果膠作為生物活性成分包埋載體研究進(jìn)展

（重慶工商大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，重慶400067）

果膠是植物細(xì)胞壁的主要成分之一，有助于組織的完整性和剛性，它被認(rèn)為是自然界中最復(fù)雜的大分子之一[1]。果膠分子是由D-半乳糖醛酸殘基和多種中性糖如樹膠醛糖、鼠李糖、半乳糖及少量的其它糖通過α-1，4糖苷鍵組成，分子式為C5H10O5。作為一種多分支結(jié)構(gòu)的高分子化合物，其可轉(zhuǎn)變?yōu)橛删酆衔镦溞纬傻膹椥跃W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠，可溶脹但不能溶解在水中。工業(yè)上使用的果膠主要來源于蘋果渣和柑橘皮[2]。天然果膠具有很高的功能性價值，在食品工業(yè)中，果膠被美國食品和藥物管理局列為公認(rèn)的安全等級，可用于食品產(chǎn)品中的膠凝劑、穩(wěn)定劑或增稠劑，如果醬、酸奶飲料、果味牛奶飲料和冰淇淋，利用其凝膠特性也廣泛應(yīng)用于藥物傳遞、基因工程和化妝品行業(yè)中[3]。本文主要從果膠的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其作為包埋載體的應(yīng)用進(jìn)展3個方面進(jìn)行綜述，以為后期果膠載體的開發(fā)提供參考。

1 果膠的結(jié)構(gòu)

果膠是分子結(jié)構(gòu)高度多樣性的極其復(fù)雜的生物聚合物。其分子至少由三類多糖分區(qū)組成：同聚半乳糖醛酸（homogalacturonan，HGA）區(qū)，鼠李半乳糖醛酸-I區(qū)（rhamnogalacturonan I，RG-I），鼠李半乳糖醛酸-II區(qū)（rhamnogalacturonan II，RG-II）[4]。半乳糖醛酸區(qū)是果膠多糖中最主要的成分，其是由α-1,4糖苷鍵連接的D-半乳糖醛酸（galacturonic acid，GalA）組成的線性長鏈聚合物，其中GalA的C6部分被甲基化，C2或C3部分被乙?；＞郯肴樘侨┧峁歉缮媳患谆セ臍埢剪驶谋戎稻捅环Q為酯化度（the degree of esterification，DE）。根據(jù)酯化度的（羥基酯化的百分?jǐn)?shù)）大小，酯化度大于50%的果膠被稱為高甲氧基果膠即（high-methoxyl pectin，HMP），酯化度低于 50%的果膠被稱為低甲氧基果膠（low-methoxyl pectin，LMP）。RGI區(qū)由重復(fù)的雙糖單元[1，4-α-D-半乳糖醛酸（GalpA）-1,2-α-l-Rhap（鼠李糖）-]組成主鏈，其中有 20%～80%的鼠李糖殘基被中性糖，主要為阿拉伯呋喃糖和半乳糖取代并形成分子的側(cè)鏈。此外，也有文獻(xiàn)報道部分側(cè)鏈的終端鏈接的是果糖、吡喃葡萄糖和4-O-甲基-吡喃葡萄糖。這種分枝狀的RG-I區(qū)即為果膠分子中的“毛發(fā)區(qū)”[5]。RG-II區(qū)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，主鏈較短，由α-1,4糖苷鍵連接的D-半乳糖醛酸組成，其復(fù)雜的側(cè)鏈由20種不同的糖如鼠李糖、果糖、呋喃果糖、阿拉伯呋喃糖等于不同的鍵合方式連接在半乳糖醛酸的殘基上形成。

果膠分子的3種分區(qū)是如何組裝的還在爭論中。典型的推測指出3種分區(qū)通過共價鍵交聯(lián)為嵌段共聚物，但3種分區(qū)的相對位置仍然有待研究。不同的果膠，其結(jié)構(gòu)分區(qū)不同，從而其性能也不同，如甜菜漿果膠分子就含有比柑橘果膠更多的中性糖側(cè)鏈即毛發(fā)區(qū)。從生物學(xué)的角度來講，研究果膠分區(qū)的組成，有助于進(jìn)一步調(diào)整果膠的細(xì)胞粘附、抗轉(zhuǎn)移性能及研發(fā)具有特定功能的凝膠[6]。

2 果膠作為載體的基本性質(zhì)

2.1 穩(wěn)定性

作為多糖醛酸，果膠的穩(wěn)定性與環(huán)境pH值密切相關(guān)，較低的pH值或較高pH值均容易使果膠發(fā)生降解，pH值約3.5時，可阻止果膠分子中羧基電離，此時果膠穩(wěn)定性最大。溫度升高果膠分子中的糖苷鍵會水解從而增大果膠的降解速率，在堿性環(huán)境中，即便是在室溫條件下，果膠會迅速去酯化和降解。果膠被報道能提高花青素類物質(zhì)的穩(wěn)定性，如果醬中花青素的穩(wěn)定性就較高，其原理為果膠可通過分子中羧基基團(tuán)的氧原子與多酚中酚羥基中氫原子結(jié)合形成氫鍵，這也再次說明果膠適合用于包埋多酚類物質(zhì)。M.Buchweitz等的研究發(fā)現(xiàn)添加果膠到純化的黑加侖花青素，果膠能顯著提高花青素的穩(wěn)定性。低酯?；z對色素的保留效果最好，其次是低甲酯果膠和高甲酯果膠，而柑橘果膠比蘋果果膠對色素保留的效果較好。其結(jié)果還表示，就花青素而言，果膠的來源較果膠的類型對其穩(wěn)定的影響更大[7]。

2.2 乳化性

果膠分子因具有兩親性，有助于減少水、油相之間的界面張力，因此有助于提高納米乳液的穩(wěn)定性。甲氧基基團(tuán)的存在能增加果膠分子的疏水性，使它具有一定的表面活性，除此之外，由于果膠為陰離子多糖，還具備一些特有的界面特性（比如靜電力、位阻排斥力、流變學(xué)），也能作為穩(wěn)定劑應(yīng)用于乳化液當(dāng)中。果膠在酸性條件下穩(wěn)定，而一些乳液、果蔬汁都為酸性，因此越來越多的研究將果膠作為天然乳化劑應(yīng)用到食品、藥品中的包埋體系。研究發(fā)現(xiàn)，果膠的乳化性與果膠分子中的疏水基團(tuán)、中性糖側(cè)鏈、分子量相關(guān)，往往果膠分子中疏水基團(tuán)含量越多、果膠分子質(zhì)量越大乳液越穩(wěn)定，而中性糖側(cè)鏈則會在油滴表面形成水合層，阻止乳化液滴聚集提高穩(wěn)定性[8]。

2.3 膠凝性

高甲氧酯果膠在pH值小于3.5，在有蔗糖溶劑的情況下可通過疏水相互作用、氫鍵的作用形成非可逆凝膠。與高甲氧基果膠凝膠機(jī)理不同，低甲氧基果膠分子中游離羧基較多，能與二價或多價金屬陽子離形成配合物，即蛋格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠，同時中和果膠內(nèi)影響分子間結(jié)合的陰離子。金屬離子是影響低甲氧基膠凝的關(guān)鍵因素，固形物含量與環(huán)境pH值則對凝膠形成的影響較低。最終形成的果膠凝膠強(qiáng)度主要還取決于果膠的種類、濃度、金屬離子（Cu2+、Zn2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等）濃度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ca2+作為交聯(lián)劑時，其濃度與果膠濃度達(dá)到平衡時的凝膠質(zhì)量最好，如超過最佳含量，過量的Ca2+則導(dǎo)致果膠聚集形成沉淀，或成為不溶性的果膠鹽類[9]。低甲氧基果膠分子中若酰胺化程度大，則其凝膠特性受Ca2+濃度影響較小。凝膠特性是果膠最重要的性質(zhì)，在醫(yī)藥、食品等行業(yè)常利用果膠的凝膠特性來制備包埋藥物、風(fēng)味物質(zhì)等的產(chǎn)品。如利用高氧基果膠制備果凍、果醬，利用低甲氧基果膠制備水不溶型果膠包埋藥物制微膠囊等[10]。

2.4 消化特性

人體中不含有分解果膠的酶類，因此果膠經(jīng)過人體直到大腸都不能被降解，但在結(jié)腸內(nèi)，果膠可作為細(xì)菌活動的能源物質(zhì)而被降解，但卻不產(chǎn)生熱量。果膠還具有降低膽固醇、抗腹瀉、抗癌等功效[11]。天然果膠，具有無毒性、高度生物相容性、強(qiáng)的機(jī)械性能及酸穩(wěn)定性，由低甲酯果膠通過鈣離子凝膠法形成的果膠鈣凝膠珠，一直被認(rèn)為是很好的口服給藥體系。

3 果膠載體的構(gòu)建及荷載活性成分研究

基于果膠的生物材料在組織工程、創(chuàng)傷敷料、基因?qū)?、藥物輸送、腫瘤靶向等方面有廣泛的應(yīng)用。它在化妝品行業(yè)中可用于制備面霜、乳液的乳化劑和增稠劑。蘋果皮渣和柑橘的高甲氧酯果膠長被用作增強(qiáng)劑。果膠還可用于制作鈣凝膠珠、可食性膜、泡沫等包埋生物活性成分的載體[12]。由于果膠的高度水溶性，當(dāng)果膠被用作載體時極易發(fā)生溶脹、快速水合，導(dǎo)致包埋成分的提前釋放，有時為了改善果膠的包埋性能，也常常在應(yīng)用時會先對果膠進(jìn)行化學(xué)、酶法和物理改性。

3.1 果膠鈣凝膠珠

低甲氧基果膠可通過離子凝膠法和乳化技術(shù)與二價鈣離子結(jié)合形成剛性凝膠珠并應(yīng)用于包埋和微膠囊技術(shù)的研究中。目前已有文獻(xiàn)報道通過制備果膠酸鈣凝膠珠來包埋食品功能性成分、藥物甚至細(xì)胞，從而提高這些物質(zhì)在人體中的功能性或生命力。果膠鈣凝膠珠通常采用外部凝膠法制備，即將包含有載體的果膠溶液擠壓滴加到CaCl2溶液中，使果膠從液滴的表面逐漸到內(nèi)部形成凝膠珠。如Lee等用柑橘皮渣果膠制備的鈣凝膠珠包埋親水性兒茶素物質(zhì)，其包封率能達(dá)到49%，同時果膠鈣凝膠珠還起到對兒茶素的保護(hù)作用，使其抗氧化性在2 h的模擬胃腸液中也能得到有效的維持[13]。Jantrawut等制備并表征了低甲氧基果膠凝膠珠，同時利用該凝膠珠作為壁材去包埋蘆丁，結(jié)果表示包埋蘆丁的果膠凝膠珠粒徑約為600 μm，凝膠結(jié)構(gòu)質(zhì)密，起到了保護(hù)蘆丁抗氧化性的作用[14]。Zhao等利用蘋果果膠和柑橘果膠制備了果膠酸鈣凝膠珠并包埋了C3A細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)柑橘果膠更易形成果膠酸鈣凝膠珠，兩種凝膠珠都有著緊密的外殼和稀疏的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中包埋細(xì)胞后的柑橘果膠凝膠珠表面較粗糙，皺紋較多，更利于細(xì)胞增殖。兩種果膠酸鈣凝膠珠包埋的細(xì)胞在15 d后依然保持著生命力[15]。果膠酸鈣凝膠珠在低pH值的環(huán)境中較穩(wěn)定，且已被證實能作為多種結(jié)腸靶向輸送體系中的載體材料。但將果膠應(yīng)用于結(jié)腸靶向定位結(jié)藥時容易發(fā)生溶脹使得其在通過上消化道時對藥物的保留效果變差，為了提高其耐水性，果膠通常需要與聚丙烯酸酯衍生品、羥丙基甲基纖維素和殼聚糖相結(jié)合。R.de Souza等分別制備了粒徑在約為650 μm～680 μm的低酯果膠酸鈣微球和涂有殼聚糖（涂層厚度為5 μm～15 μm）的低酯果膠酸鈣凝膠球去包埋芒果苷[16]，對凝膠珠進(jìn)行乙?；笕パ芯棵⒐赵谀M胃腸液中的釋放規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，乙酰化程度高的果膠/殼聚糖凝膠珠對芒果苷的緩釋更好，其能避免芒果苷在胃中的提前釋放，這一研究也顯示了果膠作為功能性成分包埋載體的潛在應(yīng)用。

3.2 可食性膜

可食性膜是指通過一定的加工工藝使各成膜劑分子之間相互作用而成的具有特定功能的薄膜，其通常用于食品的包裝。作為多功能生物材料，已有大量研究提出果膠作為生產(chǎn)可食性膜的生物聚合物的可行性。一般實驗室制膜方法主要為澆鑄法，即在制備果膠膜時，將果膠與增塑劑（通常為甘油）的混合溶液混合后，涂抹在非粘性平板上，烘干后在揭膜。有些再成膜后，會放置CaCl2溶液中進(jìn)一步凝固，增強(qiáng)膜的強(qiáng)度[17]。工業(yè)上用作批量生產(chǎn)的制膜方法還有擠壓法、噴霧法和刀涂法。果膠薄膜顯示出晶體結(jié)構(gòu)或無定形區(qū)域，這些區(qū)域可以結(jié)合添加劑和或在膜結(jié)構(gòu)中固定水分子，以促進(jìn)親水性化合物的保留[18]。果膠膜還能包埋功能性物質(zhì)，如包埋植物化學(xué)素應(yīng)用于開發(fā)營養(yǎng)強(qiáng)化的可食性膜。但果膠膜存在一定的缺點，如親水性太強(qiáng)，容易溶脹、硬脆、拉伸強(qiáng)度也低，極大的阻礙了其在食品包裝方面的應(yīng)用。為了改善果膠膜的性能，通常會在基質(zhì)中加入增塑劑和乳化劑以提高膜的機(jī)械性能和增強(qiáng)膜的穩(wěn)定性、黏附性[19]。如王卉將殼聚糖加入果膠中制膜，利用殼聚糖分子中的帶正電荷的氨基與果膠中電離的羧基通過靜電力結(jié)合為電解質(zhì)絡(luò)合物，使膜的空隙減小。進(jìn)一步加入鈣離子，更有助于使膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致密。同時適當(dāng)增大鈣離子的濃度，還能增大膜對茶多酚的荷載量[20]。朱丹實等研究以大豆皮果膠為基質(zhì)，添加殼聚糖、聚乙烯醇、甘油后形成的果蔬保鮮復(fù)合膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甘油增加了膜的韌性，聚乙烯醇增加了膜的強(qiáng)度，當(dāng)殼聚糖的濃度增加到一定程度時，其與果膠形成了復(fù)合物，增強(qiáng)了膜的強(qiáng)度，膜的厚度在0.108 mm～0.142 mm的范圍內(nèi)。Tanzeela Nisar等通過將不同水平的丁香花蕾精油（0.5%、1.0%和1.5%）加入柑橘果膠溶液中制膜，開發(fā)了厚度為0.06 mm～0.1 mm左右的抗菌性果膠薄膜。丁香油的加入增加了薄膜的不透明度，使膜的柔韌性能和熱穩(wěn)定性都大大提高，同時用3種食源性細(xì)菌驗證膜的抗菌性，結(jié)果表明，將丁香油與果膠混合制得天然抗菌膜對食品保存具有很好的保護(hù)作用[21]。Azeredo等成功制備了包埋石榴汁的果膠膜，石榴汁不僅賦予了膜鮮紅的色澤，同時也起到了塑化劑的作用，提高了膜的拉伸度，但降低了膜的對水蒸氣屏障。加入檸檬酸可降低膜的溶解度，這可能是由于它和果膠的交聯(lián)效應(yīng)。因此這些薄膜可適用于不需要很好的阻隔水蒸汽或極高抗拉強(qiáng)度的食品包裝材料。另一方面，這些膜呈現(xiàn)出紅色，可以用于果條或類似壽司的產(chǎn)品研發(fā)中[22]。

3.3 乳液

乳液是由兩種或以上非互溶液相組成的混合物，比如油水體系，其中一種液體以滴狀的形式分散到另外一種液體中，根據(jù)液滴的大小，乳液可以分為宏觀乳液、納米乳液及微乳液。納米乳液的顆粒粒徑小于200 nm，其通常應(yīng)用于食品和醫(yī)藥工業(yè)中包封、荷載、保護(hù)一些親水性和親脂性的活性化合物和藥物。納米乳液的制備通?？刹捎酶吣芗夹g(shù)包括使用超聲、高壓均質(zhì)法利用強(qiáng)烈的機(jī)械能量使油相分裂成小液滴；或采用低耗能技術(shù)通過相轉(zhuǎn)變溫度、乳液轉(zhuǎn)向點等原理使混合溶液自發(fā)乳化。由于果膠所具備的特性，其常被用作水油乳濁液的乳化穩(wěn)定劑。如一些文獻(xiàn)已經(jīng)報道，果膠可以單獨或和其他多糖聯(lián)合應(yīng)用于涂抹分散劑的表面以提高納米乳液的穩(wěn)定性。如Saberi等利用靜電沉積用果膠涂抹水包油乳液中的液滴，自發(fā)形成納米乳液。應(yīng)用月桂酰精氨酸鹽使液滴的表面帶上正電荷，隨后與陰離子果膠發(fā)生電荷沉積。當(dāng)果膠濃度較高時，可以形成陰離子果膠涂層的脂質(zhì)顆粒。這是因為，隨著果膠濃度的增大，液滴的電荷由正轉(zhuǎn)負(fù)，從而表明果膠分子已吸附到陽離子油滴表面[23]。Burapapadh等對比了利用高壓均質(zhì)和超聲分別處理荷載伊曲康唑的果膠納米溶液的理化穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著時間增加，高壓均質(zhì)處理使乳液的顆粒更小；果膠的類型也會影響乳液的粒徑，由于含有大量的疏水性甲酯基團(tuán)，利用高甲氧基果膠制備的乳液比低甲氧基果膠及乙?；z納米乳液的粒徑更小，穩(wěn)定性更高。同時他們還發(fā)現(xiàn)，在接觸30 min后的水和模擬胃腸液溶液后，高甲氧酯納米顆粒具有良好的再分散能力[24]。由此，果膠可以被用來提高納米乳液在加工條件下比如高溫度、極端pH值中的穩(wěn)定性。納米乳液的穩(wěn)定性也取決于果膠的類型、DE值、果膠濃度及乳化配方。Omid Shamsara等利用果膠和β-乳球蛋白復(fù)合物制備了包埋吡羅昔康的雙層乳液，他首先將包埋有吡羅昔康的β-乳球蛋白的太陽花油進(jìn)行均質(zhì)，然后在將乳液的液滴涂上4種不同的果膠層。結(jié)果發(fā)現(xiàn)β-乳球蛋白與高甲氧基復(fù)合物為液滴涂層的乳液穩(wěn)定性和對吡羅昔康的包埋率最高[25]。

4 結(jié)論與展望

基于果膠的生物材料近幾年來在生物醫(yī)藥和食品工業(yè)中都得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用，但由于果膠的高度水溶性，使其在藥物等其他物質(zhì)傳遞方面還存在的一定的弱點，除了對果膠進(jìn)行化學(xué)改性外，也可與其他天然的或合成的聚合物混合以改善果膠性能，更有利于果膠在功能性食品中的應(yīng)用。由于果膠結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其來源、提取方法對果膠的分子結(jié)構(gòu)（果膠分子質(zhì)量、半乳糖醛酸含量、酯化度、中性糖組成等）具有重要的影響，而分子結(jié)構(gòu)又決定了果膠的特性包括膠凝、黏度等。因此進(jìn)一步研究果膠的結(jié)構(gòu)與其功能之間的關(guān)系，果膠分子與生物活性物質(zhì)之間的相互作用，對于開發(fā)適宜的載體應(yīng)用于提高功能性物質(zhì)的生物活性意義重大，也是未來研究果膠的重點之一。