马铃薯果胶的提取、结构、活性及应用研究进展

肖力力，曹国璠，何天久，田双燕，刘均霞，刘冬梅，田山君*

（1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2.教育部山地植物资源保护与种质创新重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州省农业科学院，贵州 贵阳 561000；4.桐梓县农业农村局，贵州 遵义 563200；5.江油市农业农村局，四川 绵阳 621700）

多糖是由10个以上单糖通过糖苷键连接而成的天然大分子物质，广泛存在于动植物、细菌、真菌及某些病毒中，是自然界中含量最丰富的生物聚合物[1-2]。根据来源可将多糖分为植物多糖、动物多糖、菌多糖等；根据组成单糖的种类，多糖可分为同质型多糖（仅由一种单糖组成）和杂型糖（两种或两种以上单糖组成）；根据酸碱性可分为中性多糖、酸性多糖和碱性多糖[2-4]。研究表明，多糖在免疫调节、抗氧化、抗肿瘤、降血糖、抗病毒、抗凝血、抗炎、抗老年痴呆等方面具有独特的生物活性[5-12]。

果胶是一种植物多糖，是植物初生细胞壁组成成分之一。根据主链和分支的结构，将果胶分为同型半乳糖醛酸聚糖（homogalacturonan，HG）、鼠李半乳糖醛酸聚糖 I（rhamngalacturonan I，RG I）和鼠李半乳糖醛酸聚糖II（rhamngalacturonan II，RG II）3类。HG是大多数植物中最简单、最丰富的果胶，其结构是由α-（1→4）半乳糖醛酸聚合而成。HG分子上的半乳糖醛酸会发生甲酯化和乙酰化反应，甲酯化反应发生在C6羧基上，乙酰化反应发生在O2或O3位置上[13-14]。HG分子上的半乳糖醛酸（galacturonic acid，GalA）的O3上可以连接木糖形成木聚半乳糖醛酸聚糖，O2或O3也可以连接芹菜糖以形成芹半乳糖醛酸聚糖[15]。RG I的主链是由二糖单位 α-L-鼠李糖-（1→4）α-D-半乳糖醛酸聚合而成，其中RGI分子上的80%的鼠李糖（L-rhamnose monohydrate，Rha）残基可以连接不同量的阿拉伯糖（arabinose，Ara）、半乳糖（galactose，Gal）和阿拉伯半乳糖侧链，使其侧链含有阿拉伯糖和半乳糖[16-18]。RG II是自然界中最复杂的生物大分子之一，它由13种不同的单糖组成，至少含有22种独特的糖苷键和6种独特的侧链[19-20]。

果胶现在已经应用于食品、饲料、材料、医疗等领域。研究表明果胶通过增加膳食纤维的含量来提高食物的消化质量[21]。果胶作为食品加工副产物的主要成分，常被应用于饲料生产。果胶能可逆的形成凝胶，并且凝胶硬度与聚合物的分子量、化学成分及凝胶中诱导的交联程度有关，这使得它成为生产某些膜的材料[22]。壳聚糖和果胶的结合物已用作食品包装中的功能膜。果胶凝胶与碳纳米管结合，能制备出具有高温敏感性的仿生材料[23]。研究表明，果胶能够与大分子物质结合形成凝胶，将其涂在药物表面能够减缓药物释放，具有成为药物缓释剂的潜力[22]。果胶还具有生物活性，研究表明果胶具有抗炎、抗氧化、抗癌和益生元等活性[24-27]。

马铃薯渣是马铃薯淀粉加工副产物，平均每生产1 t马铃薯淀粉会产生约6.5 t～7.5 t湿薯渣，由于其含水量高，在运输过程中易腐败变质，不易加工成其他产品，常作为废弃物丢弃，对生态环境建设造成极大压力。薯渣运输及综合利用相关问题已成为当前农业可持续发展的研究热点之一[28]。相关的研究表明，马铃薯渣富含果胶多糖，占马铃薯渣干重的15%～30%[29]。马铃薯渣的果胶多糖主要为鼠李半乳糖醛酸聚糖I。研究表明，每100 g的马铃薯果胶中含有70 g的鼠李半乳糖醛酸聚糖I和25 g的同型半乳糖醛酸聚糖[30-31]。不同于其他植物的RGI，马铃薯RGI富含β-（1→4）半乳糖，其含量可高达67%[32]。据统计，每年我国对果胶的需求量为1500万吨，其中有80%为进口[33]。商品果胶来源非常有限，若以马铃薯渣作为果胶提取的来源物质，不仅能使资源得到合理利用，产生更高的再生价值，还能解决薯渣所带来的环境污染问题。因此，本文主要对近年来马铃薯果胶的分离技术、结构特征、生物活性和应用前景进行综述，为马铃薯资源化开发利用提供参考，以期到达保护生态环境，增加马铃薯附加值，提高经济、生态与社会效益的目的。

1 马铃薯果胶多糖的提取工艺

马铃薯果胶提取流程见图1。

图1 马铃薯果胶提取流程Fig.1 Extraction process of potato pectin

目前生产中通常使用热水、微波、超声等方法提取果胶多糖。传统的果胶提取方法是热水提取。但是热水提取需要提取液浓度大、反应时间长，可能导致果胶与提取液发生反应[34]。为了避免热水提取的缺点，研究人员开发了微波和超声辅助提取。微波辅助提取能使分子快速加热、提取物内部水分快速蒸发，分子内部气压快速升高，细胞壁快速破碎，从而缩短提取时间、提高产量[35]。研究表明微波加热可以减少共价键水解，从而使提取的果胶多糖分子量更大、黏度和凝胶强度更高[36]。由图1可知，马铃薯果胶提取过程中使用的提取物质通常是酸、碱、酶等[37-38]，酸提取是果胶多糖的主要提取方法，果胶的产量随酸性增强而升高，但是酸提取会导致果胶中性侧链的水解[39]。碱提取的果胶能很好地保留中性侧链，且提取时间短，但碱会使果胶多糖的半乳糖醛酸侧链和阿拉伯糖侧链脱支化[40]。酶能够很好地提取果胶多糖，避免酸和碱提取造成的负面影响，但是酶提取具有反应时间长，经济效益低的缺点[41]。具体的提取方法有以下几种。

1.1 酸提取

由于操作方便，在食品工业中常采用稀酸溶液提取细胞壁果胶。酒石酸、苹果酸、柠檬酸、乳酸、乙酸、盐酸、硝酸、磷酸已被用于提取果胶，但由于成本的原因，用得最多的还是无机酸。在提取马铃薯果胶的过程中，酸的种类和浓度对果胶产量有很大的影响。YANG等[42]采用3种无机酸（盐酸、硫酸、硝酸）和2种有机酸（柠檬酸、醋酸）来提取马铃薯果胶，发现影响马铃薯果胶产量高低的主要因素在于酸的螯合能力及其水解能力。柠檬酸是一种螯合剂，能与果胶中的钙镁离子形成螯合物，使得果胶与细胞壁的结合能力下降[43]，所以用柠檬酸提取的马铃薯果胶产量最高，为马铃薯干重的14.34%，而其他无机酸提取比醋酸提取产量高的原因是由于其他无机酸的水解能力强于醋酸，所以导致醋酸提取的果胶产量最低。研究者采用超声-微波辅助酸法提取马铃薯果胶，研究温度、pH值、提取时间对马铃薯果胶的影响，并通过响应面法来优化提取条件，发现在93℃、pH 2条件下提取50 min，果胶产量最高，可达干重的22.86%[44]。王文霞等[45]分别用盐酸法、柠檬酸法、碱性磷酸盐法和复合盐法从马铃薯渣中提取果胶，研究不同的提取方法对马铃薯果胶产量、组成特性的影响，发现碱性磷酸盐法和复合盐法提取的果胶产量较高，分别为29.89%和21.01%。

1.2 碱提取

碱提取是通过β-消除和氧化作用，大面积水解果胶中的HG区，使得果胶从细胞壁材料上释放出来。碱提取可以增加果胶多糖中性链含量，降低果胶的酯化程度[46]。KHODAEIA等[40]用不同浓度的KOH、NaOH（0.5、1、2 mol/L）来提取马铃薯果胶多糖，发现随着碱浓度的升高，马铃薯果胶的提取率随之升高，同等浓度下KOH和NaOH所提取的果胶产量无显著差异。研究者用微波辅助KOH提取富含半乳糖的马铃薯果胶多糖RGI，研究KOH浓度、固液比、提取时间、提取功率对产量、分子量（大于600 kDa）、单糖组成的影响，发现在微波功率为36.0 W、KOH浓度为1.5 mol/L、固液比为2.9%、提取时间为2 min条件下果胶产量最高[46]。

1.3 酶提取

使用相关酶可以有效提取果胶。提取果胶多糖的酶有多聚半乳糖醛酸酶、果胶酶、果胶裂解酶等。这些酶降解果胶的主链（多聚半乳糖醛酸酶）、取代基（果胶酶）或侧链（果胶裂解酶和果胶解酶）[47]。前人用多聚半乳糖醛酸酶从去淀粉的马铃薯渣中提取果胶多糖，表明酶能很好地提取果胶RG I，提取的RG I的产量可达干重的40%，且分支程度较高[48]。KHODAEIA等[49]研究了多聚半乳糖醛酸酶浓度、马铃薯细胞壁浓度、提取时间对马铃薯果胶产量、中性糖含量、单糖组成的影响，发现马铃薯细胞壁浓度和酶用量是影响果胶多糖产量和阿拉伯糖含量最重要的参数，在酶浓度为160U/g、细胞壁浓度为0.3 mg/mL条件下，反应30 h，果胶多糖的产量最高，可达干重的63.3%。ANNE等[50]用响应面法研究酶法提取马铃薯果胶的最佳提取条件，发现在0.27%的酶用量，温度为62.5℃，pH 3.5条件下提取1 h，果胶产量最高。

2 结构特征

果胶多糖的结构非常复杂。从同种材料中提取的果胶也可能有不同的结构、理化特征和生物活性。通常来说，果胶多糖的结构特征主要包括分子量、单糖组成、酯化度、糖苷键的连接方式、单糖的连接顺序。研究马铃薯果胶多糖结构的技术有核磁共振、气相色谱、气相色谱-质谱，高效液相分子排阻色谱、红外光谱等。

2.1 单糖组成

通常来说，要解析出马铃薯果胶的单糖组成，首先将果胶完全水解，使其分子上的糖苷键断裂，释放出氧化的单糖分子，然后被氧化的单糖还原，最后用已知单糖为标品，采用色谱技术来分析单糖组成。尽管从马铃薯中提取了很多种果胶，但是马铃薯果胶的单糖一般由不同摩尔比的半乳糖、半乳糖醛酸、鼠李糖、葡萄糖、甘露糖、木糖组成，其中半乳糖和半乳糖醛酸含量较高，木糖和葡萄糖的含量很少[42-50]。不同摩尔比的单糖组分可能与马铃薯成熟度、储存时间、分离方法、纯化方法等有关[51]。NASTARAN等[46]研究认为固液比是影响果胶中半乳糖/鼠李糖（Gal/Rha）的最重要参数，固液比越大，半乳糖/鼠李糖（Gal/Rha）越小；KOH浓度和提取时间会影响果胶多糖的半乳糖含量，提取时间不变，KOH浓度增加半乳糖含量增加，KOH浓度不变，提取时间增加，半乳糖的含量也增加，但是KOH浓度和提取时间同时增加会导致半乳糖的含量的降低。NASTARAN等[49]研究提取酶浓度、提取时间、马铃薯细胞壁材料浓度对提取果胶的单糖的影响，发现细胞壁浓度和酶用量是影响半乳糖和阿拉伯糖含量的最重要参数。

2.2 分子量

目前，测定聚合物平均分子量和分散指数的技术主要有：消光法、黏度测定法、沉降法、高效液相色谱法、分子排阻色谱法[52-56]。其中分子排阻色谱是测定马铃薯果胶多糖分子量分布最常用的方法。在对马铃薯果胶分子量分析中发现存在果胶分子量分部范围广、均一性差的问题。研究表明马铃薯果胶的分子量分部在 20 kDa～1 000 kDa 之间[42-50]。

2.3 酯化度

酯化度指果胶中被酯化的半乳糖醛酸残基占总的半乳糖醛酸比例，是其甲酯化、乙酰化和酰胺化的总和。果胶的酯化度与提取方法、纯化方法、原料等有关。YANG等[42，44]采用盐酸提取马铃薯果胶多糖，发现微波-超声波辅助提取的果胶的甲酯化程度和乙酰化程度分别为32.58%和17.84%，而用传统的热水提取的马铃薯果胶的甲酯化和乙酰化程度分别为28.61%和11.92%。

2.4 化学结构

研究果胶多糖化学结构的化学方法有：部分酸水解、高碘酸钾氧化、Smith降解、甲基化分析。使用化学方法将其分解为小片段后，再通过气相色谱、质谱、红外光谱、核磁共振、紫外光谱等方法研究果胶多糖的糖苷键连接方式和分支情况。

尽管提取的马铃薯果胶结构多样，但其结构特征只有很少的一部分被解析出来。研究表明马铃薯果胶RG I的含量很高，马铃薯RG I含有高度分枝的（1-4）-β-半乳糖（67%）和（1-5）-α-阿拉伯糖（19%）侧链[57]。INGE BYG等[41]研究表明马铃薯RGI型果胶的典型连接方式是果胶中的鼠李糖（Rha）中C1（O）-C2（O）原子连接和半乳糖醛酸（GalA）中C1（O）-C4（O）原子连接。ØBRO J等[48]研究表明 RG I中的 Gal分支部分可能与I型阿拉伯半乳聚糖相连。I型阿拉伯半乳糖的主干由连接在C1（O）-C4（O）的半乳糖单元组成，其中半乳糖部分的C3（O）原子处进一步与阿拉伯糖连接形成I型阿拉伯半乳糖。马铃薯RG I中约72%的阿拉伯糖（Ara）以（1→5）形式连接，约11%的阿拉伯糖在C3（O）原子上有支链。ZANDLEVEN等[58]表明木糖残基可能附着在马铃薯GalA的C3（O）上。NASTARAN等[49]研究表明马铃薯果胶多糖中Rha主要以（1→2）键连接，半乳糖和阿拉伯糖残基分别以（1→4）和（1→5）连接，呈线型结构，支链半乳糖占总半乳糖的17.5%～18.2%，支链Ara占总阿拉伯糖的14.0%～12.5%，末端阿拉伯糖残基的比例高于末端半乳糖残基。

3 生物活性

尽管大量研究表明果胶在抗氧化、抗炎、抗肿瘤、益生元、免疫等方面具有生物活性。但是对马铃薯果胶生物活性的报道较少，目前相关研究主要针对抗癌性和益生元特性方向展开。

3.1 抗癌性

前人研究认为天然化合物在癌症治疗或预防中是一种很有前途的补充途径。在动物体内外研究中已经证实果胶具有抗肿瘤活性。然而，具体的抗癌成分及其化学性质尚待确定。分子量、酯化程度、单糖的组成是影响果胶抗癌性重要参数[59]。研究表明，果胶的抗肿瘤活性主要与其与半乳糖结合蛋白3的结合能力有关。半乳糖结合蛋白3是一种在癌细胞中上调表达的蛋白质，能驱动许多癌变过程[60]。

研究表明富含RGI的果胶片段能有效抑制半乳糖结合蛋白3介导的凝血反应、半乳糖结合蛋白3与T细胞的结合。CHENG等[61]研究表明马铃薯RGI能抑制HT-29细胞的增殖，并显著诱导细胞分裂停滞在G2/M期，这种抑制作用可能与细胞周期蛋白B1和细胞周期蛋白依赖性激酶1下调表达有关。MAXWELL等[62]研究了马铃薯RGI对结肠癌细胞株DLD1和HCT116增殖的影响，并确定半乳糖结合蛋白3在介导这些作用中的作用，发现RGI以剂量依赖的方式显著降低了两种细胞系的细胞增殖，马铃薯中提取的RGI以与半乳糖结合蛋白3结合的方式抑制结肠癌细胞株DLD1和HCT116的增殖。

3.2 益生元特性

益生元是不能在胃中消化，却能够促进肠道有益菌代谢和增殖的有机物质。KHODAEI等[63]研究表明，马铃薯RG I及其水解物都是不可消化的，而且能促进肠道中双歧杆菌的生长。THOMASSEN等[64]利用多聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶从马铃薯果肉中提取高分子量多糖（高达400 kDa），发现其中的RG I能促进双岐杆菌和乳酸菌的生长，并且富含RGI的部分比富含HG的部分的效果更好。此外，MICHALAK等[65]用多聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶从马铃薯中提取果胶多糖，并用1，4-β-半乳糖内切酶剪切果胶多糖，生成<10 kDa和>10 kDa的两个组分，发现这些底物能过促进有益菌的生长，抑制有害菌的生长。

4 马铃薯果胶的开发应用前景

4.1 食品加工

在传统的食品加工业中，果胶常用作食品添加剂。由于其形成凝胶能力很强，所以常用作酸奶、牛奶、冰淇淋、果酱等产品的稳定剂、增稠剂和凝胶剂。果胶还有促进肠道有益微生物生长、抗氧化、吸收人体内重金属等特性，使其在保健食品的生产上具有很大的潜力。目前，在国内保健食品中已使用果胶，如清除人体重金属铅的益多元和一些益生菌饮料等。马铃薯果胶在食品加工上的应用还有待研究。

4.2 食品包装

食品包装系统具有信息传递、包装、销售等多种功能，主要功能是将食品与周围环境隔绝出来，避免食物变质，延长保质期。塑料和石油聚合物是市场上的主要食品包装材料，但是它们具有不可再生、难降解的缺点。果胶作为一种广泛存在、可再生、易于降解的天然化合物，可用作食品包装中的涂层和可食用薄膜。研究表明以果胶作为主要原料的食用膜在隔绝氧气、油方面具有较大优势[66]。果胶膜现已被用于包装新鲜蔬菜和水果，如苹果、西红柿等[67]。马铃薯果胶在食品包装中的应用有待深入研究。

4.3 医疗卫生

果胶具有来源广泛、可再生、细胞毒性低、生物兼容强等特点。在医疗领域已应用于口服药剂、药物传递系统和伤口敷料中。研究表明果胶有助于血液中胆固醇的降解，促进脂类代谢的功能[68]。一些临床试验表明，果胶具有促进肠道有益微生物生长的特性，能够降低儿童肠道感染和腹泻的风险[69]。研究表明，果胶不能被胃和肠道酶水解，且能在水和各种阳离子的溶液中形成凝胶。这一特性使得果胶具有成为药物传递系统的潜力[70]。市场上已存在一些由果胶为主要成分的伤口敷料。果胶能够装载和释放抗生素、止痛药、组织修复剂等药物和在伤口上形成软凝胶来积极参与伤口愈合[70]。马铃薯果胶在医疗上的应用有待研究。

5 展望

马铃薯果胶具有抗癌、益生元等生理活性，市场前景广阔，经济价值极高。马铃署果胶的高效提取，是其产业化的关键问题，在增加马铃薯附加值方面起着重要作用。目前，在研究果胶提取工艺方面，主要研究提取材料的粒径大小、提取方法、纯化方法对果胶产量和结构的影响。在研究提取物粒径方面，传统的方法是将提取物研磨成1 μm～100 μm大小。采用新的超细粉碎技术，可以将提取物的粒径粉碎成0.1 μm～1 μm，使得材料中果胶链暴露[71]。研究发现原料经过超细粉碎后，在25℃、pH 5的温和条件下，能较好的提取果胶，这种方法提取对环境更加友好，在果胶的清洁生产中具有潜在的应用价值[72]。

在果胶多糖的提取方法中，现在生产中常用的方法是加热、超声辅助提取和微波辅助提取。这些方法需要酸、碱、酶等物质对果胶进行水解，对于提取设备的要求较严，会产生酸性或碱性的废气液，需要进一步的处理。随着科技的发展，研究人员又提出一些新的提取方法如亚临界流体萃取、高速均质剪切技术、射频辅助提取等[73-75]。亚临界流体萃取的高温使得水在亚临界条件下pH值较低，提取物的水解能自发进行，不需要酸的加入。目前研究者使用该方法，成功从柚子皮中萃取出一种低甲氧果胶[68]，该果胶中甲氧基低于7%，能促进结肠菌群发酵引起的粪便膨胀，刺激结肠蠕动，在开发低糖保健食品选择用胶时具有无可比拟的优势[76]。传统工艺中，低甲氧果胶的制备一般是通过高甲氧果胶来制备，亚临界流体萃取能很好省略高甲氧果胶到低甲氧果胶的制备过程，节约成本。高速均质剪切技术、射频辅助提取等果胶提取新工艺，较之传统生产方式也具有一定优势，与加热法相比，高速均质剪切技术和射频辅助提取的果胶产量显著升高，具有更高的黏度和平均分子量[74-75]。目前，以马铃薯为原料进行的果胶提取中，已有酶/酸/碱（结合超声波/微波/热水）等几种工艺流程被报道，其它技术，如亚临界流体萃取等方法，尚未应用于马铃薯中。因此，针对这些绿色新技术与新方法，开展深入的探索和研究，对马铃薯果胶的提取工艺优化、品质提升、商业性生产都具有积极的效应。

均一性是影响马铃薯果胶理化性质、功能稳定的关键因素之一，制约了果胶多糖的开发与应用。目前相关研究中，供试的马铃薯果胶均存在分子量分布广、结构特征和生物活性重复性差等问题，这是由于没有标准的纯化工艺所导致的。因此，构建稳定高效的纯化流程体系，将是下一步马铃薯果胶研究的热点问题之一。