不同品種蘋果果膠含量及結構差異分析

曹風，劉璇，畢金峰，吳昕燁，張彪，劉嘉寧

不同品種蘋果果膠含量及結構差異分析

曹風1, 2，劉璇1，畢金峰1，吳昕燁1，張彪1，劉嘉寧1

（1中國農業科學院農產品加工研究所/農業農村部農產品加工重點實驗室，北京 100193；2大連工業大學食品學院，遼寧大連 116034）

【】比較分析不同品種蘋果原料果膠結構的差異性，為品種識別提供幫助，為蘋果相關產品的加工以及蘋果副產物的利用提供理論數據基礎。以來自全國7個產區的14個品種20份蘋果樣品為研究對象，由每份蘋果的細胞壁物質（alcohol-insoluble residue，AIR）提取3種類型果膠：水溶性果膠（water-soluble pectin，WSP）、螯合性果膠（CDTA-soluble pectin，CSP）及堿溶性果膠(Na2CO3-soluble pectin，NSP)，研究分析果膠的半乳糖醛酸（galacturonic acid，GalA）含量、酯化度、重均分子量(weight-average molar mass，Mw)、中性糖含量以及結構官能團，并進行主成分分析以及熱圖分析。不同品種蘋果樣本間果膠特性存在一定差異性。3種類型果膠含量以NSP半乳糖醛酸含量最多，WSP次之，CSP含量最少，最富含果膠含量的蘋果品種是‘澳洲青蘋’（215.75 mg GalA·g-1AIR），產自不同地區的‘富士’（棲霞、新疆、青島‘煙6’、河北‘三優’）蘋果的各果膠半乳糖醛酸含量有著較大的差異；‘秋錦’的WSP甲酯化度最高，CSP的甲酯化度偏高，且大多數為高酯化度果膠；WSP的乙酰化度均在3.5%以下；WSP的Mw在各品種蘋果間差異性最為顯著，遼寧‘華月’WSP的Mw最高；‘紅將軍’WSP的Mw/Mn高于其他品種，但其CSP的Mw/Mn低于其他品種；Mw/Mn在3種類型果膠間差異性較小；中性糖含量組成均以鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖3種單糖居多，巖藻糖、木糖、甘露糖呈微量狀態，葡萄糖存在居多的原因可能是在果膠的提取過程中，有可溶性淀粉、糊精或低聚糖混雜；各果膠以同型聚半乳糖醛酸和鼠李聚半乳糖醛酸II型結構為主，且果膠側鏈較多；主成分分析得出蘋果樣本間的主要差異性指標為WSP的半乳糖含量、阿拉伯糖含量、巖藻糖含量以及CSP的半乳糖含量、鼠李糖含量、中性糖比率（鼠李糖與半乳糖醛酸含量的比值）。不同品種蘋果原料中3種類型果膠的含量及其結構存在一定的差異性，具有父本、母本等基因雜交關系的蘋果品種的果膠結構特點間存在關聯性，研究可為蘋果育種與種植結構調整提供理論支持。

蘋果品種；果膠；結構；差異性

0 引言

【研究意義】蘋果營養價值高，有多種維生素、抗氧化劑以及果膠，居世界四大水果之首。據聯合國糧農組織數據可知，我國是世界上最大的蘋果生產國和消費國，蘋果種植面積和產量均居世界首位，分別約占全球的45%和50%。蘋果在我國有四大主產區：渤海灣、黃土高原、黃河故道和西南冷涼高地，其中黃土高原和渤海灣是世界上蘋果最大產區，也是我國著力發展的優勢區[1]。我國蘋果品種也較豐富，有幾百個品種，包含富士系、嘎啦系、元帥系等，‘紅富士’是主栽品種，產量約占68.9%[2]。蘋果的加工制品主要包括果汁、果醋、果干、罐頭以及果醬果脯等。果蔬的質構特性主要受細胞壁中物質（果膠、纖維素、半纖維素等）影響[3]。這不僅體現在果干的脆度上[4]，在罐頭的貯藏過程中，罐頭硬度的變化與細胞壁中果膠含量及其組成的變化也具有顯著相關性[5]。果膠易溶于水，在罐頭的制備及儲藏過程中，果膠溶出，由于其凝膠性能，罐頭汁液黏稠，口感更好[6]。果汁中果膠的分子量會影響果汁的絮凝[7]，果膠的變化會影響果汁的混濁穩定性[8]。果醋中的果膠、淀粉等大分子會導致果醋在貯藏期間出現二次混濁，即有絮狀、沉淀物存在[9]。果膠對加工品品質的影響是重要且復雜的，研究蘋果原料中果膠的特性不僅有助于蘋果加工原料的篩選，還對蘋果加工制品品質的把控有指導作用。【前人研究進展】果膠是一種高分子碳水化合物，廣泛存在于綠色植物的細胞壁中[10]。果膠還有各種保健功能，例如降低膽固醇、預防糖尿病、維持腸道健康等[11-12]。其基本結構是以由α-1, 4-糖苷鍵聚合而成的半乳糖醛酸（galacturonic acid，GalA）為主鏈，其他類型的中性糖作為側鏈連接在主鏈上，側鏈上的中性糖主要包括半乳糖（galactose，Gal）、鼠李糖（rhamnose，Rha）、阿拉伯糖（arabinose，Ara）、巖藻糖（fucose，Fuc）、木糖（xylose，Xyl）、甘露糖（mannose，Man）等。果膠分子根據其主鏈和支鏈結構的不同，分為4個結構區域：同型半乳糖醛酸聚糖（homogalacturonan，HG）、鼠李半乳糖醛酸聚糖I（rhamnogalacturonan-I，RG-I）、鼠李半乳糖醛酸聚糖II（rhamnogalacturonan-II，RG-II）和木糖半乳糖醛酸聚糖（xylogalacturonan，XG）[13]。果膠含量及其結構會隨原料的種類、產地、成熟期、貯藏期和加工工藝的不同而不同[14]。各果膠結構的差異性主要體現在它們的分子量、酯化度及中性糖含量上[15]。劉鳳霞等[16]高壓處理芒果果漿后發現，水溶性果膠的分子質量分布無變化，而果膠半乳糖醛酸含量、酯化度均下降；王蓉蓉等[17]以我國6種棗果為原料，探究發現6種棗果中均以水溶性果膠含量最高，堿溶性果膠次之，螯合性果膠含量最低，3種類型果膠的中性糖組成及含量受棗果來源不同影響，果膠的分子質量分布受棗果品種來源和果膠類型兩方面影響；NJOROGE等[18]研究發現豆類的3種類型果膠（水溶性果膠、螯合性果膠及堿溶性果膠）的結構及溶解性差異可能是導致豆類烹飪難易的差異原因之一。有關蘋果中果膠的研究已有較多報道，KUMAR等[19]探究蘋果渣中果膠對胰脂肪酶的體外抑制作用，發現抑制作用強弱依賴于果膠的來源及果膠的提取試劑類型；羅亞楠等[20]以蘋果渣為原料，酸性水溶液為浸提劑，確定了果膠的最佳提取工藝條件為固液比1﹕13，溫度85℃，pH 2.0，浸提時間1.5 h，使果膠提取率可以達到13％以上；CHO等[21]提出的蘋果渣酸溶解過程中果膠產量和特性黏度數學模型（Arrhenious型方程；溫度的指數函數）的測定系數分別為0.922和0.682，且其置信水平分別為97.0%和88.5%；HWANG等[22]采用不同螺桿速度的雙螺桿擠出機分解蘋果渣，后通過熱水浸提蘋果果膠，得出在110—170 kW?h-1的機械能范圍內可獲得與酸提取相當的水溶性果膠產量及果膠特性黏度；田玉霞等[23]運用超濾膜分離出6種不同分子量的蘋果果膠，研究發現分子量大于300 kD的果膠占大多數，各級果膠的半乳糖醛酸含量、酯化度及單糖組分均與分子量呈正相關關系。【本研究切入點】目前所做的研究大多是有關蘋果果渣中果膠的研究，我國蘋果種質資源豐富，針對多品種蘋果原料中的果膠含量及其結構的報道較少，這限制了蘋果種質資源的開發、蘋果加工制品品質的提升以及蘋果副產物的開發利用。【擬解決的關鍵問題】本研究以蘋果為研究對象，在團隊對蘋果濁汁品質研究的基礎上，從全國7個蘋果產區選擇14個品種20份具有差異代表性的蘋果，分析不同品種蘋果的果膠含量及其結構上的差異性，為合理開發利用資源，推動蘋果產業發展提供參考。

1 材料與方法

試驗于2017年3月至2018年5月在中國農業科學院農產品加工研究所進行。

1.1 試驗原料

供試蘋果共20份，于2016年采自全國7個不同產區，采收依據淀粉染色法確定果實成熟度，選取淀粉-碘指數在7—8的果實（分數范圍1—8依次表示不成熟至成熟）。采后置于4℃冷庫備用，取外觀完整且無機械損傷樣品進行試驗。具體蘋果品種見表1。

表1 蘋果品種與產地

1.2 主要試劑

反-1, 2-環己二胺四乙酸一水合物（CDTA）及2, 4-戊二酮均購自Acros Organics公司；3-苯基苯酚、D-半乳糖醛酸、乙醇氧化酶及三氟乙酸均購自Sigma-Aldrich公司；溴化鉀購自Pike Technologies Inc公司；K-ACETRM乙酸激酶法檢測試劑盒購自愛爾蘭Megazyme公司。

1.3 主要儀器與設備

A11 basic研磨機，T25高速分散機，RT高多點數顯型加熱磁力攪拌器，德國IKA公司；VORTEX-5旋渦混合器，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；DU-20電熱恒溫油浴鍋，上海一恒科學儀器有限公司；DAWN HELEOS-II多角度激光光散射/凝膠色譜聯用儀，美國Wyatt公司；TENSOR27傅里葉紅外儀，德國Bruker公司；ICS-5000+離子色譜儀，美國Dionex公司；Alphal-4Lplus真空冷凍干燥設備，德國CHRIST公司；UV-1800紫外分光光度計，日本Shimadzu公司。

1.4 試驗方法

1.4.1 細胞壁物質的制備 參考SILA等[24]方法，稍作修改。取100 g鮮蘋果切丁，液氮冷凍后研磨成粉，加入500 mL 95%乙醇，分散機分散1 min后浸泡2 h，抽濾，濾渣用300 mL 95%乙醇分散1 min后抽濾，濾渣再用300 mL丙酮浸泡10 min抽濾，最終得到的濾渣于40℃烘箱烘干12 h即得細胞壁物質（alcohol- insolubleresidue，AIR）。

1.4.2 細胞壁各組分分離 參考STOLLE-SMITS等[25]方法，取180 mL蒸餾水，加入1 g AIR攪拌煮沸5 min，冷卻抽濾，定容至250 mL，蒸餾水透析72 h，凍干得水溶性果膠（water-soluble pectin，WSP）；WSP萃取殘渣中加入180 mL 0.05 mol?L-1CDTA溶液（含0.1 mol?L-1乙酸鉀，pH 6.5），室溫磁力攪拌15 min，28℃水浴搖床6 h，抽濾，定容至250 mL，透析72 h（前36 h用0.1 mol?L-1的NaCl溶液，后36 h用蒸餾水），凍干得螯合性果膠（CDTA-soluble pectin，CSP）；CSP萃取殘渣中加入180 mL 0.05 mol?L-1碳酸鈉（含0.02 mol?L-1四硼酸鈉），4℃恒定攪拌16 h，28℃水浴搖勻6 h，抽濾，定容至250 mL，蒸餾水透析72 h，凍干得堿溶性果膠（Na2CO3-soluble pectin，NSP）。

1.5 指標測定

1.5.1 果膠含量測定 參考BLUMENKRANTZ等[26]方法，采用紫外分光光度法，含量以每克細胞壁物質中含半乳糖醛酸毫克數（mg GalA?g-1AIR）表示。

樣品水解：稱取約10 mg WSP（CSP或NSP樣品）于燒杯中，冰浴條件下，加入8 mL硫酸，磁力攪拌，逐滴加入2 mL蒸餾水，混合5 min，再逐滴加入2 mL蒸餾水，攪拌混合1 h，最后將樣品定容至25 mL，每組試驗3個平行。

測定：取0.6 ml水解后的樣品或不同濃度的半乳糖醛酸標準溶液置于試管中，冰水浴條件下，加入3.6 mL 0.0125 mol?L-1硫酸-四硼酸鈉溶液，旋渦混合器混勻，100℃油浴5 min，冰水浴冷卻，再加入60 μL 3-苯基苯酚溶液（0.15 g 3-苯基苯酚溶于100 mL 0.5%氫氧化鈉），旋渦混合器混勻，520 nm下測定吸光度。對于空白樣，其他步驟一樣，最后將60 μL 3-苯基苯酚溶液替換成60 μL 0.5% 氫氧化鈉溶液，520 nm下測定吸光度。

1.5.2 果膠甲酯化度的測定 參考SILA等[24]方法，采用紫外分光光度法，以甲醇作為標準物質測定果膠甲酯化度（degree of methoxylation，DM）。

樣品水解：稱取約20 mg WSP（CSP樣品）于試管中。加入8 mL蒸餾水，超聲10 min，加入3.2 mL 2 mol?L-1氫氧化鈉溶液，置于20℃震蕩培養箱1 h，每10 min搖晃一次，再加入3.2 mL 2 mol?L-1鹽酸溶液，置于25℃震蕩培養箱15 min，最后用0.0975 mol?L-1（pH 7.5）的磷酸緩沖溶液定容至25 mL，每組試驗3個平行。

測定：取1 mL水解后的樣品或不同濃度的甲醇標準溶液置于試管中，加入1 U ?mL-1乙醇氧化酶，旋渦混合器混勻，25℃水浴15 min，加入2 mL戊二酮溶液（含0.02 mol?L-12, 4戊二酮、2 mol?L-1乙酸銨、0.05 mol?L-1乙酸），旋渦混合器混勻，58℃水浴15 min，冷卻，旋渦混合器混勻，412 nm下測定吸光度。對于空白樣，測定時加1 mL蒸餾水于玻璃試管中，其他步驟一樣，最后加2 mL蒸餾水，412 nm下測定吸光度。

1.5.3 果膠乙酰化度的測定 參考LIU等[27]方法，通過酶試劑盒測定WSP中乙酸的濃度，WSP的乙酰化度（degree of acetylation，DAc）為乙酸摩爾量與GalA摩爾量的比率，并以百分比表示。

1.5.4 果膠單糖組成和含量的測定 參照?IMKOVIC等[28]方法，稍作修改。稱取約10 mg WSP（CSP或NSP樣品）于水解管中，加入2 mol?L-1的三氟乙酸4 mL，于120℃水解1 h，真空濃縮至干，定容至一定體積，稀釋至合適濃度，過0.2 μm濾膜后進樣。分析柱為CarboPac PA20，流動相A為超純水，流動相B、C分別為0.25 mol?L-1氫氧化鈉和1 mol?L-1醋酸鈉，流速為0.5 mL?min-1，進樣體積為10 μL，柱溫為35℃，檢測器為脈沖安培檢測器。梯度洗脫程序如下：0—20 min：94% A和6% B；20—20.1 min：89% A，6% B和5% C；20.1—35 min：74% A，6% B和20% C；35.1—45 min：20% A和80% B；45.1—55 min：94%A和6% B。配置Gal、Rha、Ara、Glc、Fuc、Xyl及Man標準溶液，并繪制標準曲線，計算各單糖的含量。

1.5.5 果膠分子量的測定 參考NJOROGE等[18]方法，稍作修改，測定果膠重均分子量（weight average molecular weight，Mw）及數均分子量（number average molecular weight，Mn）。用0.1mol?L-1硝酸鈉溶液為溶劑配制質量濃度為1 mg?mL-1的果膠溶液，過0.45 μm濾膜后進樣。色譜柱為SHODEX SB-806M，流動相為0.1 mol?L-1硝酸鈉，流速為0.5 mL?min-1，進樣體積為200 μL，柱溫為40℃。

1.5.6 果膠紅外光譜 參考PARK等[29]方法，采用傅里葉紅外光譜儀（fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）進行掃描，溴化鉀先于105℃烘干，取1 mg WSP（CSP或NSP樣品）與100 mg溴化鉀于瑪瑙研缽中混勻研磨，壓成厚3 mm的片狀進行分析，掃描分辨率設置為4 cm-1，累計掃描64次，掃描波數范圍4000—500 cm-1。

1.6 數據分析

本研究測定的果膠指標及編號見表2。本試驗數據采用SPSS 21.0、SIMCA及Heml 1.0軟件進行分析處理，試驗分析圖采用Origin 9.0軟件繪制，顯著性差異水平＜0.05。

表2 果膠指標及其編號

表中I表示GalA/(Fuc+Rha+Ara+Gal+Xyl)，II表示Rha/GalA，III表示(Ara+Gal)/Rha。下同

In the table, I means GalA/(Fuc+Rha+Ara+Gal+Xyl), II means Rha/GalA, III means (Ara+Gal)/Rha. the same as below

2 結果

2.1 不同品種蘋果原料中不同類型果膠的分析

不同品種蘋果原料中3種類型果膠的半乳糖醛酸含量、酯化度及分子量的均值分布如表3所示，可見各品種蘋果間的果膠指標存在一定的差異性。最富含果膠含量的不是我國栽培最廣的‘富士’蘋果，而是適合榨汁的‘澳洲青蘋’；另外，各品種蘋果的3種類型果膠含量中，NSP含量最多，WSP含量次之，CSP含量最少。產自不同地區的富士（棲霞、新疆、青島‘煙6’、河北‘三優’），各果膠半乳糖醛酸含量存在較大的差異，表明果實生長環境對果實的特征性物質含量有重要影響。

果膠的甲酯化度和乙酰化度是果膠多糖的重要結構特征，即被酯化的半乳糖醛酸殘基在果膠分子中所占的比例，代表著果膠的凝膠特性。酯化度高的果膠凝膠速度快。通常按酯化度的程度分為高酯化度果膠（DE≥50）和低酯化度果膠（DE≤50）[30]。不同品種蘋果及不同類型果膠的酯化度有一定的差異性，總體來看，CSP的甲酯化度偏高，且大多數為高酯化度果膠；與其他品種蘋果相比較，‘秋錦’的WSP甲酯化度較高，‘秋錦’的CSP甲酯化度僅次于‘紅將軍’。所有品種蘋果WSP的乙酰化度均在3.5%以下，乙酰化度最高的品種為‘秋錦’，最低的品種為遼寧‘華月’。

對于不同品種蘋果3種類型果膠的Mw而言，WSP的Mw在各品種蘋果間差異最為顯著，重均分子量最高的是遼寧‘華月’（1.66×105Da），最低的是‘澳洲青蘋’（31.63×105Da）。‘喬納金’蘋果CSP和NSP的Mw在所有蘋果樣品中均為最高，遼寧‘華金’的Mw是各品種蘋果CSP中最低的（2.26×105Da），各品種蘋果中遼寧‘秋錦’NSP的Mw最低。遼寧‘華月’和甘肅‘秦冠’兩品種CSP的Mw同為2.79×105Da，Mw/Mn分別為1.68、1.64，‘華月’及‘秦冠’品種均由‘金冠’作母本雜交而來[31]，二者分子量及多分散系數間差異性較小，可能與原料的基因調控有關。

而對于多分散系數Mw/Mn，值越大，說明其分子量分布較寬不集中，聚合物呈長短鏈混雜狀態，聚合物的純度不好。甘肅‘花牛’和山東泰安‘新紅星’WSP的Mw/Mn僅相差0.01，且兩者NSP的Mw/Mn同為2.14，‘新紅星’和‘花牛’均屬于‘紅元帥’系[32]，可見這二者基因上的聯系，反映在了果實特征性物質的指標上。青島‘煙6’與淄博‘紅將軍’WSP的Mw/Mn相差0.02，青島‘煙6’為富士系，‘紅將軍’為富士芽變而來[33]，兩種蘋果產地還同為山東，兩者果膠結構有相似的特性，可能與其基因和生長環境有關。‘紅將軍’WSP的Mw/Mn最高，但其CSP的Mw/Mn最低。‘長密歐’不同類型果膠的Mw/Mn于各品種蘋果間的分布規律與‘紅將軍’的相似，其在CSP中最低，在NSP中最高。棲霞‘富士’、新疆‘富士’、青島‘煙6’、河北‘三優’均屬不同產地的‘富士’品種，不同產地蘋果所生長的氣候環境不同，但這些品種之間CSP的Mw/Mn（1.58、1.51、1.53、1.47）差異性非常小，可能是同一品種下的共同特性。

表3 不同品種蘋果原料中果膠指標均值分析

1—20為蘋果品種序號，順序與表1相同。下同

1—20 is the apple variety number, the order is the same as table 1. The same as below

2.2 不同品種蘋果原料中不同類型果膠的紅外光譜圖的分析

利用FTIR對果膠進行4 000—500 cm-1的光譜分析結果如圖1所示，由于20份蘋果3種類型果膠的紅外光譜沒有明顯的差異，圖1僅列了棲霞‘富士’品種3種類型果膠的紅外光譜圖。紅外光譜在3 600— 2 500 cm-1之間廣泛的強吸收區域歸因于半乳糖醛酸聚合物分子間和分子內氫鍵引起的O-H伸縮吸收，表明果膠的幾個結構特征[34-35]。在約2 950 cm-1處的較弱吸收區域是指C-H吸收，包括CH、CH2和CH3拉伸及彎曲振動[36]。在所有研究的果膠樣品中，都觀察到C-H吸收區域，作為疊加在3 600—2 500 cm-1的寬O-H吸收帶內。在約1 750 cm-1出現的強吸收，表示酯羰基（C═O）基團。羧酸基團顯示出兩條吸收帶，一條在1 630 cm-1附近較強的不對稱伸縮帶和一條在1 400 cm-1附近較弱的對稱伸縮帶。由圖觀察到酯化度較大的果膠，其酯羰基的吸收強度大，而羧酸酯伸縮帶的吸收強度低，NSP果膠酯化度非常低，在1 750 cm-1左右無明顯吸收峰。在約1 200 cm-1處的吸收峰是不對稱的C-O-C伸縮振動峰，表明有-O-CH3存在；1 000—1 200 cm-1的吸收峰是吡喃型糖環的醚鍵和羥基的吸收峰[37]；900 cm-1附近的吸收峰是Ｄ-吡喃型葡萄糖的特征吸收峰，在3 300—3 500 cm-1(-NH2)處無雙峰出現說明無蛋白存在[15]。

圖1 棲霞富士蘋果原料WSP、CSP及NSP的傅里葉紅外光譜圖

2.3 不同品種蘋果原料中不同類型果膠的單糖組成分析

單糖是果膠的結構指紋，其組成及含量由離子色譜儀測定，圖2是遼寧‘華月’蘋果WSP的中性糖離子色譜圖，其他樣品的離子色譜圖未詳細列出，圖3是Heml軟件制作的20份蘋果3種類型果膠中7種單糖含量的熱圖。通過熱圖可以更加直觀地觀察不同品種蘋果及不同類型果膠間單糖含量的差異，圖中每種蘋果每個類型果膠的每個單糖含量用不同深淺顏色表示，紅色越深代表某種單糖含量越多，藍色越深表示某種單糖含量越少，綠色部分是單糖含量在檢測限以下。

果膠分子的結構主鏈由150—500個α-D-半乳糖醛酸基通過1, 4糖苷鍵連接而成，在主鏈中相隔一定距離存在不同單糖構成的側鏈。由圖3可知，蘋果品種間不同類型果膠的中性糖組成均以鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖3種單糖居多，巖藻糖、木糖、甘露糖呈微量狀態，但是含量水平不盡一致。總體來看，3種類型果膠20份蘋果的阿拉伯糖含量最多，CSP和NSP的大多數木糖及甘露糖微量到在檢測限以下。從3種類型果膠7種單糖的每個含量來看，NSP中主要單糖含量最多。葡萄糖居多的原因可能是在果膠的提取過程中，有可溶性淀粉、糊精或者低聚糖混雜。

由熱圖結果可以發現，新疆‘富士’和遼寧‘秋錦’、甘肅‘花牛’和遼寧‘華金’、淄博‘紅將軍’和河北‘三優’富士這3組蘋果在熱圖中各果膠7種單糖含量顏色較相近的數量較多，熱圖聚類分析中各組兩個品種均聚為一類，這與3組蘋果品種分別存在的基因關系相符合，即‘富士’是‘國光’為母本、‘紅元帥’為父本雜交而來，‘秋錦’由‘國光’‘紅元帥’‘紅冠’等品種雜交而來，兩者都含有‘國光’和‘紅元帥’的基因[38]；‘花牛’屬于‘紅元帥’系，‘華金’授粉品種包括‘華紅’‘富士’‘紅元帥’及‘金冠’，兩者都有‘紅元帥’基因；‘紅將軍’為‘富士’芽變而來，與‘三優’富士有著密切基因關系。

通過中性糖組成及含量計算得到中性糖比率，由表4可知，20份蘋果3種類型果膠中，表征線性度的GalA/(Fuc+Rha+Ara+Gal+Xyl)在CSP和NSP中因木糖含量在檢測限以下未作計算，由數據可知WSP的線性度在不同蘋果樣本間差異性較顯著，最大的是‘澳洲青蘋’品種；Rha/GalA基本均在0.05以下，蘋果樣本間差異性較小，說明果膠結構主要以HG和RG-II型為主；CSP的(Ara+Gal)/Rha屬20份蘋果3種類型果膠中較大值數量最多者，故可估計大多數蘋果品種的CSP中連接到RG-I結構區域的鼠李糖側鏈較長；Ara和Gal兩種單糖含量較多，表明蘋果果膠的側鏈較多，在整個提取過程中果膠側鏈未被水解。

2.4 不同品種蘋果原料中果膠含量及其結構差異的分析

利用SIMCA軟件進行PCA主成分分析，獲得的得分圖如圖4所示。根據20份蘋果的3種類型果膠的含量、酯化度、分子量及中性糖組成指標分析，發現有的品種特征較為類似，例如除特殊氣候地區的新疆‘富士’，其他同品種不同產地的棲霞‘富士’、青島‘煙6’及河北‘三優’蘋果間的總特征差異性極小，這與之前它們CSP的Mw/Mn差異性非常小相符。另外，淄博‘紅將軍’與棲霞‘富士’、遼寧‘秋錦’和遼寧‘喬納金’兩組蘋果在得分圖中均有組內重疊，‘紅將軍’由‘富士’芽變而來，‘秋錦’和‘喬納金’共同擁有‘金冠’基因，這些品種間的基因關聯促進了此現象的發生；有的品種存在顯著性差異，例如同是‘新紅星’‘秦冠’‘金冠’，但不同產地的品種，在圖中分布距離較遠，可見不同產地的同一品種存在一定的差異，這與熱圖中品種間中性糖含量組成顏色呈現深淺不同的差別性相符。

圖2 遼寧華月蘋果WSP的中性糖離子色譜圖

圖3 不同品種蘋果原料中果膠的中性糖組成熱圖

表4 不同品種蘋果原料WSP、CSP及NSP的中性糖比率

Table 4 Neutral sugar ratios of WSP, CSP, and NSP of different apple varieties

表中“—”表示單糖含量在檢測限以下，未進行中性糖比率計算。同列不同小寫字母表示差異顯著（＜0.05）

“—“ means the monosaccharide content was below the detection limit and neutral sugar ratio was not calculated. Different lower-case letters in the same column show significant differences (＜0.05)

圖4 不同品種蘋果得分圖

圖5為不同品種蘋果的果膠指標載荷圖，圖中p[1]對應解釋得分圖4中的t[1]，即p[1]正向變量與得分圖t[1]正向軸中樣本的相關性呈正比，與t[1]負向軸中樣本呈負相關。載荷圖p[1]的絕對值越大，表明蘋果品種間指標差異性越大。選定載荷圖p[1]絕對值＞0.25的果膠指標WSP-Gal、WSP-Ara、CSP-Gal、CSP-Rha、WSP-Fuc及CSP-II為蘋果品種差異性分析的重要標識指標。結合前面對20份蘋果果膠每個指標的分析，結果表明，WSP-Gal、WSP-Ara、CSP-Gal、CSP-Rha、WSP-Fuc及CSP-Rha/GalA這6個果膠指標在不同品種蘋果間存在較大差異性，可作為區分20份蘋果的差異性指標。

圖5 不同品種蘋果載荷圖

3 討論

本研究選取的來自全國七大主產地的不同主栽蘋果品種，且探討了3種類型的蘋果果膠，是極大的創新點，研究結果可以用來構建蘋果數據庫，綜合分析蘋果特征性物質果膠的結構特點，為蘋果中大分子物質結構的解析提供強有力的數據基礎。

僅從單糖組分含量的表面數據分析果膠結構信息是單一的，單糖比率可以給出更深層次多方面的結構解析。果膠RG-I結構域是由多個重復的鼠李半乳糖醛酸二糖單元連接而成，在鼠李糖殘基的C4位置可能發生阿拉伯聚糖、半乳聚糖或混合阿拉伯半乳聚糖的取代[25]。GalA/(Fuc+Rha+Ara+Gal+Xyl)可反映出果膠的線性度；Rha/GalA表征主鏈中RG類型結構區域在整個果膠所占比例，當Rha/GalA在0.05—1.00時，果膠結構主要為RG-I型，當Rha/GalA小于0.05時，果膠結構主要為HG和RG-II型；(Ara+Gal)/Rha是RG-I支鏈與Rha的比值，通過這個值可估計RG-I型果膠的側鏈長度，值越大，鏈越長[39-40]。本研究PCA分析得WSP的Gal，WSP的Ara，CSP的Gal，CSP的Rha，WSP的Fuc及CSP的中性糖比率（鼠李糖與半乳糖醛酸含量的比值）是鑒別不同蘋果樣本的重要差異性指標。

本研究分析的果膠含量、酯化度、分子量及中性糖含量組成等指標已較全面地表征了蘋果果膠的基本結構。研究結果表明NSP含量最多，WSP的DAc均在3.5%以下，中性糖含量組成均以Rha、Ara、Gal 3種單糖居多，與前人對蘋果果膠的研究一致，但本試驗也驗證了蘋果品種及產地對果膠含量的影響，發現蘋果品種及產地對果膠乙酰化度、中性糖的含量組成及果膠結構域無明顯影響。

本研究已印證我國不同主產區的不同主栽蘋果品種的果膠含量高低，結合含果膠較多的蘋果品種適宜加工成果汁、果酒、果醬等產品知識，研究結果為蘋果加工制品的品質提升提供了數據基礎，可幫助實現蘋果加工品種專用化。例如富含果膠的‘澳洲青蘋’是適宜制汁的品種，這與前人的研究以及現實生產相對應。原料果膠特征受品種、產地、成熟期等多因素的影響，一個試驗取樣很難兼顧多種因素，且目前對果膠精細結構的解析仍然是個世界難題。未來可針對單一品種不同產地或單一產地不同品種的蘋果樣本，不斷擴大樣本量，逐步開展系統研究。

4 結論

各品種蘋果的3種類型果膠中，含量以NSP最多，WSP次之，CSP含量最少，最富含果膠含量的蘋果品種是‘澳洲青蘋’；‘秋錦’的WSP甲酯化度最高，CSP的DM偏高且大多數為高酯化度果膠；WSP的DAc均在3.5%以下，乙酰化度最高的蘋果品種也是‘秋錦’；WSP的Mw于各品種蘋果間差異性最為顯著，遼寧‘華月’WSP的Mw最高；‘紅將軍’WSP的Mw/Mn最高，但其CSP的Mw/Mn最低；中性糖含量組成均以Rha、Ara、Gal 3種單糖居多，Fuc、Xyl、Man 3種單糖呈微量狀態，通過中性糖比率分析可知各果膠結構主要以HG和RG-II型為主。

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Difference Analysis of Pectin Content and Structure from Various Apple Cultivars

CAO Feng1, 2, LIU Xuan1, BI JinFeng1, WU XinYe1, ZHANG Biao1, LIU JiaNing1

(1Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-products Processing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100193;2School of Food Science and Technology, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, Liaoning)

【】The differences in pectin structure of different apple raw materials were compared and analyzed to give assistance for variety identification, so as to provide theoretical data basis for the processing of apple-related products and the utilization of apple by-products. 【】Twenty apple samples of fourteen cultivars from seven producing areas in China were researched. Three types of pectin were extracted from the alcohol-insoluble residue (AIR) of each apple, including water-soluble pectin (WSP), CDTA-soluble pectin (CSP) and Na2CO3-soluble pectin (NSP). The galacturonic acid (GalA) content, esterification degree, weight-average molar mass (Mw), neutral sugar content, and structural functional groups of pectin were analyzed, then the principal component analysis (PCA) and heat map analysis were performed. 【】The results showed that the content and structure of pectin were different in varying degrees. Among the three types of pectin, the content of NSP was the highest (determined with GalA as standard), followed by WSP and CSP. The most pectin-rich apple variety was the Granny Smith (215.75 mg GalA·g-1AIR). Fuji (Qixia, Xinjiang, Yan6-Qingdao and Hebei) from different regions had great differences in the contents of galacturonic acid. The DM of Qiujin was the highest among the WSP of various varieties of apples. CSP had relatively higher DM and the most of them were high DM pectin. The degree of acetylation of WSPs were all below 3.5%. The Mw of WSP was the most significant one among all apple varieties. The Mw of Huayue’s WSP showed the highest value. The Mw/Mn of Hongjiangjun’s WSP was the highest, but the Mw/Mn of Hongjiangjun’s CSP was the lowest one. Mw/Mn had a small difference between the three types of pectin. Through the heatmap analysis, Rhamnose (Rha), arabinose (Ara) and galactose (Gal) were three main neutral sugars, and fucose (Fuc), xylose (Xyl) and mannose (Man) were in trace amount. The reason for plenty of glucose might be due to the presence of soluble starch, dextrin or oligosaccharides during the extraction of pectin. The pectin structure mainly consisted of homogalacturonan and rhamnogalacturonan-II. The PCA showed that the main differential indexes of different apple cultivars were WSP-Gal, WSP-Ara, CSP-Gal, CSP-Rha, WSP-Fuc and CSP-Rha/GalA.【】There were certain differences among the content and structure of three types of pectin from various apple cultivars. Which were related to the pectin structural characteristics of apple varieties with parental and maternal crosses. The study could provide a theoretical support for the structural adjustment of apple breeding and planting.

apple cultivar; pectin; structure; difference

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.13.011

2019-01-09；

2019-05-13

“十三五”國家重點研發計劃（2016YFD0400201-4）

曹風，E-mail：caofengup@163.com。

畢金峰，E-mail：bjfcaas@126.com

（責任編輯 趙伶俐）