果膠的功能特性及其應用研究進展

劉少陽，盧培培，李育鎧，李明麗

（1.漯河醫學高等專科學校，河南漯河 462000；2.國家肉制品質量監督檢驗中心，河南漯河 462000）

0 引言

果膠是植物原細胞壁的重要組成部分，構成相鄰細胞的中間層，把植物組織緊密結合在一起。1825年，法國科學家Henri Braconnot首次從蔬菜中分離出了果膠，并命名為“果膠酸（pectin-acid）”。作為一種天然糖類高分子聚合物，果膠的良好功能特性受到人們的關注，經眾多學者不斷研究，果膠在食品、醫藥行業得到廣泛應用。果膠的生產原料易得，目前商品果膠主要以蘋果皮、檸檬皮、柑橘皮等為原料。

1 果膠的結構

果膠廣泛存在于高等植物中，以原果膠、果膠和果膠酸形態分布在植物的果實、根、莖和葉各器官中。果膠的分子量介于1～40萬[1]，化學結構和分子量與其來源、組織部位、成熟程度、提取方法等有關。果膠分子結構由主鏈和側鏈2個部分組成：主鏈由長而連續、平滑的α-1,4-連接的D-半乳糖醛酸單元的直鏈形成的高聚半乳糖醛酸（homogalacturonan，縮寫作HG） 部分構成，側鏈由短的呈毛發狀的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖（rhammogalacturonan，縮寫作RG） 部分構成[2]。

2 果膠的理化性質

果膠是一種復雜的多糖，純果膠呈白色或淡黃色的粉末狀，略有異味。果膠不溶于乙醇、丙酮、乙醚等有機溶劑，溶于甘油。

2.1 酯化度

果膠酯化程度，也稱為果膠的甲氧基化，是指果膠中甲酯化、乙酰化和酰胺化的比例之和。根據果膠甲氧基的含量不同，果膠可分為高甲氧基果膠（高酯果膠或HM-果膠，酯化度高于50%，相當于甲氧基含量7.0%～16.3%） 和低甲氧基果膠（低酯果膠或LM-果膠，酯化度低于50%，相當于甲氧基含量≤7%）[3]；部分學者根據甲酯化程度將果膠分為3種果膠：全酯化多聚半乳糖醛酸果膠、速凝果膠（甲酯化程度達70%） 和慢凝果膠（酯化程度在50%～70%）[4]。

酯化程度隨果膠質量、來源和提取過程的不同而變化[5]。有研究發現，同種山楂經不同方法提取[6]：酶輔助法、超聲輔助熱水提取法、熱水浸提法，這3種方法所提取的果膠酯化度分別是94.9%，86.2%，83.6%，其中酶輔助法所提取的果膠酯化度最高；同時，有研究發現，不同來源果膠，即檸檬和大豆經同種方法處理后，酯化程度差異顯著，前者酯化度達74.61%，后者僅為32.01%[7]。

2.2 凝膠性

膠凝度是衡量果膠形成凝膠的能力大小，即一份果膠能與多少份糖制成具有一定強度和質量的果凍的能力。一般情況下，膠凝能力隨著甲氧基含量的增多而增高[8]。在溫度、糖酸比例適宜的條件下，當高甲氧基果膠中甲氧基含量大于8.2%時，即能形成凝膠，而甲酯化程度較低的低甲氧基果膠則不能[9]。由于高甲氧基果膠僅在可溶性固形物占比55%以上和pH值2.0～3.5時才能膠凝，因此常用于高糖類食品的生產；而LM-果膠在Ca2+或其他二價陽離子存在下有糖或無糖均能形成性質優良的凝膠，且具有獨特的藥用價值，具有廣闊的市場前景[10]。

總之，果膠凝膠化的大小取決于分子中羧基被甲氧基化的程度和分子量。甲氧基化程度越高，分子量越大，膠凝能力越強，反之則弱。

3 果膠的功能特性

3.1 降血脂

研究發現，果膠能夠有效降低血脂。人體內含高密度脂蛋白和低密度脂蛋白，其中低密度脂蛋白是對人體有害的，高密度脂蛋白是對身體有益的。果膠則能降低低密度脂蛋白的含量，同時又不影響高密度脂蛋白的含量[11]。李茂言等人[12]研究了蕎秸果膠對高脂血癥大鼠調脂作用，研究顯示蕎秸果膠大劑量組可降低血清 TG，大、中、小3個劑量組均可降低血清 TC，HDL3-C，LDL-C的水平，大劑量組可明顯提高HDL2-C的含量。Kelley J J等人[13]采用C14標記膽固醇，結果顯示，攝入果膠、瓜爾膠、車前子膠均可使肝中膽固醇吸收下降，但只有果膠可使血漿中膽固醇吸收下降。

3.2 抗癌

近年來，癌癥患者呈現上升趨勢，且越來越年輕化，開發新的抗癌藥物和治療方法顯得越發重要。凋亡機制在腫瘤監測中起著重要作用，誘導細胞凋亡可以抑制腫瘤細胞的發展，現代醫學研究表明，蘋果中的果膠具有一定的抗癌特性[14]。果膠酸對腫瘤細胞和原發腫瘤有一定抑制作用，其作用機理主要是誘導細胞凋亡[15]。經高溫和pH值處理后，果膠在各種腫瘤（如黑素瘤、前列腺癌、結腸癌、乳腺癌）和多發性骨髓瘤中表現出體外化學預防作用[16-17]。前列腺癌細胞的雄激素反應是設計合適治療方案的重要依據，Jackson C L等人[18]通過試驗發現經熱處理的果膠（FPP） 能夠誘導雄激素反應性（LNCaP） 和雄激素無關性（LNCaP C4-2）前列腺癌細胞的凋亡。果膠中特定的結構元素對其凋亡活性起著重要作用，而這種結構可以通過CP的熱處理產生或富集。這些發現為果膠凋亡活性的機理研究提供了基礎，也為果膠基抗癌化合物的開發提供了依據。

3.3 抑菌

目前，普遍認為腸道是果膠及其衍生物的有益作用部位，其可能會改變腸道菌群的組成。Tazawa K等人[19]通過研究發現，蘋果果膠在腸道中具有非常重要的抗炎作用。Martinov J等人[20]發現，蘋果果膠寡糖在芬頓反應中產生二氧化碳自由基陰離子，抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長。王巍等人[21]對山楂果膠寡糖的抑菌性能及其作用機理進行研究，結果表明，平均聚合度為3的果膠寡糖對所測試的菌株有最顯著的抗菌作用，特別是大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌的抑菌作用最為顯著。研究表明，果膠寡糖的抑菌性是由于其對細菌細胞膜的滲透性和完整性的破壞，導致內容物泄漏，從而影響其代謝活性并抑制細菌生長。適度水解的柚皮果膠對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌均有顯著的抗菌活性[22]，但對三葉木通果皮果膠的抑菌研究中發現其并沒有抑菌和殺菌作用[23]。因此，不同來源的果膠可能存在差異，這些差異導致所提取出的果膠功能有所不同。

4 果膠的應用

4.1 食品

4.1.1 烘焙

在面制品加工工藝中，水溶性親水性聚合物膠體可用作面條食品改良劑和各種面包保水劑。果膠是高度親水性膠體，可以溶解在冷水中并快速水合形成高黏度的分散體，因此在蛋糕中加入果膠可以改善其吸水性[24-25]。并且果膠能改變淀粉老化的進程，進而改善蛋糕的口感。在蛋糕的生產中發現，面粉中加入適量的果膠可以增加蛋糕的比體積，提高蛋糕糊的穩定性，并防止蛋糕老化、保持口感松軟。果膠蛋糕可以長時間保持松軟[26]，因此果膠能夠有效延長面包架售時間。

冷凍影響面包的質量，酵母的活性降低并且面團的強度降低。添加果膠可以改變面包的質量，通過比較新鮮面包和冷凍面包，添加果膠的面團在最大拉伸強度方面有顯著改善，因此可以判斷，果膠的添加對酵母具有良好的保護作用[27]。

4.1.2 食品添加劑

果膠可用作飲料的增稠劑和穩定劑。通過向果汁飲料中添加適量的果膠溶液，可以懸浮果肉而不分層，使之保持較好的外觀，并且改善口感[28]。果膠可增加鮮奶的黏度，防止牛奶變酸，果膠的保護性膠體特性在含酪蛋白的兒童食品或兒童乳中的生產中具有特殊價值[29]。將適量果膠加入兒童飲用的牛奶中，可以使沉淀的酪蛋白變成細小的膠粒，易被兒童消化吸收[30]。

不同類型的果膠具有不同的作用。例如，在酸奶的生產中，加入高酯果膠能穩定酸奶的結構，加入低甲氧基果膠則能防止乳清的析出[31]。與淀粉和其他植物膠對比，以果膠為穩定劑的水果酸奶具有極好的風味和質地[10]。如果生產果醬時原料中的果膠含量較低，可以加入果膠作為增稠劑。

4.2 醫藥

果膠具有止瀉、抗癌、降低膽固醇，抑菌、解毒、預防膽結石形成等作用，可單獨使用或與其他藥物聯合用于治療某些疾病，延長藥物在體表的停留時間。果膠和其他膳食纖維一樣，不能在胃腸道內被消化，所以進入消化道后依然能夠保持其膠體活性。在口服常規制劑后，藥物在到達結腸之前就會被吸收，無法對病變部位起作用。因此，可以以果膠為載體，單獨或與其他賦形劑組合配制成軟膏、薄膜、栓劑、微膠囊等藥物。

研究表明，酸性和鈣化果膠在藥物靶向系統中應用較廣。果膠可以應用到結腸靶向給藥系統中，它們僅能被結腸菌群所產生的果膠酶降解，這一特性可以很好地保護藥物通過胃和小腸，從而在結腸部位釋放，發揮藥物作用[32]。果膠鉍是一種由果膠與鉍生成的復合物，可以用來治療慢性胃炎，阿莫西林聯合果膠治療慢性萎縮性胃炎可以提高療效，減少副作用的發生[33]。柑橘果膠是一種水溶性聚合物，具有良好的生物降解性，可用于制造薄膜。該薄膜在食品和藥品的涂層、包封和增稠方面具有潛在的應用價值[34]。

4.3 果膠在動物營養中的作用

動物的腸道中存在分解和發酵果膠的酶，在果膠分解后，形成揮發性脂肪酸（主要是乙酸），其在被動物體吸收后可以轉化為能量[35]。飼料通常含有非淀粉多糖，其不能被單胃動物降解。果膠是一種非淀粉多糖，直接影響單胃動物對植物性食物的營養利用，是單胃動物的抗營養因子[36]。但添加果膠可降低豬（單胃動物）從消化道向淋巴吸收膽固醇和甘油三酯的速度。這表明果膠可以結合食物中的膽固醇和脂肪在消化道中，通過這種方式，可以減少進入淋巴的膽固醇量[37]。與單胃動物相比，果膠對反芻動物瘤胃環境的穩定性具有調節作用。果膠可以在瘤胃中快速分解，形成半乳糖醛酸，抑制酸性乳酸菌的發酵，使瘤胃液的pH值升高[35]。

4.4 其他應用

果膠可提高土壤中養分的含量，提高養分利用率，增加土壤中有效態的重金屬含量，減少重金屬從植物根部到上部的轉運，促進植物生長[38]。根據果膠的結構特征，在甘蔗汁的絮凝和沉淀過程中添加少量混合果汁（果膠含量0.10%～0.13%）代替聚丙烯酰胺，沉淀和過濾的速度顯著加快，隨著混合汁量的增加，澄清果汁的純度增加，表明混合果汁中的果膠有絮凝作用[39]。試驗發現，通過水解天然柑橘果膠獲得的低分子量柑橘果膠可以在胃腸道中形成保護膜并滲透到血液中以促進酒精降解[40]。果膠可用于制作食品的可食性包裝膜，該薄膜可被生物降解，且易于回收利用[41]。采用膠凝技術，在海藻酸鈉中加入羅望子果膠，合成食用水球，其對DPPH·的清除率為40%，超過維C對DPPH·的清除率[42]。

5 結語

果膠所具有的獨特理化性質和功能特性，使其在工業生產中得到廣泛的應用。統計顯示，我國每年消耗果膠1 500 t以上，其中約80%需要從國外進口[43-44]，且進口果膠價格昂貴。因此，充分利用我國豐富的果膠資源生產出優質果膠，滿足國內市場需求，同時增加果膠產量、改善果膠提取技術、提高果膠質量是我國果膠產業發展的核心所在。隨著食品加工技術的提高和社會的不斷進步，果膠的潛在功能特性與應用方法也將會被進一步的開發，果膠加工的生產效率、工藝水平和產品質量與安全性將得到進一步提高。探索其他來源的果膠或修改現有的果膠，從而獲取所需品質特性的果膠，生產出優質果膠，滿足國內外市場需求，成為研究者的一個重要方向。