果胶功能性质新进展

刘成梅,刘 琪,陈 军,梁瑞红

(南昌大学食品科学技术国家重点实验室,江西南昌 330047)

近年来,天然植物多糖因其独特的性质而受到人们的广泛关注。果胶是从高等植物细胞壁中提取的一种天然、无毒的酸性杂多糖。果胶分子量(Molecular weight,Mw)在50～300 kU之间,不同来源的果胶和提取工艺得到的果胶分子量差异较大[1],具有高度的结构多样性[2]。它主要由四种结构组成:同型半乳糖醛酸聚糖(Homogalacturonan,HG)、鼠李半乳糖醛酸聚糖I(Rhamngalacturonan I,RGI)、鼠李半乳糖醛酸聚糖 II(Rhamngalacturonan II,RGII)和木糖半乳糖醛酸聚糖(Xylogalacturonan,XG)[3]。果胶主链上的C-6羧基会部分甲酯化,甲酯化的半乳糖醛酸残基占比被称为甲酯化度(Degree of methylesterification,DM)或者是酯化度(Degree of esterification,DE)[4],果胶结构如图1所示[5]。

图1 果胶结构示意图Fig.1 Schematic diagrams of the structure of pectin

根据果胶酯化程度的不同,果胶可分为高酯果胶(DM>50%,High methoxyl pectin,HMP)和低酯果胶(DM<50%,Low methoxyl pectin,LMP)[6]。果胶分子量、酯化度与果胶的流变学特性、凝胶性、溶解性和乳化性有关[7-10]。在食品工业,果胶主要用作果酱和果冻中的胶凝剂、饮料的稳定剂等[11]。在酱、冰淇淋和肉制品中,果胶起到脂肪替代品的作用[12]。果胶具有降低血脂、止痛、降低心脏病发病率、抑制脂肪酶活性、抑制癌细胞生长和转移、诱导细胞凋亡等[13-15]的生物学特性,在医药工业中得到了广泛的应用。随着果胶研究的不断深入,果胶还被应用于益生菌包埋、药物递送、食品保藏等方面[16]。果胶的功能特性和应用在很大程度上受其结构的影响[17]。本文综述了果胶的部分功能特性和应用,以期为进一步拓展果胶的功能特性以及应用提供理论支持。

1 健康益生应用

1.1 控制脂质消化

近年来研究发现,肥胖人群由于摄入了过多的脂肪,具有更高的冠心病、高血压、中风、糖尿病和癌症等疾病发生风险[18]。已经有文献证明,果胶类的多糖可以控制脂质的消化[19]。因此,通过饮食干预来降低肥胖相关疾病的发生风险是一种切实可行的措施。果胶对脂质消化的影响取决于多糖的分子特性,如分子量、酯化度和疏水性基团等[20]。果胶溶液的粘度随分子量的增加而增加[21],增加果胶溶液的黏度,能够改变消化液的粘度,对脂质的运动和物质传递产生阻碍。Xu等[22]发现将果胶添加到乳液体系中抑制了最终脂质的消化。Cervantes-Paz等[23]报道,高分子量和高粘度的果胶能够提高胃肠道消化介质的粘度,延缓脂质的运动,有助于抑制脂质消化。果胶分子量可显著影响脂质消化外,果胶酯化度也与脂质的消化有关。Espinal-Ruiz等[24]在模拟胃肠的条件下,比较柑橘、香蕉西番莲果胶对脂质消化的影响,发现消化体系中果胶的性质(分子量和酯化度)决定了脂质的消化;随着果胶分子量和酯化度的提高,脂质的消化率和消化程度均有所下降;高酯果胶与脂质液滴相互作用,抑制了脂肪酶与脂质液滴的接触,从而降低了脂质消化;而低酯果胶携带较多负电荷,可以与脂质产生静电排斥,使得脂肪酶易与脂质接触,促进了脂质的消化;同时还发现酯基增加了体系的疏水性,使得果胶与胆盐结合,最终降低脂质消化。Verrijssen等[25]也发现,果胶携带的疏水性基团使其能够吸附在脂滴表面,进而形成保护层,减少脂滴与脂肪酶的接触。另外,果胶的中性糖侧链还可提供空间稳定性,防止脂滴的聚集,从而抑制脂质消化[26]。据报道,在果胶存在的条件下,果胶的甲氧基与脂滴相互作用,可能会出现絮凝等现象。与非絮凝的体系相比,液滴的絮凝减少了脂滴有效表面积,阻碍脂肪酶与脂滴表面的接触,从而抑制了脂质的消化[27]。当体系存在阳离子(如Ca2+)时,果胶与阳离子形成凝胶,减少脂滴的表面积,从而减少了脂质的消化[28]。

在消化过程中,果胶还可以作为基质与消化酶的屏障,抑制脂肪酶的活性,从而降低脂质消化[29]。Tsujita等[30]发现,分子量为90 kDa的果胶可显著抑制脂肪酶的活性,并将此结果归因于果胶抑制了脂肪酶在乳液界面的吸附。然而,Edashige等[31]发现,分子量较高的果胶(>300 kDa)对脂肪酶活力有较强抑制作用,而分子量<300 kDa的果胶抑制作用相对较弱。同时,果胶与脂肪酶还存在竞争性抑制作用,脂肪酶优先与果胶结合,形成果胶-脂肪酶复合物,进而呈现出抑制脂肪消化的效果[14]。除了直接与脂肪酶结合抑制其活性外,果胶中的羧酸残基也可以使脂肪酶活性部位质子化,抑制脂肪酶活性[32]。综上所述,果胶的分子量、酯化度影响消化体系的粘度、稳定性以及脂肪酶的活性,影响脂质的消化性质。果胶分子量对脂肪酶活性的影响还存在争议,因此探究果胶分子量对脂肪酶活性的影响是未来研究的重点。

1.2 控制胆固醇代谢

胆固醇不仅是身体不可缺少的营养成分,还是合成许多重要物质(细胞膜、胆汁酸)的原料[33]。但是过高和过低的胆固醇水平均不利于人体健康,因此控制胆固醇的代谢具有非常重要的意义。胆固醇的代谢主要在肝脏中进行,体内过多的胆固醇通过排泄胆汁酸/盐和游离胆固醇来实现[34]。有研究报道,果胶等可溶性膳食纤维可有效控制胆固醇的代谢,主要通过以下三种机制降低胆固醇的代谢[35],a:增强胆汁酸的排泄,抑制的胆汁酸的重吸收;b:降低葡萄糖吸收速率,减少胰岛素的产生,进而降低酶的活性,减少胆固醇的合成,从而降低胆固醇的吸收;c:在结肠中发酵产生的短链脂肪酸抑制肝脏中胆固醇合成。Theuwissen等[36]发现,果胶类可溶性膳食纤维可增强胆汁酸的排泄,从而降低血清胆固醇水平(机制a)。赖富饶等[37]通过小鼠体内实验发现,豆皮果胶多糖可增加胆固醇和胆酸的排泄,并发现小鼠排泄的总胆固醇和总胆酸与豆皮果胶多糖的剂量呈正相关(机制a)。Rubio-Senent等[38]发现,从橄榄生产的废水中提取的果胶在体外有良好的结合胆汁酸的能力,并抑制葡萄糖在胃肠道的吸收(机制b)。Dongowski等[39]发现,果胶等可溶性膳食纤维在肠道中发酵产生的短链脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸等),抑制肝脏胆固醇合成(机制c)。

果胶的粘度、酯化度、分子量等物理化学特性决定了降低胆固醇的能力。Terpstra等[40]研究了不同粘度果胶对胆固醇的代谢的影响,发现高粘度的果胶具有更强的降低胆固醇的能力,表明果胶可以与胆固醇或胆汁酸结合形成凝胶,改变胆汁酸肠肝循环,促进胆固醇或胆汁盐的排泄,减少胆固醇或胆汁盐的重吸收,从而达到降低胆固醇的目的。Brouns等[41]研究了不同酯化度果胶对降低胆固醇的影响,发现高酯化度果胶降低胆固醇的效果更好。增加果胶酯化度,能够提高果胶的疏水性,同时降低果胶携带的负电荷,增加的非极性基团通过疏水引力提高了果胶与胆汁盐的结合,从而能够促进胆固醇和胆汁盐的排泄[42]。此外,研究发现,果胶降低胆固醇作用随着果胶分子量的增加而增强。Yamaguchi等[43]发现,大分子果胶能有效降低大鼠血浆胆固醇。Terpstra等[44]发现,食用大分子量果胶比低分子量的果胶更能有效地降低血浆胆固醇水平。

1.3 预防癌症

近年来,尽管化疗、放疗、免疫治疗和基因治疗不断改进,但是与癌症相关的死亡人数仍然不断增长[45]。根据2018年世界卫生组织的数据,每年全世界约有960万人因癌症死亡。研究表明,果胶具有较好的预防癌症的功效。果胶的预防癌症特性主要是具有免疫保护、促进益生菌生长、抑制肿瘤生长和抑制致癌基因等方面的作用[45-46]。Chanoh等[46]报道,韩国红参果胶能够增强T细胞的免疫功能,并抑制髓源性细胞的活性。Wang等[47]通过实验发现,积雪草果胶中的羧基和乙酰基可调节T细胞和B细胞的免疫活性。Cheng等[48]发现,富含HG的果胶诱导癌细胞的生命周期在G2/M停滞,从而抑制HT-29细胞的增殖。果胶在结肠中可被发酵成短链脂肪酸,可以调节肠道菌群,降低结肠的pH,调节结肠隐窝中蛋白凋亡,生成促进结肠细胞隐窝生长的丁酸盐,影响半乳凝素网络,诱导癌细胞发生凋亡[49-50]。向小鼠饮食中添加果胶并用丁酸盐处理大鼠的肠道细胞发现,结肠癌细胞生长受到抑制,并被诱导凋亡[51]。

相比天然未经修饰的果胶,果胶改性后链长(分子量)、酯化度降低,果胶溶解性提高,可影响血液中果胶的浓度、吸收和排泄,此外,改性果胶也增加了RGI区域的药效基团数量,因此改性果胶有更好的抗肿瘤效果[52-53]。改性果胶抗肿瘤主要机理为:抑制肿瘤细胞转移、生长以及提高癌细胞凋亡等方面。Pienta等[54]利用pH-改性的柑橘果胶饲养大鼠,发现改性果胶能显著抑制大鼠前列腺癌细胞的肺转移。Glinsky等[55]发现,pH-改性的果胶对肿瘤生长、转移和血管生成具有抑制作用。黄志良等[56]研究表明,改性柑橘果胶可抑制结肠癌肝转移。Jackson等[15]发现,热改性的柑橘果胶可以调节前列腺癌细胞周期,对癌细胞表现出很强的抑制效果。张燕燕等[57]通过pH-改性法和热改性法对甘薯果胶进行改性,发现改性的果胶可以有效的抑制癌细胞的增殖。

肿瘤生长和转移与新生血管的关系密切,血管的形成是肿瘤细胞持续生长的基础,因此抑制肿瘤血管的生成可从根本上抑制肿瘤细胞的生长及转移[58]。半乳凝集素-3(Galectin-3,Gal-3)在肿瘤血管生长和转移起着非常重要的作用,其表面的糖识别区能与细胞表面受体结合,促进血管的生成[59]。果胶通过影响Gal-3与细胞结合,减少血管的生成[60]。体外实验中发现,低分子量柑橘果胶可抑制血管的生成[61]。在体内实验中,口服低分子量柑橘果胶可以阻止多种肿瘤细胞转移以及转移灶血管的生成[62]。果胶结构尤其是分子量对发挥果胶抗癌特性至关重要。今后果胶的分子量改性研究应是研究的重点方向,而且应该对果胶结构进行“定制”,充分发挥果胶的抗癌作用。

1.4 益生元

果胶低聚糖(Pectic oligosaccharides,POS)是果胶解聚后产生的寡糖,主要包括阿拉伯低聚糖、低聚果糖等[63]。果胶低聚糖可调节肠道菌群,对宿主产生有益作用,因而被认为是一种新型的益生元[64-65]。与果胶相比,由果胶制备的低聚糖可有效抑制梭状芽孢杆菌和拟杆菌的生长,减少外毒素和侵袭性酶类的分泌,还具有免疫调节、抗溃疡以及减少乳糖不耐受等生物活性[64,66]。从苹果渣中提取的果胶低聚糖具有益生作用,有助于形成健康的胃肠道环境[67]。王江浪等[68]利用苹果渣制备果胶低聚糖,发现果胶低聚糖可抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。Chen等[69]采用动态高压微射流处理苹果渣得到果胶低聚糖,通过粪便发酵结果发现,与果胶相比,果胶低聚糖增加了双歧杆菌和乳酸菌的数量,并产生了大量的乙酸、乳酸和丙酸。Manderson等[70]通过粪便发酵实验发现,柑橘果胶低聚糖促进粪便微生物的繁殖,还可使直肠杆菌数量增加,并促进大量丁酸盐的产生。酶处理柑橘果胶获得的水解产物促进了毕氏杆菌和嗜酸乳杆菌的生长以及耐酸性[64]。Michalak等[71]报道了马铃薯果胶低聚糖具有益生活性,发现低聚糖促进了双歧杆菌和嗜酸乳杆菌的生长,并抑制了产气荚膜菌的生长。

果胶低聚糖的来源、结构(结构域、分子量、酯化度)决定了其功能特性。相比果胶和商业低聚果糖,从甜菜浆和柠檬皮中提取的果胶低聚糖有更好的益生特性[72]。体外粪便培养实验发现,甜菜果胶低聚糖促进了毕氏杆菌的生长,而柠檬皮果胶低聚果糖促进了乳酸杆菌的生长,两者对有益菌的增强效果强于低聚果糖。Thomassen等[73]发现,与低聚果糖相比,原始马铃薯纤维与经酶处理马铃薯纤维分别被类杆菌和双歧杆菌选择利用。富含RGI、半乳糖侧链和HG的高分子量马铃薯纤维更易被双歧杆菌利用。富含低聚糖的原马铃薯纤维更易被类杆菌利用。而Al-Tamimi等[74]采用8个甜菜阿拉伯低聚糖组分用于人体肠道细菌,发现与阿拉伯聚糖或高分子量组分相比,低分子量的阿拉伯低聚糖更容易被双歧杆菌利用。早期Olano-martin等[75]利用酶法分别处理高酯果胶(66%)、低酯果胶(8%),分别得到了POS、POSI、POSII,经体外发酵实验发现,低酯果胶和POSI中双歧杆菌的增长速度高于高酯果胶和POSII。表1归纳总结了果胶的不同功能特性及其作用机理。

2 食品应用

2.1 作为益生菌的递送材料

近年来,益生菌食品是科研人员研究的热点。但是人体的胃肠道环境(酸性、消化酶),不利于益生菌的生长,甚至造成益生菌原有功能的丧失。果胶的多糖链和疏水性基团(蛋白质、阿魏酸、乙酰基)赋予了其双亲性[10],因此果胶可用于制备乳液包埋益生菌。此外,果胶链之间通过形成氢键(高酯果胶)和静电相互作用(低酯果胶)可形成三维网状凝胶,将益生菌包裹在其中,抵抗胃肠道的不利环境,因此也可用做载体递送益生菌[17,76-77]。Zhang等[78]利用甜菜果胶乳液增强唾液乳杆菌在胃肠道中的存活率,通过钙离子交联甜菜果胶制备的乳液进一步提高了模拟胃肠道消化条件下唾液乳杆菌的生存能力。Gebara等[79]发现,在胃肠液中,果胶包埋的嗜酸乳杆菌比非包埋的嗜杆菌活力高。目前,果胶递送益生菌主要为唾液乳杆菌[78]、嗜酸乳杆菌[79]、德氏乳杆菌[80]、植物乳杆菌[81]、双歧杆菌[82]、干酪乳杆菌[83]和凝结芽孢杆菌[84]等。

表1 果胶的不同特性及效果Table 1 Different characteristics and effects of pectin

果胶侧链上的酯基和酰胺基分布不均给“蛋盒模型”的形成产生不良影响,导致果胶交联能力、机械性能变差,空隙率提高,阻碍了其在益生菌的靶向递送中的应用[85]。为了解决上述问题,目前常通过添加来源丰富、价格低廉的天然来源的物质(米糠、蛋白质、多糖等)作为填充剂,以提高果胶在输送益生菌过程中的保护效果。Chotik等[81]添加米糠到果胶溶液中制备微胶囊,结果表明,米糠增强了果胶微胶囊的凝胶网络的交联能力和机械性能,提高了植物乳杆菌对胃肠道环境的抵抗能力。Guerin等[82]研究了在模拟胃液环境中藻酸盐、果胶和乳清蛋白混合凝胶对双歧杆菌的保护作用,发现双层包埋材料降低了果胶的多孔性,提高了机械强度,增强了菌株在胃条件的生存能力。Bepeyeva等[83]利用果胶和壳聚糖制备凝胶珠,制备的凝胶珠形状规则,机械性能好。结果表明,果胶壳聚糖凝胶珠对干酪乳杆菌在胃肠道环境中有良好保护作用。此外,还可利用生物纳米材料提高果胶递送的益生菌活性。Khorasani等[84]制备了细菌纳米纤维素和果胶的生物复合材料,增强包埋材料的稳定性能,提高了益生菌在胃肠道环境(94.76%)和微波干燥的存活率(99.3%)。相比单独使用果胶,果胶和细菌纳米纤维素的组合能够更有效地保护益生菌。将淀粉和羧甲基纤维素钠掺入果胶-细菌纳米纤维素复合材料中,在胃肠道的条件下实现对凝结芽孢杆菌的有效保护[86]。果胶-天然材料(米糠、蛋白质、多糖等)解决了单一果胶在益生菌的靶向递送中的应用缺陷。此外,进一步拓展果胶与其他天然材料在递送过程的应用也是今后研究重点方向之一。

2.2 作为活性包装材料

随着人们对自然和生态友好型技术的重视,可持续食品包装材料受到人们的广泛关注[87]。传统的塑料包装材料易对环境造成污染,用生物聚合物生产的包装材料日益成为传统包装材料的替代品[88]。由于果胶能与多价金属阳离子如(Ca2+)反应,形成不溶性聚合物,因此果胶也可用于食用包装中[89]。在食品保鲜领域,果胶不仅可用于包装材料,还可以作为抗菌剂、抗氧化剂和其他相关化合物的载体分子[90]。

单一的果胶薄膜存在机械强度弱、阻隔性能差等方面的缺陷。为了解决上述缺陷,采用添加多糖以改善果胶薄膜的性质。Medeiros等[91]利用果胶与壳聚糖一同制备的纳米多层膜用于预防芒果腐烂变质,与未涂膜的芒果相比,纳米涂膜的阻隔特性使涂膜的芒果防腐效果更好。纳米涂膜的低透氧性有助于芒果的延长保质期。陈妮娜等[92]以果胶和海藻酸钠为基材,添加甘油和脂质制备复合膜,经过Ca2+交联得到的海藻酸钠-果胶改性复合膜的阻隔性能、机械性能以及抗水特性有显著的提高。除添加多糖外,对果胶进行改性也可改善果胶薄膜的性质。Calce等[93]采用脂肪酸对果胶进行改性,发现将改性果胶可以捕获氧气,减少氧气透过薄膜。此外,还发现改性果胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出抗菌作用。然而,天然的果胶并不具备抗菌性,因此,果胶作为活性分子的载体并转化为功能性生物聚合物。Sanchís等[94]使用苹果果胶与抗菌剂和抗氧化剂组合有效地抑制鲜切柿子的褐变以及细菌,酵母菌和霉菌的生长。果胶和木瓜泥为基础制备复合肉桂醛纳米乳液抗菌薄膜,拓展了纳米可食用性薄膜的应用[95]。

表2 果胶作为益生菌运载体和活性包装材料的应用Table 2 Application of pectin as probiotic carrier and active packaging material

果胶还可以应用于食品包装中制作纳米复合材料[96]。苏东林等[97]优化了柑橘果胶和银纳米离子制备工艺,得到形状规则的果胶银纳米粒子。果胶和银纳米颗粒制备的纳米复合膜对大肠杆菌和李斯特菌的抗菌效果十分显著[98]。Balachandran等[99]在碱性条件下合成了果胶银纳米粒子,并发现纳米颗粒的抗大肠杆菌活性与抗菌药物氨苄西相似。表2中列出了果胶作为益生菌递送材料和活性包装材料的部分应用。

7 结论与展望

果胶功能特性多样,可作为天然大分子胶体和可溶性膳食纤维而广泛应用于食品及医药保健品行业中。本文在前人的基础上,为进一步开发利用果胶资源,扩大果胶的应用范围,提出以下研究建议:果胶的分子量、酯基等结构对脂质、胆固醇代谢和抗癌作用的影响结果不一致,应寻找更广阔的果胶来源,更有效、更有针对性的改性果胶方法,以扩大果胶的在控制脂质、胆固醇代谢和抗癌作用的应用探究,解决果胶理化性质与脂质、胆固醇代谢和抗癌作用之间的关系。目前,用于抗癌的改性果胶主要是柑橘果胶,应该进一步开发其它改性技术或改性果胶(甘薯)用于抗癌。此外,还需开发更多果胶低聚糖来源,可解决果胶低聚糖的来源相对较少的问题,例如甜菜和柠檬皮果胶。单一的果胶制备的凝胶或薄膜来递送益生菌或者用作活性包装材料还存在机械性能弱、阻隔性能差等问题。添加多糖、蛋白质、生物纳米材料解决上述问题,同时也可发挥添加物的有益作用。综上所述,为更好发挥果胶的功能应用,通过拓展果胶来源、开发不同的加工方法以及“量身定制”果胶结构,以解决人们对不同果胶性能的需求,从而使果胶更好为人类服务。