果胶提取技术及对品质影响研究进展

2020-04-08李琦廖柳月梁荣李燕郭兴峰

食品研究与开发 2020年7期

李琦，廖柳月，梁荣，李燕，郭兴峰

（聊城大学农学院，山东聊城252000）

1825年，法国人J.Braconnot首次从胡萝卜中提取出一种可形成凝胶的水溶性物质，并将其命名为“Pectin（果胶）”[1]。后期的研究发现，该物质广泛存在于陆生植物细胞壁的中胶层。果胶是一种高分子多糖聚合物，主要是由α-1，4糖苷键连接的D-半乳糖醛酸与鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖等中性糖形成[2]，具有酯化度、胶凝性、流变性等多种理化品质。

果胶作为一种天然的食品添加剂，其增稠、乳化、稳定等作用被广泛应用于食品、医药、日化及纺织等领域[3]，且需求量不断增加。自20世纪末，果胶每年国际市场的贸易量约为30 000 t，约占食品胶的10%[4]，需求量在相当长的时间内仍将以每年15%的速度增长。据不完全统计，我国每年约消耗5 000 t，其中80%依靠进口，需求量与世界平均水平相比呈高速增长趋势[5]。我国虽是水果生产大国，果胶资源丰富，但国内果胶生产工艺落后，生产成本较高，大部分原料被直接丢弃，导致了环境污染问题[6]。

本文介绍近年来国内外果胶的研究进展，提出果胶的研究重点与提取技术的发展方向，旨在为我国果胶的研究与发展提供理论依据。

1 果胶的结构及应用

果胶是植物中的一种天然组分，一般相对分子量为5万～30万，主要存在于植物的果实、根、茎、叶中[7]，几乎无臭，口感粘滑，其水溶液呈现乳白色粘稠状，为弱酸性，耐热性较强，几乎不溶于乙醇等有机溶剂。一般果胶的结构由主链和侧链两部分组成，主链是由α-1，4糖苷键连接的D-半乳糖醛酸单元直链形成的高聚半乳糖醛酸，侧链则是由短的呈毛发状的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖构成[8]。实际上，果胶内部存在的不同杂质使其结构也有所不同，而植物的种类、储藏期的长短和加工工艺也会影响其结构。因此，复杂的结构和多样的功能使果胶成为当今研究的热点。

果胶的复杂结构决定了其分类与功能的多样性。目前发现的果胶结构有4种：同聚半乳糖醛酸（homogalacturonan，HG）、鼠李糖半乳糖醛酸 Ⅰ（rhamnogalacturonanⅠ，RG-Ⅰ）、鼠李半乳糖醛酸Ⅱ（rhamnogalacturonanⅡ，RG-Ⅱ）以及木聚糖-半乳糖醛酸（xylogalacturonan，XGA），果胶的基本结构组成见图1[9]。果胶的酯化度是将果胶应用到不同领域的重要参数，根据果胶的酯化度（degree of esterification，DE）不同，可将其分为高甲氧基果胶和低甲氧基果胶，其中酯化度大于50%的果胶称为高甲氧基果胶，即高酯果胶（high methoxyl pectin，HMP）；酯化度小于50%的果胶称为低甲氧基果胶，即低酯果胶（low methoxyl pectin，LMP）[3]。

图1 果胶分子结构Fig.1 The molecular structure of pectin

根据我国GB 2760-2014《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》中规定：果胶是联合国粮食及农业组织、世界卫生组织、食品添加剂联合委员会推荐的安全无毒的食品添加剂，无每日添加量限制，可按生产需要量用于各类食品[10]。果胶是一种亲水性植物多糖，在食品工业生产中可用作胶凝剂、增稠剂、稳定剂、悬浮剂、乳化剂等，广泛应用于果酱、果冻、冰淇淋、饮料和焙烤等食品[11]。同时，果胶还是一种水溶性的膳食纤维，黏度大，能够吸附重金属离子，可以促进肠道的蠕动和营养物质的吸收，具有降血脂、降胆固醇、润肠通便和抗癌等作用[12]。此外，果胶的成膜性、持水性、抗辐射性都较好，可用于造纸、纺织和化妆品行业。

2 果胶的提取方法

2.1 酸提取法

酸提取法是利用稀酸将植物中的非水溶性原果胶转变为水溶性果胶的相转移过程[13]。原果胶不溶于水，但在酸、碱、盐等化学试剂的作用下能水解成可溶性的果胶酸，再向溶液中加入乙醇或多价金属盐类可使果胶沉淀析出，从而提取出果胶。

Girma等[14]利用无机酸（硫酸）提取芒果和香蕉中的果胶，在温度82℃、时间105 min、pH 2.0时，果胶得率分别为18.50%和11.31%。Cristiane等[15]采用无机酸（HNO3）和有机酸（柠檬酸）提取无梗茄（Solanum sessiliflorum D.）果皮中的果胶，采用pH 1.5的硝酸提取2 h时，所得的果胶产量最高，为14.2%。无机酸的成本较低，但是其酸性和腐蚀性都较强，提取中会损坏容器，提取废液也会污染环境，而采用有机酸在一定程度上，可减少对环境的危害。Raji等[16]利用柠檬酸提取芒果果胶，果胶得率较高，为29.48%，且具有良好的乳化活性（35%）和乳化稳定性（49.3%～77.2%）。但是，单一酸提取果胶的效果欠佳，采用混合酸提取果胶在一定程度上可以得到改善，如郭晓蒙等[17]以新鲜西瓜皮为原料，利用冰乙酸与10%盐酸的混合酸提取果胶，在80℃左右、pH 2.0、提取时间持续70 min时，瓜皮中果胶的浸提率约为10%。

酸提取法生产成本低，设备工艺简单，是目前工业上广泛采用的提取方法。酸提取法虽然可以避免提取液中的一些金属离子带来的影响，但提取时原料中的果胶常常会产生变性，果胶分子被降解，其凝胶性受到破坏，影响果胶品质。

2.2 离子交换法

离子交换法是利用溶液中不同带电粒子与离子交换剂间的结合力差异来实现的离子交换过程。果胶中存在的离子易与原料中的钙、镁等金属离子发生键合，对果胶产生封闭作用，从而阻碍果胶的溶出[18]。添加离子交换剂可以减少某些离子间的键合效应，从而提高水溶性果胶的溶出率。

顾焰波等[19]采用离子交换法对木瓜皮中果胶进行提取，通过单因素试验和正交试验探讨出适宜工艺条件为：离子交换树脂用量5%、pH 1.5、提取温度80℃、提取时间 2 h、料液比 1 ∶30（g/mL），最终果胶得率为17.52%。顾焰波等[20]还采用相同的方法对银杏壳中果胶进行提取，结果表明，离子交换树脂用量7%、pH 2.0、提取温度 85℃、提取时间 2 h、料液比 1 ∶20（g/mL），果胶得率为4.85%。

离子交换法通过离子交换剂中的离子将提取液中的离子交换到树脂上，可以加速原果胶的溶解，提高果胶的品质和提取率，所得果胶凝胶力较大、颜色较好。但高温强酸的环境下，果胶容易发生解聚和变性，试验对树脂的质量要求较高，而且离子交换提取法成本较高，工艺方法相对复杂。

2.3 酶提取法

酶提取法是利用不同的降解酶（纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶）来分解植物细胞中特定的复合多糖，使细胞组织内果胶溶出的过程。Tatsuji等[21]采用酶提取法对甜菜根进行了果胶提取，简化了对原料的处理，减免了过滤所带来的麻烦，提高了果胶的提取效率。

马雪梅等[22]利用响应曲面法优化酶法提取向日葵盘果胶，选取复合酶添加量为1.0%纤维素酶、1.0%半纤维素酶、0.5%木瓜蛋白，试验表明：料液比 1 ∶27（g/mL）、提取时间 1.9 h、提取温度 60.5 ℃、pH 5.3，果胶得率为（11.94±0.38）%。Wikiera等[23]利用木聚糖内切酶提取苹果果胶，在pH 5.0、温度40℃、时间10 h的条件下，得率为19.8%，高于硫酸法（85℃、pH 2.0、3 h）所得果胶得率14%，且通过酶法制备果胶的分子量（899 kDa）高于酸法制备的。周文俊等[6]采用复合酶-超声波辅助法从柠檬皮中提取食用果胶，当提取液pH 7.0、提取温度为50℃、木瓜蛋白酶与纤维素酶的比例为 3 ∶1（g/g）、浓度为 144 U/mL、提取时间为40 min时，果胶提取率为27.32%。

酶提取法可以显著降低提取温度，减少高温对果胶的影响，且操作简单安全、提取彻底、质量稳定。但是，酶的活性随温度变化显著，活性高的酶成本也高，不同原料对酶的要求也不一样，所以果胶提取对酶纯度的要求较高。因此，探求一种价格较低，可适用于不同原料提取的果胶酶是目前研究的重点。

2.4 微波辅助提取法

微波是指频率为300 MHz～300 GHz的一种高频电磁波[24]，具有很强的热效应和化学效应。微波辅助提取法是通过内加热的方式使物质快速均匀受热，利用微波的热效应和化学效应使植物组织崩解，实现所需提取物从样品中快速分离并进入溶剂的过程。Kratchanova等[25]利用扫描电镜技术观察到柑橘表皮细胞壁的微观结构和变化，得出微波加热可能会破坏原料薄壁组织细胞，从而可以提高物料的比表面积、多孔渗透性和吸水能力。

Maran等[26]研究表明，在微波功率477 W、微波时间 128 s、pH 1.52、固液比 1 ∶20.3（g/mL）条件下，西瓜果胶的得率最高，为25.79%。陈妮娜等[27]以六偏磷酸钠为鳌合剂,采用微波法提取百香果皮果胶,当料液比1 ∶20（g/mL）、pH 3.0、微波功率 700 W、微波时间为4 min时,果胶产率达13.72%。Seyed等[28]利用微波辅助提取法提取酸柠檬皮果胶，结果表明：pH 1.5、微波功率700 W、果胶辐照时间3 min时，果胶提取率为29.1%。

微波辅助提取法常用作辅助提取，通常与酸法、碱法和酶法协同使用，可以加速果胶的快速溶出，较大限度的保留原料的天然活性，保护果胶的组分结构。但微波辅助提取法受设备影响，穿透深度有限，提取过程中温度升高过快、不易控制，而且成本高，不适于工业化生产。

2.5 超声波辅助提取法

超声波是一种频率高于20 kHz的声波，它的方向性好，穿透能力强。它在水中传播可产生并释放巨大能量的激化和突发，即“空化效应”，从而增加细胞组织内部的能量，加速细胞壁的破碎和崩解，使植物中有效成分快速溶出，该过程称为超声波辅助提取。

Wang等[29]分别利用普通柠檬酸提取法和超声波辅助法提取芒果中的果胶，超声波功率500 W、pH 2.5、温度80℃、提取时间15 min时，果胶得率与普通加热2 h的得率相近，为17%。陈伟等[30]以黄秋葵为原料，利用超声波辅助法提取果胶，在pH 4.0、超声功率250 W、超声温度60℃、时间40 min下，果胶的得率为20.45%。Wang等[31]利用超声波辅助盐酸法提取葡萄柚果胶时，温度66.7℃、时间28 min，得率达到27.34%，显著高于普通盐酸提取法在80℃下提取90 min的得率23.50%。Seyed等[32]采用三变量（超声功率、辐照时间和酸碱度）三水平的Box-Behnken设计对果胶提取工艺进行优化得超声功率150 W、辐照时间10 min、pH 1.5时，最大提取率为（28.07±0.67）%。

超声波辅助提取法与传统提取方法相比，可缩短提取时间、降低提取温度、提高果胶产率、节约成本、提高效益。但超声波辅助提取条件应控制恰当，时间过长原料容易过度水解，使果胶分子量断裂增多；时间过短则造成水解不完全，使果胶得率较低。

2.6 复合辅助提取法

复合辅助提取法是采用两种或两种以上的技术联合提取，在一定程度上，所采用的提取技术应具有协同或互补作用，从而提高果胶的产率或品质。陈妮娜等[33]以六偏磷酸钠为萃取剂，采用微波法提取枇杷皮果胶，结果表明：0.3%的六偏磷酸钠螯合剂、pH 1.0、微波功率600 W、微波时间为3 min，果胶产率达7.75%。Yishuo等[34]对酶-超声联合提取剑麻渣中果胶的方法进行了研究，结果表明，酶-超声联合提取法所得的果胶产率比酶提取法高9.4%，比超声波辅助提取高11.9%，比酸法提取高5.8%，且采用酶-超声联合提取法提取的果胶中所含的半乳糖醛酸含量和酯化度更高，分别为62.88%和49.64%。杨金姝[19]利用超声波-微波协同盐酸法制备马铃薯果胶，在单因素实验基础上采用Box-Behnken试验考察得出，当温度93℃、pH 2.0、提取时间50 min时，果胶得率为22.86%。

复合提取法与单一提取法相比，可在一定程度上弥补单提取技术存在的不足，从而提高果胶的产率及产品的质量。但大部分研究处于试验阶段，工业化应用还有一定的难度。

3 提取方法对果胶理化品质的影响

果胶的理化性质是判定果胶分子结构和质量的重要标准。果胶的提取方法、原料种类、生长期长短、采割时期以及采割后保存的时间等因素都会对果胶的理化性质产生影响。果胶的理化性质主要有酯化度、半乳糖醛酸、相对分子质量、溶解性、稳定性、凝胶性、流变性及增稠性，其中，与果胶品质关系密切的参数为：酯化度、半乳糖醛酸含量、增稠性及凝胶稳定性等。

3.1 半乳糖醛酸

果胶是一种酸性多糖聚合物，包括D-半乳聚糖、L-阿拉伯聚糖和D-半乳糖醛酸聚糖等，以聚半乳糖醛酸为主。对于不同原料的果胶，通常以Gal-A含量来表示果胶的纯度，果胶的中性糖含量低则侧链较少，反之则说明果胶中侧链含量较多[10]。测定Gal-A含量大多采用离子色谱法、间羟基联苯法、硫酸咔唑法、3，5-二硝基水杨酸法等。

Jafari等[35]利用柠檬酸提取胡萝卜中的果胶，结果表明：pH 1.3、温度90℃、时间79.8 min和液料比23.3 ∶1（mL/g）时，得率最高为 15.6%，半乳糖醛酸含量为75.5%，远高于规定的商业果胶中半乳糖醛酸含量（65%）。张攀等[36]对酸提取法和超声波辅助提取法对果胶理化性质的影响进行比较得出，酸法（88℃、2.2 h、pH 1.6）提取的果胶总半乳糖醛酸含量高于超声波辅助提取法。Milad等[37]利用微波辅助提取法提取阿月浑子果胶，其最佳工艺条件为：微波功率为700 W，辐照时间为165 s，pH 1.5的条件下，果胶的理化、结构和功能性能均较低，经高效液相色谱分析表明，果胶中含有半乳糖醛酸66.0%。张颜等[38]采用传统酸提法、水提法、酶提法及超声波辅助法提取短枝六道木叶果胶，经比较得出，水提法所得果胶半乳糖醛酸含量（69.4%）高于另外3种方法，属于高甲氧基果胶，即水提法对果胶半乳糖醛酸含量的影响较小。

3.2 酯化度

酯化度指被酯化的D-半乳糖醛酸基占全部D-半乳糖醛酸基的百分数。果胶作为一类聚半乳糖醛酸多糖，其中半乳糖醛酸羟基时常会被一些基团所酯化，主要有甲氧基、酰胺基等。果胶酯化度的测定方法较多，一般采用操作简单、方便易行的滴定法，此外还有红外光谱法、核磁共振波谱法等。果胶酯化度的程度与原料的多样性和提取方法有关，而且产品的溶解性、凝胶性以及乳化稳定性对其也会产生一定的影响。而且酯化度与药物的释放水平也密切相关，例如具有抗癌活性的MCP的酯化度需要在10%以下[39]。

Chan等[40]比较了柠檬酸和盐酸对可可皮果胶的提取效果，在pH 2.5、提取温度95℃、提取时间3 h时，柠檬酸法制备果胶的甲酯化度为37.76%和乙酰化度为1.7%均高于盐酸法制备果胶的甲酯化度（21.29%）和乙酰化度（1.25%）。张晓阳等[41]以胡萝卜皮渣为原料，采用超高压提取、食用菌发酵提取、水浴提取、微波辅助提取，果胶酯化度分别为：（60.55±0.47）%，（62.30±0.79）%，（66.31±1.46）%，（60.54±0.54）%，水浴提取获得的果胶酯化度最高，其他3种无显著差别。洪雁等[42]也探究过提取方法对酯化度的影响，其结论与张晓阳一致，皆为水浴提取的果胶酯化度较高。Pattrathip等[43]采用微波加热和传统加热法，分别用盐酸和柠檬酸提取酸橙皮中的果胶，证实微波辅助提取的果胶比传统加热提取的果胶具有更高的当量和酯化度。

3.3 相对分子质量

果胶是一种大分子物质，平均相对分子质量介于5万～30万之间，其大小与果胶酯化度的大小、黏度密切相关。相对分子质量的主要测定方法一般是凝胶法和高效体积排阻色谱法（high performance size exclusion chromatography，HPSEC），其中 HPSEC 测定较为准确，且结果信息量大[44]。

彭凯等[45]对苹果渣采用微波干燥，经500W、15min、12.5×10-2kW·h处理后，得到的果胶相对分子质量较高，为1.2×105，明显低于酶法和酸法提取果胶的相对分子质量。Maud等[46]的研究表明，酶法（0.005 mg/mL纤维素酶和蛋白酶，40℃、48 h）提取的菊苣根果胶的相对分子质量（3.0×105）低于酸法（50 mmol/L HCL，85℃、1 h）提取的菊苣根果胶的相对分子质量（5.0×105）。Yuree等[47]采用微波辅助提取法在水、酸、碱溶液中提取柚皮中的果胶，并对提取的果胶的产量和结构或化学特性进行研究得出，微波功率1 100 W、时间2 min时，水、酸、碱所提取的果胶相对分子质量分别为43 kDa、171 kDa～368 kDa、76 kDa，水提果胶的相对分子质量最小，酸提取法得到的最大。各研究表明，相对分子质量的大小受酶法提取的影响较小，但酶法目前还不适于产业化生产。微波辅助提取辅助水、酸、碱提取时，酸提的分子量最高，但微波辅助提取本身又会降低果胶分子质量，需要进一步研究。

3.4 黏度

果胶黏度是果胶的重要理化性质之一。果胶的黏度与果胶的组成、结构、分子量分布以及甲氧基含量、酯化度和凝胶力都有着密切的关系，其测定一般采用快速黏度分析仪法和旋转粘度计法进行测定。

李静等[48]采用相同提取工艺分别提取柚皮黄色部分与柚皮白色部分的果胶，经流变学试验表明，白柚皮果胶黏度大于黄柚皮果胶，均与果胶浓度正相关，随pH值的增大先增大后减小，随钙离子含量的增大呈波动性变化，白色柚皮果胶黏度略优于黄色柚皮果胶，且在pH 2～4、钙离子浓度为2%～2.5%时黏度较大。Cho[49]以食品级酒石酸、苹果酸和柠檬酸为提取剂分别提取苹果皮果胶得出，在85℃下用有机酸提取的果胶甲氧基化程度高，可生产高黏度的苹果果胶，且有机酸提取作为一种绿色提取工艺可以减少环境的污染。李加兴等[50]在黄秋葵果胶理化特性的研究中表明，黄秋葵果胶的黏度随着加热时间的延长而下降，此外还与黄秋葵的质量浓度、蔗糖质量浓度均成正相关，与加热温度成负相关，而随pH值、CaCl2质量浓度的增大呈先上升后下降的趋势，表现出一般果胶的黏度特性。侯玉婷等[51]以山楂粉为原料，采用热水浸提、超声辅助热水浸提、酶法辅助热水浸提3种方法提取果胶得出，酶法辅助热水提取果胶的得率最高，达到17.7%，且相应酯化度和黏度最高。相比较可以看出微波辅助提取、超声波辅助提取、酸法提取对果胶的黏度影响并不是特别大，最主要的是控制好各方法的提取温度及时间。

3.5 凝胶性

凝胶性是指在一定条件下，一定比例的果胶与可溶固形物制成品质较好的凝胶能力。因此，凝胶性是判断果胶品质好坏的一个重要参数，是衡量凝胶能力的指标。Mouna A.等[52]利用热提取法提取石榴皮中的果胶，在研究石榴皮的成分、石榴加工过程中主要副产物和部分水溶性果胶的特性中表明，果胶凝胶形成的变异是由于果胶特性的差异，特别是水动力体积和中性糖含量的差异所致。而不同结构的果胶其凝胶机理也存在着一些差异，如高甲氧基果胶是在一定温度下，当果胶和糖、酸比例适当时就会形成凝胶；低甲氧基果胶是必须在二价阳离子存在的情况下才能形成凝胶。

孙雅君[53]在超声波辅助提取法对胡萝卜果胶质量的影响研究中得出，超声波（26 kHz、300 W、pH2.0、85℃）提取果胶时，其凝胶单元数（73.18）高于酸法（pH2.0、75℃提取的果胶凝胶单元数62.67）。此外，Seshadri[54]在研究超声波对果胶凝胶过程中的黏弹性及分散性的影响时发现，随着超声时间的增加和频率的增大，果胶的凝胶强度降低且凝胶时间延长。汪英等[55]利用超声波辅助的酸提技术提取荸荠皮果胶，在料液比 1 ∶30（g/mL），时间 40 min，pH 1.0，温度 70 ℃时所提取出的荸荠皮果胶属于高酯小分子果胶，凝胶度较好，适合用于开发果胶类食品增稠剂。超声波辅助提取出的果胶，其凝胶度较好，但是超声波的时间和频率过大会造成果胶降解，影响果胶的凝胶度。