果胶研究与应用进展_谢明勇

果胶研究与应用进展

谢明勇

聂少平

(食品科学与技术国家重点实验室

南昌大学

南昌330047)

摘要

果胶是一种天然的植物多糖,结构复杂,功能多样。其作为一种高档天然食品添加剂和保健品,广泛应用

于食品、医药保健品和一些化妆品中。近年来,随着人们对营养健康的关注以及在果胶构效关系方面的研究进展,越来越多的研究者将目光转向果胶的研究与应用。本文对果胶的结构、原料来源、提取方法、理化特性及功能应用进行综述,同时介绍目前果胶研究的特点和趋势,以期为我国的果胶研究与应用领域提供有价值的信息。关键词果胶;结构;原料;理化特性;功能应用

文章编号

1009-7848(2013)08-0001-14

果胶是一类广泛存在于植物细胞壁的初生壁和细胞中间片层的杂多糖[1],1824年法国药剂师

Bracennot 首次从胡萝卜提取得到,并将其命名为“pectin ”[2]。果胶主要是一类以D-半乳糖醛酸(D-Galacturonic Acids ,D-Gal-A )由α-1,4-糖苷键连

接组成的酸性杂多糖,除D-Gal-A 外,还含有L-鼠李糖、D-半乳糖、D-阿拉伯糖等中性糖,此外还含有D-甘露糖、L-岩藻糖等多达12种的单糖,不过这些单糖在果胶中的含量很少[3-4]。

果胶作为一种高档的天然食品添加剂和保健品,可广泛应用于食品、医药保健品和一些化妆品中。2009年,果胶全球年销量突破4万t ,年产值近50亿美元,同时,果胶销量预计每年将以3%~

6%的速度递增。目前全世界最大的果胶生产商为

美国的CP Kelco 公司,年产果胶14000万t ,其次为美国的DuPont TM Danisco R

公司和比利时的

Cargill 公司。国内果胶商业化起步于1993年。浙

江衡州果胶有限公司是国内第一家商业化生产果胶的厂家。目前,国内最大的果胶生产商是位于山东烟台的安德利果胶有限公司,公司建有两条生产线,年产果胶4000t ,主要原料为苹果皮。目前国内的果胶需求量在5000t 左右,其中80%来自进口。国内果胶生产能力不足,且产品质量较进口

果胶要差。

目前,商业化生产果胶的原料主要是柑橘皮及苹果皮。国内果胶资源丰富,但加工利用率低,大部分原料都被直接丢弃,如能加以综合利用,将会带来巨大的经济效应。例如:2011年我国出口各类果蔬汁70.24万t [5],按榨汁后皮渣占果实的

45%计算,将产生皮渣57.47万t ,而加工利用的皮

渣却不到3万t ,远低于欧美发达国家的水平,如能加工利用皮渣10万t ,提取得率以10%计,将产果胶10000t ,按现市场最低价格10万元/t 计,可为国家节省外汇至少10亿元。

本文对果胶的结构、原料来源、提取方法、理化特性及功能应用进行综述,同时介绍目前果胶研究的特点和趋势,以期为我国的果胶研究与应用领域提供有价值的信息。

1果胶的结构

虽然果胶被发现近200年,但目前对于其组

成和结构并没有彻底弄清楚。果胶结构非常难解析的原因在于其结构和组成随着植物的种类、储藏期和加工工艺的不同而不同。此外,果胶中还存在一些杂质。根据果胶分子主链和支链结构的不同,将其(如图1)分为4类:同型半乳糖醛酸聚糖(Homogalacturonan ,HG )、鼠李半乳糖醛酸聚糖I (Rhamngalacturonan I ,RGI )、鼠李半乳糖醛酸聚糖II (Rhamngalacturonan II ,RGII )和木糖半乳糖醛酸聚糖(Xylogalacturonan ,XG )[6-7]。

收稿日期:2013-07-08

基金项目:国家十二五科技支撑计划课题(2012BAD33B06);

国家自然科学基金资助重点项目(31130041)

作者简介:谢明勇,男,1957年出生,博士,教授

Vol.13No.8Aug .2013

Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology

中国食品学报

第13卷

第8期

2013年8月

DOI:10.16429/j.1009-7848.2013.08.031

中国食品学报2013年第8期

中性糖支链

“光滑区”

同型半乳糖醛酸聚糖(HG)

鼠李半乳糖醛酸聚糖II(RG II)

木糖半乳糖醛酸聚糖(XG)

“毛糙区”

鼠李半乳糖醛酸聚糖I(RG I)

图1果胶的基本结构图

Fig.1Schematic diagrams of the basic structure of pectin

HG(如图2所示)是长而连续、平滑的α-1,4糖苷键连接的半乳糖醛酸聚合体,约占果胶的65%,半乳糖醛酸的C6可被甲酯化或酰胺化,在一些植物中,C2或C3可被乙酰化[8]。也有研究发现HG中半乳糖醛酸残基的O-3或O-4被木糖取代,形成XG(如图3所示)[9]。

图2HG结构中重复部分

Fig.2A repeating segment of the xylogalacturonan

图3XG结构中重复部分

Fig.3A repeating segment of the homogalacturonan

RGI(20%~35%)是一个具有侧链区域的骨架,是由几十甚至超过100个重复鼠李半乳糖醛酸二糖[→4)-α-D-GalA-(1,2)-α-L-Rha-(1→]构成(如图4所示)。通常RG I中的鼠李糖残基有20%~80%被中性糖支链取代,取代位置通常在C4位,而RG I的支链长度和种类与果胶原料来源和提取方式有关。这些支链可分为3种多聚体:阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖I和阿拉伯半乳聚糖II。阿拉伯半乳聚糖I由(1,4)-α-D-Gal-(1,5)-α-L-Ara组成,通过(1,4)-α-L-Ara与主链相连;阿拉伯半乳聚糖II是高度分枝的半乳聚糖,侧链的主链由(1,3)-α-D-Gal组成,该主链被(1,6)-α-D-Gal取代成分枝,而该分枝则被(1,3)-α-L-Ara 取代[3]。

甲酯化

乙酰化

酰胺化

2

第13卷第8期

RGII(约10%)的结构非常复杂,其骨架是带有4个不同侧链的短而伸长的HG,而非鼠李半乳糖醛酸聚糖,RGII由至少12种单糖以多于20种的键合方式连接[10]。在植物中,RGII可与硼酸盐发生交联[8]。

2果胶的原料

果胶存在于所有的高等植物中。在植物细胞壁中,果胶主要与纤维素、半纤维素、木质素等共价结合,形成原果胶,它是植物的一种结构物质,对维持植物的结构和硬度起着至关重要的作用。除此之外,果胶能够调节细胞的渗透性及pH。果胶在植物细胞壁中含量最高,在双子叶植物中,主要存在于植物细胞壁的初生细胞壁和中间片层中,占30%~35%[7,11]。目前,用于生产商品果胶的原料主要是柑橘和苹果皮渣。此外,有大量研究从豆腐柴叶[12]、香蕉皮[13]、向日葵[14]、甘薯[15-16]及薜荔仔[17-18]等副产物中提取果胶,不过这些原料的研究目前还仅限于实验室的基础研究中。不同原料中果胶含量相差较大,表1列出几种果胶原料的果胶含量[19]。

3果胶的提取、分离和纯化

果胶的提取是一个由不溶性果胶转化为可溶性果胶,可溶性果胶向液相转移的过程。提取和沉淀是果胶生产工艺的两个关键步骤[20-21],除此之外,因为成熟植物组织和果实中含有果胶酶,导致许多果胶长链被酶解,因此果胶提取前预处理灭酶及原料贮藏也很重要[22]。果胶提取的方法主要有传统酸提法[23]、碱提法[24]、酶法[25]、微生物法[26]、微波辅助提取法[27-28]、超声波辅助提取法[29]、离子交换法[30]、草酸铵提取法[31]等。目前国内商业化的果胶主要采用酸提法制备[32]。表2列出各种方法的原理和特点。

目前果胶分离纯化的方法有盐析法、乙醇沉淀法、超滤以及动、静态大孔吸附树脂法等。国内厂家大多采用盐析法生产果胶,此法成本较低,工艺简单,但产品灰分含量高,色泽深且胶凝度差[33-34]。醇沉法是国外普遍使用且最早工业化的方法,所得产品质量较高,胶凝度好,但成本较高以及乙醇回收等问题限制了醇沉法的广泛使用[35-36]。超滤[37]和动、静态大孔吸附树脂法[38-39]是近些年来提出的方法,目前因其设备处理量少、成本昂贵,还仅限于实验阶段。这些方法将是今后研究和发展的趋势。

4果胶的理化特性

由于原料的种类、生长期、采割期、保存时间及提取方法等因素的影响,果胶的自身组成和理化性质有很大的差异,所以对果胶理化性质的测定对于果胶的表征及质量判定具有非常重要的意义。果胶的理化性质主要有溶解性、酯化度(De-gree of Esterfication,DE)、Gal-A含量、单糖组成、相对分子质量(Molecular Weight,Mw)、流变及凝

图4RG I结构中重复鼠李半乳糖醛酸二糖Fig.4A repeating segment of the

rhamngalacturonan I

来源果胶含量来源果胶含量苹果皮 1.5~2.5草莓0.6~0.7苹果0.5~1.6木瓜0.66~1.0香蕉0.7~1.2胡萝卜0.2~0.5甜菜渣 1.0桃0.1~0.9柠檬皮 2.5~4.0柑橘皮 3.5~5.5表1部分果胶原料中果胶含量(%鲜重)Table1The pectin content of some fruits and

vegetables(%fresh weight)

果胶研究与应用进展

3

中国食品学报2013年第8期方法原理优点缺点

酸提取用稀酸将非水溶性原果胶转化成

水溶性果胶最原始,应用最广泛的一种方法,

成本低

反应条件较复杂。产品质量一般

碱提取果胶溶液在低温、碱性条件下主要

发生脱酯反应工业上用来脱酯,制备低酯或酰

胺化果胶

控制反应温度,防止其发生β消

除反应。

酶与微生物利用酶或微生物降解果胶原料中

纤维素等大分子物质,使果胶溶出操作简单,产品质量稳定,提取完

全,且低消耗,低污染,具有广阔

的前景

成本很高,对酶纯度要求很高

微波提取利用微波的电效应和化学效应,使

植物组织崩解,加速果胶的溶出常作为辅助提取与其它方法联

用,工艺简单,时间短,得率高,产

品质量较好

受设备影响,工业化生产时成本

和规模上受限制

超声波提取利用超声波(频率>20kHz)的空化

作用,加速细胞的破碎和崩解,从

而使果胶溶出常作为辅助提取,与其它方法联

用,产品提取率高,快速,品质较

受设备影响,工业化生产时成本

和规模上受限制

螯合剂利用螯合剂与植物组织中的高价

阳离子的螯合作用,使果胶能够更

完全和更迅速溶出,提高提取率工艺简单,提高提取得率,产品品

质较好

回收利用难,环境影响问题没有

得到有效解决

胶特性,其中决定果胶的应用范围和经济价值,评价果胶品质的3个较重要的参数为DE、胶凝度和Gal-A含量。

4.1溶解性

根据果胶的溶解性将其分为水溶性果胶和水不溶性果胶。果胶的溶解性与果胶的聚合度和其甲氧基的含量和分布有关。虽然果胶溶液的pH、温度以及浓度对果胶的溶解性也有一定的影响,但一般来说,果胶的相对分子质量越小,酯化度越高,其溶解性越好。类似于亲水胶体,果胶颗粒是先溶胀再溶解。如果果胶颗粒分散于水中时没有很好地分离,溶胀的颗粒就会相互聚结成大块状,而此大块一旦形成就很难溶解。

4.2酯化度

果胶是一类聚半乳糖醛酸多糖,其半乳糖醛酸残基往往被一些基团酯化,如甲氧基、酰胺基等。酯化度又称甲氧基化,指果胶中甲酯化、乙酰化和酰胺化比例的总和。根据果胶酯化度以及酯化种类的差异,可将果胶分为3类:高酯果胶(DE >50%)、低酯果胶(DE<50%)、酰胺化果胶(酰胺化度>25%)。果胶的酯化度通常因原料的多样性和提取工艺的不同而不同。表3列出不同原料来源的果胶的酯化度。

果胶的DE是一个非常重要的参数。DE的大小和种类影响着果胶产品的溶解性、凝胶性以及乳化稳定性。如在不考虑其它因素的条件下,果胶的酯化度越高,其水溶性越好;果胶的酰胺化度越高,果胶的水溶性也越好。此外,酯化度还影响药物的释放水平,例如目前普遍认为的具有抗癌活性的MCP的酯化度需在10%以下[43]。

果胶DE一般采用滴定法测定[44],此法较为简单易行,但消耗样品量大且步骤繁琐。此外,还有拉曼光谱法、红外法[42,45]、核磁共振波谱法[46]和高效液相色谱法[47]等,其中红外法所需样品量少且不破坏样品,简便、快速,但结果误差较大。测定结果最为准确的是核磁共振波谱法,但此法要求高纯度的样品。

4.3单糖组成及含量

果胶是一类以聚半乳糖醛酸为主的杂多糖,商业化的果胶中Gal-A含量≥65%。在许多文献

表2果胶各提取方法的原理和特点

Table2The principle and character of different extraction methods of pectin 4

第13卷第8期中,通常以Gal-A 含量来表示果胶纯度,测定Gal-A 含量大多采用硫酸咔唑法和间羟基联苯

法[48-49],离子色谱[50]测定更为准确。此外还有重量

法[51]、果胶酸钙滴定法[52]和蒸馏滴定法。不同原料的果胶单糖组成差异较大。表4列出几种果胶原料单糖组成[53]。

原料

提取方法

酯化度/%

种类测定方法文献来源

柑橘皮

(Citrus depressa )酸提法(0.05mol/L 盐酸,85℃、60min ,醇沉pH 为4.5)

66.2高酯滴定法[40]新鲜苹果皮(Spondias dulcis )酸提法(盐酸调pH 2.5,温度97℃、30min )22.15低酯滴定法[41]新鲜苹果皮(Spondias dulcis )酸提法(柠檬酸调pH 2.5,温度97℃、30

min )

50.14高酯滴定法[41]干大豆皮酸提法(0.1mol/L 盐酸,90℃、45min ,醇沉

pH 2.0)

53高酯红外法[42]干大豆皮

酸提法(0.3mol/L 盐酸,90℃、45min ,醇沉

pH 2.0)

60

高酯

红外法

[42]

表3

不同原料来源的果胶的酯化度

Table 3

The degree of esterfication of pectins from different raw materials

苹果 1.423.320.4 4.1 1.367.5商业化果胶7 2.03 1.12 1.328.49 2.0378.01木莓 1.6 3.4 2.6 5.5 3.5 4.978.5草莓 2.39.5 1.5-8.4 6.971.4胡萝卜17.9--11.8277.4樱桃 2.320.6 1.4 2.1 5.9 1.566.3木瓜3 4.5 4.51 6.7179.3菠萝0.729.836.50.69.7 4.218.4芒果115.5 1.80.6 4.4 2.774梨 1.821.5 2.50.8 3.21159.2洋葱0.6 3.8 2.30.640 4.448.3黄瓜

0.6

5.8

2.2

-11

1.8

78.7

Rha Ara Xyl Man Gal Glu 糖醛酸

果胶种类单糖组成

表4

不同来源的果胶及商业化果胶的单糖组成

Table 4

The sugar composition of commercial pectin and selected fruits and vegetables

单糖构成可间接反映果胶结构,在一些文献中,通常以Gal-A 含量来表示果胶纯度,果胶的中性糖大多在其侧链中,因此Gal-A 含量高;中性糖含量低的果胶,说明果胶中侧链较少,反之说明果胶中侧链含量较多高[54-55]。目前,果胶单糖测定方法主要有高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测法(High Performance Anion-Exchange Chromatogra -

phy with Pulsed Amperometric Detection ,HPAEC-

PAD )[56]、蒸发光散射法(Evaporative Light Scatter -ing Detector ,ELSD )和气液相色谱法(Gas-Liquid Chromatography ,GLC )[57]。与HPAEC -PAD 和ELSD 法相比,GLC 法需对水解后的样品进行衍

生才能测定,步骤更为繁琐,而衍生效果的好坏直接影响单糖含量的测定值。目前常用HPAEC-

PAD 法测定果胶的单糖组成,此法无需柱前或柱

后衍生,灵敏度高,重现性好。

果胶研究与应用进展

5

中国食品学报2013年第8期

4.4凝胶特性

胶凝度是衡量果胶质量的主要指标之一。指在一定条件下,每份果胶能与多少份固形物(通常为蔗糖和葡萄糖)制成具有一定硬度和质量的果冻的能力,即衡量果胶形成凝胶的能力大小。

胶凝度是工业上判断果胶品质好坏的一个重要参数。目前主要采用US-SAG法和压力破碎法测定果胶胶凝度[58]。商业化果胶的胶凝度要求(US-SAG):高酯果胶(150度±5度)和低酯果胶(100度±5度)。虽然果胶普遍存在于所有的高等植物中,许多科学家也尝试利用甘薯、向日葵等原料来进行商业化生产,但目前国内外的果胶生产商生产果胶的原料都是柑橘皮渣和苹果皮,其中一个关键的原因在于其它原料制备的果胶的胶凝度无法达到商业化的要求。

4.5相对分子质量

果胶的相对分子质量介于50~300ku之间,不同原料和工艺提取到的果胶的相对分子质量相差甚大。凝胶法[59]和高效体积排阻色谱法(High Performance Size Exclusion Chromatography,HPSEC)[60]是测定果胶相对分子质量的主要方法。HPSEC测定较为准确,且结果信息量大。HPSEC法能够测定果胶的重均分子质量(M w)和数均分子质量(Number-average Molecular Weight,M n)。多聚分散性M w/M n表征分子质量的分布宽度,M w/M n愈大,表明分子质量分布越宽,反之则分子质量分布范围越窄。

目前,将HPSEC与多角度激光光散射检测器(Multi-angle Laser Light Scattering,MALLS)和示差折光检测器(Refractive Index Detection,RI)串联来表征果胶的绝对分子质量较为广泛。HPSEC-MALLS-RI联用技术的优点是通过MALLS和RI 两种检测器的数据直接测出样品图谱中每个点的绝对分子质量,无需进行任何色谱柱标定和标准品参考。这种方法特别适合于难以获得标准品的果胶大分子结构的测定。

4.6流变性质

果胶的流变特性是果胶应用过程中极为重要的问题。与其它植物胶相比,果胶溶液的黏度较低。果胶稀溶液的流动特性近似牛顿型流体,而高浓度(1%)的果胶溶液具有假塑性流体的一些现象和特性。

和其他的生物高聚物分散体一样,高浓度的果胶溶液中特性黏度和剪切速率的关系表现为3个阶段:1)在0剪切速率下表现为一牛顿流体的性质,黏度为一常数;2)当到达低剪切速率的某个点时,溶液开始呈现剪切稀化的现象,黏度以幂次方下降;3)在高剪切速率下,溶液的黏度达到一极限,并且为一无限剪切常数黏度。

出现这种现象的原因目前认为是剪切速率使果胶的构象发生变化,果胶分子的构象在不同剪切速率下发生重排。在第1阶段,剪切速率非常低,聚合物链的重排较少,黏度变化很小;在第2阶段,剪切速率的加快使得果胶分子构象加速重排,宏观表现为黏度以幂次方的速率下降;而在高剪切速率下的第3阶段,由于剪切速率太快,果胶分子构象来不及重排便使得黏度无限接近一常数[10]。

描述果胶这3阶段的流变模型有Cross模型和Carreau模型[61]。

Cross模型:

ηap=η∞+η0-η∞

1+(αcγ觶)m

(1)Carreau模型:

ηap=η∞+η0-η∞

[1+(λcγ觶)2]N

(2)两式中,ηap——

—溶液表观黏度(Pa·s);η0与η∞——

—分别为0剪切黏度和无穷剪切黏度(Pa·s);γ觶——

—剪切速率(s-1);αc与λc——

—时间常数,与聚合物的松弛时间有关(s);m和N——

—无量纲常数。

模型中,当η∞值很小时,Cross模型中的m和

Carreau模型中的N接近于(1-n)和1-n

2

(n为幂定律行为指数)。当剪切速率为γc时,时间常数

αc=1

γc

,而ηap=η0+η∞

2

,这个剪切速率点为假塑性流体从第1阶段转到第2阶段的转折点。对于一些以实际应用类的食品聚合物分散体,通常η∞数量级太低,难以用实验测定。为了避免结果估读的误差,常常将上述两式中的η∞去掉[10]。

影响果胶溶液黏度的因素很多,除了果胶的

6

第13卷第8期自身结构特性(M w 、DE 等)外,同时还受到外界条件,如所在溶液体系的状态(浓度、温度、pH 值、盐以及固形物含量等)和一些物理因素(搅拌、外加剪切等)的影响。而果胶溶液流变性的好坏直接决定产品品质的优劣及食品加工工艺的设计。

5果胶的功能与应用

果胶一直以来都是人类自然饮食的一部分,

是FAO/WHO 食品添加剂联合委员会推荐的安全无毒的天然食品添加剂,无每日添加量限制。果胶的功能很多,例如果胶作为一种天然的植物胶体,可作为一种胶凝剂、稳定剂、组织形成剂、乳化剂和增稠剂广泛应用于食品工业中;而果胶也是一种水溶性的膳食纤维,具有增强胃肠蠕动,促进营

养吸收的功能,对防治腹泻、肠癌、糖尿病、肥胖症等病症有较好的疗效,是一种优良的药物制剂基质;同时,果胶是一种良好的重金属吸附剂,这是因为果胶的分子链间能够与高价的金属离子形成“鸡蛋盒”似的网状结构,使得果胶具有良好的吸附重金属的功能;此外,果胶具有成膜的特性,持水性好以及抗辐射。随着近年来研究工作的深入,果胶的用途不断被开发出来,其发展潜力巨大,具有广阔的市场前景。

5.1果胶在食品工业中的应用

果胶作为一种食品添加剂或配料应用于食品

工业中,主要起到胶凝、增稠、改善质构、乳化和稳定的作用。表5列举了一些果胶应用在食品工业中的作用及用量。

用途作用

用量/%

果酱改善果酱细腻度,流动性好,易灌注,保持果酱原有的风味,适合各种风味果酱的生产0.2~0.3果冻改善质构,减少胶体的脱水收缩,增添香味,使口感柔和滑口

0.3~0.8冰淇淋乳化稳定,增加浆料黏度,并促进脂肪乳化,保持状液的均匀稳定,使冰淇淋口感细腻,滑爽

0.05~0.2糖果质构调节作用,发挥其极佳的风味;高度的透明性,不粘牙及低热量,是高级糖果的理想添加剂。

0.8~2

焙烤食品果胶通过与面筋中的麦醇溶蛋白相互作用,提高冷冻面团的持气性,增加体积,增强口感,延长面包的货架寿命

为面粉的1.5

饮料主要起到增稠和稳定的作用,同时给予制品纯正的口感0.05~5乳制品

增稠和稳定作用,并调节质构

0.05~5

表5

果胶在食品工业中的应用

Table 5The uses of pectin in food industry

5.2果胶在保健食品和药品中的应用

果胶是一种极具价值的水溶性膳食纤维。果

胶具有降血脂、降胆固醇、抗辐射、吸附重金属离子、润肠通便和抗癌等作用。目前,在国内药品和保健品中已有使用果胶的产品,如起润肠通便的胃药果胶秘,用来清除体内重金属铅的益多元等,但目前对果胶的用量尚不大。

与其他膳食纤维有所不同,果胶的结构特性使其具有良好的水溶性,且黏度大,能够吸附重金属等阳离子及毒素物质,促进肠胃蠕动,可被大肠中的肠道菌群发酵生成短链的脂肪酸,降低肠道

pH 值,杀死有害菌,并促进有益菌增殖。也有研究

表明果胶能够起到预防癌症的作用[10,19]。

5.3其它应用

此外,也有利用果胶良好的持水性和抗辐射

功能,将果胶应用于保鲜膜[62]、尿不湿、化妆品和牙膏上。不过,目前国内并没有添加果胶的日化产品。

6

果胶研究的新特点和趋势

6.1

果胶改性

近些年,随着人们对营养健康的关注以及在

果胶构效关系方面取得了一定的成绩,于是人们试图对果胶的一些结构进行人为的修饰,以得到

果胶研究与应用进展

7

中国食品学报2013年第8期

某些具有特殊功能的果胶产品,这类果胶称为修饰果胶或改性果胶(modified pectin,MP)[63]。果胶可通过化学、物理和生物,包括酶法来改性。目前对于果胶的改性已取得一些成绩,这方面的研究也将是今后发展的一个趋势。

果胶的改性多采用pH法。pH改性果胶是指把酸法提取的果胶进行碱处理(一般调pH至10),在相对温和的温度(50~60℃)下孵育一定的时间,大多研究采用60min,然后再调pH至酸性(一般调至3左右)[64]。其主要原理是基于在中性或碱性条件下,尤其是升高温度,果胶溶液会快速且大量降解,包括HG与RG主链糖苷键断裂,对主链上的半乳糖醛酸部分进行脱酯化,分解支链上的中性糖等。反应的机制主要是首先果胶分子在碱性条件下发生β-消除反应和去酯反应,使得HG主链断裂,生成一些聚半乳糖醛酸低聚物和RGI(如图5所示);然后在酸性条件下去掉一些支链的中性糖,尤其是阿拉伯糖残基,最后的MP将是富含半乳糖链和阿拉伯聚半乳糖链的RGI[65-66]。

果胶

低分子果胶4,5位不饱和半乳糖醛酸

图5果胶的β-消除反应

Fig.5Theβ-elimination reaction of pectin

此法简便、快速,目前应用的最为广泛。改性后的果胶相对分子质量和酯化度更低,具有良好的水溶性,并且能够更轻易地透过小肠绒毛进入人体血液,从而发挥作用。目前多以柑橘果胶为原料进行改性,也有以甘薯果胶、苹果果胶等进行改性。

此外,目前还有通过热处理和酶法来获得具有特殊功能的果胶产品。热改性指将一定浓度的果胶在100~121℃,一定压力下作用30min得到。相对于pH改性,热改性具有操作简单易行,且无任何毒副作用的优点。La Jolla Pharmaceutical公司生产的GCS-100就是采用热改性法制备的。而酶法改性通常采用果胶裂解酶,其反应机制与pH 改性法类似,得到的产品质量最好,也是最具前景的改性方法。EcoNugenics公司的Pectasol-c R-MCP就是采用此法制备的。6.2免疫刺激

近年来的研究表明,果胶具有一定的免疫刺激作用。Salman H等研究发现柑橘果胶能够通过免疫调节使外周血单核细胞分泌细胞因子[67]。Matsumoto T等从柴胡根中提取得到一种果胶类的多糖,发现其RGI片段(阿拉伯聚糖)能够刺激小鼠肠道上皮细胞分泌粒细胞集落刺激因子[68]。Inngjerdingen M等报道RGI片段(阿拉伯半乳聚糖)能够激活巨噬细胞和树突状细胞[69]。Cheppail 等以EcoNugenics公司的Pectasol-c R-MCP为原料,研究了MCP对人体血淋巴细胞(T-辅助细胞、细胞毒T细胞以及NK细胞)的刺激作用,结果表明MCP在体外的人体血淋巴细胞样本中具有免疫刺激性[70]。

6.3其它

对于果胶的性状改良,硫酸酯化,细胞传递等

8

第13卷第8期

方面也有部分学者进行了相关的研究。In Young Bae等首次报道将果胶硫酸酯化,通过对比硫酸酯化前、后的性状发现,硫酸化后的果胶(取代度0.15)的黏度明显下降,能够增强对蜡样芽孢杆菌和费氏弧菌的抗菌性,同时具有良好的抗凝活性[71]。Xiaoyun Lua和F.V.Vityazev等也证实硫酸化后的果胶具有抗凝活性[72-73]。Fabiola Munarin 等通过高碘酸钠氧化和与RGD寡肽合成分别制备得到部分氧化的果胶和RGD果胶,并研究了其在细胞传递间的作用,结果发现部分氧化的果胶以及RGD果胶在调节果胶微球降解和细胞相容性方面具有非常显著的效果:RGD果胶微球具有高度的细胞相容性,而氧化果胶微球能够加速果胶溶解,这意味着它们能够更快地和体内释放的细胞谛合[74]。

7果胶的新应用

随着人们对营养健康食品的追求,食品行业中各种低酯果胶、酰胺化果胶以及脂肪替代品果胶将是今后发展的一个趋势;而在保健食品及医药行业中,通过改性得到某些具有特殊功能的果胶产品,将是未来研究的一个的重点。例如通过果胶pH改性,使得原本只能在消化道中发挥作用的果胶进入人体血液,可达到人体任何一个部位。这拓宽了果胶的应用范围,使得这一商业化生产近百年的产品得以焕发生机。此外,改性柑橘果胶的抗癌机理也给研究抗癌药物的科学家们提供了一个新的思路。

7.1抗癌

手术与放、化疗结合的综合治疗,是目前癌症治疗的标准模式。传统化疗药物的缺点在于缺乏对正常细胞与癌症细胞的选择性,药物不良反应限制了其治疗强度和频率,且存在耐药问题,故使大多数患者的治疗难以为继[75]。与之相比,MCP作为一种从天然植物中提取到的酸性多糖,是被报道的能够抑制肿瘤细胞生长、侵袭和转移的多糖候选药物之一,对人体无任何毒副作用,是一种理想的抗癌药物[76]。

7.1.1pH改性果胶的抗癌作用大量研究表明pH改性果胶具有良好的抑制癌细胞转移、聚集及增殖,促进癌细胞凋亡的作用。

Platt和Raz等[77]给小鼠注射癌细胞后发现,分子质量相对较大的商业果胶增加了同型癌细胞间的聚集以及癌细胞向肺部的转移,而经pH改性的分子相对较小的果胶能够抑制癌细胞向肺部转移。Pienta等[78]研究表明口服pH改性的柑橘果胶,能显著减低大鼠前列腺癌细胞MAT-LyLu的肺转移。Chauhan等[79]研究发现改性的柑橘果胶GCS-100诱导骨髓瘤细胞中DNA的破坏,激活半胱天冬酶-8、半胱天冬酶-3和聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP),诱导对常规疗法和硼替佐米有抵抗作用的人多发性骨髓瘤细胞的凋亡,但GCS-100不会影响正常淋巴细胞的生存活力。GCS-100是通过线粒体途径引发凋亡的,GCS-100也可抑制从患者体内提纯到的多发性骨髓瘤细胞的凋亡。高林等[80]比较了用低酯和高酯果胶分别制备得到MCP-1和MCP-2,并进行体内及体外抗肿瘤研究,体外研究结果发现MCP-1对人脑胶质瘤TJ-905、人宫颈癌HLea两种细胞系无显著抑制作用;体内试验表明MCP-1对肿瘤细胞的抑制作用具有选择性,MCP-2对宫颈癌U14细胞无抑瘤作用,推测可能原因是MCP中的DE不同。刘海鹰和黄志良等[81-82]研究表明Gal-3在结肠癌肝转移中呈高水平表达,MCP能明显抑制结肠癌肝转移。

7.1.2热改性果胶的抗癌作用Jackson等[83]在2007年研究发现商业化分级果胶FPP能够强烈促进雄性激素敏感型(LNCaP)和雄性激素非敏感型(LNCaPC4-2)人前列腺癌细胞的凋亡。通过对PectaSol的市售MCP、CP及果胶片段(FPP)的研究对比,发现PectaSol-MCP与CP不具备凋亡诱导作用,这可能是碱处理后,HG含量过高或酯化度过低所致。而采用热处理的柑橘果胶对前列腺癌细胞的凋亡效果与FPP相似,并且加热时间对其诱导凋亡活性差异不显著。陆胜民等[84]以商业化果胶为原料,利用热改性的方法(121℃,30min)制得MCP的M w﹤10000,半乳糖醛酸含量为78%,酯化度为38%。体外实验表明采用该法制备的MCP对人前列腺癌PC3细胞有很强的抑制作用,相对于天然的柑橘果胶,其抗前列腺癌细胞活性显著增强。目前对采用加热方法进行果胶改性的研究还较少,除了热改性果胶能够诱导人前列

果胶研究与应用进展9

中国食品学报2013年第8期

腺癌细胞的凋亡和具有抗癌活性外,还没有对其它癌细胞的研究结果。

7.1.3MCP的抗癌机理目前对于MCP抗癌的作用机理还不完全清楚,一般认为果胶作为体内半乳糖凝集素-3(Galectin-3,Gal-3)配体的竞争性抑制剂,封闭癌症细胞表面的Gal-3位点,阻止癌症细胞的形成与发展[85-86]。其作用位点Gal-3广泛分布于正常细胞及癌症细胞,参与调节细胞生长与分化,能直接介导血液中的癌症细胞间聚集、癌症细胞与基质间的识别和黏附,Gal-3表达的增加与癌症的生长、转移呈正相关,并可作为某些癌症良、恶性病变的诊断标志[87]。目前的研究表明,在许多患有不同癌症的病人中发现大量的游离Gal-3,由此通过多种机制引发了癌细胞的转移。高水平的Gal-3会引发一些炎症、纤维变性、慢性心脏病和癌症等疾病,因此,在很多条件下,Gal-3可作为一个新的治疗目标来治疗一些疾病[88]。Jackson等在研究热改性果胶的抗癌机理时发现LNCaP细胞不表达Gal-3,这意味着热改性果胶诱导的前列腺癌细胞凋亡与Gal-3无关;通过采用碱处理热改性果胶后发现热改性果胶对前列腺癌细胞的诱导凋亡活性显著降低,由此推测热改性果胶中的碱敏感结构对诱导前列腺癌细胞凋亡是必需的[83]。

7.2重金属吸附剂

一些重金属(如汞、铅、砷等)的富集会导致一些慢性疾病(如动脉硬化和高血压等)的发生,同时会扰乱人体正常的内分泌和免疫系统等。目前临床上采用的一些特殊的化工合成的螯合剂虽然能够有效清除人体中的重金属,但同样会引发诸多的副作用[89-90]。改性果胶是一种天然无毒副作用的重金属螯合剂,其有效解决了因果胶分子质量大而只能在肠道内发挥其清除重金属的作用的问题。改性后的果胶由于小分子质量小,所以能够轻易地被小肠绒毛吸收,进入血管,从而清除血液中的重金属。有部分文献报道改性后的果胶吸附重金属的能力增强。Wong W.W等[91]比较了榴莲壳果胶(DRP)、改性榴莲壳果胶(mDRP)、CP及MCP 吸附各种重金属的顺序及能力,结果显示各类型果胶吸附重金属的顺序:Cu(II)>Pb(II)>Ni(II)> Zn>Cd(II);吸附能力:MCP>mDRP>CP>DRP。Wai,Wong Weng等[92]发现4种果胶样品的酯化度顺序:MCP mDRP,CP>DRP,推测这可能与果胶中的酯化度有关。

此外,也有利用果胶能够吸附高价金属离子的特性,将其应用在水处理行业中,开发以改性果胶为基质的绿色阻垢剂阻垢硫酸钙[93]。

8小结

果胶功能性质多样,可作为天然胶体和可溶性膳食纤维而广泛应用于食品及医药保健品行业中,具有不可替代的功能特性。近年来因通过合成和改性果胶在抗癌、免疫、材料行业等方面取得一系列成绩而受到人们的关注。为了迎合消费者对功能成分的需求,通过人为“设计”具有某些特定功能而又不失其自然属性的果胶产品,将是未来果胶发展的一个主旋律。通过深入研究果胶的构效关系,明确其功能因子及作用机理,从而更好地利用果胶,为人类的营养健康服务。

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A Review about the Research and Applications of Pectin

Xie Mingyong *Li Jing

Nie Shaoping

(State Key Laboratory of Food Science and Technology ,Nanchang University ,Nanchang 330047)

Abstract Pectin is a nature plant polysaccharide ,has complex structure and multifunction.As a nature high value

food additive and health care product ,pectin is widely used in food ,medicine ,health products and cosmetics.Recent -ly ,as people focus on nutrition and health as well as great progress has been made in elucidating structure/function re -lationships of pectin at a molecular level ,this is leading to a number of researches ,especially ,the structure/function relationships of pectin ,being carried out.This review looks to the pectin ’s structure ,raw materials ,preparation technol -ogy ,physico-chemical properties and function applications ,and also highlights the latest research into the trends and characteristics of pectin.Aims to providing some valuable information for the research and application of pectin in China.Key words

pectin ;structure ;raw materials ;physico-chemical properties ;function application

面粉中过氧化苯甲酰快速测定方法问世

近日,邢台市质检所完成了“面粉中过氧化苯甲酰的快速简易测定方法”。将过氧化苯甲酰添加于面粉中,有增白的效果,但对人体会产生很大的危害。过氧化苯甲酰的检测方法一般为液相色谱法、气相色谱法、分光光度法等方法。因这些方法操作繁琐,检测时间长,使用仪器昂贵,对操作人员要求高等原因而难以在生产现场进行监测。由邢台市质检所研究的“面粉中过氧化苯甲酰的快速测定方法”,解决了乙醇作提取剂干扰显色的难题。他们利用过氧化苯甲酰的氧化-还原性质,通过目视比色法对面粉中的过氧化苯甲酰进行定性和半定量测定,检测快速,只需10分钟便可出具检测结果,并且检测成本低。

(消息来源:中国食品报)

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