“果汁中的果膠和果膠酶”教學中的問題討論

李士杏

摘 要 針對“果汁中的果膠和果膠酶”教學中常見的一些問題進行了歸納，對果膠和果膠酶的相關背景知識進行了適度的補充和拓展，對于實驗過程出現(xiàn)的問題進行了分析討論，并給出了對實驗進行改進的一些建議。

關鍵詞 果膠 果膠酶 實驗教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

“果汁中的果膠和果膠酶”是浙科版高中生物學選修1《生物技術實踐》模塊中的實驗。教材中雖然簡單地介紹了果膠和果膠酶的背景知識，但是在解題時，學生如果遇到更深入的問題，比如膠的化學本質、組成成分、理化性質、來源等問題以及果膠酶和果膠甲酯酶的關系等問題，學生就顯得比較茫然。該實驗操作看似簡單，其實影響因素較多，因此學生常反映實驗現(xiàn)象不夠明顯，重現(xiàn)性差。筆者下面補充了一些關于果膠和果膠酶的相關知識，討論了實驗過程中的常見問題，并給出了實驗改進的一些建議，為該實驗的教學提供參考。

1 果膠的化學本質和分子結構

果膠是一種天然的植物多糖，相對分子量介于50～300 kD之間。果膠分子不僅僅是由半乳糖醛酸以α-1，4糖苷鍵聚合而成的多糖鏈，其實還含有鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、海藻糖和芹菜糖等組成的側鏈以及少量的單糖，其中半乳糖醛酸中的C6可被甲酯化或酰胺化。果膠分子的結構非常復雜，且隨著植物的種類、組織部位、生長條件等的不同而不同。大致可分為同型半乳糖醛酸聚糖（HGA）、鼠李半乳糖醛酸聚糖-Ⅱ（RG-Ⅱ）、木糖半乳糖醛酸聚糖（XG）和鼠李半乳糖醛酸聚糖-Ⅰ（RG-Ⅰ）四個結構區(qū)域（圖1）。

2 果膠的水溶性及提取和純化果膠的方法

果膠的溶解性由果膠的聚合度及甲氧基的含量和分布決定。一般來說，果膠的相對分子量越小，酯化度越高，其溶解性越好。果膠顆粒溶解時是先溶脹再溶解。

果膠在植物細胞壁中的含量最高，主要存在于初生細胞壁和中間片層。山楂中果膠含量高于其他水果，約為6.4%。但實際生產中考慮到原料的成本較高，常從柑橘皮和蘋果皮渣中提取果膠。有研究表明柚子皮、向日葵盤以及臍橙皮中果膠含量也很高。

果膠的提取過程是一個將不溶性果膠轉化為可溶性果膠，可溶性果膠向液相轉移過程。果膠的提取方法有多種，應用最廣泛的傳統(tǒng)的方法是用稀酸進行提取。純化果膠的方法也有多種，普遍使用的是醇沉法，利用了果膠不溶于乙醇的特點。

3 果膠酶和果膠甲酯酶的區(qū)別

果膠酶是指能分解果膠物質的多種酶的總稱。果膠酶大致可分為果膠水解酶、果膠裂解酶（PL）、果膠酯酶（PE）和原果膠酶等。果膠水解酶又有多種，如聚半乳糖醛酸酶（PG）、聚半乳糖醛酸甲酯水解酶（PMG）、聚鼠李半乳糖醛酸酶（RHG）等。由于人們對PG的認識最早，早先常被稱為果膠酶。所以，果膠酶是一類酶的統(tǒng)稱還是特指半乳糖醛酸酶（PG）還需根據(jù)上下文進行理解。

聚半乳糖醛酸酶（PG）可以水解切斷果膠分子的α-1，4糖苷鍵，但對于酯化程度較高的果膠來說水解速度較低。果膠甲酯酶（PME）的作用位點是果膠分子的還原性末端或鄰近的游離羧基，能水解果膠中甲氧基與半乳糖醛酸之間的酯鍵，形成甲醇和果膠酸。再經(jīng)過PG作用可形成半乳糖醛酸（圖2）。在果實軟化過程中，PME的作用是PG發(fā)揮作用的必要前提。

4 獲取果膠酶的方法

除了曲霉和青霉外，還有一些毛霉、根霉等也能產生果膠酶。由于黑曲霉屬于公認的代謝產物安全的菌種，所以市售的食品級果膠酶主要來源于黑曲霉。一些細菌，如浸麻芽孢桿菌、節(jié)桿菌、假單胞桿菌也都能生產果膠酶。某些放線菌和酵母菌也可以產生果膠酶。研究者們常通過物理和化學誘變方式選育出高產優(yōu)質的果膠酶菌株。

如果微生物所產的果膠酶是胞外酶，通過過濾、離心獲得的培養(yǎng)基上清液即是粗酶液。如果產生的果膠酶是胞內酶，則需要通過超聲波、酶解以及研磨破碎等方法使酶釋放出來。制得的粗酶液先經(jīng)過硫酸銨鹽析和有機溶劑沉淀進行初步分離，再通過層析法進行提純。

5 在“果汁中的果膠和果膠酶”實驗中難以觀察到明顯的果汁澄清現(xiàn)象的原因

在課堂教學中，很多學生反映此實驗的結果與預期不符。比如發(fā)現(xiàn)未添加果膠酶的試管中澄清現(xiàn)象比添加了果膠酶的試管更明顯，或者觀察不到明顯的果汁澄清現(xiàn)象，有時還會在試管上部發(fā)現(xiàn)一些懸浮物。這些問題的產生可能是由以下原因導致的。

蘋果勻漿為果汁和果泥的不均勻混合物，在分裝到試管中時難以保證各試管中反應物的一致性，由此影響試管中果汁澄清的實驗結果觀察。如果采用紗布或者濾紙將蘋果勻漿進行過濾，得到均一的果汁濾液，分裝時才能大大減少誤差，實驗結果才能可靠。

果膠酶使果汁澄清分層的時間是比較長的，往往要幾十分鐘甚至幾個小時才有明顯的現(xiàn)象。學生實驗的時間有限，可以采用不斷攪拌的方法促進酶和底物的接觸，也可以采取提高反應溫度的方法加快反應速率。比如將試管放在45～50℃的水浴鍋中10～20 min，就能有明顯的結果出現(xiàn)。

沉淀物在試管上部懸浮的現(xiàn)象可能是由于機械榨汁過程中果汁中混入大量氣泡導致的。用研磨過濾器制取的果汁進行上述實驗可以有效避免這個顯現(xiàn)，使果汁澄清更加明顯。

6 “果汁中的果膠和果膠酶”實驗中將試管沸水浴加熱的作用

很多學生把這一步驟誤以為是驗證酶在高溫下失活，催化作用喪失。其實在沸水浴之前，果膠酶和果汁已經(jīng)混合，酶促反應已經(jīng)發(fā)生，果膠已經(jīng)分解。此處的加熱步驟不是用來證明高溫會破壞酶活性，而是一種果汁生產中常用的熱凝澄清工藝。果汁溫度上升到55℃以上時，某些酶蛋白發(fā)生變性失活，導致果汁中的可溶性固形物含量增加，從而達到澄清的效果。

7 使用乙醇檢驗果汁中果膠的分解程度的方法

由于果膠不溶于乙醇，因此在果汁中加入乙醇如果觀察到絮狀物現(xiàn)象這說明果汁中仍有果膠，絮狀物的形成速度和數(shù)量可反映果膠的含量。但是當試管中的果汁澄清效果不佳時，果膠沉淀絮狀物的觀察就受到影響。此時，可以吸取少量果汁上清液到點樣板中，加入體積分數(shù)95%的乙醇，就可看到明顯的絮狀沉淀產生。另外，也有文獻提到采用96%乙醇與1%濃鹽酸的按比例為99∶1配制成乙醇溶液，取一份果汁加兩份乙醇，也能觀察到明顯的絮狀物。

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