程度上，可減少對環境的危害。Raji等[16]利用檸檬酸提取芒果果膠，果膠得率較高，為29.48%，且具有良好的乳化活性（35%）和乳化穩定性（49.3%～77.2%）。但是，單一酸提取果膠的效果欠佳，采用混合酸提取果膠在一定程度上可以得到改善，如郭曉蒙等[17]以新鮮西瓜皮為原料，利用冰乙酸與10%鹽酸的混合酸提取果膠，在80℃左右、pH 2.0、提取時間持續70 min時，瓜皮中果膠的浸提率約為10%。

酸提取法生產成本低，設備工藝簡單，是目前工業上廣泛采用的提取方法。酸提取法雖然可以避免提取液中的一些金屬離子帶來的影響，但提取時原料中的果膠常常會產生變性，果膠分子被降解，其凝膠性受到破壞，影響果膠品質。

2.2 離子交換法

離子交換法是利用溶液中不同帶電粒子與離子交換劑間的結合力差異來實現的離子交換過程。果膠中存在的離子易與原料中的鈣、鎂等金屬離子發生鍵合，對果膠產生封閉作用，從而阻礙果膠的溶出[18]。添加離子交換劑可以減少某些離子間的鍵合效應，從而提高水溶性果膠的溶出率。

顧焰波等[19]采用離子交換法對木瓜皮中果膠進行提取，通過單因素試驗和正交試驗探討出適宜工藝條件為：離子交換樹脂用量5%、pH 1.5、提取溫度80℃、提取時間 2 h、料液比 1 ∶30（g/mL），最終果膠得率為17.52%。顧焰波等[20]還采用相同的方法對銀杏殼中果膠進行提取，結果表明，離子交換樹脂用量7%、pH 2.0、提取溫度 85℃、提取時間 2 h、料液比 1 ∶20（g/mL），果膠得率為4.85%。

離子交換法通過離子交換劑中的離子將提取液中的離子交換到樹脂上，可以加速原果膠的溶解，提高果膠的品質和提取率，所得果膠凝膠力較大、顏色較好。但高溫強酸的環境下，果膠容易發生解聚和變性，試驗對樹脂的質量要求較高，而且離子交換提取法成本較高，工藝方法相對復雜。

2.3 酶提取法

酶提取法是利用不同的降解酶（纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶）來分解植物細胞中特定的復合多糖，使細胞組織內果膠溶出的過程。Tatsuji等[21]采用酶提取法對甜菜根進行了果膠提取，簡化了對原料的處理，減免了過濾所帶來的麻煩，提高了果膠的提取效率。

馬雪梅等[22]利用響應曲面法優化酶法提取向日葵盤果膠，選取復合酶添加量為1.0%纖維素酶、1.0%半纖維素酶、0.5%木瓜蛋白，試驗表明：料液比 1 ∶27（g/mL）、提取時間 1.9 h、提取溫度 60.5 ℃、pH 5.3，果膠得率為（11.94±0.38）%。Wikiera等[23]利用木聚糖內切酶提取蘋果果膠，在pH 5.0、溫度40℃、時間10 h的條件下，得率為19.8%，高于硫酸法（85℃、pH 2.0、3 h）所得果膠得率14%，且通過酶法制備果膠的分子量（899 kDa）高于酸法制備的。周文俊等[6]采用復合酶-超聲波輔助法從檸檬皮中提取食用果膠，當提取液pH 7.0、提取溫度為50℃、木瓜蛋白酶與纖維素酶的比例為 3 ∶1（g/g）、濃度為 144 U/mL、提取時間為40 min時，果膠提取率為27.32%。

酶提取法可以顯著降低提取溫度，減少高溫對果膠的影響，且操作簡單安全、提取徹底、質量穩定。但是，酶的活性隨溫度變化顯著，活性高的酶成本也高，不同原料對酶的要求也不一樣，所以果膠提取對酶純度的要求較高。因此，探求一種價格較低，可適用于不同原料提取的果膠酶是目前研究的重點。

2.4 微波輔助提取法

微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的一種高頻電磁波[24]，具有很強的熱效應和化學效應。微波輔助提取法是通過內加熱的方式使物質快速均勻受熱，利用微波的熱效應和化學效應使植物組織崩解，實現所需提取物從樣品中快速分離并進入溶劑的過程。Kratchanova等[25]利用掃描電鏡技術觀察到柑橘表皮細胞壁的微觀結構和變化，得出微波加熱可能會破壞原料薄壁組織細胞，從而可以提高物料的比表面積、多孔滲透性和吸水能力。

Maran等[26]研究表明，在微波功率477 W、微波時間 128 s、pH 1.52、固液比 1 ∶20.3（g/mL）條件下，西瓜果膠的得率最高，為25.79%。陳妮娜等[27]以六偏磷酸鈉為鰲合劑,采用微波法提取百香果皮果膠,當料液比1 ∶20（g/mL）、pH 3.0、微波功率 700 W、微波時間為4 min時,果膠產率達13.72%。Seyed等[28]利用微波輔助提取法提取酸檸檬皮果膠，結果表明：pH 1.5、微波功率700 W、果膠輻照時間3 min時，果膠提取率為29.1%。

微波輔助提取法常用作輔助提取，通常與酸法、堿法和酶法協同使用，可以加速果膠的快速溶出，較大限度的保留原料的天然活性，保護果膠的組分結構。但微波輔助提取法受設備影響，穿透深度有限，提取過程中溫度升高過快、不易控制，而且成本高，不適于工業化生產。

2.5 超聲波輔助提取法

超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，它的方向性好，穿透能力強。它在水中傳播可產生并釋放巨大能量的激化和突發，即“空化效應”，從而增加細胞組織內部的能量，加速細胞壁的破碎和崩解，使植物中有效成分快速溶出，該過程稱為超聲波輔助提取。

Wang等[29]分別利用普通檸檬酸提取法和超聲波輔助法提取芒果中的果膠，超聲波功率500 W、pH 2.5、溫度80℃、提取時間15 min時，果膠得率與普通加熱2 h的得率相近，為17%。陳偉等[30]以黃秋葵為原料，利用超聲波輔助法提取果膠，在pH 4.0、超聲功率250 W、超聲溫度60℃、時間40 min下，果膠的得率為20.45%。Wang等[31]利用超聲波輔助鹽酸法提取葡萄柚果膠時，溫度66.7℃、時間28 min，得率達到27.34%，顯著高于普通鹽酸提取法在80℃下提取90 min的得率23.50%。Seyed等[32]采用三變量（超聲功率、輻照時間和酸堿度）三水平的Box-Behnken設計對果膠提取工藝進行優化得超聲功率150 W、輻照時間10 min、pH 1.5時，最大提取率為（28.07±0.67）%。

超聲波輔助提取法與傳統提取方法相比，可縮短提取時間、降低提取溫度、提高果膠產率、節約成本、提高效益。但超聲波輔助提取條件應控制恰當，時間過長原料容易過度水解，使果膠分子量斷裂增多；時間過短則造成水解不完全，使果膠得率較低。

2.6 復合輔助提取法

復合輔助提取法是采用兩種或兩種以上的技術聯合提取，在一定程度上，所采用的提取技術應具有協同或互補作用，從而提高果膠的產率或品質。陳妮娜等[33]以六偏磷酸鈉為萃取劑，采用微波法提取枇杷皮果膠，結果表明：0.3%的六偏磷酸鈉螯合劑、pH 1.0、微波功率600 W、微波時間為3 min，果膠產率達7.75%。Yishuo等[34]對酶-超聲聯合提取劍麻渣中果膠的方法進行了研究，結果表明，酶-超聲聯合提取法所得的果膠產率比酶提取法高9.4%，比超聲波輔助提取高11.9%，比酸法提取高5.8%，且采用酶-超聲聯合提取法提取的果膠中所含的半乳糖醛酸含量和酯化度更高，分別為62.88%和49.64%。楊金姝[19]利用超聲波-微波協同鹽酸法制備馬鈴薯果膠，在單因素實驗基礎上采用Box-Behnken試驗考察得出，當溫度93℃、pH 2.0、提取時間50 min時，果膠得率為22.86%。

復合提取法與單一提取法相比，可在一定程度上彌補單提取技術存在的不足，從而提高果膠的產率及產品的質量。但大部分研究處于試驗階段，工業化應用還有一定的難度。

3 提取方法對果膠理化品質的影響

果膠的理化性質是判定果膠分子結構和質量的重要標準。果膠的提取方法、原料種類、生長期長短、采割時期以及采割后保存的時間等因素都會對果膠的理化性質產生影響。果膠的理化性質主要有酯化度、半乳糖醛酸、相對分子質量、溶解性、穩定性、凝膠性、流變性及增稠性，其中，與果膠品質關系密切的參數為：酯化度、半乳糖醛酸含量、增稠性及凝膠穩定性等。

3.1 半乳糖醛酸

果膠是一種酸性多糖聚合物，包括D-半乳聚糖、L-阿拉伯聚糖和D-半乳糖醛酸聚糖等，以聚半乳糖醛酸為主。對于不同原料的果膠，通常以Gal-A含量來表示果膠的純度，果膠的中性糖含量低則側鏈較少，反之則說明果膠中側鏈含量較多[10]。測定Gal-A含量大多采用離子色譜法、間羥基聯苯法、硫酸咔唑法、3，5-二硝基水楊酸法等。

Jafari等[35]利用檸檬酸提取胡蘿卜中的果膠，結果表明：pH 1.3、溫度90℃、時間79.8 min和液料比23.3 ∶1（mL/g）時，得率最高為 15.6%，半乳糖醛酸含量為75.5%，遠高于規定的商業果膠中半乳糖醛酸含量（65%）。張攀等[36]對酸提取法和超聲波輔助提取法對果膠理化性質的影響進行比較得出，酸法（88℃、2.2 h、pH 1.6）提取的果膠總半乳糖醛酸含量高于超聲波輔助提取法。Milad等[37]利用微波輔助提取法提取阿月渾子果膠，其最佳工藝條件為：微波功率為700 W，輻照時間為165 s，pH 1.5的條件下，果膠的理化、結構和功能性能均較低，經高效液相色譜分析表明，果膠中含有半乳糖醛酸66.0%。張顏等[38]采用傳統酸提法、水提法、酶提法及超聲波輔助法提取短枝六道木葉果膠，經比較得出，水提法所得果膠半乳糖醛酸含量（69.4%）高于另外3種方法，屬于高甲氧基果膠，即水提法對果膠半乳糖醛酸含量的影響較小。

3.2 酯化度

酯化度指被酯化的D-半乳糖醛酸基占全部D-半乳糖醛酸基的百分數。果膠作為一類聚半乳糖醛酸多糖，其中半乳糖醛酸羥基時常會被一些基團所酯化，主要有甲氧基、酰胺基等。果膠酯化度的測定方法較多，一般采用操作簡單、方便易行的滴定法，此外還有紅外光譜法、核磁共振波譜法等。果膠酯化度的程度與原料的多樣性和提取方法有關，而且產品的溶解性、凝膠性以及乳化穩定性對其也會產生一定的影響。而且酯化度與藥物的釋放水平也密切相關，例如具有抗癌活性的MCP的酯化度需要在10%以下[39]。

Chan等[40]比較了檸檬酸和鹽酸對可可皮果膠的提取效果，在pH 2.5、提取溫度95℃、提取時間3 h時，檸檬酸法制備果膠的甲酯化度為37.76%和乙酰化度為1.7%均高于鹽酸法制備果膠的甲酯化度（21.29%）和乙酰化度（1.25%）。張曉陽等[41]以胡蘿卜皮渣為原料，采用超高壓提取、食用菌發酵提取、水浴提取、微波輔助提取，果膠酯化度分別為：（60.55±0.47）%，（62.30±0.79）%，（66.31±1.46）%，（60.54±0.54）%，水浴提取獲得的果膠酯化度最高，其他3種無顯著差別。洪雁等[42]也探究過提取方法對酯化度的影響，其結論與張曉陽一致，皆為水浴提取的果膠酯化度較高。Pattrathip等[43]采用微波加熱和傳統加熱法，分別用鹽酸和檸檬酸提取酸橙皮中的果膠，證實微波輔助提取的果膠比傳統加熱提取的果膠具有更高的當量和酯化度。

3.3 相對分子質量

果膠是一種大分子物質，平均相對分子質量介于5萬～30萬之間，其大小與果膠酯化度的大小、黏度密切相關。相對分子質量的主要測定方法一般是凝膠法和高效體積排阻色譜法（high performance size exclusion chromatography，HPSEC），其中 HPSEC 測定較為準確，且結果信息量大[44]。

彭凱等[45]對蘋果渣采用微波干燥，經500W、15min、12.5×10-2kW·h處理后，得到的果膠相對分子質量較高，為1.2×105，明顯低于酶法和酸法提取果膠的相對分子質量。Maud等[46]的研究表明，酶法（0.005 mg/mL纖維素酶和蛋白酶，40℃、48 h）提取的菊苣根果膠的相對分子質量（3.0×105）低于酸法（50 mmol/L HCL，85℃、1 h）提取的菊苣根果膠的相對分子質量（5.0×105）。Yuree等[47]采用微波輔助提取法在水、酸、堿溶液中提取柚皮中的果膠，并對提取的果膠的產量和結構或化學特性進行研究得出，微波功率1 100 W、時間2 min時，水、酸、堿所提取的果膠相對分子質量分別為43 kDa、171 kDa～368 kDa、76 kDa，水提果膠的相對分子質量最小，酸提取法得到的最大。各研究表明，相對分子質量的大小受酶法提取的影響較小，但酶法目前還不適于產業化生產。微波輔助提取輔助水、酸、堿提取時，酸提的分子量最高，但微波輔助提取本身又會降低果膠分子質量，需要進一步研究。

3.4 黏度

果膠黏度是果膠的重要理化性質之一。果膠的黏度與果膠的組成、結構、分子量分布以及甲氧基含量、酯化度和凝膠力都有著密切的關系，其測定一般采用快速黏度分析儀法和旋轉粘度計法進行測定。

李靜等[48]采用相同提取工藝分別提取柚皮黃色部分與柚皮白色部分的果膠，經流變學試驗表明，白柚皮果膠黏度大于黃柚皮果膠，均與果膠濃度正相關，隨pH值的增大先增大后減小，隨鈣離子含量的增大呈波動性變化，白色柚皮果膠黏度略優于黃色柚皮果膠，且在pH 2～4、鈣離子濃度為2%～2.5%時黏度較大。Cho[49]以食品級酒石酸、蘋果酸和檸檬酸為提取劑分別提取蘋果皮果膠得出，在85℃下用有機酸提取的果膠甲氧基化程度高，可生產高黏度的蘋果果膠，且有機酸提取作為一種綠色提取工藝可以減少環境的污染。李加興等[50]在黃秋葵果膠理化特性的研究中表明，黃秋葵果膠的黏度隨著加熱時間的延長而下降，此外還與黃秋葵的質量濃度、蔗糖質量濃度均成正相關，與加熱溫度成負相關，而隨pH值、CaCl2質量濃度的增大呈先上升后下降的趨勢，表現出一般果膠的黏度特性。侯玉婷等[51]以山楂粉為原料，采用熱水浸提、超聲輔助熱水浸提、酶法輔助熱水浸提3種方法提取果膠得出，酶法輔助熱水提取果膠的得率最高，達到17.7%，且相應酯化度和黏度最高。相比較可以看出微波輔助提取、超聲波輔助提取、酸法提取對果膠的黏度影響并不是特別大，最主要的是控制好各方法的提取溫度及時間。

3.5 凝膠性

凝膠性是指在一定條件下，一定比例的果膠與可溶固形物制成品質較好的凝膠能力。因此，凝膠性是判斷果膠品質好壞的一個重要參數，是衡量凝膠能力的指標。Mouna A.等[52]利用熱提取法提取石榴皮中的果膠，在研究石榴皮的成分、石榴加工過程中主要副產物和部分水溶性果膠的特性中表明，果膠凝膠形成的變異是由于果膠特性的差異，特別是水動力體積和中性糖含量的差異所致。而不同結構的果膠其凝膠機理也存在著一些差異，如高甲氧基果膠是在一定溫度下，當果膠和糖、酸比例適當時就會形成凝膠；低甲氧基果膠是必須在二價陽離子存在的情況下才能形成凝膠。

孫雅君[53]在超聲波輔助提取法對胡蘿卜果膠質量的影響研究中得出，超聲波（26 kHz、300 W、pH2.0、85℃）提取果膠時，其凝膠單元數（73.18）高于酸法（pH2.0、75℃提取的果膠凝膠單元數62.67）。此外，Seshadri[54]在研究超聲波對果膠凝膠過程中的黏彈性及分散性的影響時發現，隨著超聲時間的增加和頻率的增大，果膠的凝膠強度降低且凝膠時間延長。汪英等[55]利用超聲波輔助的酸提技術提取荸薺皮果膠，在料液比 1 ∶30（g/mL），時間 40 min，pH 1.0，溫度 70 ℃時所提取出的荸薺皮果膠屬于高酯小分子果膠，凝膠度較好，適合用于開發果膠類食品增稠劑。超聲波輔助提取出的果膠，其凝膠度較好，但是超聲波的時間和頻率過大會造成果膠降解，影響果膠的凝膠度。

4 結論與展望

果膠作為天然植物提取膠體和可溶性膳食纖維具有多種功能和性質，廣泛應用與食品和化妝品領域。經濟的發展使人們對食品的營養性和安全性越來越關注，追求也越來越高。雖然在果膠制備新技術上有了較多研究，但是工業上目前仍以傳統熱酸提取技術為主。在介紹了果膠最新研究進展后，筆者提出幾個果膠研究和探討的新方向。

1）開發更環保、經濟、高效的果膠提取技術，注重開發多種提取工藝相結合的方法來制備果膠。利用多種工藝相結合的協助和互補作用提取果膠，如酶法、酸法與超聲波、微波等輔助提取相結合、超聲波-微波協同其他方法相結合提取。

2）探索制備技術、生物技術對果膠理化性質的改良作用。現在人們更熱衷于低糖低熱量的“健康食品”，低酯果膠正是低糖低熱量食品的主要原料之一，因此，去酰胺化、高酯果膠低酯化的生產技術也將是今后的研究熱點。

3）不同加工、制備技術對果膠品質的改性作用的研究。近年來，改性果膠在抗癌、免疫、材料等領域取得了可觀的成績。為了更好的對果膠進行改性和應用，要明確不同技工技術對果膠改性的作用機理機制和改性果膠的功能因子及作用機理，為果膠的功能化應用奠定基礎，這也將是果膠產業研究和發展的重要方向。