果膠功能性質新進展

劉成梅,劉 琪,陳 軍,梁瑞紅

(南昌大學食品科學技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

近年來,天然植物多糖因其獨特的性質而受到人們的廣泛關注。果膠是從高等植物細胞壁中提取的一種天然、無毒的酸性雜多糖。果膠分子量(Molecular weight,Mw)在50～300 kU之間,不同來源的果膠和提取工藝得到的果膠分子量差異較大[1],具有高度的結構多樣性[2]。它主要由四種結構組成: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)[3]。果膠主鏈上的C-6羧基會部分甲酯化,甲酯化的半乳糖醛酸殘基占比被稱為甲酯化度(Degree of methylesterification,DM)或者是酯化度(Degree of esterification,DE)[4],果膠結構如圖1所示[5]。

圖1 果膠結構示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the structure of pectin

根據果膠酯化程度的不同,果膠可分為高酯果膠(DM>50%,High methoxyl pectin,HMP)和低酯果膠(DM<50%,Low methoxyl pectin,LMP)[6]。果膠分子量、酯化度與果膠的流變學特性、凝膠性、溶解性和乳化性有關[7-10]。在食品工業,果膠主要用作果醬和果凍中的膠凝劑、飲料的穩定劑等[11]。在醬、冰淇淋和肉制品中,果膠起到脂肪替代品的作用[12]。果膠具有降低血脂、止痛、降低心臟病發病率、抑制脂肪酶活性、抑制癌細胞生長和轉移、誘導細胞凋亡等[13-15]的生物學特性,在醫藥工業中得到了廣泛的應用。隨著果膠研究的不斷深入,果膠還被應用于益生菌包埋、藥物遞送、食品保藏等方面[16]。果膠的功能特性和應用在很大程度上受其結構的影響[17]。本文綜述了果膠的部分功能特性和應用,以期為進一步拓展果膠的功能特性以及應用提供理論支持。

1 健康益生應用

1.1 控制脂質消化

近年來研究發現,肥胖人群由于攝入了過多的脂肪,具有更高的冠心病、高血壓、中風、糖尿病和癌癥等疾病發生風險[18]。已經有文獻證明,果膠類的多糖可以控制脂質的消化[19]。因此,通過飲食干預來降低肥胖相關疾病的發生風險是一種切實可行的措施。果膠對脂質消化的影響取決于多糖的分子特性,如分子量、酯化度和疏水性基團等[20]。果膠溶液的粘度隨分子量的增加而增加[21],增加果膠溶液的黏度,能夠改變消化液的粘度,對脂質的運動和物質傳遞產生阻礙。Xu等[22]發現將果膠添加到乳液體系中抑制了最終脂質的消化。Cervantes-Paz等[23]報道,高分子量和高粘度的果膠能夠提高胃腸道消化介質的粘度,延緩脂質的運動,有助于抑制脂質消化。果膠分子量可顯著影響脂質消化外,果膠酯化度也與脂質的消化有關。Espinal-Ruiz等[24]在模擬胃腸的條件下,比較柑橘、香蕉西番蓮果膠對脂質消化的影響,發現消化體系中果膠的性質(分子量和酯化度)決定了脂質的消化;隨著果膠分子量和酯化度的提高,脂質的消化率和消化程度均有所下降;高酯果膠與脂質液滴相互作用,抑制了脂肪酶與脂質液滴的接觸,從而降低了脂質消化;而低酯果膠攜帶較多負電荷,可以與脂質產生靜電排斥,使得脂肪酶易與脂質接觸,促進了脂質的消化;同時還發現酯基增加了體系的疏水性,使得果膠與膽鹽結合,最終降低脂質消化。Verrijssen等[25]也發現,果膠攜帶的疏水性基團使其能夠吸附在脂滴表面,進而形成保護層,減少脂滴與脂肪酶的接觸。另外,果膠的中性糖側鏈還可提供空間穩定性,防止脂滴的聚集,從而抑制脂質消化[26]。據報道,在果膠存在的條件下,果膠的甲氧基與脂滴相互作用,可能會出現絮凝等現象。與非絮凝的體系相比,液滴的絮凝減少了脂滴有效表面積,阻礙脂肪酶與脂滴表面的接觸,從而抑制了脂質的消化[27]。當體系存在陽離子(如Ca2+)時,果膠與陽離子形成凝膠,減少脂滴的表面積,從而減少了脂質的消化[28]。

在消化過程中,果膠還可以作為基質與消化酶的屏障,抑制脂肪酶的活性,從而降低脂質消化[29]。Tsujita等[30]發現,分子量為90 kDa的果膠可顯著抑制脂肪酶的活性,并將此結果歸因于果膠抑制了脂肪酶在乳液界面的吸附。然而,Edashige等[31]發現,分子量較高的果膠(>300 kDa)對脂肪酶活力有較強抑制作用,而分子量<300 kDa的果膠抑制作用相對較弱。同時,果膠與脂肪酶還存在競爭性抑制作用,脂肪酶優先與果膠結合,形成果膠-脂肪酶復合物,進而呈現出抑制脂肪消化的效果[14]。除了直接與脂肪酶結合抑制其活性外,果膠中的羧酸殘基也可以使脂肪酶活性部位質子化,抑制脂肪酶活性[32]。綜上所述,果膠的分子量、酯化度影響消化體系的粘度、穩定性以及脂肪酶的活性,影響脂質的消化性質。果膠分子量對脂肪酶活性的影響還存在爭議,因此探究果膠分子量對脂肪酶活性的影響是未來研究的重點。

1.2 控制膽固醇代謝

膽固醇不僅是身體不可缺少的營養成分,還是合成許多重要物質(細胞膜、膽汁酸)的原料[33]。但是過高和過低的膽固醇水平均不利于人體健康,因此控制膽固醇的代謝具有非常重要的意義。膽固醇的代謝主要在肝臟中進行,體內過多的膽固醇通過排泄膽汁酸/鹽和游離膽固醇來實現[34]。有研究報道,果膠等可溶性膳食纖維可有效控制膽固醇的代謝,主要通過以下三種機制降低膽固醇的代謝[35],a:增強膽汁酸的排泄,抑制的膽汁酸的重吸收;b:降低葡萄糖吸收速率,減少胰島素的產生,進而降低酶的活性,減少膽固醇的合成,從而降低膽固醇的吸收;c:在結腸中發酵產生的短鏈脂肪酸抑制肝臟中膽固醇合成。Theuwissen等[36]發現,果膠類可溶性膳食纖維可增強膽汁酸的排泄,從而降低血清膽固醇水平(機制a)。賴富饒等[37]通過小鼠體內實驗發現,豆皮果膠多糖可增加膽固醇和膽酸的排泄,并發現小鼠排泄的總膽固醇和總膽酸與豆皮果膠多糖的劑量呈正相關(機制a)。Rubio-Senent等[38]發現,從橄欖生產的廢水中提取的果膠在體外有良好的結合膽汁酸的能力,并抑制葡萄糖在胃腸道的吸收(機制b)。Dongowski等[39]發現,果膠等可溶性膳食纖維在腸道中發酵產生的短鏈脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸等),抑制肝臟膽固醇合成(機制c)。

果膠的粘度、酯化度、分子量等物理化學特性決定了降低膽固醇的能力。Terpstra等[40]研究了不同粘度果膠對膽固醇的代謝的影響,發現高粘度的果膠具有更強的降低膽固醇的能力,表明果膠可以與膽固醇或膽汁酸結合形成凝膠,改變膽汁酸腸肝循環,促進膽固醇或膽汁鹽的排泄,減少膽固醇或膽汁鹽的重吸收,從而達到降低膽固醇的目的。Brouns等[41]研究了不同酯化度果膠對降低膽固醇的影響,發現高酯化度果膠降低膽固醇的效果更好。增加果膠酯化度,能夠提高果膠的疏水性,同時降低果膠攜帶的負電荷,增加的非極性基團通過疏水引力提高了果膠與膽汁鹽的結合,從而能夠促進膽固醇和膽汁鹽的排泄[42]。此外,研究發現,果膠降低膽固醇作用隨著果膠分子量的增加而增強。Yamaguchi等[43]發現,大分子果膠能有效降低大鼠血漿膽固醇。Terpstra等[44]發現,食用大分子量果膠比低分子量的果膠更能有效地降低血漿膽固醇水平。

1.3 預防癌癥

近年來,盡管化療、放療、免疫治療和基因治療不斷改進,但是與癌癥相關的死亡人數仍然不斷增長[45]。根據2018年世界衛生組織的數據,每年全世界約有960萬人因癌癥死亡。研究表明,果膠具有較好的預防癌癥的功效。果膠的預防癌癥特性主要是具有免疫保護、促進益生菌生長、抑制腫瘤生長和抑制致癌基因等方面的作用[45-46]。Chanoh等[46]報道,韓國紅參果膠能夠增強T細胞的免疫功能,并抑制髓源性細胞的活性。Wang等[47]通過實驗發現,積雪草果膠中的羧基和乙?；烧{節T細胞和B細胞的免疫活性。Cheng等[48]發現,富含HG的果膠誘導癌細胞的生命周期在G2/M停滯,從而抑制HT-29細胞的增殖。果膠在結腸中可被發酵成短鏈脂肪酸,可以調節腸道菌群,降低結腸的pH,調節結腸隱窩中蛋白凋亡,生成促進結腸細胞隱窩生長的丁酸鹽,影響半乳凝素網絡,誘導癌細胞發生凋亡[49-50]。向小鼠飲食中添加果膠并用丁酸鹽處理大鼠的腸道細胞發現,結腸癌細胞生長受到抑制,并被誘導凋亡[51]。

相比天然未經修飾的果膠,果膠改性后鏈長(分子量)、酯化度降低,果膠溶解性提高,可影響血液中果膠的濃度、吸收和排泄,此外,改性果膠也增加了RGI區域的藥效基團數量,因此改性果膠有更好的抗腫瘤效果[52-53]。改性果膠抗腫瘤主要機理為:抑制腫瘤細胞轉移、生長以及提高癌細胞凋亡等方面。Pienta等[54]利用pH-改性的柑橘果膠飼養大鼠,發現改性果膠能顯著抑制大鼠前列腺癌細胞的肺轉移。Glinsky等[55]發現,pH-改性的果膠對腫瘤生長、轉移和血管生成具有抑制作用。黃志良等[56]研究表明,改性柑橘果膠可抑制結腸癌肝轉移。Jackson等[15]發現,熱改性的柑橘果膠可以調節前列腺癌細胞周期,對癌細胞表現出很強的抑制效果。張燕燕等[57]通過pH-改性法和熱改性法對甘薯果膠進行改性,發現改性的果膠可以有效的抑制癌細胞的增殖。

腫瘤生長和轉移與新生血管的關系密切,血管的形成是腫瘤細胞持續生長的基礎,因此抑制腫瘤血管的生成可從根本上抑制腫瘤細胞的生長及轉移[58]。半乳凝集素-3(Galectin-3,Gal-3)在腫瘤血管生長和轉移起著非常重要的作用,其表面的糖識別區能與細胞表面受體結合,促進血管的生成[59]。果膠通過影響Gal-3與細胞結合,減少血管的生成[60]。體外實驗中發現,低分子量柑橘果膠可抑制血管的生成[61]。在體內實驗中,口服低分子量柑橘果膠可以阻止多種腫瘤細胞轉移以及轉移灶血管的生成[62]。果膠結構尤其是分子量對發揮果膠抗癌特性至關重要。今后果膠的分子量改性研究應是研究的重點方向,而且應該對果膠結構進行“定制”,充分發揮果膠的抗癌作用。

1.4 益生元

果膠低聚糖(Pectic oligosaccharides,POS)是果膠解聚后產生的寡糖,主要包括阿拉伯低聚糖、低聚果糖等[63]。果膠低聚糖可調節腸道菌群,對宿主產生有益作用,因而被認為是一種新型的益生元[64-65]。與果膠相比,由果膠制備的低聚糖可有效抑制梭狀芽孢桿菌和擬桿菌的生長,減少外毒素和侵襲性酶類的分泌,還具有免疫調節、抗潰瘍以及減少乳糖不耐受等生物活性[64,66]。從蘋果渣中提取的果膠低聚糖具有益生作用,有助于形成健康的胃腸道環境[67]。王江浪等[68]利用蘋果渣制備果膠低聚糖,發現果膠低聚糖可抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長。Chen等[69]采用動態高壓微射流處理蘋果渣得到果膠低聚糖,通過糞便發酵結果發現,與果膠相比,果膠低聚糖增加了雙歧桿菌和乳酸菌的數量,并產生了大量的乙酸、乳酸和丙酸。Manderson等[70]通過糞便發酵實驗發現,柑橘果膠低聚糖促進糞便微生物的繁殖,還可使直腸桿菌數量增加,并促進大量丁酸鹽的產生。酶處理柑橘果膠獲得的水解產物促進了畢氏桿菌和嗜酸乳桿菌的生長以及耐酸性[64]。Michalak等[71]報道了馬鈴薯果膠低聚糖具有益生活性,發現低聚糖促進了雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌的生長,并抑制了產氣莢膜菌的生長。

果膠低聚糖的來源、結構(結構域、分子量、酯化度)決定了其功能特性。相比果膠和商業低聚果糖,從甜菜漿和檸檬皮中提取的果膠低聚糖有更好的益生特性[72]。體外糞便培養實驗發現,甜菜果膠低聚糖促進了畢氏桿菌的生長,而檸檬皮果膠低聚果糖促進了乳酸桿菌的生長,兩者對有益菌的增強效果強于低聚果糖。Thomassen等[73]發現,與低聚果糖相比,原始馬鈴薯纖維與經酶處理馬鈴薯纖維分別被類桿菌和雙歧桿菌選擇利用。富含RGI、半乳糖側鏈和HG的高分子量馬鈴薯纖維更易被雙歧桿菌利用。富含低聚糖的原馬鈴薯纖維更易被類桿菌利用。而Al-Tamimi等[74]采用8個甜菜阿拉伯低聚糖組分用于人體腸道細菌,發現與阿拉伯聚糖或高分子量組分相比,低分子量的阿拉伯低聚糖更容易被雙歧桿菌利用。早期Olano-martin等[75]利用酶法分別處理高酯果膠(66%)、低酯果膠(8%),分別得到了POS、POSI、POSII,經體外發酵實驗發現,低酯果膠和POSI中雙歧桿菌的增長速度高于高酯果膠和POSII。表1歸納總結了果膠的不同功能特性及其作用機理。

2 食品應用

2.1 作為益生菌的遞送材料

近年來,益生菌食品是科研人員研究的熱點。但是人體的胃腸道環境(酸性、消化酶),不利于益生菌的生長,甚至造成益生菌原有功能的喪失。果膠的多糖鏈和疏水性基團(蛋白質、阿魏酸、乙酰基)賦予了其雙親性[10],因此果膠可用于制備乳液包埋益生菌。此外,果膠鏈之間通過形成氫鍵(高酯果膠)和靜電相互作用(低酯果膠)可形成三維網狀凝膠,將益生菌包裹在其中,抵抗胃腸道的不利環境,因此也可用做載體遞送益生菌[17,76-77]。Zhang等[78]利用甜菜果膠乳液增強唾液乳桿菌在胃腸道中的存活率,通過鈣離子交聯甜菜果膠制備的乳液進一步提高了模擬胃腸道消化條件下唾液乳桿菌的生存能力。Gebara等[79]發現,在胃腸液中,果膠包埋的嗜酸乳桿菌比非包埋的嗜桿菌活力高。目前,果膠遞送益生菌主要為唾液乳桿菌[78]、嗜酸乳桿菌[79]、德氏乳桿菌[80]、植物乳桿菌[81]、雙歧桿菌[82]、干酪乳桿菌[83]和凝結芽孢桿菌[84]等。

表1 果膠的不同特性及效果Table 1 Different characteristics and effects of pectin

果膠側鏈上的酯基和酰胺基分布不均給“蛋盒模型”的形成產生不良影響,導致果膠交聯能力、機械性能變差,空隙率提高,阻礙了其在益生菌的靶向遞送中的應用[85]。為了解決上述問題,目前常通過添加來源豐富、價格低廉的天然來源的物質(米糠、蛋白質、多糖等)作為填充劑,以提高果膠在輸送益生菌過程中的保護效果。Chotik等[81]添加米糠到果膠溶液中制備微膠囊,結果表明,米糠增強了果膠微膠囊的凝膠網絡的交聯能力和機械性能,提高了植物乳桿菌對胃腸道環境的抵抗能力。Guerin等[82]研究了在模擬胃液環境中藻酸鹽、果膠和乳清蛋白混合凝膠對雙歧桿菌的保護作用,發現雙層包埋材料降低了果膠的多孔性,提高了機械強度,增強了菌株在胃條件的生存能力。Bepeyeva等[83]利用果膠和殼聚糖制備凝膠珠,制備的凝膠珠形狀規則,機械性能好。結果表明,果膠殼聚糖凝膠珠對干酪乳桿菌在胃腸道環境中有良好保護作用。此外,還可利用生物納米材料提高果膠遞送的益生菌活性。Khorasani等[84]制備了細菌納米纖維素和果膠的生物復合材料,增強包埋材料的穩定性能,提高了益生菌在胃腸道環境(94.76%)和微波干燥的存活率(99.3%)。相比單獨使用果膠,果膠和細菌納米纖維素的組合能夠更有效地保護益生菌。將淀粉和羧甲基纖維素鈉摻入果膠-細菌納米纖維素復合材料中,在胃腸道的條件下實現對凝結芽孢桿菌的有效保護[86]。果膠-天然材料(米糠、蛋白質、多糖等)解決了單一果膠在益生菌的靶向遞送中的應用缺陷。此外,進一步拓展果膠與其他天然材料在遞送過程的應用也是今后研究重點方向之一。

2.2 作為活性包裝材料

隨著人們對自然和生態友好型技術的重視,可持續食品包裝材料受到人們的廣泛關注[87]。傳統的塑料包裝材料易對環境造成污染,用生物聚合物生產的包裝材料日益成為傳統包裝材料的替代品[88]。由于果膠能與多價金屬陽離子如(Ca2+)反應,形成不溶性聚合物,因此果膠也可用于食用包裝中[89]。在食品保鮮領域,果膠不僅可用于包裝材料,還可以作為抗菌劑、抗氧化劑和其他相關化合物的載體分子[90]。

單一的果膠薄膜存在機械強度弱、阻隔性能差等方面的缺陷。為了解決上述缺陷,采用添加多糖以改善果膠薄膜的性質。Medeiros等[91]利用果膠與殼聚糖一同制備的納米多層膜用于預防芒果腐爛變質,與未涂膜的芒果相比,納米涂膜的阻隔特性使涂膜的芒果防腐效果更好。納米涂膜的低透氧性有助于芒果的延長保質期。陳妮娜等[92]以果膠和海藻酸鈉為基材,添加甘油和脂質制備復合膜,經過Ca2+交聯得到的海藻酸鈉-果膠改性復合膜的阻隔性能、機械性能以及抗水特性有顯著的提高。除添加多糖外,對果膠進行改性也可改善果膠薄膜的性質。Calce等[93]采用脂肪酸對果膠進行改性,發現將改性果膠可以捕獲氧氣,減少氧氣透過薄膜。此外,還發現改性果膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現出抗菌作用。然而,天然的果膠并不具備抗菌性,因此,果膠作為活性分子的載體并轉化為功能性生物聚合物。Sanchís等[94]使用蘋果果膠與抗菌劑和抗氧化劑組合有效地抑制鮮切柿子的褐變以及細菌,酵母菌和霉菌的生長。果膠和木瓜泥為基礎制備復合肉桂醛納米乳液抗菌薄膜,拓展了納米可食用性薄膜的應用[95]。

表2 果膠作為益生菌運載體和活性包裝材料的應用Table 2 Application of pectin as probiotic carrier and active packaging material

果膠還可以應用于食品包裝中制作納米復合材料[96]。蘇東林等[97]優化了柑橘果膠和銀納米離子制備工藝,得到形狀規則的果膠銀納米粒子。果膠和銀納米顆粒制備的納米復合膜對大腸桿菌和李斯特菌的抗菌效果十分顯著[98]。Balachandran等[99]在堿性條件下合成了果膠銀納米粒子,并發現納米顆粒的抗大腸桿菌活性與抗菌藥物氨芐西相似。表2中列出了果膠作為益生菌遞送材料和活性包裝材料的部分應用。

7 結論與展望

果膠功能特性多樣,可作為天然大分子膠體和可溶性膳食纖維而廣泛應用于食品及醫藥保健品行業中。本文在前人的基礎上,為進一步開發利用果膠資源,擴大果膠的應用范圍,提出以下研究建議:果膠的分子量、酯基等結構對脂質、膽固醇代謝和抗癌作用的影響結果不一致,應尋找更廣闊的果膠來源,更有效、更有針對性的改性果膠方法,以擴大果膠的在控制脂質、膽固醇代謝和抗癌作用的應用探究,解決果膠理化性質與脂質、膽固醇代謝和抗癌作用之間的關系。目前,用于抗癌的改性果膠主要是柑橘果膠,應該進一步開發其它改性技術或改性果膠(甘薯)用于抗癌。此外,還需開發更多果膠低聚糖來源,可解決果膠低聚糖的來源相對較少的問題,例如甜菜和檸檬皮果膠。單一的果膠制備的凝膠或薄膜來遞送益生菌或者用作活性包裝材料還存在機械性能弱、阻隔性能差等問題。添加多糖、蛋白質、生物納米材料解決上述問題,同時也可發揮添加物的有益作用。綜上所述,為更好發揮果膠的功能應用,通過拓展果膠來源、開發不同的加工方法以及“量身定制”果膠結構,以解決人們對不同果膠性能的需求,從而使果膠更好為人類服務。