杨金姝,木泰华,马梦梅
(中国农业科学院农产品加工研究所,农业部农产品加工综合性重点实验室,北京 100193)
果胶是一种复杂的大分子多糖物质,广泛存在于植物的初生细胞壁和胞间层[1],常作为增稠剂、凝胶剂和乳化剂应用于食品加工业中。此外,果胶热量低、吸水性好,具有增强饱腹感、促进肠道蠕动、调节血脂血压、防癌抗癌等作用,因此也作为功能性成分应用于保健品和医药领域[2]。食品中的一些乳液由于原料中包含柑橘汁、蔬菜汁、醋或者有机酸抑菌剂而成为酸性乳液[3],而为提高一些疏水性功能成分在胃中的稳定性,其乳液包埋系统也需要在酸性条件下稳定的乳化剂。已有研究表明,传统蛋白质乳化剂的乳化特性会受到pH和温度等因素的制约,而果胶作为一种酸性多糖可以在酸性条件下稳定蛋白质,并可以稳定酸性乳化液及乳液包埋系统。此外,与乳化剂阿拉伯胶相比,果胶的使用量更少[4],因此,果胶作为新型的乳化剂应用于食品加工中的前景十分广阔。然而,商业柑橘果胶和苹果果胶由于直链区长、酯化度高、蛋白质、乙酰基等疏水性基团含量低,因此乳化特性较差,多作为凝胶剂。针对上述现状,本文对果胶的结构、提取方法及乳化特性进行综述,以期为果胶的研究、开发作为乳化剂应用于食品工业提供理论参考。
果胶是由α-1,4糖苷键连接半乳糖醛酸组成的复杂多糖物质,一般由半乳糖醛酸聚糖(Homogalacturonan,HGA),鼠李半乳糖醛酸聚糖I(Rhamnogalacturonan-I,RG-I)和鼠李半乳糖醛酸聚糖II(Rhamnogalacturonan-II,RG-II)组成[5]。
HGA是由半乳糖醛酸以α-1,4糖苷键连接的线性糖链,是果胶主要的结构域。半乳糖醛酸C-6位的羧基可被甲酯化,同时半乳糖醛酸O-2和O-3位也可被乙酰化,例如,甜菜块根和马铃薯块茎中果胶的半乳糖醛酸被高度乙酰化,形成富含乙酰基的半乳糖醛酸聚糖[5-6]。而半乳糖醛酸C-3位被木糖取代可形成木糖半乳糖醛酸聚糖区域(XGA),此区域广泛存在于苹果果胶、梨果胶及胡萝卜果胶中[7-9]。HGA和XGA的结构如图1。
图1 半乳糖醛酸聚糖结构(a)[10]及木糖半乳糖醛酸聚糖区(b)示意图[8]Fig.1 The schematic diagram of the HGA domain(a)[10] and XGA domain structure(b)[8]
RG-I是由100个重复的二糖单位[→4)-α-D-半乳糖醛酸-(1→2)-α-L-鼠李糖-(1→]组成的分支区。其主链上半乳糖醛酸基团的C-2和/或C-3位可能被乙酰化,主链上20%~80%鼠李糖残基的O-4位可以被中性糖侧链取代[10-12]。这些中性糖侧链主要包括阿拉伯聚糖链、半乳聚糖链和阿拉伯半乳聚糖链(图2)。
RG-II以硼酸盐连接形成的二聚物形式存在,其主链由α-1,4糖苷键连接7个α-D-半乳糖醛酸而成,主链上的半乳糖醛酸可被甲氧化。侧链(标记为A~D)主要有二糖(C、D支链)和八糖(A、B支链)两种结构,由阿拉伯糖、半乳糖、木糖、芹菜糖、岩藻糖等组成。A、B连接于半乳糖醛酸的C-2位置,C、D连接在半乳糖醛酸的C-3位置(图3)[13]。
图3 鼠李半乳糖醛酸聚糖II区结构示意图[10]Fig.3 The schematic diagram of the RG-II domain structure[10]
HGA、RG-I和RG-II的相对比例与果胶来源有关。商业柑橘果胶和苹果果胶的HGA和RG-I的比例分别约为65%和20%~35%[14]。而马铃薯果胶的RG-I区比例约为75%,HGA区含量仅为20%左右,且支链主要为半乳聚糖链[15]。同时,马铃薯果胶的乙酰化度(DA,14%)显著高于柑橘果胶和苹果果胶的乙酰化度(DA,2%和4%)[16]。马铃薯果胶高含量的RG-I区和中性糖侧链,使其具有良好的益生元特性,可有效促进肠道有益微生物的生长[17]。
目前用于提取果胶的方法主要有酸法、超声波辅助法、微波辅助法、碱法、酶法、盐提法和离子交换法等。随着“绿色化学”概念逐步兴起,一些新型的提取方法如超声波/微波协同萃取法、超临界二氧化碳萃取法、电磁感应加热法及高压脉冲电场法也逐渐应用于果胶提取中。但是,提取方法不同,果胶的得率、结构和性质也不尽相同。下面将对果胶不同的提取方法进行介绍。
酸法是工业中使用最广泛的果胶生产方法。该方法利用无机酸(盐酸、硫酸和硝酸)或有机酸溶液(柠檬酸、酒石酸和乙酸)对果蔬原料进行加热提取,使组织中不溶性原果胶转化为可溶性果胶。国内外已有很多关于无机酸及有机酸法提取果胶工艺参数优化及比较不同酸提取剂对果胶结构和物化特性影响的研究。
Vriesmann等[18]利用硝酸从可可豆荚皮中提取果胶,在pH1.5、提取温度100 ℃、提取时间30 min的最适条件下,果胶得率为9.0%,糖醛酸含量为66.0%,乙酰化度和酯化度分别为17.1%和56.6%,且主要由半乳糖醛酸聚糖构成。宋贤良等[19]采用盐酸与乙醇沉淀法从菠萝蜜皮中提取果胶,果胶得率为13.8%,并且是一种含乙酰基的高酯果胶。Girma等[20]利用硫酸提取芒果和香蕉果胶,在温度82 ℃、时间105 min、pH2.0的条件下,果胶得率分别为18.50%和11.31%,果胶半乳糖醛酸含量(53.60%~70.65%)及酯化度(64.50%~72.17%)较高,且灰分含量很低(0.47%~0.915%),该结果表明芒果果胶和香蕉果胶可能作为凝胶剂应用于食品生产中。虽然无机酸的成本低,但酸性较大,腐蚀性强,可破坏果胶的中性糖侧链、腐蚀提取容器内壁,且产生的废酸液会污染环境。为减轻上述问题,近年来,较多研究开始利用温和的有机酸,如柠檬酸提取果胶,并比较不同种类酸提取剂对果胶结构的影响。Jafari等[21]利用柠檬酸提取胡萝卜果胶,在pH1.3、温度90 ℃、时间79.8 min和液料比23.3(v/w)时,最高得率为15.6%,半乳糖醛酸含量为75.5%,远高于商业果胶规定的半乳糖醛酸含量(65%);胡萝卜果胶的乳化活性(60.3%)高于商业甜菜果胶的乳化活性(43%~47%),且乳化稳定性高(74.7%~80.4%)。利用柠檬酸提取芒果果胶,果胶得率较高(29.48%),且具有良好的乳化活性(35%)和乳化稳定性(49.3%~77.2%)[22]。Chan等[23]比较柠檬酸和盐酸对可可皮果胶的提取效果,在pH2.5、提取温度95 ℃、提取时间3 h时,柠檬酸法的得率为7.62%,高于盐酸法的得率(6.01%),且柠檬酸法制备果胶的甲酯化度(DM,37.76%)和乙酰化度(DA,1.7%)均高于盐酸所得果胶的甲酯化度(21.29%)和乙酰化度(1.25%),这可能是由于柠檬酸具有螯合剂的性质,可螯合金属离子,使更多果胶分子得以释放,从而提高得率,而普通无机酸无螯合剂性质。同时柠檬酸的水解能力弱,因此对果胶结构破坏程度小[24]。Seixas等[25]比较了酒石酸、乙酸和硝酸对西番莲果胶的提取效果。酒石酸所得果胶得率高,但分子量、半乳糖醛酸含量及酯化度均低;而乙酸和硝酸所得果胶的分子量、半乳糖醛酸含量及酯化度较高。酒石酸对果胶结构破坏作用明显,乙酸法与硝酸法得率相近,对果胶结构破坏较少。因此,乙酸有望代替硝酸提取西番莲果胶。
可以看出,有机酸法,如柠檬酸法也可实现较高的果胶得率,同时作用条件温和,产生的环境污染少。因此,今后,有机酸可能会逐渐替代无机酸对果胶进行提取。
超声波辅助提取法利用声波增加果蔬组织细胞内部的能量,加速细胞壁破裂,使果胶成分快速溶出,该法一般与其他提取方法协同使用,是一种“绿色提取技术”。
Wang等[26]分别利用传统柠檬酸提取法和超声波辅助法提取芒果果胶,超声波功率500 W、pH2.5、温度80 ℃、提取时间15 min时,芒果果胶得率与传统加热2 h得率相近,为17%。同时,半乳糖醛酸(53.35%)、酯化度(86.83%)及乳化特性与传统方法所得果胶性质相似,但总糖(76.98%)和蛋白质(5.94%)含量更高。采用超声波辅助酸法和普通酸法提取葡萄柚果胶时,超声波辅助酸法在66.7 ℃提取28 min后,果胶的得率达到27.34%,显著高于普通酸法在80 ℃下提取90 min的得率(23.50%),两种方法所得果胶的红外图谱无明显差异,但由于超声波提取的温度更低且时间更短,其果胶结构具有更高的分支度[27]。杨希娟等[28]采用超声波辅助盐酸法从马铃薯渣中提取果胶,超声功率300 W、提取温度80 ℃、提取时间47.6 min、pH1.8、料液比1∶21 (g/mL)时,果胶得率为15.76%,纯度为70.27%;与普通酸法相比,超声波辅助法显著将提取时间由100 min缩短至47.6 min。
与传统提取方法相比,超声波处理可降低提取温度、缩短提取时间,对果胶的中性糖侧链结构破坏程度小,果胶得率高。
微波辅助提取是一项新型技术,广泛用于功能性物质的提取。微波提取过程中使用的是频率为300 MHz~300 GHz的电磁波,对物质的加热方式为内加热,无需传导,物质快速均匀受热,从而促进果胶物质溶出[29]。
万建华[30]分别采用盐酸法和微波辅助盐酸法提取马铃薯果胶,结果表明微波辅助酸法提取果胶所用时间(6 min)显著短于酸法所用时间(60 min),但两种方法的果胶得率相近,分别为17.7%和17.9%,且半乳糖醛酸含量均高于65%。Maran等[31]研究显示,微波功率为477 W、微波时间128 s、pH1.52、固液比1∶20.3 g/mL条件下,西瓜果胶的得率达最高,为25.79%。利用扫描电镜观察微波处理前后的果皮表观结构,发现微波可增加果皮表面空隙结构的数目。上述结果说明微波条件下细胞壁更易破裂,这也可能是微波可使果胶在极短时间内从细胞结构中溶出的主要原因[25]。
微波提取法一般与酸法或碱法协同使用,大幅缩短果胶提取所需时间,并提高果胶得率。但由于其温度上升速度快,液体易发生暴沸现象。为避免微波泄露导致的安全隐患,工业生产需密闭性高的装置,因此大型设备制造困难,限制了其在工业生产中的应用。
低酯果胶在形成凝胶时不受体系pH和可溶性固形物含量的影响,可广泛用于低糖凝胶食品生产中。通常利用碱法水解天然高酯果胶中的甲酯基,降低其酯化度,从而生产低酯果胶[32]。碱法提取也可水解果胶结构中的直链区,更有效地保留果胶分支结构中的中性糖侧链,因此,碱法提取可用于生产低酯果胶和提取果胶结构中富含中性糖侧链的RG-I区[33]。
利用碱法对高酯苹果果胶进行降酯处理,在处理温度为15 ℃、处理时间30.64 min、pH为10.14时,果胶降酯效果最好,酯化度降低至38.26%[32]。对于分支区丰富的果胶,一般采用碱法水解得到果胶的分支区。利用NaOH和KOH在60 ℃加热24 h提取马铃薯RG-I区,碱液浓度从0.5 mol/L增加到2 mol/L,RG-I的得率增加了23%。NMR结果表明提取所得的马铃薯RG-I区中富含半乳聚糖侧链,但在剧烈的碱液条件下,马铃薯果胶中大量阿拉伯聚糖侧链会发生水解[34]。而Dourado等[35]以杏仁种皮为原料,利用4 mol/L KOH和硼酸溶液提取果胶,经过甲基化反应确定所得果胶中富含阿拉伯聚糖侧链。这说明果胶的结构不仅受到提取工艺参数的影响,也与植物原料来源有关。
在植物细胞中,果胶与纤维素、半纤维素和蛋白质等物质紧密相连。纤维素酶、半纤维素酶和蛋白酶可以水解细胞壁中的纤维素、半纤维素及蛋白质,破坏细胞壁结构,从而加快果胶的释放、提高果胶得率。
木聚糖内切酶在pH5.0、40 ℃和10 h条件下提取苹果果胶,得率为19.8%,高于硫酸法(85 ℃、pH2.0和3 h)所得果胶得率(14%),且酶法所得果胶分子量(899 kDa)、中性糖(29.8%)、蛋白质(4.38%)和酚类(1.34%)含量均高于酸法所得果胶[36]。Shkodina等[37]分别利用酸法和酶法提取南瓜果胶,盐酸法在65 ℃提取2 h,三种酶法(纤维素酶、半纤维素酶和糖苷酶)在30 ℃下振荡提取20 h,结果表明,三种酶法制备果胶得率均高于盐酸法,其中纤维素酶法提取果胶得率最高(22%);与酸法所得果胶相比,酶法所得果胶的中性糖含量(55.8%~70.3%)更高。这可能是因为酶法作用温和,有效地保留了分支区中的中性糖侧链。
酶提取法反应条件温和,提取温度低,对果胶结构破坏较小,不产生废酸液和废碱液,是一种绿色的果胶提取技术。但酶法提取果胶时间较长,极大地降低了工业生产效率,且酶制剂价格较高,也限制了酶提取法在工业生产中的应用。
细胞壁中部分果胶的羧基会通过金属离子以架桥相连,盐提取法是利用具有较强金属置换能力的盐类来螯合果胶中的金属离子,加速果胶释放。
Koubala等[38]利用盐酸法、水法和草酸铵法对芒果果胶进行提取,结果表明,草酸铵法得率较高,为116~185 mg/g,具有较高的分子量及黏度。对于甘薯果胶这种低甲氧基果胶来说,果胶分子间常以金属离子结合,果胶不易被提取出来,因此Zhang等[39]利用磷酸氢二钠溶液螯合金属离子以提取甘薯果胶,粗果胶的半乳糖醛酸含量为58%,得率为10.24%,灰分含量高达10.5%,但其凝胶强度(115.6 g (w/w))显著高于商业柑橘果胶的凝胶强度(86 g,w/w)。该结果说明盐提取法所得果胶灰分含量高,需进一步纯化以达到工业生产要求。
离子交换树脂法提取果胶是将预处理后的阳离子交换树脂、原料和水混合后,调节溶液pH,在一定温度下提取一定时间后,经过滤,得果胶浸提液。阳离子树脂含有的H+可交换果胶中的钙离子、镁离子等阳离子,解除阳离子对果胶的束缚,加速果胶溶解,从而提高果胶得率。利用离子交换法提取香蕉和杏仁果胶,离子交换树脂用量5%~7%、pH2~2.5、提取温度85 ℃、提取时间2.0 h、料液比1∶20 g/mL,果胶得率分别为19.54%和4.85%,均高于普通酸法[40-41]。
离子交换树脂法可以提高果胶得率,但是阳离子交换树脂的预处理过程较为繁琐,这也在一定程度上限制了该方法的广泛应用。
超声波/微波协同萃取法可将超声波和微波效应的优势有机结合,加速果胶物质溶出。与传统酸法相比,该法所得的甜菜果胶得率(26.16%)、分子量、乙酰化程度、乳化活性指数(EAI,170~210 g/m2)及乳化稳定性指数(ESI,60~300 min)均高于传统酸法所得果胶[42]。利用超声波前处理葡萄柚皮后再进行微波提取,果胶得率(31.88%)显著高于仅用微波处理所得果胶得率(27.81%)[43]。而其他的新方法,如超临界萃取法、电磁感应加热技术、高压脉冲电场法等也逐渐用于果胶的提取中。超临界萃取法用于提取西瓜果胶,40 ℃下提取15 min,果胶得率为12.1%,纯度为86.2%[44]。电磁感应加热提取柑橘果胶30 min,得率与传统加热90 min所得果胶得率相同,为24%,且两者的化学组成和物化性质相似[45]。高压脉冲电场[46]也被用于苹果果胶的提取中,该技术处理时间仅为几十微秒,是一种有效的提取方法。
由上可知,新兴的提取方法不仅可大幅缩短提取时间、提高提取效率,果胶的得率、结构及乳化特性等也有所改善。将不同提取方法,如超声波和微波协同使用,不仅可有效利用两种方法的优势,还可弥补单一提取方法的不足,在加速果胶物质溶出细胞壁的同时,也避免了果胶结构的过度降解,改善果胶的物化和功能特性。因此,不同提取方法的协同使用也将是未来果胶提取的发展方向。
果胶作为一种天然多糖物质,具有良好的乳化性能,近年来,更多的研究关注于将其作为天然乳化剂应用于食品加工业中。果胶结构中的蛋白质组分、阿魏酸基团、乙酰基等为疏水性基团,在乳化液形成过程中可吸附至油滴表面,而与疏水性基团相连的多糖链为高度亲水部分,可以深入水相中,产生空间位阻效应,阻止小油滴聚集为大油滴,从而保持乳化液稳定。研究表明,果胶的乳化特性与果胶结构及环境因素有关。
3.1.1 疏水性基团对乳化特性的影响 果胶中的疏水性基团,如蛋白质、阿魏酸和乙酰基等会影响果胶与油滴的结合程度,疏水性基团含量越高,两者结合越快,便于糖链稳定乳化液。利用蛋白酶酶解南瓜果胶和甜菜果胶中的蛋白质后,果胶的表面活性、乳化活性和乳化稳定性均显著降低,说明蛋白质是影响南瓜果胶和甜菜果胶乳化特性的关键因素[47-49]。以甜菜果胶和柑橘果胶作为乳化剂稳定乳液,对与油滴结合的果胶部分的化学组成进行分析,并研究乙酰基对两种果胶乳化特性的影响。结果表明,与油滴相互作用的果胶中蛋白质和乙酰基含量均明显增加。去乙酰基反应虽对甜菜果胶的乳化特性影响不显著,但乙酰化会显著降低柑橘果胶乳化液的粒径,提高柑橘果胶的乳化特性,说明乙酰基和蛋白质可以提高果胶的乳化特性[50]。Chen等[48]利用阿魏酸酯酶水解甜菜果胶中的阿魏酸基团后,果胶溶液的表面张力、乳化液的界面张力及粒径均显著增加,说明阿魏酸基团可提高甜菜果胶的乳化特性。而利用辣根过氧化物酶或虫漆酶酶促交联甜菜果胶的阿魏酸基团,储存一定时间后,交联果胶的乳液粒径比未交联果胶的乳液粒径(d4,3)增幅小。这可能是由于酶促交联后,果胶分子量增加,产生更强的空间位阻效应,提高了果胶溶液黏度,进而有效阻止乳化液滴聚集[51-52]。
3.1.2 中性糖对果胶乳化特性的影响 果胶中的中性糖侧链可影响乳液的稳定性。阿拉伯聚糖酶和半乳聚糖酶混合物水解甜菜果胶后,制备的乳液粒径增加、乳析稳定性降低。这可能是因为富含中性糖侧链的果胶分子会在油滴表面形成水合层并产生空间位阻效应,阻止乳化液滴聚集。中性糖侧链少,油滴表面的水合层厚度降低,油滴碰撞后更易聚集,导致乳液粒径增加[49]。
3.1.3 分子量对果胶乳化特性的影响 果胶的分子量会影响溶液的黏度和油滴表面水合层的厚度,但是关于分子量对果胶乳化特性的影响效应并无一致结论。对于甜菜果胶来说,与较低分子量(20.2~66.4 kDa)的果胶相比,较高分子量(85~90 kDa)的甜菜果胶可使溶液表面张力显著降低(22.1~24.2 dyn/cm),乳化活性(43.2%~47.1%)和乳化稳定性(65.3%~80.3%)较高[53]。Akhtar等[54]却发现与过低(48 kDa)和过高分子量(146 kDa)的柑橘果胶相比,中等分子量(56 kDa和70 kDa)的柑橘果胶乳化特性较好,且70 kDa的果胶可以使乳液稳定保存两个月。但也有研究称,不同分子量(39、43、50、60、73 kDa)的柑橘果胶对乳液的粒径及乳化稳定性并无显著影响[55]。
除果胶结构外,乳液中的果胶浓度、油相浓度、pH及盐离子也对果胶的乳化特性产生一定影响。Piriyaprasarth[56]等研究发现乳液粒径随油相浓度(5%~30%)升高而增加,而柑橘果胶浓度(0.5%~2.0%)对乳液粒径无显著影响。对于乳化稳定性来说,当乳液中的油相浓度较低(5%)时,即使添加高浓度的果胶溶液,乳液仍不稳定;油相浓度较高(10%~20%)时,乳液的稳定性增加,再继续增加油相浓度,稳定性下降。说明当果胶浓度和油相浓度比例适宜即两者能较完全地相互作用形成乳化颗粒时,乳化液的乳化稳定性较好。
溶液的pH和盐离子浓度可能通过影响溶液中果胶的电离程度及带电量,从而影响果胶在溶液中的存在状态。梅新等[57]发现甘薯果胶乳化液的粒径随pH的升高(2~7)呈先降低后升高的趋势,而乳化稳定性呈先增加后降低的趋势。pH为5.0时,甘薯果胶乳化液的稳定性最好。这可能是因为pH变化改变了果胶的电离程度,从而改变了乳化颗粒带电量。pH较低时,果胶的电离受到抑制,乳化颗粒带电量较少,相互排斥作用小;随着pH升高,果胶电离程度增加,乳化颗粒所带电荷增加,相互排斥剧烈,阻止颗粒之间聚集,因而增加了乳化液稳定性。但也有研究表明,pH对甜菜果胶的乳化液粒径和果胶吸附油滴的程度影响不显著[4],但添加NaCl和CaCl2会降低甜菜果胶的乳化活性和乳化稳定性,且CaCl2对乳化特性降低效果更明显,这主要是因为盐离子会中和果胶链所带电荷,果胶间排斥作用减弱,且果胶间通过氢键和配位键结合作用增强导致油滴聚集,乳液粒径增加。Ca2+所带正电荷数高于Na+,因此更易促进果胶间结合,降低乳化稳定性效果更明显[4]。
此外,蛋白质是食品加工业中常用的乳化剂,但是其对环境条件的敏感性在一定程度上限制了其应用,而果胶可与蛋白质结合形成复合物,降低蛋白质对pH的敏感性,阻止蛋白质在等电点附近聚集。Tran等[58]指出在pH4~5时,大豆分离蛋白之间会发生聚集,无法起到乳化剂的作用;而添加0.25 wt%~0.75 wt%大豆果胶即可在酸性条件下稳定乳化液,这是因为大豆分离蛋白和果胶可以通过静电相互作用结合且大豆果胶分支区丰富,产生的空间排斥效应会阻止蛋白质分子间的聚集,因此可提高乳化稳定性。Salminen等[59]以浓度为1.0%(w/w)的乳清分离蛋白为乳化剂制成乳液并将加热(85 ℃,20 min)所形成的乳清分离蛋白-苹果果胶复合物吸附到乳化颗粒上,从而提高乳化液稳定性。蛋白质-果胶结合物也可作为乳化剂直接稳定乳化液,与单独利用蛋白质或果胶作为乳化剂稳定乳液的效果相比,结合物有效地提高了乳化液稳定性[60-61]。
目前,研究表明柑橘果胶和苹果果胶的乳化特性受其结构因素的影响较大,乳化特性较差。因此,探索新型的果胶资源,研发如甜菜渣、马铃薯渣和甘薯渣提取果胶技术以满足果胶作为乳化剂的市场需求并丰富果胶原料种类的意义重大。由于蛋白质、乙酰基、阿魏酸等疏水性基团对果胶乳化特性具有积极影响,可采用酶法、乙酰化反应和热处理等手段对现有商业果胶进行结构改性,增加疏水性基团的数量,降低分子量,以提高乳化活性。此外,在今后的研究中应更加关注果胶提取方法与果胶结构及乳化特性之间的相互关系,并通过改良果胶提取方法或采用新型提取方法以获得具有较好乳化特性的果胶。