果蔬廢棄物中RG-I 果膠的提取與綜合利用現(xiàn)狀

盛良杰，杜余毅，吳 澎

（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）

果膠是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的膠體酸性雜多糖，廣泛地存在于水果蔬菜的初級(jí)細(xì)胞壁和中層細(xì)胞中[1]。它主要由半乳糖醛酸（GalA）組成[2]，含有大量的L-鼠李糖（Rha）、D-阿拉伯糖（Ara）、D-半乳糖（Gal）以及其他13 種不同的單糖。果膠可以具體分為三個(gè)結(jié)構(gòu)域：同型半乳糖醛酸（Homogalacturonans，HG）、鼠李半乳糖醛酸I型（Rhamnogalacturonan-I，RG-I）和鼠李半乳糖醛酸II 型（Rhamnogalacturonan-II，RG-II）[3]。HG 含有甲基化和乙?；问降聂然酆衔?；RG-I 含有重復(fù)的半乳糖醛酸（GalA）和鼠李糖骨架，帶有阿拉伯糖、半乳糖或阿拉伯半乳糖側(cè)鏈；RG-II 由帶有復(fù)雜側(cè)鏈的HG 骨架組成，含有半乳糖醛酸單元[4]。

果膠在食品工業(yè)中被用作穩(wěn)定劑、膠凝劑、乳化劑和脂肪替代品[5]，在醫(yī)療方面可以作為功能生物材料輸送化療藥物[6]。商品果膠是以HG 為主的多糖，由≥65%的半乳糖醛酸單體組成，它們往往在高溫的酸性條件下制備，以去除RG-I 區(qū)域，實(shí)現(xiàn)更好的凝膠性能和質(zhì)量控制。而最近對(duì)RG-I 果膠的研究表明，果膠結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈比其他果膠組分對(duì)多糖活性的貢獻(xiàn)要大得多。富含RG-I的高支鏈果膠被視為一種潛在的益生元，可抑制高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖[7]。以RG-I 為主的果膠可以降低馬鈴薯淀粉的體外消化率[8]，為生產(chǎn)慢消化食品提供了一種潛在的選擇。

在果蔬產(chǎn)品采收到加工的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，而這些副產(chǎn)物恰是果膠豐富的提取原料。果膠是高需求的多功能食品配料和添加劑，而RG-I 果膠具有免疫調(diào)節(jié)、細(xì)胞遷移抑制、降血糖和抗癌等功能[9]。因此，從果蔬廢棄物中提取具有高生物活性的RG-I 果膠，近年來(lái)成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)RG-I 果膠應(yīng)用的研究，分析了其當(dāng)前在應(yīng)用中可能存在的問(wèn)題，結(jié)合發(fā)展趨勢(shì)對(duì)它的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，旨在為RG-I 果膠的綜合利用提供科學(xué)的依據(jù)。

1 RG-I果膠的結(jié)構(gòu)

RG-I是由100個(gè)重復(fù)的二糖單元（[→4)-α-D-GalA-(1→2)-α-L-rhamnose(Rha)-(1→]）組成[10]，骨架上20%～80%的鼠李糖殘基可以在O-4 位被中性糖側(cè)鏈（半乳糖、阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖）取代[11]；此外，GalA 還可以在C-2 和/或C-3 上乙酰化[12]。RG-I 主干可能含有多達(dá)300 個(gè)鼠李糖基和300 個(gè)半乳糖醛酸殘基[13]。RG-I 因其高度分枝特性而有“毛狀區(qū)”的名稱(chēng)[14]。

RG-I 型果膠具有豐富的側(cè)鏈，包括α-L-1,5-阿拉伯聚糖、β-D-1,4-半乳聚糖、阿拉伯半乳聚糖[15]。目前，阿拉伯半乳聚糖作為研究的熱點(diǎn)，有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，分別為阿拉伯半乳糖I（AG-I）和阿拉伯半乳糖II（AG-II）。AG-I存在于1,4-連接的β-D-半乳糖的線性鏈中，含有高達(dá)25%的α-L-阿拉伯糖殘基，1,5-連接在短側(cè)鏈中，主要連接到鼠李糖殘基的O-4[16]。AG-II 由1,3-連接的β-D-半乳糖支鏈組成，含有α-L-阿拉伯糖-(1→6)-[β-D-半乳糖-(1→6)]n（n=1、2 或3）的短側(cè)鏈，側(cè)鏈上的半乳糖殘基可以被α-L-阿拉伯糖-(1→3)殘基取代[17]。此外，AG-II還與一個(gè)復(fù)雜的蛋白多糖家族（3%～8%的蛋白質(zhì)）有關(guān)，稱(chēng)為阿拉伯半乳糖蛋白（Arabinogalactan proteins，AGPs）。該分子的蛋白質(zhì)部分含有豐富的氨基酸，如脯氨酸、羥脯氨酸、絲氨酸和蘇氨酸[18]。

2 RG-I 果膠的提取

獲得果膠的過(guò)程包括以下步驟：提取、純化、濃縮、干燥[22]。固液比、溶劑類(lèi)型和極性、原料大小等因素均會(huì)影響提取動(dòng)力[23]。在工業(yè)生產(chǎn)上，多用常規(guī)酸提法獲得果膠，但酸提過(guò)程往往伴隨著RG-I 區(qū)GalA 和鼠李糖（Rha）殘基之間不穩(wěn)定酸的鍵的水解[9]。為解決這一問(wèn)題，一些新的提取技術(shù)近些年被探索出來(lái)[24]，旨在減少或消除溶劑的使用，并為RG-I 果膠高附加值化合物提供更高的產(chǎn)量和更短的提取時(shí)間[20]。RG-I 果膠提取方法詳見(jiàn)表1（見(jiàn)下頁(yè)）。

表1 RG-I 果膠提取方法Table 1 Extraction method of RG-I pectin

果膠網(wǎng)絡(luò)被包裹在植物細(xì)胞壁中[25]，RG-I 和纖維素微纖維之間的聯(lián)系以及多聚半乳糖醛酸羧基和多價(jià)離子之間的鍵是復(fù)雜的[26]。溶液環(huán)境會(huì)影響提取果膠的分子結(jié)構(gòu)，低溫可以保持RG-I 的結(jié)構(gòu)，而高溫酸提取會(huì)嚴(yán)重水解果膠的側(cè)鏈。然而，傳統(tǒng)溶劑提取方法存在提取時(shí)間長(zhǎng)、提取效率低、成本高的問(wèn)題。因此，需要探索創(chuàng)新RG-I 果膠的提取方法[27]。近些年在提取開(kāi)發(fā)RG-I 果膠方面，研究者們已開(kāi)展大量工作，目前已實(shí)現(xiàn)RG-I 果膠高效生產(chǎn)并降低能耗，改進(jìn)RG-I 果膠提取及分離是最大程度保留RG-I 結(jié)構(gòu)、優(yōu)化果膠的功能和生物活性的關(guān)鍵。目前有單一提取法和組合提取法，組合提取法可一定程度彌補(bǔ)單一提取技術(shù)存在的不足，從而提升提取效率和產(chǎn)品品質(zhì)[28]。

2.1 單一提取方法

2.1.1 酸性提取

酸性提取操作簡(jiǎn)便，是食品工業(yè)中常用的果膠提取方法。使用不同的酸萃取劑可以對(duì)果膠產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響[45]。檸檬酸提取馬鈴薯果膠的得率最高（14.34%），醋酸法提取的馬鈴薯果膠得率最低（4.08%）[46]。與其他酸相比，冰醋酸的水解能力最低，可以保留更多的馬鈴薯果膠RG-I 結(jié)構(gòu)域的側(cè)鏈[12]。檸檬酸預(yù)處理（pH 2、65 ℃、2 h）后提取的果膠具有更高的RG-I含量（57.5%）和更高的分子量分布[4]。由于無(wú)法避免過(guò)度分解及產(chǎn)品質(zhì)量差等缺陷[28]，以及中性糖側(cè)鏈和主鏈Gala-Rha 鍵在酸性環(huán)境中容易被水解等問(wèn)題[47]，Zhang等[9]提出可在低溫酸條件下提取富含RG-I 結(jié)構(gòu)的果膠。

2.1.2 堿性（NaOH）提取

堿性溶液中的羥基離子可以引起細(xì)胞壁膨脹，導(dǎo)致果膠釋放，由此得到保留了中性糖側(cè)鏈的低甲氧基果膠[41]。堿性提取可以保留果膠的中性糖側(cè)鏈，但果膠的甲酯和乙酰基被β-消除反應(yīng)所降解[12]。Zhang 等[9]嘗試了從柑橘罐頭加工廢液和果皮中分離果膠多糖，結(jié)果證明提取液中的果膠中性側(cè)鏈摩爾比高，為RG-I 型果膠多糖。

2.1.3 超聲波提取

大學(xué)生志愿服務(wù)活動(dòng)，不僅是大學(xué)生自我實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)烈需要，而且有利于推動(dòng)大學(xué)生的社會(huì)進(jìn)程，有利于大學(xué)生樹(shù)立正確的人生觀、價(jià)值觀、世界觀，有利于大學(xué)生的成長(zhǎng)、成才。更重要的是，開(kāi)展大學(xué)生志愿服務(wù)活動(dòng)有利于我國(guó)大學(xué)生社會(huì)主義核心價(jià)值觀的學(xué)習(xí)和踐行。所以，作為為國(guó)家培養(yǎng)社會(huì)建設(shè)人才的全國(guó)各大高校，應(yīng)堅(jiān)定不移地推進(jìn)志愿服務(wù)活動(dòng)，為社會(huì)主義建設(shè)添磚加瓦。

超聲波提取果膠，允許使用較少的溶劑，并在能源和時(shí)間方面減少對(duì)環(huán)境的影響。由于超聲波增加了組織和細(xì)胞破裂的萃取率，因此可以使用溫和的萃取劑，分離出更多的完整果膠[48]。Hu 等[26]研究證明，在溫度為42℃、pH 為12 的條件下，超聲能加速柑橘RG-I 果膠的提取，最高得率為25.51%。然而，所有這些超聲處理和高溫處理都會(huì)導(dǎo)致果膠產(chǎn)品不均勻和果膠微結(jié)構(gòu)被破壞，特別是中性側(cè)鏈[49]。此外，在加工過(guò)程中，接觸溶劑的顆?？偯娣e以及溶脹效應(yīng)增加，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致基質(zhì)某些部分出現(xiàn)高黏度區(qū)域，降低超聲效率[26]。

2.1.4 酶法提取

酶法提取最常用的酶包括纖維素酶、半纖維素酶、蛋白酶和果膠酯酶。這些酶的結(jié)合可以加速細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的裂解，從而釋放果膠[50]。Cui 等[51]發(fā)現(xiàn)纖維素酶提取的果膠具有更廣泛的構(gòu)象，更有利于腸道微生物的生長(zhǎng)。Wu 等[3]研究表明，纖維素酶、木聚糖酶提取的果膠與酸提取相比，具有更大的相對(duì)分子質(zhì)量、更多的糖醛酸、更低的淀粉含量和更好的抗氧化能力。酶法提取對(duì)環(huán)境友好、專(zhuān)一性強(qiáng)，但普遍適用性較差，酶活性對(duì)外界條件變化較敏感[28]，其作用部位受到分支結(jié)構(gòu)的阻礙，導(dǎo)致產(chǎn)量低和生產(chǎn)成本高[26]。

2.1.5 微波輔助提取

微波可直接與細(xì)胞內(nèi)的水分子相互作用迅速提高溫度，液態(tài)水分汽化產(chǎn)生壓力可加速細(xì)胞壁的破裂以釋放果膠[43]。該方法具有操作時(shí)間短、溶劑消耗少、生產(chǎn)成本低、萃取率高等優(yōu)點(diǎn)。在微波輔助提取方法中，微波功率、微波時(shí)間、pH 值和固液比等因素都會(huì)影響果膠的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，有必要對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最大的產(chǎn)品提取率[28]。但微波輔助提取法溫度升高過(guò)快，不易控制，導(dǎo)致提取的果膠凝膠強(qiáng)度有所降低[28]。

2.2 組合提取方法

2.2.1 高壓輔助堿提取

采用高壓輔助堿提取可獲得較高的萃取率，可能是由于高壓導(dǎo)致細(xì)胞變形、細(xì)胞膜破壞甚至細(xì)胞破裂，并改善了傳質(zhì)速率、細(xì)胞內(nèi)溶劑的滲透性以及次生代謝物的擴(kuò)散。高壓輔助堿提取法可獲得較高的柑橘果膠得率（28.13%～33.95%），是傳統(tǒng)提取法的2～3 倍[27]。Hou 等[27]使用高壓輔助堿溶液提取果膠，其產(chǎn)率高達(dá)34%，并獲得了具有RG-I 結(jié)構(gòu)的果膠，占75%。高壓輔助堿提取果膠能顯著促進(jìn)短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，尤其是丙酸和正丁酸，影響腸道微生物區(qū)系。丙酸和正丁酸通過(guò)促進(jìn)潛在有益屬的生長(zhǎng)和抑制潛在有害屬的生長(zhǎng)，來(lái)影響腸道菌群組成，是促進(jìn)腸道健康的功能食品中的益生元的潛在來(lái)源[33]。

2.2.2 微波輔助堿處理

采用微波和堿處理相結(jié)合的方法從馬鈴薯果肉中提取RG-I 果膠，結(jié)果表明，提取時(shí)間對(duì)RG-I 的得率有顯著影響[6]。但隨著微波處理時(shí)間的延長(zhǎng)，熱能急劇增加，導(dǎo)致半乳糖醛酸分子降解，最終造成果膠得率下降[28]。

2.2.3 超聲-微波輔助提?。╱ltrasound-microwave assisted extraction，UMAE）

UMAE 結(jié)合了超聲波和微波提取的優(yōu)點(diǎn)，超聲波可促進(jìn)細(xì)胞壁的破裂、增加傳質(zhì)速率，而微波可直接與細(xì)胞內(nèi)的水分子相互作用，加速細(xì)胞壁破裂釋放果膠[43]。與常規(guī)加熱方法相比，UMAE 提高了果膠產(chǎn)量，且提取的果膠具有更強(qiáng)的抗氧化能力。與僅通過(guò)微波加熱提取的葡萄柚果膠相比，所獲得的果膠具有更高的得率、酯化度和特性黏度[43]。Yang 等[43]采用UMAE 和HCl 相結(jié)合的方法，用Box-Behnken 設(shè)計(jì)對(duì)提取溫度、pH 和時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，使提出的馬鈴薯果膠RG-I 得率達(dá)到61.54%。

3 RG-I 果膠的應(yīng)用

果膠是聚半乳糖醛酸的甲基化酯[52]，在食品工業(yè)中被廣泛用作產(chǎn)品的凝膠劑，并作為一些果汁和牛奶飲料的穩(wěn)定劑[53]，以及用于烘焙和糖果產(chǎn)品[20]。果膠具有多糖的化學(xué)和結(jié)構(gòu)特征，使其能夠與廣泛的分子相互作用，科學(xué)家利用這一特性形成新的復(fù)合基質(zhì)，用于靶向受控輸送治療分子、基因或細(xì)胞[54]，并在制藥行業(yè)中被視為一種原材料和防癌制劑[55]。果膠的其他應(yīng)用包括將其用作動(dòng)物飼料、化妝品、脂肪替代品和可食薄膜等[9]，其潛在應(yīng)用因化學(xué)成分而異。聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織以及世界衛(wèi)生組織聯(lián)合專(zhuān)家委員會(huì)已研究并確定果膠無(wú)毒，對(duì)果膠每日攝入量沒(méi)有任何限制，所以果膠的市場(chǎng)供不應(yīng)求。據(jù)報(bào)道，RG-I 果膠具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)果膠的獨(dú)特功能，如免疫功能、調(diào)節(jié)腸道菌群、調(diào)節(jié)慢性代謝綜合癥和抑制癌癥等[27]。

3.1 潛在的益生元

益生元一般指一些不被宿主消化吸收，卻能夠選擇性地促進(jìn)體內(nèi)有益菌的代謝和增殖，從而改善宿主健康的有機(jī)物質(zhì)[56]。果膠作為益生元可以促進(jìn)腸道益生菌的生長(zhǎng)繁殖，提高益生菌的生物活性[27]。果膠物質(zhì)結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化可能會(huì)顯著并直接地影響腸道微生物及其生理功能[57]。與HG 果膠相比，RG-I 果膠的中性糖側(cè)鏈起著重要作用，對(duì)慢性代謝疾病和腸道益生菌的生物活性具有優(yōu)越的調(diào)節(jié)作用[33]。

3.2 調(diào)節(jié)免疫

由于對(duì)免疫系統(tǒng)的直接或間接影響，飲食中的果膠被認(rèn)為是某些免疫疾病的免疫分子。據(jù)報(bào)道，柑橘果膠可以與巨噬細(xì)胞中的Toll 樣受體相互作用，從而調(diào)節(jié)結(jié)腸炎和回腸炎小鼠的免疫反應(yīng)[3]。RG-I 果膠的側(cè)鏈可以結(jié)合Galectin-3 的特異性識(shí)別位點(diǎn)[58]，并通過(guò)抑制Galectin-3 的活性而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[33]。

3.3 無(wú)糖凝膠

果膠復(fù)雜的結(jié)構(gòu)賦予果膠不同的物理化學(xué)特性，最顯著的是它在食品工業(yè)中的增稠和凝膠應(yīng)用[46]。RG-I 果膠具有自凝膠潛力，其形成的凝膠具有顯著的增稠和穩(wěn)定作用。RG-I 的自凝膠性能和益生元功能的結(jié)合，使其可作為一種具有益生作用的功能性食品添加劑[27]。果膠本身或由于其凝膠特性，在制藥工業(yè)中被用作向胃腸道輸送藥物的載體，如骨架片、凝膠珠、薄膜包衣劑[53]。

3.4 輸送藥物

利用果膠作為控制藥物輸送的基質(zhì)，主要是在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，如藥物輸送、基因輸送、組織工程、傷口愈合和傷口敷料材料[59]，因?yàn)樗軌蛐纬煞€(wěn)定的凝膠[13]。富含RG-I 的果膠也被用于藥物輸送[60]，它還被開(kāi)發(fā)為生物活性物質(zhì)的載體，并因其抗菌活性而被應(yīng)用于醫(yī)療和骨工程中的植入性生物材料[41]。

3.5 預(yù)防癌癥等疾病

果膠與常規(guī)抗癌藥物聯(lián)合具有協(xié)同作用，依賴(lài)于果膠的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種活性片段，這些活性片段可以對(duì)抗活性部位或結(jié)合分子，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和抑制腫瘤轉(zhuǎn)移[13]。Galectin-3 是一種β-半乳糖苷結(jié)合蛋白，被認(rèn)為是通過(guò)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、黏附、轉(zhuǎn)移和抑制細(xì)胞凋亡而促進(jìn)腫瘤發(fā)展的分子[61]。富含RG-I 結(jié)構(gòu)的果膠，通過(guò)與Galectin-3 的相互作用，抑制細(xì)胞轉(zhuǎn)移，并可以誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡。已發(fā)表的研究還顯示，不同結(jié)構(gòu)的人參果膠和化學(xué)修飾的柑橘果膠對(duì)Galectin-3 的作用不同，是因?yàn)镽G-I 中的短β-1,4 半乳糖側(cè)鏈起著重要作用[61]。

3.6 吸附重金屬離子

果膠具有陽(yáng)離子結(jié)合能力，被用作生物吸附劑，去除人體中的有毒金屬離子或廢水中的重金屬[62]。除了HG外，RG-I 和RG-II 也被認(rèn)為參與了重金屬的結(jié)合。特別是RG-I 的支化程度和性質(zhì)以及RG-II 上的中性糖可能會(huì)對(duì)果膠的重金屬結(jié)合產(chǎn)生影響。果膠的側(cè)鏈可能限制鏈間結(jié)合，從而限制重金屬的吸附。果膠對(duì)重金屬具有良好的吸附能力，但機(jī)械強(qiáng)度低、分離困難等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用[63]。

3.7 乳化劑

果膠作為一種潛在的天然食品乳化劑，在食品加工中可作為人造奶油替代物或活性物質(zhì)運(yùn)載體系等[64]。乳液是不穩(wěn)定的膠體體系，往往會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不相容的相。通常使用乳化劑來(lái)降低油和水之間的界面張力或產(chǎn)生排斥作用以穩(wěn)定乳化體系。果膠組分表現(xiàn)出乳化能力和乳化穩(wěn)定性，這可能依賴(lài)于蛋白質(zhì)和乙酰基的存在，并受HG 和RG-I 片段的影響，特別是疏水基團(tuán)和中性糖側(cè)鏈，它們?yōu)楣z提供了錨定油水界面的能力[65]。

4 展望

本文梳理了RG-I 果膠的結(jié)構(gòu)、提取方法以及加工應(yīng)用。隨著大眾對(duì)健康飲食需求的增加，RG-I 果膠具有較可觀的發(fā)展前景，且被廣泛研究并應(yīng)用。富含RG-I 結(jié)構(gòu)域的果膠多糖在預(yù)防癌癥、調(diào)節(jié)慢性代謝綜合癥等方面顯示出更好的活性，并顯示出通過(guò)pH 誘導(dǎo)和微波誘導(dǎo)凝膠形成無(wú)糖凝膠系統(tǒng)的潛力。RG-I 果膠還可能通過(guò)腸道微生物發(fā)酵被人體吸收和利用，有助于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其抗癌、免疫調(diào)節(jié)和作為益生菌的特點(diǎn)。目前，對(duì)RG-I果膠的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用雖有一定的研究，但其作用機(jī)理研究不夠透徹，還需經(jīng)過(guò)更加權(quán)威的論證。今后要拓寬RG-I果膠深加工領(lǐng)域，如從歐李果實(shí)中提取的RG-I 果膠，可用作一種具有凝膠和抗氧化效果的新型乳化劑，在包括水包油和低糖產(chǎn)品在內(nèi)的各種產(chǎn)品中作為天然乳化劑和流變性改進(jìn)劑提供替代應(yīng)用，并將其應(yīng)用于功能性食品與醫(yī)療中，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要。