天然果膠的研究進展

宋娟，易樂，李琦，，馮湘沅，楊琦，席果果，鄭科，段盛文?，成莉鳳?

(1.中國農業科學院麻類研究所，湖南 長沙 410221；2.湖南利爾康生物股份有限公司，湖南 岳陽 414100)

果膠是植物相鄰細胞壁間和胞間層中均存在的一種非均質雜多糖，由C、H、O 3 種元素組成。1825 年，法國化學家Braconnot 第一次提取到果膠，并把這種能形成凝膠的物質命名為“Pectin”，自此許多研究者將目光轉向果膠，并致力于對果膠的研究[1]。 果膠無毒無害，安全可靠，是人體七大營養要素中的膳食纖維的主要成分之一，也是世界公認安全無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、穩定等，從而被廣泛應用于食品、醫藥、日化、紡織等加工業。

現階段，我國的果膠需求量大幅度增長，但80%依賴于進口[3]。 我國果膠資源豐富，但是果膠資源利用率低，果膠提取產業不成熟。 目前大量含果膠的原料被直接丟棄，既浪費資源，又污染環境。 因此，果膠原料綜合利用符合“綠色、生態、環保”的理念。 大力開展非常規原料來源的果膠提取及利用，探索提高果膠產量和質量的新技術和新方法，在推動果膠產業發展中具有重要意義。

1 果膠來源

天然果膠來源廣泛，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，商業化果膠主要是柑橘果膠和蘋果果膠[4－5]，其他來源的大部分果膠還停留在研究階段[6－7]。

表1 果膠來源及含量Table 1 Pectin source and content

2 果膠提取方法

果膠有3 種形態，即原果膠、果膠和果膠酸[29]。 果膠在植物體內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酸溶液或無機酸溶液。 通過一些物理、化學以及生物的手段使原料中的不溶性果膠轉化成可溶性果膠從而分散到提取介質中，再經分離和純化，得到產物果膠[30]。 常用的提取方法可以分為物理法、化學法和生物法，其均有各自的特點(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，作用于材料中的極性部分，通過離子傳導和偶極子旋轉機制將其轉化為熱能。 熱量加速傳質，有助于分解果膠、纖維素和半纖維素之間復雜的交聯結構，從而促進果膠的溶解和釋放[10]。 Spinei 等[27]利用微波技術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、提取時間15 min、提取溫度90 ℃、龍膽草粒徑0.120 mm、料液比1∶30(g/mL)時，果膠提取率達7.51%。 針對植物原料的類型，優化微波提取的功率和時間，對保證果膠的得率和品質至關重要。

2.1.2 超聲法

超聲波產生的空化效應、剪切力及粉碎等效應能綜合作用在溶液中并傳遞強大的能量，破壞植物細胞壁的結構，增強溶劑的滲透力，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，最優工藝參數為:料液比1∶10、超聲功率300 W、溫度70 ℃、提取時間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，工藝的優化結果表明，在超聲頻率100%、pH 1.8、料液比1∶10(g/mL)、30 min 時，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鍵因素，可結合超聲時間選取最佳超聲條件。

2.1.3 萃取法

萃取是利用系統中組分在溶劑中有不同的溶解度來分離混合物的方法。 常用來提取果膠的萃取方法主要有超臨界流體萃取法、連續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，無毒無味無污染。 周先玉等[41]研究超臨界CO2萃取火棘果實果膠，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%。

常用的雙水相系統有高聚物雙水相體系、高聚物/無機鹽雙水相體系、低分子有機物/無機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:質量分數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，其最優條件為乙醇體積分數35%、磷酸氫二鉀18%、萃取溫度78 ℃，果膠得率為8.35%。 雙水相系統的操作條件溫和，生物相容性好，不易使活性成分變性，適用于生物活性物質的提取。

2.1.4 高壓脈沖電場法

高壓脈沖電場法是利用高壓脈沖波瞬間對植物細胞壁和細胞膜造成巨大破壞，加速體系中待提物質溶出[44]。 王文淵等[33]使用高壓脈沖電場提取秋葵果膠，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 ℃、電場強度10 kV/cm、脈沖數9 個、酶解時間20 min，果膠得率可達17.62%。 張佩琳[45]采用脈沖電場提取柚皮果膠，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，體積急劇膨脹使細胞爆破，從而促進細胞內果膠的溶出。 LIANG 等[34]利用蒸汽爆破對百香果果皮果膠進行提取，其果膠得率為10.7%。 物料的含水量以及粉碎細度在一定程度上會影響蒸汽爆破的效果，因此，原料預處理也是關鍵環節。

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 狀態下的水。 通過調控亞臨界水的溫度和壓力，使其極性可在較大范圍內調整，從而實現連續有選擇性地對物質分離提取。 由于亞臨界水萃取使用的是價廉的水作為萃取劑，因此，該技術被視為綠色環保、前景廣闊的一項變革性技術。 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 化學法

2.2.1 酸法提取

酸提取法使用的酸可分為無機酸(硫酸、鹽酸、硝酸)和有機酸(檸檬酸、乙酸)。 酸能水解細胞壁中復雜的交聯網絡，促進果膠溶解和釋放[46]。 無機酸會對設備造成腐蝕并對環境造成污染，尋找合適的有機酸替代無機酸進行果膠提取是酸法提取的趨勢。 Jarrín－Chacón 等[47]報道，檸檬酸、蘋果酸和富馬酸對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%。 這些研究結果表明，有機酸有望作為一種用于果膠提取的綠色溶劑替代無機酸。

2.2.2 草酸銨法

草酸銨可使非水溶性果膠酸鈣轉變為可溶性的果膠酸，鈣離子和草酸根結合形成草酸鈣沉淀[49]。 草酸銨具有很強的金屬螯合作用，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，且處理條件較為溫和。 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，陽離子樹脂含有H＋，可交換果膠中的Ca2＋、Mg2＋等陽離子，解除陽離子對果膠的束縛，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，果膠得率為18.5%。 樹脂可吸附果皮中的鈣、鎂離子，并通過置換反應解除其與果膠的離子鍵作用。 同時，樹脂還能吸附小分子物質，消除果膠的機械性牽絆，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率。

2.3 生物法

2.3.1 微生物法

微生物發酵產生使果膠從植物組織中游離出來的酶，其能選擇性地分解植物組織中的復合多糖體，從而有效地提取出植物組織中的果膠。 黃敏剛[54]運用微生物發酵法提取柑橘皮果膠，其最佳工藝條件為接種量10%、發酵時間40 h、發酵溫度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到21.5%。 LIU 等[38]利用土曲霉發酵提取柿子皮果膠，最佳發酵條件為:發酵時間30.09 h、發酵溫度25 ℃、發酵培養基初始pH 6.9，果膠產量達到最大值0.449 g/g。 采用微生物發酵法提取的果膠相對分子質量大、消耗低、污染低，果膠的膠凝度高，質量穩定[55]。

2.3.2 生物酶法

酶解提取法常應用蛋白酶、纖維素酶、半纖維素酶、木質素酶等復配，用于酶解植物細胞壁，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32.3%。 戴少慶等[57]利用超聲波輔助復合酶法對椪柑皮中的果膠進行提取，半纖維素酶和纖維素酶組成復合酶共同參與提取，在料液比1∶20(g/mL)、超聲波功率187.5 W、超聲時間65.3 min、復合酶用量(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，復合酶法提取的處理時間縮短了4～5 h，且提高了提取效率。 石海燕[17]使用復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]使用內切木聚糖酶和內切纖維素酶提取蘋果渣中的果膠，結果表明，內切木聚糖酶對果膠的提取率最高，為19.8%，而內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

果膠經提取后溶于液相中，得到提取液，需進一步分離才能得到目標果膠物質，利用果膠的物理化學性質進行分離。 純化方法可以影響果膠的化學成分、分子量分布、平均分子量和膠凝能力。目前國內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 ℃，沉析時間為60 min，所得果膠均符合國家標準。 Yapo 等[58]發現超濾純化后醇沉淀的果膠與單獨醇沉淀的果膠相比，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行超濾，可以有效去除果膠污染物“灰分和蛋白質”等成分，從而改善最終果膠產品的成分質量和可能的膠凝性能。

4 果膠的結構及理化特征

4.1 果膠的結構

果膠可以分成4 個部分，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]。 這些聚合物通過共價鍵互相連接，果膠的高度圖解模型顯示了廣泛存在于果膠的4 個組成部分(圖1)，雖然不同來源的果膠各組分數量不同，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側鏈。 兩個在側鏈含有芹菜糖殘基的鼠李半乳糖醛酸－Ⅱ通過與一個硼酸酯連接從而形成鼠李半乳糖醛酸－Ⅱ二聚體[60]。

圖1 果膠結構簡圖[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，無異味，溶于20 倍水中則呈黏稠狀液體，不溶于有機溶劑。 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的重要指標，能影響果膠的結構與構象[62]。 不同酯化度果膠之間存在結構與構象的差異，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，具有優良的凝膠特性。 根據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)。 通常把甲氧基質量分數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＋或其他陽離子存在下無論有糖或無糖均能凝膠。 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[61]。

4.2.3 乳化性

果膠因為具有親水性的羧基和疏水性的甲酯基和乙酰基，被證實具有一定的乳化能力。 王文霞等[13]發現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 果膠的功能與應用

5.1 在食品中的應用

果膠是綠色、環保的天然植物提取產物，被認為是自然界最健康最安全的食品添加劑，是聯合國糧農組織和世界衛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，保持風味；因其優越的乳化穩定性，添加在酸奶等乳制品中，使酸奶穩定不離析分層；作為增調劑，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的持氣性[19]。

5.2 在醫藥中的應用

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，促進腸胃蠕動，潤腸通便；果膠還可抑制癌細胞的聚集，阻止其擴散轉移等[67]。 同時，果膠具有一定的心臟保護作用[68]。果膠具有很強的吸水保水能力，食用后會讓人產生飽腹感，減少進食，有利于減肥。 同時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腸中，作為醫藥控釋載體，遞送藥物[69]。 果膠與殼聚糖形成水凝膠，能夠促使細胞增殖且安全無毒，可以作為傷口敷料[70]。

5.3 其他應用

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、紡織、化妝品等行業[71]。 在化妝品中作乳化劑[72]；在微生物的培養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]；在水處理行業中，開發以果膠為基質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用于3D 打印[75－76]，以及其他一些活性包裝材料[77－78]。

6 總結與展望

果膠來源豐富，提取方法多樣，探討從農副產品廢棄物中合理開發及利用果膠對于有效提高農副產品附加值及助力鄉村振興具有重要意義。 然而，目前果膠產業還存在兩個主要問題:(1)污染重、能耗高。 現階段果膠提取主要是化學法，強酸強堿的提取環境易造成環境污染，也易破壞果膠結構。 采用生物法提取能有效緩解環境污染大和能耗高的問題，加大果膠提取生物助劑(菌制劑和酶制劑)的開發與利用勢在必行。 (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，其他來源的果膠產業化程度還遠遠不夠。

因此，大力開展果膠的研究與開發、探索提高果膠產量和質量的新方法、發掘優質果膠及其新原料以及果膠的綠色環保生產和高效利用成為亟待解決的問題。 隨著新興技術的不斷出現，有關果膠的新原料、新工藝、新產品將不斷涌現，有望改變我國果膠長期依賴于進口的局面。