低酯果胶制备方法的研究进展

李永春，赵美荣，朱 月，杨晓坡，毕晓丹

（赤峰学院 生命科学学院，内蒙古 赤峰 024000）

低酯果胶制备方法的研究进展

李永春，赵美荣，朱 月，杨晓坡，毕晓丹

（赤峰学院 生命科学学院，内蒙古 赤峰 024000）

低酯果胶是很好的食品稳定剂、胶凝剂或增稠剂，在有糖或无糖的条件下均能形成性质优良的凝胶,主要用于低糖、低能量食品中.另外，低酯果胶还具独特的药用价值，因此日益受到消费者青睐，有广阔的市场前景，随着人们生活质量的提高，低酯果胶的需求也将急剧增加,然而由于生产技术的限制，国内真正投入生产的不多.文章结合国内外果胶的研究状况，对低酯果胶的制备方法进行了综述.

乳酸菌,发酵酸菜；MRS培养基；廉价培养基

1 前言

果胶是存在于植物的根、茎、叶、果实的细胞壁中的一种高分子聚合物，相对分子质量介于5×105～30×105之间.一般认为，它是由D-吡喃半乳糖醛酸（图1）通过α-1,4糖苷键连接成主链和由中性糖（包括D-半乳糖、L-阿拉伯糖、D-山梨糖、L-鼠李糖等）组成侧链的杂多糖，且主链中的羧基通常以部分甲酯化状态存在.按照酯化度（DE值）的不同分为高酯果胶（或HM-果胶，图2）和低酯果胶（或LM-果胶），而低酯果胶又包括普通低酯果胶（图3）和酰胺化低酯果胶（图4）.

图1 半乳糖醛酸

图2 高酯果胶

图3 普通低酯果胶

图4 酰胺化低酯果胶

通常把酯化度高于50%（相当于甲氧基含量7%～16.3%）的果胶称为高酯果胶，把酯化度低于50%（相当于甲氧基含量小于7%）的果胶称为低酯果胶.普通低酯果胶的半乳糖醛酸残基的C6位上除含有大部分以游离酸形式存在的羧基基团之外，还含有被甲酯化的羧基基团，而酰胺化低酯果胶除含有以游离酸形式存在的羧基基团和被甲酯化的羧基基团之外，还含有酰胺基团，这是由于氨的胺基取代了甲氧基.

果胶是亲水性胶体，其水溶液在适当的条件下可形成凝胶.高酯果胶只能在可溶性固形物高于55%和pH范围在2.0～3.5之间才能胶凝，因此主要用于高糖类食品的生产.而低酯果胶在Ca2+或其它二价阳离子存在下有糖或无糖均能形成性质优良的凝胶，所以主要用于低糖的果酱、果冻、软糖、冷冻甜点、冰淇淋、酸奶果肉底料、焙烤制品上光等等，是很好的食品稳定剂、胶凝剂或增稠剂.低糖、低热量食品正好符合现代人们的消费观念，再加上其独特的药用价值，低酯果胶日益受到消费者青睐，故有广阔的市场前景[1].

由于存在于自然界的果胶一般是高酯果胶（甲氧基含量在7%～14%之间），天然低酯果胶很少（向日葵花盘中天然低酯果胶的含量约为15%、杆中约含30%）[1].

国内生产的果胶主要是从天然植物组织中提取的高酯果胶，低酯果胶的生产较少，并且低酯果胶的加工规模与国外相比有很大差距，而低酯果胶的需求日益迫切，至今仍需从国外进口，价格昂贵[2].

2 低酯果胶的制备方法

制备低酯果胶的方法有多种，目前主要有以下几种.

2.1 酸化醇沉法

传统的酸提取法是最常用的方法，其原理是利用稀酸将果皮细胞中的非水溶性原果胶转化成水溶性果胶，然后在果胶液中加入乙醇或多价金属盐类，使果胶沉淀析出.盐析法是目前研究较多的沉淀方法，果胶浸提脱色后不需要浓缩即可进行.采用盐析法生产果胶要经过脱盐处理，多用盐酸-乙醇溶液使果胶盐中的金属离子溶出而达到脱盐的目的.盐析法生产果胶工艺复杂，尤其是盐析过程不易控制，而且后续脱盐工序容易造成果胶质量降低，现大多采用乙醇沉淀制取果胶[3，4].

向日葵盘中所含的果胶是一种天然的低酯果胶，而且向日葵盘中的果胶含量较高，属于农业废弃物且资源丰富[5].王泽盛，张磊采用酒精沉淀法研究了浓缩倍数、酒精用量和提取液pH值对向日葵盘低酯果胶沉淀的影响，通过正交试验确定了向日葵盘果胶乙醇沉淀的最佳工艺[6].杨东辉、于保国也采用酸化醇沉法从苹果皮渣中提取低酯果胶[7].

2.2 脱酯法

脱酯法一般为碱化脱酯法，具体是将高酯果胶在强碱条件下使果胶中的甲酯脱去，使果胶的分子量大大降低，在适当条件下经处理后能得到性能良好的的低酯果胶，此方法工艺较简便，但是对pH值和温度的要求严格，操作规范可将β-消去反应，即果胶分子的解聚降到最低.

碱化脱酯法研究最初是由美国加利福尼亚水果种植交易所于1941年申请专利，主要用于柑橘果皮果胶脱酯加工；随后一些研究人员又利用碱性条件对其它多种原料提取的HMP进行脱酯实验，并取得了一定的成效，如1982年人们对豌豆壳果胶进行的脱酯实验.据相关报道，近年，英国的一些研究人员利用一定浓度纯碱（碳酸钠）溶液对橘子皮、酸橙肉、芒果皮等进行处理，最后所得产物均符合低酯果胶的标准[8].随着碱催化法的不断发展，2000年Gerrit Limberg等不但分析了果胶脱酯的机制，而且还为果胶进行碱催化脱酯前后分析DE值、多聚半乳糖醛酸含量（AGA%）、果胶溶液黏度（Viscosity）等提供了方法和依据[9].西南农业大学的赵静等人也于1995年对碱法脱酯的工艺条件进行了探索，确定了柠檬果胶的最优脱酯条件为pH 12.0，温度为 25℃，时间为 60min[10].朱文等人在2001年采用碱法脱酯制备低酯果胶，得出西番莲果皮最佳脱酯工艺条件是：温度30℃，pH9.0，时间18～20h[11].雷激等人以柑橘高酯果胶为原料，探讨了低温碱法对果胶质量的影响，以果胶的半乳糖醛酸含量、酯化度、特性粘度等指标为考察依据，结果表明，低温下（5℃）碱法脱脂对果胶品质的β-消去反应控制在较小程度，所得产品特性粘度能最大程度保持[12].张卫红，席晖.以从苹果渣中提取的高酯果胶为原料，研究碱化法制备低酯果胶的工艺技术条件.通过单因素试验分别探讨pH值、温度和反应时间对低酯果胶得率的影响，并在此基础上设计出三因素三水平的正交试验，得出碱化法制备低酯果胶的最优工艺条件为：pH9.0，反应温度36℃，反应时间1.5h[13].

到目前为止，丹麦、美国、英国、法国、以色列等西方工业发达国家的主要果胶公司已经在碱催化法等果胶脱酯设备和工艺上已经趋于成熟，在技术和设备上作为机密，基本上垄断了全球的果胶生产和销售.我国包括碱液催化脱酯在内的果胶脱酯技术还处于理论探索阶段，工艺和设备还相对比较落后，国内果胶脱酯企业在国内分布相对零星.我国地大物博，高酯果胶来源丰富且多种多样，怎样去解决国内低甲氧基果胶供需矛盾以及国际少数公司产销垄断，需要我们加大科研力度去攻克[14].

2.3 酰胺化法

酰胺化法制取低甲氧基果胶是将高酯果胶在碱性条件下用氨处理使部分甲酯转化为伯醇胺，从而降低了甲酯含量，这种方法制得的低甲氧基果胶称为酰胺化低酯果胶.与其它几种方法相比，此法制备的低酯果胶DE值最底，而且易溶解易凝胶，但是制备过程中会产生许多有害物质[1].同时影响了产品的运用范围和性能，尽管现在有人对制备方案进行了一些改进，使酰胺化果胶生产时的有害副产物降低到了最低，但是目的产品的成本大幅度上升了[15].

对于酰胺化法制取低酯果胶，国外很早就进行过研究，1944年McCray等在乙醇环境或浓氨水环境下进行氨法脱酯，其速度接近于碱法脱酯速度的一半[16].S.A.EI-Nawawi等报道利用异丙醇-氨水混合液对高酯果胶脱酯，发现随着温度的下降及氨水浓度的增加，酰胺化果胶的分子量能很大程度的保留，若经短暂氨法脱酯后再进行长时间酸处理，可得到酰胺化程度较低而分子量最大限度保留的低酯果胶，若在低温且高氨水浓度的条件下，可得到酰胺化较高而分子量相对高的低酯果胶[17].

陈顺伟等在1992年报道了有关氨法脱酯制取酰胺化低酯果胶的研究.以豆腐柴叶为原料，采用氨法脱酯为工艺路线，确定制备酰胺化低酯果胶的最佳工艺参数：酰胺化pH值11.0、时间12h、温度30℃、中和反应pH值1.2、中和反应时间2h[18]；徐俊等于1999年报道了以柑橘果皮为原料，确定酰胺化低酯果胶制备工艺的最佳工艺参数：氨性酒精介质pH值11.5、温度20℃以及反应时间5h[19].陈顺伟等没有进行果胶酯化度与酰胺化度指标的测定，而这是研究酰胺化脱酯中最重要的两项指标；徐俊等的报道虽测定酯化度与酰胺化度指标，但是对酰胺化反应的实质及酰胺化低酯果胶性质没有做深入研究.

张卫红，陈波在2009年报道了以苹果渣为原料，研究了酰胺化法制备低酯果胶的工艺技术条件，以低酯果胶的最终得率为指标，通过单因素实验考察了氨水加入量、温度和反应时间对低酯果胶得率的影响，在此基础上设计并进行了三因素三水平的正交实验，得出了酰胺化法制备低酯果胶的最佳工艺条件[20].

目前，国内酰胺化生产低酯果胶的生产技术及其标准化研究还处于初步阶段，而国外对于酰胺化低酯果胶的研究已经比较透彻，并且实现了工业化生产，只是对其技术高度保密，有关生产工艺的报道不是很多.

2.4 酶催化法

酶催化法分为内源酶和外源酶作用两种方法，作用机理都是激活果胶酯酶 （Pectinesterase，PE）来生产低酯果胶.

2.4.1 内源酶作用制备低酯果胶

内源酶作用制备低酯果胶就是通过加内源酶激活剂激活果胶酯酶（PE）制备低酯果胶.Yoon等在1983年报道了利用碳酸钠激活红桔皮内原酯酶PE制备低酯果胶的方法[21].蔡长河等也在1994年报道了采用碳酸钠激活内原果胶酯酶制备低酯果胶[22].雷激等在2006年报道以鲜橙皮为原料，在盐酸水解乙醇沉淀提取果胶之前，激活并利用果皮中固有的果胶酶制备低酯果胶，以产品的甲氧基含量和果胶得率为指标，确定了最佳工艺条件：加入果皮浆液量0.15%的内源性果胶酯酶激活剂碳酸钠，控制温度45℃，pH值8.0脱酯，时间60min，果胶提取温度90℃，时间60min，pH值2.0，在此条件下制备的果胶甲氧基含量为5.93%，果胶得率为2.46%[23].

2.4.2 外源酶作用制备低酯果胶

外源酶作用制备低酯果胶就是从植物组织或微生物（主要是黑曲霉）发酵液中提取PE，再利用该果胶酯酶生产低酯果胶.国外利用果胶酯酶制备低 酯 果 胶 的 历 史 较 久 ，Methliz（1932），Mottern（1946）等人先后利用从蕃茄中提取到的PE进行脱酯试验[1].Sandra Aparecida de Assis等通过明胶固定化果胶酯酶制备低酯果胶，确定了最佳工艺条件，结果表明：游离果胶酯酶脱酯的最佳工艺条件为，pH9.0，NaCl 0.1M，55℃；明胶固定化酶脱酯的最佳工艺条件为，pH9.0，NaCl 0.15M，40℃[24].

焦云鹏等人在2005年报道了利用所得的固定化果胶酯酶对高酯果胶进行脱酯，所得的低酯果胶产品符合国家标准[25].李川等人在2010年报道了以橙皮渣为原料，在酸法提取果胶的基础上，向果胶提取液中加入外源性果胶酯酶，制备低甲氧基果胶.通过单因素试验和Box-Behnken设计以及响应面分析确定酶法制备低甲氧基果胶的最佳工艺参数为，加入经1000倍稀释的果胶酯酶5.39mL、反应50min、42.71℃、pH4.61，在此条件下果胶酯化度由67.83%降低至42.55%[26].

酶法制备低酯果胶的工艺条件易于控制，但是产品同条件下凝胶强度低于其它3种方案的产品，现已有克服这种不利因素的方法的相关报道，如日本的Ishii等[27]人，从黑曲霉发酵液中分离提纯得到PE，并用该酶脱酯提取低酯果胶，能更好的保证产品的胶凝度，目前利用果胶酯酶制备低酯果胶还未实现工业化生产.

3 结语

目前，西方工业发达国家在制备低酯果胶技术方面先进，并已实现了工业化生产，其主要果胶公司在包括碱催化法等果胶脱酯设备和工艺上已经趋于成熟，但在技术和设备上高度保密，国内生产的低酯果胶主要是从向日葵中提取而得，或者用酸化或碱化脱酯制备，但我国包括碱液催化脱酯在内的果胶脱酯技术还处于理论探索阶段，工艺和设备还相对比较落后，果胶脱酯企业在国内分布相对零星，而利用果胶酯酶制备低酯果胶也还未实现工业化生产.当今人们对低酯果胶的需求越来越大，我国的低酯果胶还主要依赖国外进口，且价格相当昂贵，如果能够充分利用国内丰富的高酯果胶资源，对果胶脱酯的工艺进行更精湛的研究，将会带来巨大的社会经济效益.

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TS202.3

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