改性果膠的研究及應(yīng)用

杜余毅，秦偉帥，周 濤，吳 澎*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，山東泰安 271018；2.泰山學院生物與釀酒工程學院，山東泰安 271000；3.山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院，山東泰安 271018）

果膠是一個種類繁多的生物聚合物家族，由多個D-半乳糖醛酸通過α-1,4 葡萄糖苷鍵連接而成。它們被廣泛用作乳化劑、膠凝劑、上光劑、穩(wěn)定劑和增稠劑[1]。然而，隨著天然果膠研究的不斷深入，其弊端也日益顯現(xiàn)。天然果膠膜的機械、阻隔和耐濕等性能與現(xiàn)在商用膜的性能需求相差甚遠[2]；因此，近年來研究者加大了改變果膠結(jié)構(gòu)和改善果膠性能方面的研究。果膠改性是指天然果膠經(jīng)處理后，果膠分子上引入了新的官能團或改變了果膠分子大小和果膠微粒性質(zhì)，從而改變其特性。如采用超聲和高壓方式改性柑橘果膠，能使其產(chǎn)生更好的包裹功能[3]；采用酶法改性低甲氧基果膠，能使其乳狀液表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性[4]；采用酸堿水解法修飾柑橘果膠，能提高其對藥物的包封性[5]。可見，改性果膠的研究與應(yīng)用已深入食品、醫(yī)藥等各個領(lǐng)域。本文就改性果膠的研究進展進行了綜述，總結(jié)了改性果膠的結(jié)構(gòu)特性、改性方法及功能特性，分析了當前存在的問題，提出了研究及應(yīng)用建議，并對果膠改性的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 果膠結(jié)構(gòu)

果膠由至少17 種不同的單糖組成，其中半乳糖醛酸含量最高，其次是L-阿拉伯糖、D-半乳糖、鼠李糖和其他單糖。這些單糖可以通過20 種不同的連接方式相互連接[6]，包含了三個區(qū)域：同型半乳糖醛酸（HG）、鼠李半乳糖醛酸-I（RG-I）和鼠李半乳糖醛酸-II（RG-II），如圖1 所示。HG 是α-1,4 葡萄糖苷鍵連接而成的線性均聚物[7]，它可以在O2或O3下O-乙酰酯化；在C2或C3位，半乳糖基可以被木糖或疏水糖殘基取代，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)域分別被稱為木糖或疏水半乳糖醛酸。這些生物合成修飾改變了同型半乳糖醛酸結(jié)構(gòu)域的功能特性[8]。RG-I 由許多α-1,2-糖苷鍵連接鼠李糖與半乳糖醛酸的重復(fù)單元組成[9]，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其半乳糖醛酸殘基不是甲酯化的，可能是O-乙酰酯化的[10]。在大多數(shù)情況下，該結(jié)構(gòu)域中20%～80%的鼠李糖殘基在C4位被中性糖側(cè)鏈取代。中性糖側(cè)鏈連接到鼠李糖殘基的C2、C3和（或）C4位置也是可能的[11]。RG-Ⅱ大約有9 個α-1,4-連接的半乳糖醛酸單元，它是一個高度保守且分布廣泛的結(jié)構(gòu)域[8]。

圖1 果膠結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of pectin

基于果膠三個區(qū)域基團的替代與轉(zhuǎn)變，果膠結(jié)構(gòu)的變化見表1，如表1 所示，果膠結(jié)構(gòu)變化主要有烷基化、酰胺化、磺化、巰基化、乙烯化、接枝等。

表1 改性果膠結(jié)構(gòu)變化Table 1 Structural changes of modified pectin

2 果膠改性方法

天然果膠因其乳化性能有限及力學性能、阻隔性能較差等問題，限制了其應(yīng)用[18]。通過改性可以解決這些問題從而提高應(yīng)用價值。目前，果膠改性的方法主要有物理改性、化學改性、酶法改性和復(fù)合改性等。

2.1 物理改性

2.1.1 超聲處理

超聲是一種新興的綠色非熱技術(shù)，因其在提高食品質(zhì)量、縮短加工時間等方面的優(yōu)勢，在食品工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。空化是超聲改性的主要機理，在超聲波作用下多糖糖苷鍵的斷裂與空化泡迅速破裂引起的高剪切力密切相關(guān)[19-20]。超聲頻率在很大程度上決定溶液的空化產(chǎn)率從而影響果膠改性。其次，影響果膠改性的因素還有功率強度、溫度、處理時間、頻率模式和占空比。精確控制這些參數(shù)對于超聲技術(shù)改性果膠至關(guān)重要。采用超聲的方法對覆盆子果膠進行改性，提高了其總酚含量和半乳糖醛酸含量，降低了中性糖含量和甲酯化程度，具有良好的抗氧化活性[21]。也有研究發(fā)現(xiàn)，可以通過控制超聲的單雙頻模式以改變果膠性質(zhì)，與單頻模式下超聲改性的果膠相比，雙頻模式能有效地提高果膠的熱穩(wěn)定性，顯著降低果膠的剪切變稀流體行為和類液體性質(zhì)[22]。除了超聲頻率等超聲處理因素影響果膠改性外，果膠所處的外部環(huán)境因素（pH、溫度等）也對果膠改性具有重要影響。在不同pH 值下對柑橘果膠進行超聲處理，柑橘果膠結(jié)構(gòu)和流變特性都發(fā)生變化。特別是在高pH 條件下的超聲處理，果膠的流變特性發(fā)生了明顯變化[23]。綜上所述，超聲可以高效地降解和改性果膠。然而，不可忽視的是，目前需要更好地設(shè)計和開發(fā)大型超聲反應(yīng)器，以實現(xiàn)果膠等聚合物的超聲降解和改性的產(chǎn)業(yè)化。

2.1.2 高壓處理

高壓是一種新的非熱技術(shù)，在果膠加工中引起了廣泛的關(guān)注。高壓可以改變果膠的結(jié)構(gòu)，致使果膠改性。高壓對果膠的改性程度取決于果膠所處環(huán)境、壓強大小以及保壓時間。研究發(fā)現(xiàn)，無論是采用高壓靜壓還是高壓均質(zhì)的方式對馬鈴薯皮廢果膠進行處理，都會引起馬鈴薯皮廢果膠側(cè)鏈的降解，從而使果膠半乳糖醛酸含量增加、黏度增加、酯化度和分子量降低，乳化性能得到改善[24]。在450 MPa 條件下對甜菜果膠進行不同時間的處理，改性果膠分子量顯著降低，酯化度和乙酰化度顯著升高；特別是在高壓處理30 min 時，其乳化活性和乳化穩(wěn)定性得到顯著提升[25]。在不同壓力下動態(tài)高壓微流態(tài)化對黑櫻桃番茄廢料果膠進行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改性果膠在自身主要結(jié)構(gòu)未發(fā)生降解的情況下，黏度顯著降低，彈性增加，具有良好的流動性和稠度[26]。

2.2 化學改性

2.2.1 酸堿處理

酸堿處理已被廣泛用于制備改性果膠。20 世紀90年代，Kravtchenko 等[27]研發(fā)出第一款商用產(chǎn)品GCS-100；隨后，其在研究治療癌癥的方法過程中，探究并制作出口服改性果膠。目前，酸堿處理改性果膠發(fā)展的體系較為完善，對其機理的探究也更加深入。

果膠酸堿降解的主要機理是糖苷鍵水解、β消除和去甲氧基化。在堿性條件下，去甲氧基化和β消除是以競爭的方式進行，而果膠的酸降解主要是通過糖苷鍵的水解[28]。目前，單一地使用酸堿改性果膠的研究逐漸減少；關(guān)于酸堿處理的研究更多地集中在利用不同條件對果膠進行預(yù)處理以輔助其他體系改性果膠。研究發(fā)現(xiàn)，酸堿預(yù)處理對低水分環(huán)境下柑橘果膠熱降解有重要影響。酸性處理的脫甲氧基果膠比堿處理的脫甲氧基果膠對熱降解更敏感。這一研究為果膠生產(chǎn)公司在貯藏時防止果膠變性與延長儲存時間提供了思路[29]。

2.2.2 氧化改性

果膠是一組聚半乳糖醛酸，重復(fù)半乳糖醛酸單元C2和C3鄰羥基能夠被高碘酸或高碘酸鹽氧化斷裂，形成開鏈二醛衍生物[30]。將果膠置于高碘酸中，果膠氧化生成雙醛結(jié)構(gòu)。隨著氧化伴隨著降解，導(dǎo)致特性黏度降低，醛的濃度增加[31]。類似的，用過硫酸銨或過氧化氫或過氧化物酶處理甜菜果膠，阿魏酸單體氧化偶聯(lián)成脫氫二聚體，從而增加了甜菜果膠的黏度，提高了果膠的凝膠強度[32]。許多學者為獲取具有單區(qū)域富集型結(jié)構(gòu)的改性果膠做出了大量研究。其中，Jing 等[33].通過紫外光催化過氧化氫氧化體系（UV-H2O2）產(chǎn)生羥基自由基以氧化制備改性柑橘果膠，改性果膠主鏈和鏈端發(fā)生斷裂，β消除和脫酯同時進行，得到了具有RG-Ⅰ富集型結(jié)構(gòu)改性果膠。Zhang等[34]也通過氧化處理歐李果膠得到了具有RG-Ⅰ富集型結(jié)構(gòu)改性果膠。

2.3 酶法改性

酶法改性果膠是提高果膠功能的重要途徑。用于修飾果膠的主要酶包括漆酶、過氧化物酶、轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶、酪氨酸酶和蛋白酶，具體取決于目標性質(zhì)和使用的底物，改性后的果膠具有乳化穩(wěn)定性、水溶性等性能[35]。酶法改性所使用的酶和底物已有許多研究者進行探索，例如，漆酶和過氧化物酶催化果膠接枝酚類化合物[36-37]，漆酶催化果膠接枝蛋白質(zhì)基底物[38-39]，通過酶促酯化將甘油接枝到果膠上[40]，用木瓜蛋白酶等蛋白酶將氨基酸嫁接到果膠上[41]，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化發(fā)生共聚反應(yīng)[42-43]。酶法改性對果膠結(jié)構(gòu)有著較大改變。采用酶法將對羥基苯甲酸、3,4-二羥基苯甲酸和沒食子酸3 種酚酸接枝到天然果膠上，酚酸的對羥基與果膠的甲氧羰基通過酯交換反應(yīng)形成共價鍵[44]。采用酶法使果膠與對香豆酸和咖啡酸發(fā)生酰化反應(yīng)，對香豆酸和咖啡酸成功地接枝到果膠分子的羧基上[45-47]。

隨著學者對酶法改性研究的深入，改性所用的酶更加多樣化，改性后果膠性質(zhì)更加優(yōu)良，應(yīng)用范圍也更為廣泛。Kastner 等[48]用真菌和植物來源的果膠甲酯酶進行酶法改性處理；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，酶處理的果膠吸水率高于酸處理的果膠。隨后又使用植物果膠甲酯酶和真菌來源的果膠甲酯酶對高甲氧基化柑橘果膠進行脫甲氧基化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)酶處理的果膠樣品含有較長的游離羧基，凝膠形成時間早于天然果膠且凝膠比天然果膠更堅固、更有彈性[47]。特別是采用嗜熱鏈霉漆酶為生物催化劑，使柑橘果膠與阿魏酸氧化產(chǎn)物進行了功能化反應(yīng)。反應(yīng)完成后，果膠羧基與阿魏酸氧化產(chǎn)物之間形成了共價鍵，改性果膠的總酚含量是天然果膠的5 倍。

2.4 復(fù)合改性

目前，許多學者已不再局限于單種果膠改性方式的研究，開始探索多種方法協(xié)同改性的最優(yōu)方案。復(fù)合改性方法較多，如表2 所示。根據(jù)表中所述，復(fù)合改性無論在提高改性效率，還是在改善果膠性能方面，都比單一方法改性有更好的表現(xiàn)，復(fù)合改性成為探究果膠改性方法的重點方向。

表2 復(fù)合改性方法及其特點Table 2 Composite modification methods and their characteristics

3 改性果膠的應(yīng)用

3.1 乳化劑

果膠疏水基團由甲酯、乙酰基和蛋白質(zhì)殘基組成。不同種類和化學結(jié)構(gòu)的果膠，其主要疏水基團對乳化能力的貢獻是不同的。果膠中的碳水化合物鏈會生成覆蓋油滴的薄膜，保護油滴不會合并[53]。有學者利用果膠界面所具有的特性，研究了柑橘果膠穩(wěn)定的柑橘油乳狀液。天然柑橘果膠界面性能較好，但乳化能力較差。經(jīng)酸堿處理后的柑橘果膠，提高了致密性，防止液滴聚合/絮凝，提高了乳化性能[54]。

為探索效果最佳的果膠乳化劑，越來越多的研究傾向于果膠種類和改性方法。使用外源阿魏酸分別對甜菜果膠、柑橘果膠和蘋果果膠進行處理，所得到的果膠對水包油型乳狀液起到了良好的穩(wěn)定作用[55]。采用酶法和堿法對低甲氧基果膠脫酯處理，以堿法脫酯果膠制備的乳狀液平均粒徑最小，離心穩(wěn)定性最好，而酶法脫酯果膠制備的乳狀液在21 d 的儲存期內(nèi)具有最好的乳化穩(wěn)定性[4]。與前面處理方式不同的是，采用高強度超聲場使大豆分離蛋白與柑橘果膠形成復(fù)合物，果膠-大豆分離蛋白復(fù)合物具有更理想的乳化性能[56]。

3.2 可食用薄膜和涂層膜

果膠的獨特性質(zhì)，如低成本、結(jié)構(gòu)靈活性和聚合性，使其在食品工業(yè)的包埋基質(zhì)和活性食品包裝材料中得到了廣泛的應(yīng)用[57]。近年來，果膠作為可食性薄膜和涂層的潛力得到了極大的開發(fā)。基于果膠的薄膜，由于形成了有序的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，可以有效地作為氧氣阻滯劑，對芳香和油脂也有很好的阻隔作用[58]。同時，它具有可生物降解性，屬于環(huán)境友好型薄膜[59]。但僅用果膠制成的薄膜由于其親水性，在較高的相對濕度下表現(xiàn)出較弱的防水性能[60]。研究發(fā)現(xiàn)，對果膠進行改性可以有效地提高膜的拉伸強度，增強防水性能，降低其吸水率[61]。

果膠制成的活性包裝膜具有很弱的固有抗菌性能，通過與各種功能化合物如精油、酚類化合物、納米材料、游離脂肪酸和其他生物活性化合物整合和融合，可以增強其抗菌潛力[46]。采用酶促法使果膠與香豆酸和咖啡酸發(fā)生酰基化反應(yīng)；與天然果膠相比，改性的兩種果膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制率都得到提高。香豆酸酰化果膠或咖啡酸酰化果膠涂膜能顯著提高小黃魚魚片的貨架期[42]。類似的，將沒食子酸接枝到天然果膠上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)酰化果膠具有了更強的抗氧化性，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性也有了明顯提高[62]。

3.3 吸附劑

改性果膠對金屬離子有吸附作用，其對金屬離子吸附主要應(yīng)用在廢水處理方面。以己二酸為交聯(lián)劑的改性果膠，室溫下具有去除Pb2+、Cu2+和Zn2+的潛力[63]。隨后，又有以榴蓮皮、改性榴蓮皮、柑橘和改性柑橘果膠為樣本的研究，比較了不同果膠或改性果膠對有毒重金屬的吸附能力，發(fā)現(xiàn)改性果膠的吸附能力強于未改性果膠的[64]。

目前，對于改性果膠吸附金屬離子的探究更多地集中在改性方式調(diào)整、可持續(xù)發(fā)展和生物應(yīng)用方面。研究發(fā)現(xiàn)，將聚間苯二胺組裝在果膠微球表面，所制備的新型果膠/間苯二胺微球具有良好的回收性，且對Pb2+有較好的去除能力，促進了吸附金屬材料的綠色可持續(xù)發(fā)展[65]。與之類似，經(jīng)琥珀酸酐改性的果膠-四氧化三鐵磁性微球吸附劑具有較好的去除能力和回收性能[66]。Liang 等[67]制備了不同酰胺化程度的乙二胺改性果膠，用其吸附Pb2+。結(jié)果表明，酰胺化程度最高的改性果膠對Pb2+吸附能力最強。在生物方面，有實驗表明，經(jīng)改性的佛手皮渣果膠能顯著緩解鎘引起的小鼠血液多種物質(zhì)水平升高的癥狀，有效緩解鎘誘導(dǎo)的肝臟損傷，這一實驗探究為改性果膠吸附金屬離子在生物方向的研究與應(yīng)用指明了方向。

3.4 醫(yī)療應(yīng)用

天然果膠分子量大，溶解性差，不能在人體胃腸道內(nèi)被消化吸收，從而限制了其在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用。越來越多的研究表明，改性果膠比天然果膠具有更好的功能特性、生物活性和藥用價值，如具有天然和改性的RG-Ⅰ納米涂層能夠改善植入物的骨結(jié)合，以及進一步改善骨愈合和骨結(jié)合的潛力等[68]。基于改性的低甲氧基果膠的水凝膠被用于制備治療膠質(zhì)母細胞瘤的復(fù)合基質(zhì)材料[69]。改性果膠單獨或與其他化合物結(jié)合，作為保護和靶向輸送生物活性物質(zhì)的載體，已經(jīng)在微膠囊化方面進行了研究[70]。表3 對改性果膠在醫(yī)療上的應(yīng)用進行了總結(jié)，由表知，改性果膠在藥物載體和抗癌上的應(yīng)用較為突出。在制藥領(lǐng)域，改性果膠被廣泛用作藥物輸送的基質(zhì)或包衣材料，特別是口服結(jié)腸特異性藥物，因為它們不會在上消化道系統(tǒng)中被人體酶降解[71]。這一特性還有利于在益生菌的輸送中使用果膠[72]。

表3 改性果膠的醫(yī)療應(yīng)用Table 3 Medical applications of modified pectin

4 結(jié)論與展望

改性果膠在食品工業(yè)中被廣泛用作增稠劑、穩(wěn)定劑和乳化劑，而且改性果膠還被證明可以塑造腸道微生物區(qū)系群、改善炎癥、以及調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)等。果膠的改性方法有物理法、化學法、酶法和復(fù)合法等，這些方法都有其不同的果膠產(chǎn)量、生態(tài)影響和生產(chǎn)成本，不同的改性方法導(dǎo)致果膠具有不同的結(jié)構(gòu)特征，這些結(jié)構(gòu)差異會影響流變學、乳化能力、陽離子結(jié)合能力等理化性質(zhì)，從而進一步影響果膠的抗炎、免疫調(diào)節(jié)、抗氧化和抗增殖等功效。因此，了解改性、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系是獲得具有特定功能性質(zhì)果膠的關(guān)鍵。

基于上述分析，未來對改性果膠的研究可能集中在四個主要目標上。首先，開發(fā)出生態(tài)和經(jīng)濟上都可持續(xù)的改性方法，新的方法將具有更高的提取效率和產(chǎn)量。其次，重視對改性因素的精確控制，以實現(xiàn)果膠的定向降解和改性。第三，設(shè)計和開發(fā)改性設(shè)備，以實現(xiàn)果膠等聚合物的降解和改性的產(chǎn)業(yè)化。第四，探索改性果膠的理化特性和生物活性。特別是應(yīng)該使用體內(nèi)臨床試驗來驗證改性果膠的各種健康和營養(yǎng)功能。