果胶特性及其低聚糖制备的研究综述

焦旭，张路遥，韦云路，黄琳琳，李菲，李全宏

中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家果蔬加工工程技术研究中心，农业部果蔬加工重点开放实验室（北京 100083）

糖类数目繁多，根据其聚合度可分为单糖、低聚糖和多糖。单糖结构单一，多糖结构复杂，二者研究较多，而介于中间的低聚糖却研究较少。果胶是一种来源广泛的天然植物多糖，具有良好的理化性质，可当作稳定剂、乳化剂、胶凝剂和增稠剂应用于食品中，但复杂的分子结构限制了其研究应用。果胶低聚糖是果胶降解后的低聚产物，较大分子果胶而言结构相对明确，是近年来的研究重点。果胶经降解后，酯化度、凝胶特性等性质随着结构和相对分子质量的变化而改变，使得果胶低聚糖在工业和研究中发挥了不可替代的作用。研究针对果胶和果胶低聚糖的特性进行了综述，并对由果胶制备果胶低聚糖的方法进行了总结归纳，以期为后续研究和进一步利用提供理论基础。

1 果胶及果胶低聚糖

1.1 果胶

果胶是一种广泛分布于植物体内的杂多糖，其分子由平滑区和毛发区组成。平滑区即同聚半乳糖醛酸区（Homogalacturonans，HG），由半乳糖醛酸残基通过-1,4-糖苷键线性连接，部分C-6位置被甲酯化，部分O-2或O-3位置被乙酰化[1]。毛发区包含鼠李半乳糖醛酸聚糖I区（Rhamnogalacturonan type I，RG-I）、鼠李半乳糖醛酸聚糖II区（Rhamnogalacturonan type II，RG-II）及木糖半乳糖醛酸聚糖区（Xylogalacturonan，XGA）。其中RG-I区主链由半乳糖醛酸与鼠李糖交替组成，并连有阿拉伯（聚）糖、半乳（聚）糖或阿拉伯半乳聚糖等中性糖侧链。RG-II区与XGA区的主链均为同聚半乳糖醛酸，但前者的侧链是由多种不同的糖分子通过复杂的糖苷键连接而成的，后者的侧链则为木（聚）糖[2]。

果胶的含量与结构受植物源与植物部位差异的影响，例如，甜菜果胶中HG的聚合度低于柑橘和苹果果胶，但RG-I的含量却较高[3]。果胶的功能性质与其结构密切相关，而相对分子质量、单糖组成、半乳糖醛酸含量及酯化度作为分析果胶的指标，也是影响其结构的重要因素。此外，凝胶特性、黏度及溶解度等性质也决定着其在生产中的应用。果胶作为一种亲水性植物多糖，以食品功能因子添加到食品中，可以起到稳定剂、乳化剂、增稠剂的效果[4]。

1.2 果胶低聚糖

低聚糖，又称寡糖，近年来由于其独特的生物活性和特性，在各个领域都得到了广泛的使用。果胶低聚糖（pectin oligosaccharides，POS）是果胶发生降解后生成的低相对分子质量寡糖产物[5]。作为POS来源的果胶，相对分子质量范围很广，高者可达Da，但过大的相对分子质量与复杂的中性糖侧链会影响其特性。Olmos等[6]的研究表明：低聚糖的特性取决于其组成和聚合度。特定聚合度的产品（通常为低聚物）相对于其来源的多糖更具优势，尤其体现在生物活性方面。苏艳玲等[7]的研究也表明果胶的中性糖侧链越多，对其胶凝的阻碍作用越明显，反之，越有利于胶凝作用。

通过总结前人的研究可知，利用果胶为原料制备POS，不论对于科学研究还是工业利用来说，都具有重要意义。

2 果胶特性

2.1 半乳糖醛酸含量

半乳糖醛酸（Gal-A）含量代表果胶的纯度，其含量越高，果胶越纯。《GB 25533—2010食品安全国家标准 食品添加剂 果胶》中规定：食品添加剂果胶的总Gal-A含量不得低于65。测定Gal-A含量的方法有：硫酸咔唑法、间羟基联苯法、3,5-二硝基水杨酸法、离子色谱法及其他新方法。Baldassarre等[8]就利用新技术——近红外高光谱成像法快速测定柑橘废弃物中的果胶含量，并认为该方法能替代传统的硫酸咔唑法。

果胶来源十分广泛，提取手段各不相同，这些导致了果胶Gal-A含量的千变万化。不同植物源的果胶Gal-A含量不同。Grassino等[9]测定番茄渣中的果胶含量在15.1%～21.1%和31.0%～35.7%之间，Yang等[10]测定马铃薯果胶的Gal-A含量为41.78。同种植物源不同植物部位的果胶Gal-A含量不同。Kazemi等[11]测定茄子皮果胶和茄子花萼果胶的Gal-A含量分别为67.4和60.2。来源相同但样品状态不同的果胶Gal-A含量不同。Petkowicz等[12]测定新鲜西瓜皮和冻干西瓜皮的Gal-A含量分别为74.2和68.7。不同提取方法获得的果胶Gal-A含量不同。Bagherian等[13]测定了传统热水浸提、超声波辅助、微波辅助及超声波微波辅助法提取柚子果胶的Gal-A含量，结果分别为69.9%，74.86%，68.21%和74.25%。

2.2 酯化度

酯化度（degree of esterification，DE）是指果胶分子中被酯化的半乳糖醛酸基占全部半乳糖醛酸基的百分比，其中，甲氧基含量不低于7的果胶称为高甲氧基果胶（low-methoxy pectin，LMP）（DE50），否则为低甲氧基果胶（high-methoxy pectin，HMP）（DE50）[14]。酯化度不论对果胶还是果胶低聚糖的物理化学性质都具有重要影响，通常采用滴定法测量。一般来说，凝胶特性、溶解度及黏度都与酯化度密切相关：酯化度越高，胶凝时间越短，同时胶凝速度越快；表观黏度与酯化度成正比，而特性黏度和溶解度与之成反比[15]。果胶的酯化度可以通过不同方法来改变，一般采用甲酯化反应提高酯化度，酸/碱脱酯化或脱酯酶作用降低酯化度。丁萍等[16]采用盐酸催化甲酯化反应，在无水甲醇的环境下制备酯化度高达91.20的高甲氧基橘皮果胶，并利用其甲氧基疏水、羟基亲水的双亲性制备稳定性良好的乳状液。Hua等[17]的研究表明，在一定的脱酯酶作用下，脱酯果胶的特性黏度比原材料更高，但由于脱酯反应的碱性环境使得果胶发生降解，高聚链解聚成低聚物的同时，特性黏度也会相应降低。

2.3 凝胶特性

凝胶特性是判断果胶成胶能力的重要指标。对于HMP而言，一定温度下适当的糖酸比能促使其成胶，条件一般为pH 2.0～3.8，可溶性固形物含量不低于55%；而对于LMP来说，必须在有二价阳离子存在的情况下才能成胶，条件一般为pH 2.6～2.8，可溶性固形物含量10%～80%[18]。Yang等[19]发现，当pH从3.5增加到8.5时，由于LMP游离羧基含量增加，其凝胶强度和成胶率均增加，但当pH继续增加至9.5时，-消除反应使得果胶相对分子质量降低，进而导致凝胶强度和凝胶速率下降。除pH、温度、可溶性固形物含量及二价阳离子浓度等外界条件外，酯化度对果胶凝胶特性也有很大影响。Kastner[20]用植物源果胶甲酯酶对柑橘果胶脱甲基化处理，得到的产物与原果胶相比，起始成胶温度增高，且形成的凝胶更具弹性，分析其原因为脱酯化果胶的游离羧基形态、钠离子含量及相对分子质量发生了改变，进而导致果胶凝胶特性的变化。此外，果胶的凝胶特性还会受其分子结构的影响：Sousa等[21]使用针对阿拉伯聚糖和半乳聚糖的特性酶来探究带有不同中性糖侧链的果胶的成胶能力。结果表明：随着中性糖浓度的特定降低，果胶的胶凝温度和凝胶强度均有显著下降，Zheng等[22]也得出了相似的结论：阿拉伯糖侧链能促进凝胶网络的形成，对果胶成胶有积极作用，分析其原因为侧链的缠结使凝胶网络更加致密，限制其流动性，从而提高凝胶强度。

2.4 其他

果胶及其低聚糖的相对分子质量也是影响其特性的因素。Michel等[23]的研究表明低相对分子质量的POS比天然果胶更易溶解，低黏度使它们更易添加到食品中，例如制作酸奶时，在牛奶中添加POS能改善酸奶的质地，低黏度的特性还可以使它们作为保湿剂添加到食品中。Kapoor等[24]证明了从果胶中分离出的低聚糖比其天然化合物具有更好的半乳糖凝集素3抑制活性，Singh等[25]也说明了厚壁菌门细菌对相对分子质量小的POS的利用度高于相对分子质量大的。

3 POS的制备

目前制备POS的方法主要有三种：从原料中直接提取、利用化学手段合成及降解果胶。虽然各种植物中POS含量存在差异，但总体来看含量较低，使得直接提取法的获取率低，可行性低。利用化学合成手段虽然能得到特定结构的POS，但此法更适合科研工作需要，对于工业上需求量大的特点而言存在成本高、产量低的问题。而目前在研究中和工业上常通过降解果胶来制备POS，根据其作用原理，又可分为物理降解、化学降解及酶解。

3.1 物理降解制备POS

物理降解果胶主要包括热降解、超声波降解、辐照降解及高压降解。杨蕾[26]在其研究中通过将果胶在121 ℃高温下处理30 min来获取POS，并发现POS的益生指标较果胶而言有明显提高，且益生效果与相对分子质量大小成反比关系。Zhang等[27]对比了超声波降解、超声波辅助酸法降解及酸法降解柑橘果胶的差异，发现不同方法对柑橘果胶的相对分子质量与结构均有影响，并认为超声波降解法具有环保、温和及省时等特点。Kang等[28]的研究表明，由辐照降解的POS可以降低由高胆固醇饮食诱导的小鼠血清中的甘油三酯、低密度脂蛋白及总胆固醇水平，因此可以将辐照作为一个从柑橘中生产功能性POS的方式。Chen等[29]利用动态微流高压控制法以苹果果胶为原料制备POS，果胶转化率32.92%，得到的POS能增加双歧杆菌和乳酸菌的数量，同时减少拟杆菌和梭状芽孢杆菌的数量，促进部分短链脂肪酸的生成。

物理降解制备POS虽然不会产生化学试剂的污染，但此法随机性大，想要通过调节物理变量可控的制备低聚糖还具有一定挑战[5]。

3.2 化学降解制备POS

常用的化学降解手段有酸水解与碱水解。三氟乙酸、乙酸、硝酸、盐酸是常用的水解酸，而氢氧化钠、氢氧化钾是常用的水解碱。

Zhang等[30]通过调节三氟乙酸的浓度，得到三种柑橘皮POS，又通过改变过氧化氢的浓度和反应时间，得到另外两种低聚糖。对比两种方法，发现后者所得产物具有更高的益生潜力。Kapoor等[24]的研究中采用先乙酸降解后乙醇沉淀的方法降解原果胶为具有抗癌作用的POS。Manderson等[31]用硝酸从橙汁副产物中提取POS，得率为8。Renard等[32]用盐酸水解去酯化甜菜浆，得到含有鼠李糖、半乳糖醛酸、阿拉伯糖及半乳糖的POS。Khodaei等[33]采用碱提取，微波辅助的方法，以固液比2.9%（1.5 mol/L氢氧化钾）、微波功率36.0 W，提取时间2 min的最佳提取工艺从马铃薯渣副产物中获得富含半乳糖的RG-I。

化学降解法往往需要使用大量的化学试剂，对环境不友好，且得到的POS的聚合度有限[34]。

3.3 酶解制备POS

果胶的酶解包括两部分：由水解酶催化的水解反应和由裂解酶催化的β-消除反应。水解反应作用于果胶中性糖侧链，常用的酶有阿拉伯糖苷酶/聚糖酶、半乳糖苷酶/聚糖酶、甘露糖苷酶/聚糖酶及木糖苷酶/聚糖酶，根据每种酶的作用点不同，以内切、外切两种方式降解果胶中性糖侧链。β-消除反应作用于果胶主链，将高聚的HG、RG-I、RG-II及XGA主链进行降解得到低聚物，常用酶有半乳糖醛酸聚糖酶、果胶裂解酶与鼠李半乳糖醛酸聚糖裂解酶，根据其作用位点不同也可分为内切酶与外切酶。

Holck等[1]连续使用单组分酶来目的性的降解甜菜果胶，先用果胶裂解酶来释放果胶分子中的HG区，再用阿拉伯糖苷酶和阿拉伯聚糖酶来降解果胶分子的侧链，最后用RG-I裂解酶来降解果胶分子的RG-I区，并提出：无论是多糖还是低聚糖，分子大小是影响果胶益生作用的一个共同关键点。Olmos等[6]的研究中直接选用了两种复合式商业果胶酶：Rohapect DA6L和Macer8 FJ，其中前者的果胶降解率为94.9，为工业降解果胶提供了参考。酶膜生物反应器是酶解制备POS中常用的一种方法，它能在酶解的同时进行膜分离，与传统的酶解后再继续透析或超滤相比，集降解与分离为一体。Baldassarre等[8]研究出一种基于错流式的酶膜生物反应器，采用复合多糖酶L与截留分子质量为10 kDa的膜可获得体积产率22.0 g/L/h的POS（聚合度2～4），此体积产率是之前研究的3～5倍。

酶解法可制备特定的POS，不产生不良副产物，具有环保、温和等特点，是工业中生产食品级POS的常用手段。

4 POS的分离纯化

POS的制备物中常含有多糖、单糖及色素等杂质，需通过分离纯化来获取单一产品。目前常用的分离纯化分析手段分为两种：色谱柱分离法和膜分离技术。

色谱柱分离法中常用到离子交换色谱法、凝胶过滤法及液相色谱法。离子交换色谱法是利用离子交换的原理将带有不同电荷的样品分离开来，POS因富含半乳糖醛酸而带有负电荷，所以常采用阴离子交换色谱柱。Wang等[34]利用高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测器和超高效液相色谱结合电喷雾串联质谱分析苹果果胶水解产物，结果表明主要水解产物是聚合度较小的低聚半乳糖醛酸（聚合度4～6）。凝胶过滤色谱法又叫排阻色谱法、分子筛等，是根据溶质相对分子质量的差别进行分离的，相对分子质量大的溶质先被洗脱出来。王江浪[35]利用凝胶过滤色谱法分离纯化苹果POS，最终得到抑菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌）效果良好的低聚糖。色谱柱分离法虽然是一种常用的分离纯化方法，但因其制备量小，制备成本高而多用于实验室研究，不适合工业上大规模制备使用。

膜分离技术是不同粒径分子的混合物在通过半透膜时实现选择性分离的技术。根据膜的种类可分为微滤、纳滤、超滤、电渗析和反渗透等等。通过对膜截留相对分子质量的选择，可以将单糖、低聚糖和多糖进行分离。Michelon等[36]利用纳滤技术纯化乳糖、葡萄糖和半乳糖的商业混合物中的低聚半乳糖，回收率达到61%。膜分离过程是一种纯物理过程，具有无相态及化学变化、体积小、可拆分、环境友好等特点，根据混合物的相对分子质量选择不同的膜及合适的膜工艺，可以提高生产收率、减少投资规模和运行成本。

5 结语

果胶来源十分广泛，是一种结构复杂的天然植物多糖，具有多种功能，不仅能当作添加剂添加到食品中改善食品的质量，还在生物医药及保健品领域发挥着重要作用。而正是因为果胶的复杂结构使其在研究中受到阻碍，利用果胶制备POS也就成为了一个重要2的研究方向。

综上所述，继续拓展果胶的降解方法是未来发展的重点。酶解法降解果胶所用的酶大多是由真菌或细菌所产生，由它们酶解所得的果胶添加到食品中是否有负面作用值得思考，针对此问题，应挖掘能应用于食品中的微生物来生产果胶酶，如毕赤酵母等，以此来消除潜在危险。