果胶及其寡糖的性质和功能研究进展

祝儒刚， 侯玉婷， 孙艳頔,2

(1.辽宁大学轻型产业学院 辽宁省食品生物加工工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110036； 2.辽宁大学 生命科学院，辽宁 沈阳 110036)

果胶及其寡糖的性质和功能研究进展

祝儒刚1， 侯玉婷1， 孙艳頔1,2

(1.辽宁大学轻型产业学院 辽宁省食品生物加工工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110036； 2.辽宁大学 生命科学院，辽宁 沈阳 110036)

果胶是植物中一种复杂的酸性分支多糖，降解可产生果胶寡糖.研究表明，不同的果胶来源和提取方法对果胶的结构、理化性质和功能有不同的影响；处理方法和条件不同，果胶降解的产物及功能也会大不相同.果胶及其寡糖的研究是膳食纤维领域的研究热点，研究成果日新月异.因此，就果胶的来源、分离提取、理化性质以及果胶寡糖的制备和功能特性等进行综述，着重论述果胶及其寡糖的功能特性的最新研究进展.

果胶；果胶寡糖；性质；功能；进展

0 引言

果胶是从高等植物细胞壁中提取的一种高分子量、生物相容、无毒的阴离子天然多糖，作为胶凝剂和稳定剂在食品、化妆品和保健品中得到广泛应用[1-2].果胶的分子量和酯化度决定了其物理化学性质和功能特性[3].近年来，随着果胶来源的丰富、提取方法的改进以及结构与功能之间关系研究的进一步明确，使果胶的应用更加具体化和精细化，同时也使越来越多的人投身于果胶的应用研究之中[4-6].果胶经过降解可生产低粘度的果胶寡糖，弥补了果胶高粘度的缺点，扩展了其应用范围[7-8].功能性果胶寡糖因其具有改善脂代谢、抗氧化、抗癌及增强免疫力等应用价值，倍受关注[9].作为一类新型的益生元，果胶寡糖在促进人类健康方面将发挥重要的作用[10].本文主要针对果胶及其寡糖的功能研究新进展进行了详细综述.

1 果胶来源

果胶广泛分布在植物的根、茎、叶和果实中，是一种多糖类高分子化合物，与纤维素、半纤维素共同构成植物细胞初生壁(primary wall)和胞间层(middlelamella).水果类、根菜类及块茎类较为常见.目前许多国家从柑橘皮、向日葵盘、薜荔仔、苹果皮渣及甜菜渣中提取果胶.此外，也有研究报道从厨房废料(土豆渣、韭菜废物和芹菜废物)中提取果胶[11]，但这些研究目前还仅限于实验室的基础研究阶段，且不同原料不同部位的果胶含量存在较大差异(表1).

表1 果胶的来源及含量

2 果胶的分离提取、结构及理化性质

2.1 果胶的分离提取

果胶是存在于土壤栽培植物、特别是水果及蔬菜中细胞壁和胞间层的一种天然多糖，历史上最早是在1825年由法国科学家Braconnot从蔬菜中分离得到[24].由于果胶的物理化学性质及表现出的生物活性，人们对不同食物来源的果胶提取产生极大的兴趣，而植物来源、提取方法及后续处理操作的不同对果胶的性质会产生不同影响[25].常用果胶的提取方法有酸提法、酶解法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法，此外螯合剂法、亚临界水萃取法、电磁感应加热法也成为提取果胶的新方法(表2).

表2 不同提取方法对果胶成分的影响

注：-表示文献中未提及.

酸提法作为一种较成熟的果胶提取工艺，已得到国内外果胶的工业化生产认可[26].超声波处理因能改变食物成分的物理化学变化而应用于食品工业，其中超声波带来的空穴作用及细胞破碎增强从固体介质向溶剂的传质过程，能在短时间提高萃取率，得到果胶提取率达12.67%，是相同提取条件下传统提取法的1.6倍[27].微波加热作为一种绿色技术，能够保证介质中不存在温度梯度，同时大大减少设备所占空间[28].酶作为一种有机材料，少量的酶即可作用于食物材料，且产生的废液经处理后对环境污染小[29].因此酶提取法能够保留植物原有的营养成分，但考虑酶的价格，通过生物工程选育出高产菌株生产果胶酶，再用酶解法提取果胶是目前学者研究的目标方向.

2.2 果胶的结构及理化特性

果胶多糖结构复杂，就化学组成和结合方式而言，是一类最复杂的多糖，其化学结构和分子量与其植物来源、组织部位、成熟度及提取方法等因素密切相关.因此不同果胶的结构特性和功能特性不同，如甜菜和柑橘果胶比苹果果胶表面张力低，酯化程度高的果胶在溶液中的乳化性也高[30].果胶多糖的分子量介于10 000～4 000 000之间，由17种不同的单糖通过20多种不同的连接方式组成[31].

标准果胶为白色或淡黄色粉末，无特殊气味.一般来说白色果胶的商业价值较高.果胶中半乳糖醛酸(Galpa)的羧基易被甲基或乙酰基酯化，酯化度是影响果胶凝胶速度和凝胶时间的重要因素，是体现果胶产品性能的重要指标，因此HG的甲酯化一直是许多果胶研究的主题.商业果胶的酯化度为(70.07±1.34)%[32].果胶中半乳糖醛酸单元的羟基(O-2或O-3)与乙酸发生酯化反应则称之为乙酰化(DAC)，DAC一般较低，但研究证实甜菜、梨、胡萝卜的果胶含有高DAC.不同的提取方法会导致果胶的甲酯化度和乙酰化度有所不同[33].果胶的粘度是另一个用来确定果胶的质量和效用的重要属性.一般来说，果胶的粘度取决于分子量、形状、pH和离子强度等，从理论上讲果胶的粘度高低按照其构象排序为:棒状>无规卷曲>球体状[19].

3 果胶寡糖的制备、纯化及性质

3.1 果胶寡糖的制备

降解果胶的方法有很多，如酸法、碱法、酶法、水热处理法、微波辅助法和超声波法，二氧化钛光反应法以及动态超高压微射流法[34].酸法、碱法和草酸铵法属于化学方法，该方法成本低，易于实现工厂化生产，但是较难控制果胶水解程度，得到的是单糖和双糖，副产物较多.不同的降解方法对果胶的功能特性产生很大的影响.微波辅助法、超声波法和动态超高压微射流法等属于物理方法，该方法成本低廉，但随机性较大，实验重复性较差，获得的果胶低聚糖聚合度和结构类型不稳定[35].酶法降解果胶可分为2种不同类型的降解过程，即去酯化及解聚.果胶降解酶普遍存在于植物和植物病原菌中，具有专一、高效等特点，是现在研究较多的一种方法，李等用酶解山楂果胶得到11种寡糖[36].但由于果胶结构复杂，果胶酶种类多样，想要达到人们预期的效果还需要开展大量深入的研究.

3.2 果胶寡糖的纯化

目前纯化果胶寡糖的方法有高效液相色谱、离子交换色谱、毛细管电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳、超滤等[37].最常用的分馏技术是离子交换色谱法和凝胶过滤(玻纤)色谱法，不但能够有效地从其他化合物中分离寡糖，而且可连续操作，柱料可重复使用，因此在果胶寡糖的工业化分离纯化和分析中已成功生产应用[38].吸附和离子交换树脂可用来除去盐及其他化合物.膜色谱分离可用来检验寡糖的聚合度，不使用其他溶剂，但由于价格较昂贵，不适用于工业化生产[39].此外生物净化也成为近年来的研究热点.经酿酒酵母净化48小时后可以除去火龙果低聚糖提取液中的葡萄糖和果糖[40].多数情况下生物净化需要同其他方法协同使用，配合更完整详细的处理过程来提高其利用的可行性.

3.3 果胶寡糖的结构与理化特性

通过降解细胞壁材料或用纯化的果胶酶萃取果胶，不同的单糖主要集中分布在果胶结构域上，结构较复杂的混合物需要预处理，通过分离和水解技术相结合确定果胶寡糖的分子量和理化特性.质谱分析法因其高灵敏度、高流通量已成为寡糖结构分析重要的工具手段[34].果胶寡糖稳定性强、耐热性好，甜度低，热量低，服用后基本不会增加人血糖及血脂的含量.果胶寡糖不能在胃内消化和吸收，但可以被小肠中的细菌利用，发酵成短链脂肪酸和乳酸等，在人体内发挥作用.

4 功能特性

4.1 果胶的功能特性

果胶因其独特的理化性质而得到广泛应用，作为食品添加剂在果酱、果冻、冰淇淋、糖果、焙烤食品、饮料及乳制品中，果胶起到增稠、稳定和增加口感的作用[1]；由于果胶具有生物降解性，凝胶性，可食性以及选择渗透性等特性，所以果胶可以用来制做食品可食性包装膜[41].作为可溶性膳食纤维的一种，果胶能够降低患心血管疾病的风险，如对血浆胆固醇水平的降低有效果，因此可用来处理高水平的低密度脂蛋白.果胶的降胆固醇效果取决于其形成粘性胶体的能力.果胶经过小肠时不会被酶降解，而是在大肠中完全发酵分解为短链脂肪酸，其主要成分是醋酸盐.醋酸作为胆固醇的前体，果胶分解产生的丙酸会抑制肝脏胆固醇的合成，在肠道中使胆固醇与胆汁酸结合，减少肾小管的重吸收促进机体排泄，同时扰乱胶束的形成，从而抑制对胆固醇的吸收[42].半乳糖醛酸含量超过50%的高甲氧基果胶，疏水程度大，比较难溶，能更有效地降低血浆胆固醇.

果胶对免疫系统产生影响，如果胶大分子主链具有免疫抑制活性.研究发现果胶中80%以上的半乳糖醛酸残基具有降低巨噬细胞活性和抑制过敏反应的功能，且果胶的分支可以增强吞噬功能和抗体的产生.有研究表明，对小鼠进行果胶饮水给药，果胶在免疫功能的作用机制为增强细胞吞噬作用和抗原特异性免疫反应[43]；Li等人对果胶的抗氧化性进行了研究，结果显示山楂果胶可以显著提高小鼠肝脏抗氧化酶的活性，说明山楂果胶抗氧化活性的机制之一是提高抗氧化系统的酶活力[44].

此外，果胶可作为抗癌药物的传递介质[45].从柑橘类水果提取果胶，用高pH和温度处理使其改性，得到的改性果胶影响癌细胞的转移速率，抑制肿瘤抗凋亡，增加肿瘤细胞凋亡反应的能力，为利用天然产物化疗、人类肿瘤的治疗提供了理论基础[46].

果胶也可作为脂肪的替代产品.体内会引起高血糖反应的饮食方式会导致胰岛素分泌过剩,诱发抗胰岛素和脂肪肝的形成.粘性膳食纤维会抑制餐后血糖上升.David等人表明粘性纤维可以改变肠道内容物，改善胰岛素耐受性，降低肥胖倾向，预防脂肪肝[47].

4.2 果胶寡糖的功能特性

4.2.1 果胶寡糖的抗氧化活性

果胶寡糖有较强的抗氧化活性，可以有效清除体内的毒素及自由基.活性氧的生产过剩或氧化应激的增强是导致氧化的主要机制，它们参与血管内皮功能障碍及动脉粥样硬化的病发.氧化型低密度脂蛋白水平的提高会损伤内皮细胞，加速形成脂肪堆积细胞的形成和发展,导致在血管壁形成动脉粥样硬化斑块.实际上，几乎动脉粥样硬化的所有阶段都伴有氧化产物的增加.果胶寡糖作为血管保护物质，能够显著提高血清超氧化物歧化酶的活性，抑制氧化反应过程及血清中丙二醛的合成和积累.因此在饮食中添加可溶性果胶食品纤维在防止动脉粥样硬化和心血管疾病中发挥重要的作用.然而，由于果胶的粘度很高会导致果胶的处理受到很大限制，而通过果胶水解得到的果胶低聚糖是一种低分子碳水化合物，其稀溶液几乎没有粘度，高度的可溶性使其使用起来十分方便.因此，果胶寡糖可以作为一种有实际应用价值的食品添加剂[34].Li等人的研究表明从山楂果胶中提取的山楂果胶五寡糖(HPPS)有显著抗氧化活性[48].HPPS表现出对超氧阴离子、羟基和自由基的清除活性，并且随其浓度增大，抗氧化活性增强.此外通过对辐照后的柑橘果胶寡糖的抗氧化性及癌细胞增殖影响的研究发现，抗氧化活性提高了大约20kGy，同时果胶寡糖抑制癌症细胞的增殖.因此我们可以不通过任何化学处理仅用辐照的方法生产功能型果胶低聚糖，将其应用于食品行业[49].

4.2.2 果胶寡糖对脂类代谢的调节作用

长期摄入高脂肪和高胆固醇的饮食会加速甘油三酯的合成，抑制脂肪酸的代谢，通过减少脂肪酸的β-氧化降低血液从肝脏到血液甘油三酯的分泌，导致肝脏内甘油三酯的过量累积.脂质代谢紊乱是导致动脉粥样硬化和心血管疾病的一个重要因素，并与血清温度系数及甘油三酯水平呈正相关.然而，高密度脂蛋白可以抑制这些疾病的发生.一般来说，可溶性果胶等食物纤维能够降低血液中总胆固醇含量和甘油三酯水平.Zhu等人以高血脂症小鼠为研究对象，发现山楂果胶寡糖显著降低血清总胆固醇和甘油三酯水平，其中果胶戊糖降低了3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGCR)和酰基辅酶A的含量，增加胆固醇7α羟化酶(CYP7A1)的活性和基因表达水平，下调胆固醇调节结合蛋白2(SREBP-2)的表达，因此在分子水平上抑制体内脂肪的累积[50].此外，果胶寡糖显著提高超氧化物歧化酶的活性,抑制氧化反应过程及血清中丙二醛的合成和积累.因此,果胶寡糖在防治心血管疾病的营养和药物疗法方面具有价值[34].

4.2.3 果胶寡糖对调节肠道菌群的作用

人们对具有高性能的新型益生剂的鉴定、生产、纯化、评估及商业化产生越来越浓厚的兴趣.果胶通过化学或酶法的部分水解得到果胶寡糖，它作为一种新型益生元待人们去研究.功能性寡糖不能在消化道内被消化，而是在大肠和小肠后段发挥作用.在对果胶寡糖的益生菌活性研究中发现，果胶寡糖增加乳酸杆菌和双歧杆菌的数量，相比果胶而言会产生更高浓度的醋酸、乳酸和丙酸.双歧杆菌和乳酸杆菌在添加含果胶寡糖3～7的佛手柑皮提取物后数量明显增加，且乳酸杆菌只在果胶寡糖的发酵下数量有所增加[51].此外果胶寡糖不足以维持梭状芽胞杆菌的生长，只能使其数量保持在培养液水平[52].更有研究发现果胶寡糖会降低拟杆菌和梭状芽胞杆菌的数量，从而减少外毒素和侵袭性酶类的分泌，尤其对伪膜性结肠炎有良好的预防作用.果胶寡糖既可以充当碳源，参与双歧杆菌在人或动物肠道内的生长调节和黏附过程，同时寡糖与病原菌在肠壁上的受体结构相似，可竞争性地同病原菌结合，使病原菌不能黏附在肠壁上，从而失去致病能力.因此果胶寡糖作为一种有效的益生元有广阔的研究前景[53].正是由于果胶有低聚糖的生物活性，我们需要新的科学技术将其应用于工业化生产[34].

4.2.4 果胶寡糖的免疫调节作用

免疫系统保护人体免受由微生物或其他有害物质引起的疾病.免疫调节作用可以通过两种渠道来实现，一是通过寡糖调节肠道菌群从而增加机体的免疫力，二是通过一个独立的方式直接作用于免疫细胞，这两种方式也可以同时起作用[54]，通过血液循环在免疫系统的器官和炎症病发区域之间传送免疫成分.果胶寡糖会抑制结肠癌细胞的凋亡，抑制空肠弯曲菌对人体细胞的毒性作用.饮食中添加特定的果胶寡糖可以达到预防过敏和感染、增加免疫阶段的炎性疾病的治疗效果[55].聚合度在2～7之间的半乳糖醛酸寡聚物在感染初期、关键阶段负责抑制细菌对上皮细胞的黏附.在中酸性低聚糖对小鼠依赖性辅助型T细胞1(Th1)接种疫苗反应的影响中，用剂量在1%～5%(w/w)的果胶酸性寡糖对小鼠流感疫苗模型进行测验，发现果胶寡糖对迟发型超敏反应有明显的增强作用，同时伴随着脾细胞Th1分泌的减少.而对人的幼年反应十分薄弱，因此在婴儿配方奶粉中添加适当剂量的果胶低聚糖将十分有益于婴儿的免疫系统发育[56].

4.2.5 其他应用

除了寡糖共有的功能，很多寡糖也有其自己的功能特性，例如美拉德反应.科学界普遍认为糖基化和年龄因素是导致人类发病的重要因素，特别是糖尿病及其并发症.而阿魏酸低聚糖具有抑制糖基化反应的功能[57].某些甜味寡糖还可以作为糖尿病患者的替代甜味剂.寡糖的天然产品把某些生物过程作为作用靶点，阻碍细胞壁合成，干扰细菌的翻译.因此寡糖的天然产物可治疗例如细菌感染和Ⅱ型糖尿病的某些疾病[58].

5 果胶及其寡糖的研究趋势和热点

近年来，有关果胶修饰及改性的研究引起了广泛关注.果胶的羟基和羧基沿果胶主链分布，侧链携带有一定量的中性糖，使果胶能够衍生出许多种物质.果胶修饰方法包括替代(烷基化，酰胺化，季铵化，硫醚化，酯化，氧化等)、链延伸(交联和接枝)和解聚(物理、化学和酶降解)[38].果胶的改性多采用热改性法和pH改性法，改性后的果胶酯化度和相对分子质量更低，更容易透过小肠绒毛进入血液中发挥作用.此外通过改性得到的果胶衍生物具有新的功能特性.改性果胶对于侵袭性和复发性的肿瘤疾病具有预防和治疗的作用，它可以抑制肿瘤生长、诱导细胞凋亡、抑制转移、调节相应的免疫反应.常规化疗法失败率高，且副作用大，这就使天然产物(如果胶衍生产品)与传统的抗癌药物协同作用成为人们新的研究方向[59].在医药保健品及食品行业中，果胶占有重要地位，在免疫、材料行业的应用而受到人们的关注.为了迎合消费者需求，通过改性果胶增强或创新果胶功能，开发新产品，将是未来的发展趋势.

具有增效性能的新型益生元的识别、生产和商业化为人们提供了新的研究方向和商业机遇，其中果胶寡糖的益生活性，以及对人类健康的较大影响，使果胶寡糖占据一个重要的角色[34].但要想实现果胶寡糖的工业化生产需要掌握最新的技术和科学信息，尤其是具有特定结构的果胶寡糖，要在反应机理和与分离技术相关的可靠数据的基础上，将纯化加工的成本效益进一步提高.为此，通过研究体外不同的纯度、结构和分子量的靶向产物(如人造结肠)可以为各种结肠片段的底物同化动力学、主要代谢产物以及额外的体内测试缩小实验范围，提供更重要的相关信息.寡糖[60]在抗肿瘤方面也得到了广泛的关注，但由于目前寡糖对各种癌症的抑制作用只处于动物试验阶段，缺少人体实验，且机制尚不明确，因此未来关于寡糖对癌症的抑制作用仍然具有极大的研究空间.

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(责任编辑李超)

ResearchProgressonPropertiesandFunctionsofPectinanditsOligosaccharides

ZHU Ru-gang1,HOU Yu-ting1,SUN Yan-di1,2

(1.SchoolofLightIndustry,LiaoningUniversity,LiaoningProvinceFoodBiotechnologyProcessingTechnologyResearchCenter，Shenyang110036,China；2.SchoolofLifeScience,

Pectin is a complex acidic branched polysaccharide in plants.Pectin oligosaccharide can be obtained from pectin by degradation.Research showed that the source and extraction methods had important effects on the structure,physical and chemical properties and function of pectin.The degradation products and functions of pectin will be very different because of different treatment methods and conditions.The field of pectin and its oligosaccharides is the hot topic of dietary fiber and the results change for better day by day.Therefore,this paper reviewed the source,separation,extraction,physical and chemical properties of pectin,and the preparation and fuctional characteristics of pectin oligosaccharides,and focused on the latest research progress in relation to the functional properties of pectin and its oligosaccharides.

pectin;pectin oligosaccharides;property;function;progress

TS 245.4

A

1000-5846(2017)04-0342-09

2017-03-16

国家自然科学基金青年项目(31301424)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2013008)

祝儒刚(1980-)，男，博士，副教授，从事食品科学与分子营养学研究， E-mail:276284386@qq.com.

LiaoningUniversity,Shenyang110036,China)