果膠結(jié)構(gòu)、提取方法及乳化特性研究進展

楊金姝,木泰華,馬夢梅

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點實驗室,北京 100193)

果膠是一種復(fù)雜的大分子多糖物質(zhì),廣泛存在于植物的初生細胞壁和胞間層[1],常作為增稠劑、凝膠劑和乳化劑應(yīng)用于食品加工業(yè)中。此外,果膠熱量低、吸水性好,具有增強飽腹感、促進腸道蠕動、調(diào)節(jié)血脂血壓、防癌抗癌等作用,因此也作為功能性成分應(yīng)用于保健品和醫(yī)藥領(lǐng)域[2]。食品中的一些乳液由于原料中包含柑橘汁、蔬菜汁、醋或者有機酸抑菌劑而成為酸性乳液[3],而為提高一些疏水性功能成分在胃中的穩(wěn)定性,其乳液包埋系統(tǒng)也需要在酸性條件下穩(wěn)定的乳化劑。已有研究表明,傳統(tǒng)蛋白質(zhì)乳化劑的乳化特性會受到pH和溫度等因素的制約,而果膠作為一種酸性多糖可以在酸性條件下穩(wěn)定蛋白質(zhì),并可以穩(wěn)定酸性乳化液及乳液包埋系統(tǒng)。此外,與乳化劑阿拉伯膠相比,果膠的使用量更少[4],因此,果膠作為新型的乳化劑應(yīng)用于食品加工中的前景十分廣闊。然而,商業(yè)柑橘果膠和蘋果果膠由于直鏈區(qū)長、酯化度高、蛋白質(zhì)、乙酰基等疏水性基團含量低,因此乳化特性較差,多作為凝膠劑。針對上述現(xiàn)狀,本文對果膠的結(jié)構(gòu)、提取方法及乳化特性進行綜述,以期為果膠的研究、開發(fā)作為乳化劑應(yīng)用于食品工業(yè)提供理論參考。

1 果膠結(jié)構(gòu)

果膠是由α-1,4糖苷鍵連接半乳糖醛酸組成的復(fù)雜多糖物質(zhì),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)組成[5]。

HGA是由半乳糖醛酸以α-1,4糖苷鍵連接的線性糖鏈,是果膠主要的結(jié)構(gòu)域。半乳糖醛酸C-6位的羧基可被甲酯化,同時半乳糖醛酸O-2和O-3位也可被乙酰化,例如,甜菜塊根和馬鈴薯塊莖中果膠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區(qū)域(XGA),此區(qū)域廣泛存在于蘋果果膠、梨果膠及胡蘿卜果膠中[7-9]。HGA和XGA的結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 半乳糖醛酸聚糖結(jié)構(gòu)(a)[10]及木糖半乳糖醛酸聚糖區(qū)(b)示意圖[8]Fig.1 The schematic diagram of the HGA domain(a)[10] and XGA domain structure(b)[8]

RG-I是由100個重復(fù)的二糖單位[→4)-α-D-半乳糖醛酸-(1→2)-α-L-鼠李糖-(1→]組成的分支區(qū)。其主鏈上半乳糖醛酸基團的C-2和/或C-3位可能被乙酰化,主鏈上20%～80%鼠李糖殘基的O-4位可以被中性糖側(cè)鏈取代[10-12]。這些中性糖側(cè)鏈主要包括阿拉伯聚糖鏈、半乳聚糖鏈和阿拉伯半乳聚糖鏈(圖2)。

RG-II以硼酸鹽連接形成的二聚物形式存在,其主鏈由α-1,4糖苷鍵連接7個α-D-半乳糖醛酸而成,主鏈上的半乳糖醛酸可被甲氧化。側(cè)鏈(標(biāo)記為A～D)主要有二糖(C、D支鏈)和八糖(A、B支鏈)兩種結(jié)構(gòu),由阿拉伯糖、半乳糖、木糖、芹菜糖、巖藻糖等組成。A、B連接于半乳糖醛酸的C-2位置,C、D連接在半乳糖醛酸的C-3位置(圖3)[13]。

圖3 鼠李半乳糖醛酸聚糖II區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖[10]Fig.3 The schematic diagram of the RG-II domain structure[10]

HGA、RG-I和RG-II的相對比例與果膠來源有關(guān)。商業(yè)柑橘果膠和蘋果果膠的HGA和RG-I的比例分別約為65%和20%～35%[14]。而馬鈴薯果膠的RG-I區(qū)比例約為75%,HGA區(qū)含量僅為20%左右,且支鏈主要為半乳聚糖鏈[15]。同時,馬鈴薯果膠的乙酰化度(DA,14%)顯著高于柑橘果膠和蘋果果膠的乙酰化度(DA,2%和4%)[16]。馬鈴薯果膠高含量的RG-I區(qū)和中性糖側(cè)鏈,使其具有良好的益生元特性,可有效促進腸道有益微生物的生長[17]。

2 果膠的提取方法

目前用于提取果膠的方法主要有酸法、超聲波輔助法、微波輔助法、堿法、酶法、鹽提法和離子交換法等。隨著“綠色化學(xué)”概念逐步興起,一些新型的提取方法如超聲波/微波協(xié)同萃取法、超臨界二氧化碳萃取法、電磁感應(yīng)加熱法及高壓脈沖電場法也逐漸應(yīng)用于果膠提取中。但是,提取方法不同,果膠的得率、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也不盡相同。下面將對果膠不同的提取方法進行介紹。

2.1 酸提取法

酸法是工業(yè)中使用最廣泛的果膠生產(chǎn)方法。該方法利用無機酸(鹽酸、硫酸和硝酸)或有機酸溶液(檸檬酸、酒石酸和乙酸)對果蔬原料進行加熱提取,使組織中不溶性原果膠轉(zhuǎn)化為可溶性果膠。國內(nèi)外已有很多關(guān)于無機酸及有機酸法提取果膠工藝參數(shù)優(yōu)化及比較不同酸提取劑對果膠結(jié)構(gòu)和物化特性影響的研究。

Vriesmann等[18]利用硝酸從可可豆莢皮中提取果膠,在pH1.5、提取溫度100 ℃、提取時間30 min的最適條件下,果膠得率為9.0%,糖醛酸含量為66.0%,乙酰化度和酯化度分別為17.1%和56.6%,且主要由半乳糖醛酸聚糖構(gòu)成。宋賢良等[19]采用鹽酸與乙醇沉淀法從菠蘿蜜皮中提取果膠,果膠得率為13.8%,并且是一種含乙酰基的高酯果膠。Girma等[20]利用硫酸提取芒果和香蕉果膠,在溫度82 ℃、時間105 min、pH2.0的條件下,果膠得率分別為18.50%和11.31%,果膠半乳糖醛酸含量(53.60%～70.65%)及酯化度(64.50%～72.17%)較高,且灰分含量很低(0.47%～0.915%),該結(jié)果表明芒果果膠和香蕉果膠可能作為凝膠劑應(yīng)用于食品生產(chǎn)中。雖然無機酸的成本低,但酸性較大,腐蝕性強,可破壞果膠的中性糖側(cè)鏈、腐蝕提取容器內(nèi)壁,且產(chǎn)生的廢酸液會污染環(huán)境。為減輕上述問題,近年來,較多研究開始利用溫和的有機酸,如檸檬酸提取果膠,并比較不同種類酸提取劑對果膠結(jié)構(gòu)的影響。Jafari等[21]利用檸檬酸提取胡蘿卜果膠,在pH1.3、溫度90 ℃、時間79.8 min和液料比23.3(v/w)時,最高得率為15.6%,半乳糖醛酸含量為75.5%,遠高于商業(yè)果膠規(guī)定的半乳糖醛酸含量(65%);胡蘿卜果膠的乳化活性(60.3%)高于商業(yè)甜菜果膠的乳化活性(43%～47%),且乳化穩(wěn)定性高(74.7%～80.4%)。利用檸檬酸提取芒果果膠,果膠得率較高(29.48%),且具有良好的乳化活性(35%)和乳化穩(wěn)定性(49.3%～77.2%)[22]。Chan等[23]比較檸檬酸和鹽酸對可可皮果膠的提取效果，在pH2.5、提取溫度95 ℃、提取時間3 h時，檸檬酸法的得率為7.62%，高于鹽酸法的得率(6.01%)，且檸檬酸法制備果膠的甲酯化度(DM，37.76%)和乙酰化度(DA，1.7%)均高于鹽酸所得果膠的甲酯化度(21.29%)和乙酰化度(1.25%)，這可能是由于檸檬酸具有螯合劑的性質(zhì)，可螯合金屬離子，使更多果膠分子得以釋放，從而提高得率，而普通無機酸無螯合劑性質(zhì)。同時檸檬酸的水解能力弱，因此對果膠結(jié)構(gòu)破壞程度小[24]。Seixas等[25]比較了酒石酸、乙酸和硝酸對西番蓮果膠的提取效果。酒石酸所得果膠得率高,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膠的分子量、半乳糖醛酸含量及酯化度較高。酒石酸對果膠結(jié)構(gòu)破壞作用明顯,乙酸法與硝酸法得率相近,對果膠結(jié)構(gòu)破壞較少。因此,乙酸有望代替硝酸提取西番蓮果膠。

可以看出，有機酸法，如檸檬酸法也可實現(xiàn)較高的果膠得率，同時作用條件溫和，產(chǎn)生的環(huán)境污染少。因此，今后,有機酸可能會逐漸替代無機酸對果膠進行提取。

2.2 超聲波輔助提取法

超聲波輔助提取法利用聲波增加果蔬組織細胞內(nèi)部的能量,加速細胞壁破裂,使果膠成分快速溶出,該法一般與其他提取方法協(xié)同使用,是一種“綠色提取技術(shù)”。

Wang等[26]分別利用傳統(tǒng)檸檬酸提取法和超聲波輔助法提取芒果果膠,超聲波功率500 W、pH2.5、溫度80 ℃、提取時間15 min時,芒果果膠得率與傳統(tǒng)加熱2 h得率相近,為17%。同時,半乳糖醛酸(53.35%)、酯化度(86.83%)及乳化特性與傳統(tǒng)方法所得果膠性質(zhì)相似,但總糖(76.98%)和蛋白質(zhì)(5.94%)含量更高。采用超聲波輔助酸法和普通酸法提取葡萄柚果膠時,超聲波輔助酸法在66.7 ℃提取28 min后,果膠的得率達到27.34%,顯著高于普通酸法在80 ℃下提取90 min的得率(23.50%),兩種方法所得果膠的紅外圖譜無明顯差異,但由于超聲波提取的溫度更低且時間更短,其果膠結(jié)構(gòu)具有更高的分支度[27]。楊希娟等[28]采用超聲波輔助鹽酸法從馬鈴薯渣中提取果膠,超聲功率300 W、提取溫度80 ℃、提取時間47.6 min、pH1.8、料液比1∶21 (g/mL)時,果膠得率為15.76%,純度為70.27%;與普通酸法相比,超聲波輔助法顯著將提取時間由100 min縮短至47.6 min。

與傳統(tǒng)提取方法相比,超聲波處理可降低提取溫度、縮短提取時間,對果膠的中性糖側(cè)鏈結(jié)構(gòu)破壞程度小,果膠得率高。

2.3 微波輔助提取法

微波輔助提取是一項新型技術(shù),廣泛用于功能性物質(zhì)的提取。微波提取過程中使用的是頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波,對物質(zhì)的加熱方式為內(nèi)加熱,無需傳導(dǎo),物質(zhì)快速均勻受熱,從而促進果膠物質(zhì)溶出[29]。

萬建華[30]分別采用鹽酸法和微波輔助鹽酸法提取馬鈴薯果膠,結(jié)果表明微波輔助酸法提取果膠所用時間(6 min)顯著短于酸法所用時間(60 min),但兩種方法的果膠得率相近,分別為17.7%和17.9%,且半乳糖醛酸含量均高于65%。Maran等[31]研究顯示,微波功率為477 W、微波時間128 s、pH1.52、固液比1∶20.3 g/mL條件下,西瓜果膠的得率達最高,為25.79%。利用掃描電鏡觀察微波處理前后的果皮表觀結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)微波可增加果皮表面空隙結(jié)構(gòu)的數(shù)目。上述結(jié)果說明微波條件下細胞壁更易破裂,這也可能是微波可使果膠在極短時間內(nèi)從細胞結(jié)構(gòu)中溶出的主要原因[25]。

微波提取法一般與酸法或堿法協(xié)同使用,大幅縮短果膠提取所需時間,并提高果膠得率。但由于其溫度上升速度快,液體易發(fā)生暴沸現(xiàn)象。為避免微波泄露導(dǎo)致的安全隱患,工業(yè)生產(chǎn)需密閉性高的裝置,因此大型設(shè)備制造困難,限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2.4 堿提取法

低酯果膠在形成凝膠時不受體系pH和可溶性固形物含量的影響,可廣泛用于低糖凝膠食品生產(chǎn)中。通常利用堿法水解天然高酯果膠中的甲酯基,降低其酯化度,從而生產(chǎn)低酯果膠[32]。堿法提取也可水解果膠結(jié)構(gòu)中的直鏈區(qū),更有效地保留果膠分支結(jié)構(gòu)中的中性糖側(cè)鏈,因此,堿法提取可用于生產(chǎn)低酯果膠和提取果膠結(jié)構(gòu)中富含中性糖側(cè)鏈的RG-I區(qū)[33]。

利用堿法對高酯蘋果果膠進行降酯處理,在處理溫度為15 ℃、處理時間30.64 min、pH為10.14時,果膠降酯效果最好,酯化度降低至38.26%[32]。對于分支區(qū)豐富的果膠,一般采用堿法水解得到果膠的分支區(qū)。利用NaOH和KOH在60 ℃加熱24 h提取馬鈴薯RG-I區(qū),堿液濃度從0.5 mol/L增加到2 mol/L,RG-I的得率增加了23%。NMR結(jié)果表明提取所得的馬鈴薯RG-I區(qū)中富含半乳聚糖側(cè)鏈,但在劇烈的堿液條件下,馬鈴薯果膠中大量阿拉伯聚糖側(cè)鏈會發(fā)生水解[34]。而Dourado等[35]以杏仁種皮為原料,利用4 mol/L KOH和硼酸溶液提取果膠,經(jīng)過甲基化反應(yīng)確定所得果膠中富含阿拉伯聚糖側(cè)鏈。這說明果膠的結(jié)構(gòu)不僅受到提取工藝參數(shù)的影響,也與植物原料來源有關(guān)。

2.5 酶提取法

在植物細胞中,果膠與纖維素、半纖維素和蛋白質(zhì)等物質(zhì)緊密相連。纖維素酶、半纖維素酶和蛋白酶可以水解細胞壁中的纖維素、半纖維素及蛋白質(zhì),破壞細胞壁結(jié)構(gòu),從而加快果膠的釋放、提高果膠得率。

木聚糖內(nèi)切酶在pH5.0、40 ℃和10 h條件下提取蘋果果膠,得率為19.8%,高于硫酸法(85 ℃、pH2.0和3 h)所得果膠得率(14%),且酶法所得果膠分子量(899 kDa)、中性糖(29.8%)、蛋白質(zhì)(4.38%)和酚類(1.34%)含量均高于酸法所得果膠[36]。Shkodina等[37]分別利用酸法和酶法提取南瓜果膠,鹽酸法在65 ℃提取2 h,三種酶法(纖維素酶、半纖維素酶和糖苷酶)在30 ℃下振蕩提取20 h,結(jié)果表明,三種酶法制備果膠得率均高于鹽酸法,其中纖維素酶法提取果膠得率最高(22%);與酸法所得果膠相比,酶法所得果膠的中性糖含量(55.8%～70.3%)更高。這可能是因為酶法作用溫和,有效地保留了分支區(qū)中的中性糖側(cè)鏈。

酶提取法反應(yīng)條件溫和,提取溫度低,對果膠結(jié)構(gòu)破壞較小,不產(chǎn)生廢酸液和廢堿液,是一種綠色的果膠提取技術(shù)。但酶法提取果膠時間較長,極大地降低了工業(yè)生產(chǎn)效率,且酶制劑價格較高,也限制了酶提取法在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2.6 鹽提取法

細胞壁中部分果膠的羧基會通過金屬離子以架橋相連,鹽提取法是利用具有較強金屬置換能力的鹽類來螯合果膠中的金屬離子,加速果膠釋放。

Koubala等[38]利用鹽酸法、水法和草酸銨法對芒果果膠進行提取,結(jié)果表明,草酸銨法得率較高,為116～185 mg/g,具有較高的分子量及黏度。對于甘薯果膠這種低甲氧基果膠來說,果膠分子間常以金屬離子結(jié)合,果膠不易被提取出來,因此Zhang等[39]利用磷酸氫二鈉溶液螯合金屬離子以提取甘薯果膠,粗果膠的半乳糖醛酸含量為58%,得率為10.24%,灰分含量高達10.5%，但其凝膠強度(115.6 g (w/w))顯著高于商業(yè)柑橘果膠的凝膠強度(86 g,w/w)。該結(jié)果說明鹽提取法所得果膠灰分含量高,需進一步純化以達到工業(yè)生產(chǎn)要求。

2.7 離子交換樹脂提取法

離子交換樹脂法提取果膠是將預(yù)處理后的陽離子交換樹脂、原料和水混合后,調(diào)節(jié)溶液pH,在一定溫度下提取一定時間后,經(jīng)過濾,得果膠浸提液。陽離子樹脂含有的H+可交換果膠中的鈣離子、鎂離子等陽離子,解除陽離子對果膠的束縛,加速果膠溶解,從而提高果膠得率。利用離子交換法提取香蕉和杏仁果膠,離子交換樹脂用量5%～7%、pH2～2.5、提取溫度85 ℃、提取時間2.0 h、料液比1∶20 g/mL,果膠得率分別為19.54%和4.85%,均高于普通酸法[40-41]。

離子交換樹脂法可以提高果膠得率,但是陽離子交換樹脂的預(yù)處理過程較為繁瑣,這也在一定程度上限制了該方法的廣泛應(yīng)用。

2.8 其他提取方法

超聲波/微波協(xié)同萃取法可將超聲波和微波效應(yīng)的優(yōu)勢有機結(jié)合,加速果膠物質(zhì)溶出。與傳統(tǒng)酸法相比,該法所得的甜菜果膠得率(26.16%)、分子量、乙酰化程度、乳化活性指數(shù)(EAI,170～210 g/m2)及乳化穩(wěn)定性指數(shù)(ESI,60～300 min)均高于傳統(tǒng)酸法所得果膠[42]。利用超聲波前處理葡萄柚皮后再進行微波提取,果膠得率(31.88%)顯著高于僅用微波處理所得果膠得率(27.81%)[43]。而其他的新方法,如超臨界萃取法、電磁感應(yīng)加熱技術(shù)、高壓脈沖電場法等也逐漸用于果膠的提取中。超臨界萃取法用于提取西瓜果膠,40 ℃下提取15 min,果膠得率為12.1%,純度為86.2%[44]。電磁感應(yīng)加熱提取柑橘果膠30 min,得率與傳統(tǒng)加熱90 min所得果膠得率相同,為24%,且兩者的化學(xué)組成和物化性質(zhì)相似[45]。高壓脈沖電場[46]也被用于蘋果果膠的提取中,該技術(shù)處理時間僅為幾十微秒,是一種有效的提取方法。

由上可知,新興的提取方法不僅可大幅縮短提取時間、提高提取效率,果膠的得率、結(jié)構(gòu)及乳化特性等也有所改善。將不同提取方法,如超聲波和微波協(xié)同使用,不僅可有效利用兩種方法的優(yōu)勢,還可彌補單一提取方法的不足,在加速果膠物質(zhì)溶出細胞壁的同時,也避免了果膠結(jié)構(gòu)的過度降解,改善果膠的物化和功能特性。因此,不同提取方法的協(xié)同使用也將是未來果膠提取的發(fā)展方向。

3 果膠的乳化特性

果膠作為一種天然多糖物質(zhì),具有良好的乳化性能,近年來,更多的研究關(guān)注于將其作為天然乳化劑應(yīng)用于食品加工業(yè)中。果膠結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)組分、阿魏酸基團、乙酰基等為疏水性基團,在乳化液形成過程中可吸附至油滴表面,而與疏水性基團相連的多糖鏈為高度親水部分,可以深入水相中,產(chǎn)生空間位阻效應(yīng),阻止小油滴聚集為大油滴,從而保持乳化液穩(wěn)定。研究表明,果膠的乳化特性與果膠結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素有關(guān)。

3.1 果膠結(jié)構(gòu)對乳化特性的影響

3.1.1 疏水性基團對乳化特性的影響 果膠中的疏水性基團,如蛋白質(zhì)、阿魏酸和乙酰基等會影響果膠與油滴的結(jié)合程度,疏水性基團含量越高,兩者結(jié)合越快,便于糖鏈穩(wěn)定乳化液。利用蛋白酶酶解南瓜果膠和甜菜果膠中的蛋白質(zhì)后,果膠的表面活性、乳化活性和乳化穩(wěn)定性均顯著降低,說明蛋白質(zhì)是影響南瓜果膠和甜菜果膠乳化特性的關(guān)鍵因素[47-49]。以甜菜果膠和柑橘果膠作為乳化劑穩(wěn)定乳液,對與油滴結(jié)合的果膠部分的化學(xué)組成進行分析,并研究乙酰基對兩種果膠乳化特性的影響。結(jié)果表明,與油滴相互作用的果膠中蛋白質(zhì)和乙酰基含量均明顯增加。去乙酰基反應(yīng)雖對甜菜果膠的乳化特性影響不顯著,但乙酰化會顯著降低柑橘果膠乳化液的粒徑,提高柑橘果膠的乳化特性,說明乙酰基和蛋白質(zhì)可以提高果膠的乳化特性[50]。Chen等[48]利用阿魏酸酯酶水解甜菜果膠中的阿魏酸基團后,果膠溶液的表面張力、乳化液的界面張力及粒徑均顯著增加,說明阿魏酸基團可提高甜菜果膠的乳化特性。而利用辣根過氧化物酶或蟲漆酶酶促交聯(lián)甜菜果膠的阿魏酸基團,儲存一定時間后,交聯(lián)果膠的乳液粒徑比未交聯(lián)果膠的乳液粒徑(d4,3)增幅小。這可能是由于酶促交聯(lián)后,果膠分子量增加,產(chǎn)生更強的空間位阻效應(yīng),提高了果膠溶液黏度,進而有效阻止乳化液滴聚集[51-52]。

3.1.2 中性糖對果膠乳化特性的影響 果膠中的中性糖側(cè)鏈可影響乳液的穩(wěn)定性。阿拉伯聚糖酶和半乳聚糖酶混合物水解甜菜果膠后,制備的乳液粒徑增加、乳析穩(wěn)定性降低。這可能是因為富含中性糖側(cè)鏈的果膠分子會在油滴表面形成水合層并產(chǎn)生空間位阻效應(yīng),阻止乳化液滴聚集。中性糖側(cè)鏈少,油滴表面的水合層厚度降低,油滴碰撞后更易聚集,導(dǎo)致乳液粒徑增加[49]。

3.1.3 分子量對果膠乳化特性的影響 果膠的分子量會影響溶液的黏度和油滴表面水合層的厚度,但是關(guān)于分子量對果膠乳化特性的影響效應(yīng)并無一致結(jié)論。對于甜菜果膠來說,與較低分子量(20.2～66.4 kDa)的果膠相比,較高分子量(85～90 kDa)的甜菜果膠可使溶液表面張力顯著降低(22.1～24.2 dyn/cm),乳化活性(43.2%～47.1%)和乳化穩(wěn)定性(65.3%～80.3%)較高[53]。Akhtar等[54]卻發(fā)現(xiàn)與過低(48 kDa)和過高分子量(146 kDa)的柑橘果膠相比,中等分子量(56 kDa和70 kDa)的柑橘果膠乳化特性較好,且70 kDa的果膠可以使乳液穩(wěn)定保存兩個月。但也有研究稱,不同分子量(39、43、50、60、73 kDa)的柑橘果膠對乳液的粒徑及乳化穩(wěn)定性并無顯著影響[55]。

3.2 環(huán)境因素對乳化特性的影響

除果膠結(jié)構(gòu)外,乳液中的果膠濃度、油相濃度、pH及鹽離子也對果膠的乳化特性產(chǎn)生一定影響。Piriyaprasarth[56]等研究發(fā)現(xiàn)乳液粒徑隨油相濃度(5%～30%)升高而增加,而柑橘果膠濃度(0.5%～2.0%)對乳液粒徑無顯著影響。對于乳化穩(wěn)定性來說,當(dāng)乳液中的油相濃度較低(5%)時,即使添加高濃度的果膠溶液,乳液仍不穩(wěn)定;油相濃度較高(10%～20%)時,乳液的穩(wěn)定性增加,再繼續(xù)增加油相濃度,穩(wěn)定性下降。說明當(dāng)果膠濃度和油相濃度比例適宜即兩者能較完全地相互作用形成乳化顆粒時,乳化液的乳化穩(wěn)定性較好。

溶液的pH和鹽離子濃度可能通過影響溶液中果膠的電離程度及帶電量,從而影響果膠在溶液中的存在狀態(tài)。梅新等[57]發(fā)現(xiàn)甘薯果膠乳化液的粒徑隨pH的升高(2～7)呈先降低后升高的趨勢,而乳化穩(wěn)定性呈先增加后降低的趨勢。pH為5.0時,甘薯果膠乳化液的穩(wěn)定性最好。這可能是因為pH變化改變了果膠的電離程度,從而改變了乳化顆粒帶電量。pH較低時,果膠的電離受到抑制,乳化顆粒帶電量較少,相互排斥作用小;隨著pH升高,果膠電離程度增加,乳化顆粒所帶電荷增加,相互排斥劇烈,阻止顆粒之間聚集,因而增加了乳化液穩(wěn)定性。但也有研究表明,pH對甜菜果膠的乳化液粒徑和果膠吸附油滴的程度影響不顯著[4],但添加NaCl和CaCl2會降低甜菜果膠的乳化活性和乳化穩(wěn)定性,且CaCl2對乳化特性降低效果更明顯,這主要是因為鹽離子會中和果膠鏈所帶電荷,果膠間排斥作用減弱,且果膠間通過氫鍵和配位鍵結(jié)合作用增強導(dǎo)致油滴聚集,乳液粒徑增加。Ca2+所帶正電荷數(shù)高于Na+,因此更易促進果膠間結(jié)合,降低乳化穩(wěn)定性效果更明顯[4]。

此外,蛋白質(zhì)是食品加工業(yè)中常用的乳化劑,但是其對環(huán)境條件的敏感性在一定程度上限制了其應(yīng)用,而果膠可與蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物,降低蛋白質(zhì)對pH的敏感性,阻止蛋白質(zhì)在等電點附近聚集。Tran等[58]指出在pH4～5時,大豆分離蛋白之間會發(fā)生聚集,無法起到乳化劑的作用;而添加0.25 wt%～0.75 wt%大豆果膠即可在酸性條件下穩(wěn)定乳化液,這是因為大豆分離蛋白和果膠可以通過靜電相互作用結(jié)合且大豆果膠分支區(qū)豐富,產(chǎn)生的空間排斥效應(yīng)會阻止蛋白質(zhì)分子間的聚集,因此可提高乳化穩(wěn)定性。Salminen等[59]以濃度為1.0%(w/w)的乳清分離蛋白為乳化劑制成乳液并將加熱(85 ℃,20 min)所形成的乳清分離蛋白-蘋果果膠復(fù)合物吸附到乳化顆粒上,從而提高乳化液穩(wěn)定性。蛋白質(zhì)-果膠結(jié)合物也可作為乳化劑直接穩(wěn)定乳化液,與單獨利用蛋白質(zhì)或果膠作為乳化劑穩(wěn)定乳液的效果相比,結(jié)合物有效地提高了乳化液穩(wěn)定性[60-61]。

4 展望

目前,研究表明柑橘果膠和蘋果果膠的乳化特性受其結(jié)構(gòu)因素的影響較大,乳化特性較差。因此,探索新型的果膠資源,研發(fā)如甜菜渣、馬鈴薯渣和甘薯渣提取果膠技術(shù)以滿足果膠作為乳化劑的市場需求并豐富果膠原料種類的意義重大。由于蛋白質(zhì)、乙酰基、阿魏酸等疏水性基團對果膠乳化特性具有積極影響,可采用酶法、乙酰化反應(yīng)和熱處理等手段對現(xiàn)有商業(yè)果膠進行結(jié)構(gòu)改性,增加疏水性基團的數(shù)量,降低分子量,以提高乳化活性。此外,在今后的研究中應(yīng)更加關(guān)注果膠提取方法與果膠結(jié)構(gòu)及乳化特性之間的相互關(guān)系,并通過改良果膠提取方法或采用新型提取方法以獲得具有較好乳化特性的果膠。