食品中果膠提取及功能性研究進展

王雨晴，劉暢，楊春莉，孟倩楠，楊春瑜*

(1.哈爾濱商業(yè)大學 食品工程學院，哈爾濱 150076；2.哈爾濱商業(yè)大學 輕工學院，哈爾濱 150028)

果膠是資源豐富、綠色環(huán)保的天然高分子物質之一。由于其具有良好的凝膠性和乳化穩(wěn)定性，常常被人們廣泛應用于嬰幼兒食品、醫(yī)藥、日用品以及紡織行業(yè)。果膠具有良好的穩(wěn)定性和清爽的口感，可作為調味品的添加劑，使色拉醬的品質得以改進；由于果膠的天然可食用性，將其加入番茄醬中使粘度增大、感官特性得以增加；果膠在其他糖和糖漿如紅糖、赤砂糖、冰片糖、原糖、果糖(蔗糖來源)、糖蜜、部分轉化糖、槭樹糖漿等中作為穩(wěn)定劑、乳化劑，使這些糖制品品質穩(wěn)定，便于存儲；糖漿在冷凍過程中，加入果膠使晶體進行冷凍時的速度變慢，減少融化時糖漿的損失和改善冷凍后糖漿的質構；在調味品方面，果膠使一些醬料具有更好的穩(wěn)定性和粘度。作為一種食品添加劑，果膠的濃度對氨法焦糖色素的穩(wěn)定性也存在一定影響[1]；果膠的添加量使果醬的口感細膩，組織狀態(tài)均勻，醬體不分層、不脫水[2]?，F(xiàn)在有利用山楂本身含有的大量果膠與菊花、洛神花制成復合果醬[3]。

果膠是一類多糖的總稱，主要的結構有4種：同型半乳糖醛酸聚糖(Homogalacturonan，HG)、鼠李半乳糖醛酸聚糖I(Rhamnogalacturonan I，RGI)、鼠李半乳糖醛酸聚糖II(Rhamnogalacturonan II，RGII)和木糖半乳糖醛酸聚糖(Xylogalacturonan，XG)[4]。由于果膠大多數(shù)存在于植物細胞壁中，所以果膠提取常常與纖維素多糖類相伴存在。原果膠難溶于水，并且天然植物的硬度與原果膠含量有關[5]，但在改變外界介質或外界條件的情況下，如在酸、堿、鹽析、酶以及超聲波的作用下，水溶性物質可溶出，再經(jīng)過多種分離工藝可在細胞壁中分離出水溶性果膠。果膠是一種線性高分子天然物質，含有成百上千的乙?；陌肴樘侨┧釂卧?，聚合度可超過1000單位，其相應的果膠相對分子質量可達到50000～150000個單位(相對分子質量單位為1)。

有很多植物組織中含有天然果膠。有關學者將腐爛的水果(山竹、火龍果[6]、甘薯等)作為開發(fā)新型果膠的原料。本文綜述了食品中果膠提取及應用的研究進展，旨在對果膠深入的理論和應用研究提供理論性依據(jù)。

1 提取方面的研究進展

果膠的提取方法較多，相關的文獻也很多，通常將果膠的提取分為兩步[7]：第一步挑選出潔凈新鮮的原料，并通過化學、物理、生物等方法將果膠從原料中分解出來，因此分解出水溶性果膠；第二步將水溶性果膠進行濃縮、沉淀、分離和提純干燥得到產(chǎn)品。目前果膠的提取方法主要分為傳統(tǒng)提取法和環(huán)境友好型提取法。目前對于果膠的提取方法有化學法、物理法和生物法(見表1)，以及多種方法相結合的提取方法。

表1 果膠的提取方法Table 1 The extraction methods of pectin

1.1 果膠化學提取法的研究進展

傳統(tǒng)的化學提取方法具有高效、易操作等優(yōu)點，近年來也有許多人運用傳統(tǒng)化學方法提取果膠，例如，2014年阿爾及利亞的Abdessemed D等[8]將仙人掌在酸性水溶液中進行水解后提取果膠；2017年巴西的José R R de Souza等[9]利用酸水解法從南瓜中提取果膠；2018年抗新新等[10]以劍麻膏為原料，采用傳統(tǒng)的酸解方法提取果膠。醇沉法最常用于果膠的提取分離，原理是應用果膠的非醇溶性質而提取。此外，此方法需要大量的乙醇和能源。但傳統(tǒng)化學方法同時也帶來后續(xù)難處理的問題，如后處理中會產(chǎn)生大量的酸水和堿水、耗能高等。因此，為了減少能耗和環(huán)境污染等問題，研究環(huán)境友好型提取方法已經(jīng)成為當前果膠提取的發(fā)展趨勢。

1.2 果膠物理提取法的研究進展

果膠的物理提取方法主要有離子交換法、微波與超聲波輔助等方法，如2013年顧焰波等[11]運用離子交換法提取香蕉皮中的果膠，其提取率為19.54%，此方法是利用溶液中帶電粒子的帶電性相吸原理與離子交換劑之間的結合，從而進行提取純化的方法。劉智梅等[12]和楊超等[13]分別選用香蕉根和桔皮為原料，采用微波法對果膠的提取進行了研究。Yapo B M等[14]和Sun Runcang等[15]選用甜菜和馬鈴薯為原料，采用萃取法提取果膠，并研究了此提取方法與傳統(tǒng)提取方法對果膠性質的影響。

1.3 果膠生物提取法的研究進展

果膠的生物提取方法主要為酶法提取，分為單一酶提取和復合酶提取。酶提取法的原理是在加入酶的作用下使植物細胞壁結構破壞，減少溶劑提取時細胞壁與細胞間質的阻力，從而使果膠分離出來。杜國軍等[16]以甜菜干粕為原料，采用檸檬酸-纖維素酶法提取果膠，其產(chǎn)率為26.79%。現(xiàn)在一般運用復合酶法提取果膠，例如Juliana Vasco-Correa等[17]對西番蓮果皮提取果膠，但是其所用的酶是經(jīng)過發(fā)酵罐培養(yǎng)所得的聚半乳糖酶等；Nadia Bayara等[18]在處理仙人掌時利用木糖酶和纖維素酶去除粘液后提取果膠。

現(xiàn)今，出現(xiàn)了水提取、有機酸提取、酶提取以及多種物理處理方法相結合的提取技術，這些復合方法具有提高效率、能耗低、條件溫和等特點。

2 果膠功能性研究進展

果膠因具有穩(wěn)定性、溶水性和粘性等特性被廣泛應用于食品添加劑中，作為穩(wěn)定劑、增稠劑來增加果醬、果凍、乳制品、飲料、烘焙食品、糖果等的穩(wěn)定性和口感[19]。果膠具有吸附重金屬、抗氧化、降血脂、抗腫瘤、預防癌癥等功能特性。果膠有助于降低血液中的膽固醇水平，幫助減少葡萄糖攝取，促進毒素的排泄。此外，果膠具有抑制多種類型癌癥轉移和原發(fā)腫瘤生長的潛力。

2.1 果膠吸附重金屬的研究進展

重金屬分為Cd、Co、Cr、Pb、As、Ni等環(huán)境污染物。重金屬水生生態(tài)系統(tǒng)中的污染是一個重要問題，因為重金屬毒性及其在水生環(huán)境中積累的影響。其中一種危險的重金屬是鉛(Pb)，鉛會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成損害。鉛還可損害腎臟、肝臟和生殖系統(tǒng)、基本細胞代謝過程和腦功能。中毒癥狀的特點是貧血、失眠、頭痛、頭暈、易怒、肌肉無力、幻覺和腎損害。果膠含有許多活性基團(羥基、羧基、酰胺和甲氧基)，可用作金屬的天然吸附劑。 Hastuti B等[20]將胡蘿卜皮中的果膠和商業(yè)果膠對Pb(II)的吸附作用進行了比較，分別得出對Pb(II)吸附的量為16.6 kJ/mol和21.09 kJ/mol；Wang Ruhai等[21]研究了果膠在非晶態(tài)Fe/Al氫氧化物上的吸附及其影響表面電荷特性和對Cu(II)的吸附作用；Sourbh Thakur等[22]研究了以果膠為基礎的水凝膠去除水溶液中有毒污染物的綜合評價；吳莎極[23]利用動物體內體外模擬實驗研究了佛手果皮渣的改性果膠對鎘的吸收能力。綜上所述，果膠對Pb(II)、Cu(II)、Co(II)、Zn(I)、Cd等重金屬的吸收研究已經(jīng)有一定進展，但是對于開發(fā)不同食品中果膠吸附重金屬種類的探究是未來的發(fā)展趨勢。

2.2 果膠抗氧化能力的研究進展

許多人類疾病、人體衰老與對生物膜產(chǎn)生負面影響的自由基的激活有關，這些有害的影響可以通過抗氧化劑來預防，果膠可以直接與抗氧化劑和自由基相互作用，是一種具有抗氧化能力的物質。Soohwan Ahn等[24]對果膠的抗氧化能力、離子誘導凝膠功能和多酚結合能力進行了探討；Alondra M Idrovo Encalada等[25]對胡蘿卜中果膠的抗氧化能力進行了研究；黃紅焰等[26]通過動物實驗了解楊梅中果膠對高膽固醇模型小鼠的血漿膽固醇及其相關血脂生化指標來評估楊梅中果膠對小鼠抗氧化能力和DNA損傷的保護作用，進一步開發(fā)抗氧化果膠制品是現(xiàn)在的研究方向。

2.3 果膠降低血脂能力的研究進展

高膽固醇血癥被認為是與血脂、碳水化合物和脂蛋白代謝異常相關的一種常見的代謝紊亂，在我們的社會生活中是一種嚴重的健康問題。在這方面，植物生物質提取物在多種藥理學應用中已經(jīng)作為天然降血脂藥應用而受到相當大的關注。眾所周知，果膠作為一種植物生物質提取物能降低膽固醇水平和血糖水平，而且高甲氧基果膠(HMP)具有降低動物體內膽固醇和蛋黃液體膽固醇的潛力。Rubaiyi M Zaid等[27]研究采用物理化學方法，從豬苓皮中提取高甲氧基果膠(HMP)并對高甲氧基果膠的降血脂活性進行了研究；Mauricio Espinal-Ruiz等[28]從柑桔、香蕉和西番蓮中分離到中等水平的甲氧基果膠，并且采用靜態(tài)體外消化模型闡明了3種水果中提取的果膠其特性對模擬胃腸條件下脂質消化的影響，其中包括甲氧基化程度和分子量對乳化脂質胃腸道歸宿的影響；黃竹[29]以山楂果膠寡糖為實驗原料，以高脂食料飼喂的小鼠為動物實驗模型，研究了山楂果膠寡糖對高脂食小鼠肝臟脂肪酸氧化和炎癥的影響作用及其作用機制。所以說果膠具有降低血脂能力，其研究也達到一定程度，目前需要進一步對其優(yōu)化。

2.4 果膠抗腫瘤、預防癌癥能力的研究進展

在過去的30年中，癌癥治療取得了很大的進展，這些成就提高了藥物的安全性和輸送能力，提高了生存率，甚至治愈了一些癌癥。然而，癌癥仍然是導致全球死亡的第二種疾病，其總體發(fā)病率繼續(xù)上升。果膠是一類復雜的植物多糖，由半乳糖醛酸骨架和中性糖側鏈組成。膳食纖維(DF)是結腸細菌的發(fā)酵底物，在預防結直腸癌中占有重要地位。膳食纖維由黏液、β-葡聚糖和果膠(可溶性)組成。纖維素、半纖維素和木質素(不溶性纖維)與蛋白質和酚類物質交聯(lián)。膳食纖維通過糞便質量、數(shù)量的減少來改善人體健康。據(jù)報道，水果和蔬菜中未提取的天然果膠是一種食品成分，也是一種可溶膳食纖維(DF)，并且果膠可以預防結腸癌。Ladan Delphi等[30]對果膠在4T1乳腺癌細胞中的體外活性并且利用乳腺癌動物模型進行體內研究，得到蘋果果膠是體外抑制4T1乳腺癌細胞腫瘤的天然來源。在日常飲食中攝入果膠可能有利于癌癥患者的治療。目前用來抗腫瘤的果膠都經(jīng)過一定改性，所以更好地利用其抗腫瘤、預防癌癥的功能性對于果膠改性的優(yōu)化是今后的研究重點。

3 結論和展望

果膠在一些皮渣中大量存在，如將其提取出來應用于食品、化學、醫(yī)療工業(yè)中可能會帶來更好的經(jīng)濟前景。果膠作為一種天然提取物，不用擔心其安全問題。果膠作為調味品的添加劑，由于其具有良好的穩(wěn)定性、清爽的口感和粘度大等優(yōu)點使一些醬料類調味品便于存儲、品質穩(wěn)定。本文論述了食品中果膠的提取方法(化學法、物理法和生物法)及其發(fā)展。目前為了得到高效的果膠，多采用多種提取方法相結合來提取果膠。由于果膠中含有的主要官能團是羥基、羧基、酰胺和甲氧基，使其具有吸附重金屬、抗氧化、降血脂、抗腫瘤、預防癌癥等功能。為了更好地對果膠的功能加以利用，可以從擴大果膠的食品來源、提取方法和官能團結構改性等方面，滿足對果膠功能性應用的需求，并對其進行開發(fā)利用。