果膠改性的研究進(jìn)展

1、PAGE 11 -果膠改性的研究進(jìn)展果膠是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能多樣的天然植物多糖1-2，廣泛存在于高等植物I型的初生壁(primarycellwall,PCW)和胞間層(middlelamella,ML)，在低等植物如苔蘚等中的含量也很豐富3。果膠主要由D-吡喃半乳糖醛酸(D-GalpA)通過-1,4糖苷鍵連接構(gòu)成，還含有少量的中性糖如L-鼠李糖(L-Rha)、L-阿拉伯糖(L-Ara)和D-半乳糖(D-Gal)等4。目前商品果膠主要原材料有蘋果渣、橘皮、檸檬皮等農(nóng)副產(chǎn)品5，近年來比較新穎的原材料還有甜菜根和向日葵盤等。大部分植物細(xì)胞壁中果膠的含量都在30%左右，果膠的提取實(shí)際上就是由不溶性果膠

2、轉(zhuǎn)變成可溶性果膠至溶液中，再對(duì)其進(jìn)行提取的過程，主要的提取方法有酸提法、酶與微生物法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法、離子交換法、草酸銨提取法等。果膠具有多種功能，如：促進(jìn)腸道蠕動(dòng)6、防輻射7、吸附重金屬離子8、增強(qiáng)飽腹感等。果膠溶于水而不溶于有機(jī)溶劑9，其水溶液呈弱酸性，可以作為食品添加劑添加到食品中改善食品的質(zhì)量風(fēng)味10，因此被廣泛應(yīng)用于食品、藥品領(lǐng)域。根據(jù)甲酯化程度的不同，果膠又分為高酯果膠(highmethoxylpectin,HMP)和低酯果膠(lowmethoxylpectin,LMP)。高酯果膠的凝膠性與pH有較大關(guān)系，而低酯果膠主要跟二價(jià)金屬離子有關(guān)，所以相比HMP在食品工業(yè)

3、中作為增稠劑、凝膠劑等添加到食品中，LMP的應(yīng)用范圍廣，低甲氧基果膠的甲酯化程度低，游離羧基較多，較容易和Ca2+結(jié)合形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使果膠結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。然而大多數(shù)果膠是以原果膠的形式存在，分子質(zhì)量較大，溶解性和凝膠性較差，不利于人體吸收11，對(duì)果膠進(jìn)行改性后有利于增強(qiáng)其生理功能，近年來有關(guān)果膠改性的研究成為熱點(diǎn)。本文總結(jié)了果膠改性的幾種方法，并簡述了改性后果膠的生理功能，以期為實(shí)現(xiàn)果膠功能更大程度的開發(fā)和利用以及開發(fā)新的改性果膠產(chǎn)品提供參考。1改性方法果膠因結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分子質(zhì)量大，絕大部分果膠經(jīng)消化道排出體外，這種不被消化的特性能夠很好地促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)，對(duì)便秘有較好的預(yù)防效果；同時(shí)果膠因很難被消化吸

4、收，很多生理功能都被限制。因此，試圖對(duì)果膠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的人為修飾，得到具有特殊功能的果膠產(chǎn)品，這類果膠稱為修飾果膠或改性果膠12。果膠改性后產(chǎn)生了一些富含鼠李半乳糖醛酸聚糖(RG)或鼠李半乳糖醛酸聚糖II(RGII)的小分子片段，使改性后的果膠有更好的溶解性，能夠很好地溶解在血液中被人體吸收。1.1化學(xué)改性果膠的化學(xué)改性是通過酸和堿改變pH實(shí)現(xiàn)的?；瘜W(xué)改性的過程一般是：先用堿處理、再用酸處理。堿處理使果膠發(fā)生消除反應(yīng)，將聚半乳糖醛酸長鏈分解為小片段，使酯化度降低，酸處理是將側(cè)鏈上的中性糖脫除13。此方法比較簡單，被廣泛應(yīng)用于柑橘類果膠、豌豆殼果膠等低酯果膠的制備，但是對(duì)pH值和溫度的要求較高

5、。吳莎極14對(duì)佛手皮渣果膠進(jìn)行化學(xué)改性，使果膠酯化度降低，游離羧基的數(shù)量增加，而游離羧基對(duì)重金屬的吸附尤為重要，通過體外實(shí)驗(yàn)表明改性后的果膠對(duì)鎘的吸附能力顯著增強(qiáng)。BOSTANUDIN等15通過對(duì)果膠進(jìn)行化學(xué)改性，合成了丁基甘油果膠并制成納米顆粒，此改性果膠可以作為阿霉素藥物的載體，在給藥應(yīng)用中具有較大潛力。化學(xué)改性效率較高，降酯化度效果較好，但是不同原料應(yīng)用化學(xué)改性的最佳工藝條件差別較大，因此不同的廠家生產(chǎn)改性果膠的工藝條件不盡相同，生產(chǎn)的低酯果膠的質(zhì)量也不一樣。1.2生物改性果膠的生物改性主要是利用酶處理進(jìn)行果膠脫酯，又叫做酶改性。用于果膠改性的酶有內(nèi)源酶和外源酶2種，它們的作用機(jī)理都是激

6、活果膠酯酶來制備改性果膠。內(nèi)源酶法是利用內(nèi)源酶激活劑激活果膠中的果膠酯酶來切除果膠主鏈中的甲氧基，釋放出游離羧基并產(chǎn)生甲醇。外源酶法是從植物或者微生物(如黑曲霉)中提取果膠酶作用于果膠來制備低酯果膠。CAMERON等16用果膠甲基酯酶和多聚半乳糖醛酸酶降解果膠得到低甲氧基果膠，并通過數(shù)學(xué)模型分析預(yù)測(cè)了酶解產(chǎn)物的分子質(zhì)量和酯化度。KIM等17-18利用2種果膠酶對(duì)橘皮果膠進(jìn)行改性得到幾種不同酯化度、分子質(zhì)量和酰胺化程度的果膠，通過感官分析得出改性后的果膠在凝膠能力、彈性和咀嚼性等幾個(gè)方面都有一定的改善。HUANG等19在黑曲霉中提取果膠酶，并將其作用于果膠，得到酯化度為11.6%的低酯果膠，較未

7、改性的果膠酯化度降低了20%，此改性果膠清除自由基的活性較強(qiáng)，也可提高大豆分離蛋白乳液的穩(wěn)定性，延長儲(chǔ)藏期。酶法改性具有專一性強(qiáng)、安全、反應(yīng)條件溫和、無毒副作用等優(yōu)點(diǎn)，雖然通過酶法制備的改性果膠凝膠強(qiáng)度要低于其他方法，但在排鉛和抗腫瘤等功能方面效果較好。酶的價(jià)格比較昂貴是限制酶改性在工業(yè)生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的主要原因。1.3熱改性熱改性是果膠先經(jīng)高溫高壓處理然后冷卻、過濾、干燥獲得改性果膠的過程，因?yàn)椴捎酶邷睾透邏禾幚?，故熱改性果膠也被稱為高溫/高壓改性果膠20。WANG等21將果膠溶液經(jīng)過高壓蒸汽熱處理一定時(shí)間后冷卻至室溫，離心后上清液加雙倍的無水乙醇，置于-20條件下一段時(shí)間后離心，沉淀用丙酮清

8、洗，過濾、干燥得到改性果膠。張燕燕等22將甘薯果膠在123.2下加熱60min，冷卻靜置過夜，吸取上清液后凍干得到熱改性甘薯果膠，此改性果膠對(duì)結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29和乳腺癌細(xì)胞Bcap-37等有明顯的抑制作用。孟凡磊等23通過對(duì)石榴皮果膠分別進(jìn)行化學(xué)改性和熱改性后得到改性石榴果膠，并發(fā)現(xiàn)與未改性的果膠相比，改性果膠的總糖含量變化不明顯，半乳糖醛酸含量分別提高37%和24%，酯化度分別降低21%和23%，兩者的抗氧化能力提高，此改性果膠具有很好的開發(fā)應(yīng)用潛力。1.4輻照改性近幾年，隨著輻照技術(shù)的成熟，果膠的輻照改性技術(shù)發(fā)展良好，輻照改性是指用60Co等輻射源技術(shù)對(duì)果膠進(jìn)行輻照處理后得到的改性果膠2

9、4。利用不同輻照劑量和射線對(duì)果膠進(jìn)行處理使果膠發(fā)生一定的物理變化，以此來達(dá)到果膠改性的目的。王培等24使用不同輻照劑量的60Co輻照不同濃度的果膠溶液使果膠降解，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改性后的果膠半乳糖醛酸含量、酯化度、分子鏈寬值都變小，且通過流變學(xué)特性研究表明，輻照對(duì)果膠黏度和凝膠狀態(tài)的影響較大。DOGAN等25分別用0、2、6、8和10kGy輻照瓜爾膠、果膠和黑果漿，研究了輻照對(duì)果膠流變特性的影響，結(jié)果表明，輻照對(duì)瓜爾膠的影響較大，輻照后瓜爾膠的一致性和表觀黏度均下降，而對(duì)果膠和黑果漿的流變性影響不大，故可用輻照保存果膠和黑果漿。與其他較為傳統(tǒng)的改性方法相比，輻照改性具有方便、快捷、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。1

10、.5其他改性方法近幾年，越來越多研究者發(fā)現(xiàn)只用一種方法對(duì)果膠進(jìn)行改性時(shí)，在果膠的生物學(xué)活性和構(gòu)效關(guān)系方面有較大缺陷，他們?cè)噲D將2種方法結(jié)合，輔助降解果膠，發(fā)現(xiàn)會(huì)有更好的效果。牟方婷等26利用超聲波和微波輔助果膠酶處理果膠得到改性果膠，并對(duì)其的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲和微波輔助時(shí)能有效提高果膠酶的降解效率，且半乳糖醛酸含量提高，酯化度降低，但是不會(huì)改變單糖的類型，增加了果膠的功能性，擴(kuò)展應(yīng)用范圍。趙文婷27將超高壓輔助果膠甲酯酶和傳統(tǒng)的化學(xué)法做對(duì)比，通過研究果膠的理化性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)以及流變性質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超高壓輔助酶法脫脂效率高，制備的低酯果膠分子質(zhì)量大、黏度好且增稠性好，該方法

11、可以作為一種高效、環(huán)保的新技術(shù)制備改性果膠。MELANI等28用高靜水壓輔助果膠酶對(duì)甘薯果膠進(jìn)行改性，并研究改性后果膠結(jié)構(gòu)、功能以及對(duì)Pb2+吸附能力的影響，結(jié)果表明與單獨(dú)高靜水壓和果膠酶改性相比，2種方法協(xié)同改性果膠分子質(zhì)量和酯化度最低，分別為0.05105g/mg和18.16%，對(duì)重金屬離子Pb2+的吸附能力也明顯優(yōu)于未改性果膠，此改性方法在食品工業(yè)中具有很大的應(yīng)用潛力。MUDUGAMUWA等29利用高靜壓輔助果膠酶制備改性果膠，改性后的甘薯果膠對(duì)Pb2+的吸附能力較天然果膠好，吸附曲線符合Langmuir模型，吸附過程涉及含O官能團(tuán)和陽離子交換和靜電相互作用，而且表現(xiàn)出良好的環(huán)保性能。2

12、果膠改性后的生理功能因改性后的果膠功能較多使得改性果膠受到廣泛的重視，其應(yīng)用范圍擴(kuò)大，例如抵抗癌細(xì)胞、吸附重金屬等有毒物質(zhì)、抗炎、用于研發(fā)保健功能食品等。2.1抵抗癌細(xì)胞有研究統(tǒng)計(jì)，世界上約1/3的癌癥都是可通過食療方法預(yù)防，而果膠作為一種天然膳食成分，能夠抑制癌細(xì)胞的繁殖、擴(kuò)散等，且對(duì)人體沒有任何毒副作用30。一般認(rèn)為改性果膠的抑癌效果和Galectin-3(Gal3)的結(jié)合相關(guān)，Gal3與果膠結(jié)合后失去了與其他蛋白或肽結(jié)合的能力，抑制了癌細(xì)胞的吸附、轉(zhuǎn)移和增殖，促進(jìn)了細(xì)胞的凋亡。果膠也具有一定的免疫調(diào)節(jié)作用，能夠通過激活體內(nèi)的免疫系統(tǒng)來抵抗癌細(xì)胞的侵襲。RAMACHANDRAN等31通過實(shí)

13、驗(yàn)證明改性果膠在人體血液中有免疫刺激特性，能夠激活T細(xì)胞、B細(xì)胞和NK細(xì)胞，對(duì)抗K562白血病細(xì)胞。張文博等32研究表明改性果膠能夠抑制腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，使得癌癥患者化療效果得到一定的改善，并且增強(qiáng)免疫響應(yīng)的活性，由此看來，改性果膠對(duì)開發(fā)抗腫瘤功能食品具有極大潛能。楊國華等33通過對(duì)改性果膠聯(lián)合內(nèi)皮抑制素對(duì)小鼠奧沙利鉑耐藥結(jié)腸癌種植瘤生長及肝轉(zhuǎn)移的研究表明，兩者聯(lián)合使用抑制奧沙利鉑耐藥結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移可能與其協(xié)同減少血管形成有關(guān)。李志平等34研究了果膠阿霉素大分子前藥納米體系的體外抗腫瘤效果，結(jié)果表明果膠對(duì)于肝癌細(xì)胞的增殖具有明顯的抑制效果。2.2吸附重金屬環(huán)境中有很多對(duì)人體有害的重金屬，如砷、鉛和

14、汞等，重金屬在體內(nèi)富集會(huì)導(dǎo)致很多慢性疾病，例如動(dòng)脈硬化和高血壓等，會(huì)擾亂人體正常的免疫系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)。目前清除體內(nèi)重金屬的方法主要是用一些人工合成的螯合劑，果膠溶液中有較多的羧基陰離子而重金屬離子帶正電荷，兩者會(huì)進(jìn)行螯合形成果膠-重金屬復(fù)合物，然后通過糞便排出體外。LI等35合成了乙二酸交聯(lián)改性果膠，利用傅里葉變換紅外光譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性果膠表面粗糙多孔，對(duì)Pb2+、Cu2+和Zn2+的負(fù)載能力達(dá)到了1.82、1.794和0.964mmol/g，結(jié)果表明該果膠有較高的吸附重金屬能力。2.3抗炎癥果膠能夠調(diào)節(jié)抗炎因子，有研究表明高酯果膠和低酯改性果膠都能夠預(yù)防腸道中炎癥的發(fā)生，并

15、且低酯改性果膠具有特異性，能夠抑制局部和系統(tǒng)中的炎癥發(fā)生。POPOV等36通過對(duì)小鼠口服不同甲酯化的果膠來觀察對(duì)3種炎癥的作用，結(jié)果表明低酯果膠的口服抗炎效果要優(yōu)于高酯果膠，低酯果膠可以抑制局部和全身的炎癥。RAMACHANDRAN等37通過體外研究發(fā)現(xiàn)改性果膠具有抗氧化和抗炎的作用，改性果膠聯(lián)合厚樸酚的抗炎癥作用效果要優(yōu)于單一的化合物，因此改性果膠可用于改善氧化反應(yīng)和自由基損傷產(chǎn)生的不良影響。2.4降低膽固醇膽固醇是人體不可或缺的營養(yǎng)物質(zhì)，也是合成人體所需物質(zhì)的重要原料38。人體中有2種膽固醇，一種是對(duì)身體有益的高密度脂蛋白(或稱H13上膽固醇)，另一種是對(duì)人體有一定害處的低密度脂蛋白(或稱

16、/D/膽固醇)。膽鹽是以人體中的膽固醇為原料產(chǎn)生的，而果膠能夠和人體內(nèi)的膽鹽結(jié)合而隨著排泄物被排出體外，隨著人體膽鹽含量的減少，用于制造膽鹽的膽固醇含量就會(huì)減少，以此來達(dá)到降膽固醇的目的。RUBIO-SENENT等39研究發(fā)現(xiàn)，從生產(chǎn)橄欖的廢水中提取出來的果膠在結(jié)合膽汁酸等方面有很好的作用，而且能夠降低葡萄糖在人體內(nèi)的吸收程度。BROUNS等40研究了不同酯化度的改性果膠對(duì)降膽固醇的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著酯化度的增加，果膠降低膽固醇的效果越好。研究表明果膠的降解產(chǎn)物-丙酸會(huì)使肝臟膽固醇的含量降低，機(jī)理是降低腎小管的重吸收作用來抑制人體對(duì)膽固醇的吸收41。2.5藥物運(yùn)輸果膠作為一種高分子膳食纖維，在

17、體內(nèi)不易被胃中的蛋白酶和淀粉酶分解，進(jìn)而能夠避免在結(jié)腸中被腸道菌群降解，所以果膠可以作為載體將藥物運(yùn)輸?shù)剿栉恢谩UNG等42測(cè)定用改性果膠包埋吲哚美辛珠狀水凝膠的能力，使水凝膠珠分別在模擬胃液和模擬腸液中浸泡2和3h并測(cè)定藥物釋放率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)吲哚美辛在腸道中的釋放率15%，釋放率明顯低于天然形成的微珠，由此說明改性果膠能夠降低吲哚美辛在胃腸運(yùn)輸過程的損耗。SALBU等43通過利用壓縮和減壓彈射后果膠彈性恢復(fù)程度研究不同酯化度果膠的變形行為，結(jié)果表明果膠的酯化度對(duì)果膠的擠壓特性有重要影響，可以用直接壓片法制備以低酯果膠為包衣的藥片。2.6抗血栓的作用血栓是指在血液流動(dòng)過程中血管壁脫落形成的塊狀物體。血栓會(huì)導(dǎo)致人體中血液的流速變慢，血液組織中凝固組織增加。目前治療血栓的藥物一般是肝素，但是肝素能夠引起血小板減少等不良反應(yīng)。有研究者發(fā)現(xiàn)果膠可作為肝素替代品減少不良反應(yīng)的發(fā)生，例如CIPRIANI等44對(duì)改性柑橘果膠進(jìn)行硫酸化，并對(duì)改性果膠的抗凝和抗血栓活性以及出血效應(yīng)做了一定的研究，結(jié)果表明改性后的果膠可以直接通過獨(dú)立機(jī)制抑制凝血酶的活性，且與肝素相比，改性果膠