盛良杰，杜余毅，吳 澎

（山東農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，山東泰安 271018）

果膠是一種結構復雜的膠體酸性雜多糖，廣泛地存在于水果蔬菜的初級細胞壁和中層細胞中[1]。它主要由半乳糖醛酸（GalA）組成[2]，含有大量的L-鼠李糖（Rha）、D-阿拉伯糖（Ara）、D-半乳糖（Gal）以及其他13 種不同的單糖。果膠可以具體分為三個結構域：同型半乳糖醛酸（Homogalacturonans，HG）、鼠李半乳糖醛酸I型（Rhamnogalacturonan-I，RG-I）和鼠李半乳糖醛酸II 型（Rhamnogalacturonan-II，RG-II）[3]。HG 含有甲基化和乙?；问降聂然酆衔?；RG-I 含有重復的半乳糖醛酸（GalA）和鼠李糖骨架，帶有阿拉伯糖、半乳糖或阿拉伯半乳糖側鏈；RG-II 由帶有復雜側鏈的HG 骨架組成，含有半乳糖醛酸單元[4]。

果膠在食品工業(yè)中被用作穩(wěn)定劑、膠凝劑、乳化劑和脂肪替代品[5]，在醫(yī)療方面可以作為功能生物材料輸送化療藥物[6]。商品果膠是以HG 為主的多糖，由≥65%的半乳糖醛酸單體組成，它們往往在高溫的酸性條件下制備，以去除RG-I 區(qū)域，實現(xiàn)更好的凝膠性能和質(zhì)量控制。而最近對RG-I 果膠的研究表明，果膠結構的側鏈比其他果膠組分對多糖活性的貢獻要大得多。富含RG-I的高支鏈果膠被視為一種潛在的益生元，可抑制高脂飲食誘導的肥胖[7]。以RG-I 為主的果膠可以降低馬鈴薯淀粉的體外消化率[8]，為生產(chǎn)慢消化食品提供了一種潛在的選擇。

在果蔬產(chǎn)品采收到加工的過程中，會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，而這些副產(chǎn)物恰是果膠豐富的提取原料。果膠是高需求的多功能食品配料和添加劑，而RG-I 果膠具有免疫調(diào)節(jié)、細胞遷移抑制、降血糖和抗癌等功能[9]。因此，從果蔬廢棄物中提取具有高生物活性的RG-I 果膠，近年來成為研究和應用的熱點。本文總結了國內(nèi)外學者對RG-I 果膠應用的研究，分析了其當前在應用中可能存在的問題，結合發(fā)展趨勢對它的應用前景進行了展望，旨在為RG-I 果膠的綜合利用提供科學的依據(jù)。

1 RG-I果膠的結構

RG-I是由100個重復的二糖單元（[→4)-α-D-GalA-(1→2)-α-L-rhamnose(Rha)-(1→]）組成[10]，骨架上20%～80%的鼠李糖殘基可以在O-4 位被中性糖側鏈（半乳糖、阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖）取代[11]；此外，GalA 還可以在C-2 和/或C-3 上乙?；痆12]。RG-I 主干可能含有多達300 個鼠李糖基和300 個半乳糖醛酸殘基[13]。RG-I 因其高度分枝特性而有“毛狀區(qū)”的名稱[14]。

RG-I 型果膠具有豐富的側鏈，包括α-L-1,5-阿拉伯聚糖、β-D-1,4-半乳聚糖、阿拉伯半乳聚糖[15]。目前，阿拉伯半乳聚糖作為研究的熱點，有兩種不同的結構形式，分別為阿拉伯半乳糖I（AG-I）和阿拉伯半乳糖II（AG-II）。AG-I存在于1,4-連接的β-D-半乳糖的線性鏈中，含有高達25%的α-L-阿拉伯糖殘基，1,5-連接在短側鏈中，主要連接到鼠李糖殘基的O-4[16]。AG-II 由1,3-連接的β-D-半乳糖支鏈組成，含有α-L-阿拉伯糖-(1→6)-[β-D-半乳糖-(1→6)]n（n=1、2 或3）的短側鏈，側鏈上的半乳糖殘基可以被α-L-阿拉伯糖-(1→3)殘基取代[17]。此外，AG-II還與一個復雜的蛋白多糖家族（3%～8%的蛋白質(zhì)）有關，稱為阿拉伯半乳糖蛋白（Arabinogalactan proteins，AGPs）。該分子的蛋白質(zhì)部分含有豐富的氨基酸，如脯氨酸、羥脯氨酸、絲氨酸和蘇氨酸[18]。

2 RG-I 果膠的提取

獲得果膠的過程包括以下步驟：提取、純化、濃縮、干燥[22]。固液比、溶劑類型和極性、原料大小等因素均會影響提取動力[23]。在工業(yè)生產(chǎn)上，多用常規(guī)酸提法獲得果膠，但酸提過程往往伴隨著RG-I 區(qū)GalA 和鼠李糖（Rha）殘基之間不穩(wěn)定酸的鍵的水解[9]。為解決這一問題，一些新的提取技術近些年被探索出來[24]，旨在減少或消除溶劑的使用，并為RG-I 果膠高附加值化合物提供更高的產(chǎn)量和更短的提取時間[20]。RG-I 果膠提取方法詳見表1（見下頁）。

表1 RG-I 果膠提取方法Table 1 Extraction method of RG-I pectin

果膠網(wǎng)絡被包裹在植物細胞壁中[25]，RG-I 和纖維素微纖維之間的聯(lián)系以及多聚半乳糖醛酸羧基和多價離子之間的鍵是復雜的[26]。溶液環(huán)境會影響提取果膠的分子結構，低溫可以保持RG-I 的結構，而高溫酸提取會嚴重水解果膠的側鏈。然而，傳統(tǒng)溶劑提取方法存在提取時間長、提取效率低、成本高的問題。因此，需要探索創(chuàng)新RG-I 果膠的提取方法[27]。近些年在提取開發(fā)RG-I 果膠方面，研究者們已開展大量工作，目前已實現(xiàn)RG-I 果膠高效生產(chǎn)并降低能耗，改進RG-I 果膠提取及分離是最大程度保留RG-I 結構、優(yōu)化果膠的功能和生物活性的關鍵。目前有單一提取法和組合提取法，組合提取法可一定程度彌補單一提取技術存在的不足，從而提升提取效率和產(chǎn)品品質(zhì)[28]。

2.1 單一提取方法

2.1.1 酸性提取

酸性提取操作簡便，是食品工業(yè)中常用的果膠提取方法。使用不同的酸萃取劑可以對果膠產(chǎn)量、結構和理化性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響[45]。檸檬酸提取馬鈴薯果膠的得率最高（14.34%），醋酸法提取的馬鈴薯果膠得率最低（4.08%）[46]。與其他酸相比，冰醋酸的水解能力最低，可以保留更多的馬鈴薯果膠RG-I 結構域的側鏈[12]。檸檬酸預處理（pH 2、65 ℃、2 h）后提取的果膠具有更高的RG-I含量（57.5%）和更高的分子量分布[4]。由于無法避免過度分解及產(chǎn)品質(zhì)量差等缺陷[28]，以及中性糖側鏈和主鏈Gala-Rha 鍵在酸性環(huán)境中容易被水解等問題[47]，Zhang等[9]提出可在低溫酸條件下提取富含RG-I 結構的果膠。

2.1.2 堿性（NaOH）提取

堿性溶液中的羥基離子可以引起細胞壁膨脹，導致果膠釋放，由此得到保留了中性糖側鏈的低甲氧基果膠[41]。堿性提取可以保留果膠的中性糖側鏈，但果膠的甲酯和乙?；沪?消除反應所降解[12]。Zhang 等[9]嘗試了從柑橘罐頭加工廢液和果皮中分離果膠多糖，結果證明提取液中的果膠中性側鏈摩爾比高，為RG-I 型果膠多糖。

2.1.3 超聲波提取

大學生志愿服務活動，不僅是大學生自我實現(xiàn)的強烈需要，而且有利于推動大學生的社會進程，有利于大學生樹立正確的人生觀、價值觀、世界觀，有利于大學生的成長、成才。更重要的是，開展大學生志愿服務活動有利于我國大學生社會主義核心價值觀的學習和踐行。所以，作為為國家培養(yǎng)社會建設人才的全國各大高校，應堅定不移地推進志愿服務活動，為社會主義建設添磚加瓦。

超聲波提取果膠，允許使用較少的溶劑，并在能源和時間方面減少對環(huán)境的影響。由于超聲波增加了組織和細胞破裂的萃取率，因此可以使用溫和的萃取劑，分離出更多的完整果膠[48]。Hu 等[26]研究證明，在溫度為42℃、pH 為12 的條件下，超聲能加速柑橘RG-I 果膠的提取，最高得率為25.51%。然而，所有這些超聲處理和高溫處理都會導致果膠產(chǎn)品不均勻和果膠微結構被破壞，特別是中性側鏈[49]。此外，在加工過程中，接觸溶劑的顆?？偯娣e以及溶脹效應增加，會進一步導致基質(zhì)某些部分出現(xiàn)高黏度區(qū)域，降低超聲效率[26]。

2.1.4 酶法提取

酶法提取最常用的酶包括纖維素酶、半纖維素酶、蛋白酶和果膠酯酶。這些酶的結合可以加速細胞壁結構的裂解，從而釋放果膠[50]。Cui 等[51]發(fā)現(xiàn)纖維素酶提取的果膠具有更廣泛的構象，更有利于腸道微生物的生長。Wu 等[3]研究表明，纖維素酶、木聚糖酶提取的果膠與酸提取相比，具有更大的相對分子質(zhì)量、更多的糖醛酸、更低的淀粉含量和更好的抗氧化能力。酶法提取對環(huán)境友好、專一性強，但普遍適用性較差，酶活性對外界條件變化較敏感[28]，其作用部位受到分支結構的阻礙，導致產(chǎn)量低和生產(chǎn)成本高[26]。

2.1.5 微波輔助提取

微波可直接與細胞內(nèi)的水分子相互作用迅速提高溫度，液態(tài)水分汽化產(chǎn)生壓力可加速細胞壁的破裂以釋放果膠[43]。該方法具有操作時間短、溶劑消耗少、生產(chǎn)成本低、萃取率高等優(yōu)點。在微波輔助提取方法中，微波功率、微波時間、pH 值和固液比等因素都會影響果膠的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，有必要對提取條件進行優(yōu)化，以達到最大的產(chǎn)品提取率[28]。但微波輔助提取法溫度升高過快，不易控制，導致提取的果膠凝膠強度有所降低[28]。

2.2 組合提取方法

2.2.1 高壓輔助堿提取

采用高壓輔助堿提取可獲得較高的萃取率，可能是由于高壓導致細胞變形、細胞膜破壞甚至細胞破裂，并改善了傳質(zhì)速率、細胞內(nèi)溶劑的滲透性以及次生代謝物的擴散。高壓輔助堿提取法可獲得較高的柑橘果膠得率（28.13%～33.95%），是傳統(tǒng)提取法的2～3 倍[27]。Hou 等[27]使用高壓輔助堿溶液提取果膠，其產(chǎn)率高達34%，并獲得了具有RG-I 結構的果膠，占75%。高壓輔助堿提取果膠能顯著促進短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，尤其是丙酸和正丁酸，影響腸道微生物區(qū)系。丙酸和正丁酸通過促進潛在有益屬的生長和抑制潛在有害屬的生長，來影響腸道菌群組成，是促進腸道健康的功能食品中的益生元的潛在來源[33]。

2.2.2 微波輔助堿處理

采用微波和堿處理相結合的方法從馬鈴薯果肉中提取RG-I 果膠，結果表明，提取時間對RG-I 的得率有顯著影響[6]。但隨著微波處理時間的延長，熱能急劇增加，導致半乳糖醛酸分子降解，最終造成果膠得率下降[28]。

2.2.3 超聲-微波輔助提?。╱ltrasound-microwave assisted extraction，UMAE）

UMAE 結合了超聲波和微波提取的優(yōu)點，超聲波可促進細胞壁的破裂、增加傳質(zhì)速率，而微波可直接與細胞內(nèi)的水分子相互作用，加速細胞壁破裂釋放果膠[43]。與常規(guī)加熱方法相比，UMAE 提高了果膠產(chǎn)量，且提取的果膠具有更強的抗氧化能力。與僅通過微波加熱提取的葡萄柚果膠相比，所獲得的果膠具有更高的得率、酯化度和特性黏度[43]。Yang 等[43]采用UMAE 和HCl 相結合的方法，用Box-Behnken 設計對提取溫度、pH 和時間進行了優(yōu)化，使提出的馬鈴薯果膠RG-I 得率達到61.54%。

3 RG-I 果膠的應用

果膠是聚半乳糖醛酸的甲基化酯[52]，在食品工業(yè)中被廣泛用作產(chǎn)品的凝膠劑，并作為一些果汁和牛奶飲料的穩(wěn)定劑[53]，以及用于烘焙和糖果產(chǎn)品[20]。果膠具有多糖的化學和結構特征，使其能夠與廣泛的分子相互作用，科學家利用這一特性形成新的復合基質(zhì)，用于靶向受控輸送治療分子、基因或細胞[54]，并在制藥行業(yè)中被視為一種原材料和防癌制劑[55]。果膠的其他應用包括將其用作動物飼料、化妝品、脂肪替代品和可食薄膜等[9]，其潛在應用因化學成分而異。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織以及世界衛(wèi)生組織聯(lián)合專家委員會已研究并確定果膠無毒，對果膠每日攝入量沒有任何限制，所以果膠的市場供不應求。據(jù)報道，RG-I 果膠具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)果膠的獨特功能，如免疫功能、調(diào)節(jié)腸道菌群、調(diào)節(jié)慢性代謝綜合癥和抑制癌癥等[27]。

3.1 潛在的益生元

益生元一般指一些不被宿主消化吸收，卻能夠選擇性地促進體內(nèi)有益菌的代謝和增殖，從而改善宿主健康的有機物質(zhì)[56]。果膠作為益生元可以促進腸道益生菌的生長繁殖，提高益生菌的生物活性[27]。果膠物質(zhì)結構的細微變化可能會顯著并直接地影響腸道微生物及其生理功能[57]。與HG 果膠相比，RG-I 果膠的中性糖側鏈起著重要作用，對慢性代謝疾病和腸道益生菌的生物活性具有優(yōu)越的調(diào)節(jié)作用[33]。

3.2 調(diào)節(jié)免疫

由于對免疫系統(tǒng)的直接或間接影響，飲食中的果膠被認為是某些免疫疾病的免疫分子。據(jù)報道，柑橘果膠可以與巨噬細胞中的Toll 樣受體相互作用，從而調(diào)節(jié)結腸炎和回腸炎小鼠的免疫反應[3]。RG-I 果膠的側鏈可以結合Galectin-3 的特異性識別位點[58]，并通過抑制Galectin-3 的活性而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[33]。

3.3 無糖凝膠

果膠復雜的結構賦予果膠不同的物理化學特性，最顯著的是它在食品工業(yè)中的增稠和凝膠應用[46]。RG-I 果膠具有自凝膠潛力，其形成的凝膠具有顯著的增稠和穩(wěn)定作用。RG-I 的自凝膠性能和益生元功能的結合，使其可作為一種具有益生作用的功能性食品添加劑[27]。果膠本身或由于其凝膠特性，在制藥工業(yè)中被用作向胃腸道輸送藥物的載體，如骨架片、凝膠珠、薄膜包衣劑[53]。

3.4 輸送藥物

利用果膠作為控制藥物輸送的基質(zhì)，主要是在生物醫(yī)學方面的應用，如藥物輸送、基因輸送、組織工程、傷口愈合和傷口敷料材料[59]，因為它能夠形成穩(wěn)定的凝膠[13]。富含RG-I 的果膠也被用于藥物輸送[60]，它還被開發(fā)為生物活性物質(zhì)的載體，并因其抗菌活性而被應用于醫(yī)療和骨工程中的植入性生物材料[41]。

3.5 預防癌癥等疾病

果膠與常規(guī)抗癌藥物聯(lián)合具有協(xié)同作用，依賴于果膠的結構產(chǎn)生各種活性片段，這些活性片段可以對抗活性部位或結合分子，從而誘導細胞凋亡和抑制腫瘤轉移[13]。Galectin-3 是一種β-半乳糖苷結合蛋白，被認為是通過促進腫瘤細胞的增殖、黏附、轉移和抑制細胞凋亡而促進腫瘤發(fā)展的分子[61]。富含RG-I 結構的果膠，通過與Galectin-3 的相互作用，抑制細胞轉移，并可以誘導癌細胞凋亡。已發(fā)表的研究還顯示，不同結構的人參果膠和化學修飾的柑橘果膠對Galectin-3 的作用不同，是因為RG-I 中的短β-1,4 半乳糖側鏈起著重要作用[61]。

3.6 吸附重金屬離子

果膠具有陽離子結合能力，被用作生物吸附劑，去除人體中的有毒金屬離子或廢水中的重金屬[62]。除了HG外，RG-I 和RG-II 也被認為參與了重金屬的結合。特別是RG-I 的支化程度和性質(zhì)以及RG-II 上的中性糖可能會對果膠的重金屬結合產(chǎn)生影響。果膠的側鏈可能限制鏈間結合，從而限制重金屬的吸附。果膠對重金屬具有良好的吸附能力，但機械強度低、分離困難等缺點限制了其應用[63]。

3.7 乳化劑

果膠作為一種潛在的天然食品乳化劑，在食品加工中可作為人造奶油替代物或活性物質(zhì)運載體系等[64]。乳液是不穩(wěn)定的膠體體系，往往會產(chǎn)生兩個不相容的相。通常使用乳化劑來降低油和水之間的界面張力或產(chǎn)生排斥作用以穩(wěn)定乳化體系。果膠組分表現(xiàn)出乳化能力和乳化穩(wěn)定性，這可能依賴于蛋白質(zhì)和乙?；拇嬖?，并受HG 和RG-I 片段的影響，特別是疏水基團和中性糖側鏈，它們?yōu)楣z提供了錨定油水界面的能力[65]。

4 展望

本文梳理了RG-I 果膠的結構、提取方法以及加工應用。隨著大眾對健康飲食需求的增加，RG-I 果膠具有較可觀的發(fā)展前景，且被廣泛研究并應用。富含RG-I 結構域的果膠多糖在預防癌癥、調(diào)節(jié)慢性代謝綜合癥等方面顯示出更好的活性，并顯示出通過pH 誘導和微波誘導凝膠形成無糖凝膠系統(tǒng)的潛力。RG-I 果膠還可能通過腸道微生物發(fā)酵被人體吸收和利用，有助于進一步開發(fā)其抗癌、免疫調(diào)節(jié)和作為益生菌的特點。目前，對RG-I果膠的結構和應用雖有一定的研究，但其作用機理研究不夠透徹，還需經(jīng)過更加權威的論證。今后要拓寬RG-I果膠深加工領域，如從歐李果實中提取的RG-I 果膠，可用作一種具有凝膠和抗氧化效果的新型乳化劑，在包括水包油和低糖產(chǎn)品在內(nèi)的各種產(chǎn)品中作為天然乳化劑和流變性改進劑提供替代應用，并將其應用于功能性食品與醫(yī)療中，滿足不同用戶的需要。