“果汁中的果胶和果胶酶”教学中的问题讨论

李士杏

摘 要 针对“果汁中的果胶和果胶酶”教学中常见的一些问题进行了归纳，对果胶和果胶酶的相关背景知识进行了适度的补充和拓展，对于实验过程出现的问题进行了分析讨论，并给出了对实验进行改进的一些建议。

关键词 果胶 果胶酶 实验教学

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

“果汁中的果胶和果胶酶”是浙科版高中生物学选修1《生物技术实践》模块中的实验。教材中虽然简单地介绍了果胶和果胶酶的背景知识，但是在解题时，学生如果遇到更深入的问题，比如胶的化学本质、组成成分、理化性质、来源等问题以及果胶酶和果胶甲酯酶的关系等问题，学生就显得比较茫然。该实验操作看似简单，其实影响因素较多，因此学生常反映实验现象不够明显，重现性差。笔者下面补充了一些关于果胶和果胶酶的相关知识，讨论了实验过程中的常见问题，并给出了实验改进的一些建议，为该实验的教学提供参考。

1 果胶的化学本质和分子结构

果胶是一种天然的植物多糖，相对分子量介于50～300 kD之间。果胶分子不仅仅是由半乳糖醛酸以α-1，4糖苷键聚合而成的多糖链，其实还含有鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、海藻糖和芹菜糖等组成的侧链以及少量的单糖，其中半乳糖醛酸中的C6可被甲酯化或酰胺化。果胶分子的结构非常复杂，且随着植物的种类、组织部位、生长条件等的不同而不同。大致可分为同型半乳糖醛酸聚糖（HGA）、鼠李半乳糖醛酸聚糖-Ⅱ（RG-Ⅱ）、木糖半乳糖醛酸聚糖（XG）和鼠李半乳糖醛酸聚糖-Ⅰ（RG-Ⅰ）四个结构区域（图1）。

2 果胶的水溶性及提取和纯化果胶的方法

果胶的溶解性由果胶的聚合度及甲氧基的含量和分布决定。一般来说，果胶的相对分子量越小，酯化度越高，其溶解性越好。果胶颗粒溶解时是先溶胀再溶解。

果胶在植物细胞壁中的含量最高，主要存在于初生细胞壁和中间片层。山楂中果胶含量高于其他水果，约为6.4%。但实际生产中考虑到原料的成本较高，常从柑橘皮和苹果皮渣中提取果胶。有研究表明柚子皮、向日葵盘以及脐橙皮中果胶含量也很高。

果胶的提取过程是一个将不溶性果胶转化为可溶性果胶，可溶性果胶向液相转移过程。果胶的提取方法有多种，应用最广泛的传统的方法是用稀酸进行提取。纯化果胶的方法也有多种，普遍使用的是醇沉法，利用了果胶不溶于乙醇的特点。

3 果胶酶和果胶甲酯酶的区别

果胶酶是指能分解果胶物质的多种酶的总称。果胶酶大致可分为果胶水解酶、果胶裂解酶（PL）、果胶酯酶（PE）和原果胶酶等。果胶水解酶又有多种，如聚半乳糖醛酸酶（PG）、聚半乳糖醛酸甲酯水解酶（PMG）、聚鼠李半乳糖醛酸酶（RHG）等。由于人们对PG的认识最早，早先常被称为果胶酶。所以，果胶酶是一类酶的统称还是特指半乳糖醛酸酶（PG）还需根据上下文进行理解。

聚半乳糖醛酸酶（PG）可以水解切断果胶分子的α-1，4糖苷键，但对于酯化程度较高的果胶来说水解速度较低。果胶甲酯酶（PME）的作用位点是果胶分子的还原性末端或邻近的游离羧基，能水解果胶中甲氧基与半乳糖醛酸之间的酯键，形成甲醇和果胶酸。再经过PG作用可形成半乳糖醛酸（图2）。在果实软化过程中，PME的作用是PG发挥作用的必要前提。

4 获取果胶酶的方法

除了曲霉和青霉外，还有一些毛霉、根霉等也能产生果胶酶。由于黑曲霉属于公认的代谢产物安全的菌种，所以市售的食品级果胶酶主要来源于黑曲霉。一些细菌，如浸麻芽孢杆菌、节杆菌、假单胞杆菌也都能生产果胶酶。某些放线菌和酵母菌也可以产生果胶酶。研究者们常通过物理和化学诱变方式选育出高产优质的果胶酶菌株。

如果微生物所产的果胶酶是胞外酶，通过过滤、离心获得的培养基上清液即是粗酶液。如果产生的果胶酶是胞内酶，则需要通过超声波、酶解以及研磨破碎等方法使酶释放出来。制得的粗酶液先经过硫酸铵盐析和有机溶剂沉淀进行初步分离，再通过层析法进行提纯。

5 在“果汁中的果胶和果胶酶”实验中难以观察到明显的果汁澄清现象的原因

在课堂教学中，很多学生反映此实验的结果与预期不符。比如发现未添加果胶酶的试管中澄清现象比添加了果胶酶的试管更明显，或者观察不到明显的果汁澄清现象，有时还会在试管上部发现一些悬浮物。这些问题的产生可能是由以下原因导致的。

苹果匀浆为果汁和果泥的不均匀混合物，在分装到试管中时难以保证各试管中反应物的一致性，由此影响试管中果汁澄清的实验结果观察。如果采用纱布或者滤纸将苹果匀浆进行过滤，得到均一的果汁滤液，分装时才能大大减少误差，实验结果才能可靠。

果胶酶使果汁澄清分层的时间是比较长的，往往要几十分钟甚至几个小时才有明显的现象。学生实验的时间有限，可以采用不断搅拌的方法促进酶和底物的接触，也可以采取提高反应温度的方法加快反应速率。比如将试管放在45～50℃的水浴锅中10～20 min，就能有明显的结果出现。

沉淀物在试管上部悬浮的现象可能是由于机械榨汁过程中果汁中混入大量气泡导致的。用研磨过滤器制取的果汁进行上述实验可以有效避免这个显现，使果汁澄清更加明显。

6 “果汁中的果胶和果胶酶”实验中将试管沸水浴加热的作用

很多学生把这一步骤误以为是验证酶在高温下失活，催化作用丧失。其实在沸水浴之前，果胶酶和果汁已经混合，酶促反应已经发生，果胶已经分解。此处的加热步骤不是用来证明高温会破坏酶活性，而是一种果汁生产中常用的热凝澄清工艺。果汁温度上升到55℃以上时，某些酶蛋白发生变性失活，导致果汁中的可溶性固形物含量增加，从而达到澄清的效果。

7 使用乙醇检验果汁中果胶的分解程度的方法

由于果胶不溶于乙醇，因此在果汁中加入乙醇如果观察到絮状物现象这说明果汁中仍有果胶，絮状物的形成速度和数量可反映果胶的含量。但是当试管中的果汁澄清效果不佳时，果胶沉淀絮状物的观察就受到影响。此时，可以吸取少量果汁上清液到点样板中，加入体积分数95%的乙醇，就可看到明显的絮状沉淀产生。另外，也有文献提到采用96%乙醇与1%浓盐酸的按比例为99∶1配制成乙醇溶液，取一份果汁加两份乙醇，也能观察到明显的絮状物。

参考文献：

[1] 张学杰，郭科，苏艳玲.果胶研究新进展[J].中国食品学报，2010，10（1）：67-174.

[2] 谢明勇，李精，聂少平.果胶研究与应用进展[J].中国食品学报，2013，13（8）：1-14.

[3] 于铭章.果胶对山楂加工的影响[J].河北林果研究，2009，24（3）：309-323.