果蔬废弃物中RG-I 果胶的提取与综合利用现状

盛良杰，杜余毅，吴 澎

（山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安 271018）

果胶是一种结构复杂的胶体酸性杂多糖，广泛地存在于水果蔬菜的初级细胞壁和中层细胞中[1]。它主要由半乳糖醛酸（GalA）组成[2]，含有大量的L-鼠李糖（Rha）、D-阿拉伯糖（Ara）、D-半乳糖（Gal）以及其他13 种不同的单糖。果胶可以具体分为三个结构域：同型半乳糖醛酸（Homogalacturonans，HG）、鼠李半乳糖醛酸I型（Rhamnogalacturonan-I，RG-I）和鼠李半乳糖醛酸II 型（Rhamnogalacturonan-II，RG-II）[3]。HG 含有甲基化和乙酰化形式的羧基聚合物；RG-I 含有重复的半乳糖醛酸（GalA）和鼠李糖骨架，带有阿拉伯糖、半乳糖或阿拉伯半乳糖侧链；RG-II 由带有复杂侧链的HG 骨架组成，含有半乳糖醛酸单元[4]。

果胶在食品工业中被用作稳定剂、胶凝剂、乳化剂和脂肪替代品[5]，在医疗方面可以作为功能生物材料输送化疗药物[6]。商品果胶是以HG 为主的多糖，由≥65%的半乳糖醛酸单体组成，它们往往在高温的酸性条件下制备，以去除RG-I 区域，实现更好的凝胶性能和质量控制。而最近对RG-I 果胶的研究表明，果胶结构的侧链比其他果胶组分对多糖活性的贡献要大得多。富含RG-I的高支链果胶被视为一种潜在的益生元，可抑制高脂饮食诱导的肥胖[7]。以RG-I 为主的果胶可以降低马铃薯淀粉的体外消化率[8]，为生产慢消化食品提供了一种潜在的选择。

在果蔬产品采收到加工的过程中，会产生大量副产物，而这些副产物恰是果胶丰富的提取原料。果胶是高需求的多功能食品配料和添加剂，而RG-I 果胶具有免疫调节、细胞迁移抑制、降血糖和抗癌等功能[9]。因此，从果蔬废弃物中提取具有高生物活性的RG-I 果胶，近年来成为研究和应用的热点。本文总结了国内外学者对RG-I 果胶应用的研究，分析了其当前在应用中可能存在的问题，结合发展趋势对它的应用前景进行了展望，旨在为RG-I 果胶的综合利用提供科学的依据。

1 RG-I果胶的结构

RG-I是由100个重复的二糖单元（[→4)-α-D-GalA-(1→2)-α-L-rhamnose(Rha)-(1→]）组成[10]，骨架上20%～80%的鼠李糖残基可以在O-4 位被中性糖侧链（半乳糖、阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖）取代[11]；此外，GalA 还可以在C-2 和/或C-3 上乙酰化[12]。RG-I 主干可能含有多达300 个鼠李糖基和300 个半乳糖醛酸残基[13]。RG-I 因其高度分枝特性而有“毛状区”的名称[14]。

RG-I 型果胶具有丰富的侧链，包括α-L-1,5-阿拉伯聚糖、β-D-1,4-半乳聚糖、阿拉伯半乳聚糖[15]。目前，阿拉伯半乳聚糖作为研究的热点，有两种不同的结构形式，分别为阿拉伯半乳糖I（AG-I）和阿拉伯半乳糖II（AG-II）。AG-I存在于1,4-连接的β-D-半乳糖的线性链中，含有高达25%的α-L-阿拉伯糖残基，1,5-连接在短侧链中，主要连接到鼠李糖残基的O-4[16]。AG-II 由1,3-连接的β-D-半乳糖支链组成，含有α-L-阿拉伯糖-(1→6)-[β-D-半乳糖-(1→6)]n（n=1、2 或3）的短侧链，侧链上的半乳糖残基可以被α-L-阿拉伯糖-(1→3)残基取代[17]。此外，AG-II还与一个复杂的蛋白多糖家族（3%～8%的蛋白质）有关，称为阿拉伯半乳糖蛋白（Arabinogalactan proteins，AGPs）。该分子的蛋白质部分含有丰富的氨基酸，如脯氨酸、羟脯氨酸、丝氨酸和苏氨酸[18]。

2 RG-I 果胶的提取

获得果胶的过程包括以下步骤：提取、纯化、浓缩、干燥[22]。固液比、溶剂类型和极性、原料大小等因素均会影响提取动力[23]。在工业生产上，多用常规酸提法获得果胶，但酸提过程往往伴随着RG-I 区GalA 和鼠李糖（Rha）残基之间不稳定酸的键的水解[9]。为解决这一问题，一些新的提取技术近些年被探索出来[24]，旨在减少或消除溶剂的使用，并为RG-I 果胶高附加值化合物提供更高的产量和更短的提取时间[20]。RG-I 果胶提取方法详见表1（见下页）。

表1 RG-I 果胶提取方法Table 1 Extraction method of RG-I pectin

果胶网络被包裹在植物细胞壁中[25]，RG-I 和纤维素微纤维之间的联系以及多聚半乳糖醛酸羧基和多价离子之间的键是复杂的[26]。溶液环境会影响提取果胶的分子结构，低温可以保持RG-I 的结构，而高温酸提取会严重水解果胶的侧链。然而，传统溶剂提取方法存在提取时间长、提取效率低、成本高的问题。因此，需要探索创新RG-I 果胶的提取方法[27]。近些年在提取开发RG-I 果胶方面，研究者们已开展大量工作，目前已实现RG-I 果胶高效生产并降低能耗，改进RG-I 果胶提取及分离是最大程度保留RG-I 结构、优化果胶的功能和生物活性的关键。目前有单一提取法和组合提取法，组合提取法可一定程度弥补单一提取技术存在的不足，从而提升提取效率和产品品质[28]。

2.1 单一提取方法

2.1.1 酸性提取

酸性提取操作简便，是食品工业中常用的果胶提取方法。使用不同的酸萃取剂可以对果胶产量、结构和理化性质产生不同的影响[45]。柠檬酸提取马铃薯果胶的得率最高（14.34%），醋酸法提取的马铃薯果胶得率最低（4.08%）[46]。与其他酸相比，冰醋酸的水解能力最低，可以保留更多的马铃薯果胶RG-I 结构域的侧链[12]。柠檬酸预处理（pH 2、65 ℃、2 h）后提取的果胶具有更高的RG-I含量（57.5%）和更高的分子量分布[4]。由于无法避免过度分解及产品质量差等缺陷[28]，以及中性糖侧链和主链Gala-Rha 键在酸性环境中容易被水解等问题[47]，Zhang等[9]提出可在低温酸条件下提取富含RG-I 结构的果胶。

2.1.2 碱性（NaOH）提取

碱性溶液中的羟基离子可以引起细胞壁膨胀，导致果胶释放，由此得到保留了中性糖侧链的低甲氧基果胶[41]。碱性提取可以保留果胶的中性糖侧链，但果胶的甲酯和乙酰基被β-消除反应所降解[12]。Zhang 等[9]尝试了从柑橘罐头加工废液和果皮中分离果胶多糖，结果证明提取液中的果胶中性侧链摩尔比高，为RG-I 型果胶多糖。

2.1.3 超声波提取

大学生志愿服务活动，不仅是大学生自我实现的强烈需要，而且有利于推动大学生的社会进程，有利于大学生树立正确的人生观、价值观、世界观，有利于大学生的成长、成才。更重要的是，开展大学生志愿服务活动有利于我国大学生社会主义核心价值观的学习和践行。所以，作为为国家培养社会建设人才的全国各大高校，应坚定不移地推进志愿服务活动，为社会主义建设添砖加瓦。

超声波提取果胶，允许使用较少的溶剂，并在能源和时间方面减少对环境的影响。由于超声波增加了组织和细胞破裂的萃取率，因此可以使用温和的萃取剂，分离出更多的完整果胶[48]。Hu 等[26]研究证明，在温度为42℃、pH 为12 的条件下，超声能加速柑橘RG-I 果胶的提取，最高得率为25.51%。然而，所有这些超声处理和高温处理都会导致果胶产品不均匀和果胶微结构被破坏，特别是中性侧链[49]。此外，在加工过程中，接触溶剂的颗粒总面积以及溶胀效应增加，会进一步导致基质某些部分出现高黏度区域，降低超声效率[26]。

2.1.4 酶法提取

酶法提取最常用的酶包括纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶和果胶酯酶。这些酶的结合可以加速细胞壁结构的裂解，从而释放果胶[50]。Cui 等[51]发现纤维素酶提取的果胶具有更广泛的构象，更有利于肠道微生物的生长。Wu 等[3]研究表明，纤维素酶、木聚糖酶提取的果胶与酸提取相比，具有更大的相对分子质量、更多的糖醛酸、更低的淀粉含量和更好的抗氧化能力。酶法提取对环境友好、专一性强，但普遍适用性较差，酶活性对外界条件变化较敏感[28]，其作用部位受到分支结构的阻碍，导致产量低和生产成本高[26]。

2.1.5 微波辅助提取

微波可直接与细胞内的水分子相互作用迅速提高温度，液态水分汽化产生压力可加速细胞壁的破裂以释放果胶[43]。该方法具有操作时间短、溶剂消耗少、生产成本低、萃取率高等优点。在微波辅助提取方法中，微波功率、微波时间、pH 值和固液比等因素都会影响果胶的产量和质量。因此，有必要对提取条件进行优化，以达到最大的产品提取率[28]。但微波辅助提取法温度升高过快，不易控制，导致提取的果胶凝胶强度有所降低[28]。

2.2 组合提取方法

2.2.1 高压辅助碱提取

采用高压辅助碱提取可获得较高的萃取率，可能是由于高压导致细胞变形、细胞膜破坏甚至细胞破裂，并改善了传质速率、细胞内溶剂的渗透性以及次生代谢物的扩散。高压辅助碱提取法可获得较高的柑橘果胶得率（28.13%～33.95%），是传统提取法的2～3 倍[27]。Hou 等[27]使用高压辅助碱溶液提取果胶，其产率高达34%，并获得了具有RG-I 结构的果胶，占75%。高压辅助碱提取果胶能显著促进短链脂肪酸的产生，尤其是丙酸和正丁酸，影响肠道微生物区系。丙酸和正丁酸通过促进潜在有益属的生长和抑制潜在有害属的生长，来影响肠道菌群组成，是促进肠道健康的功能食品中的益生元的潜在来源[33]。

2.2.2 微波辅助碱处理

采用微波和碱处理相结合的方法从马铃薯果肉中提取RG-I 果胶，结果表明，提取时间对RG-I 的得率有显著影响[6]。但随着微波处理时间的延长，热能急剧增加，导致半乳糖醛酸分子降解，最终造成果胶得率下降[28]。

2.2.3 超声-微波辅助提取（ultrasound-microwave assisted extraction，UMAE）

UMAE 结合了超声波和微波提取的优点，超声波可促进细胞壁的破裂、增加传质速率，而微波可直接与细胞内的水分子相互作用，加速细胞壁破裂释放果胶[43]。与常规加热方法相比，UMAE 提高了果胶产量，且提取的果胶具有更强的抗氧化能力。与仅通过微波加热提取的葡萄柚果胶相比，所获得的果胶具有更高的得率、酯化度和特性黏度[43]。Yang 等[43]采用UMAE 和HCl 相结合的方法，用Box-Behnken 设计对提取温度、pH 和时间进行了优化，使提出的马铃薯果胶RG-I 得率达到61.54%。

3 RG-I 果胶的应用

果胶是聚半乳糖醛酸的甲基化酯[52]，在食品工业中被广泛用作产品的凝胶剂，并作为一些果汁和牛奶饮料的稳定剂[53]，以及用于烘焙和糖果产品[20]。果胶具有多糖的化学和结构特征，使其能够与广泛的分子相互作用，科学家利用这一特性形成新的复合基质，用于靶向受控输送治疗分子、基因或细胞[54]，并在制药行业中被视为一种原材料和防癌制剂[55]。果胶的其他应用包括将其用作动物饲料、化妆品、脂肪替代品和可食薄膜等[9]，其潜在应用因化学成分而异。联合国粮食及农业组织以及世界卫生组织联合专家委员会已研究并确定果胶无毒，对果胶每日摄入量没有任何限制，所以果胶的市场供不应求。据报道，RG-I 果胶具有许多优于传统果胶的独特功能，如免疫功能、调节肠道菌群、调节慢性代谢综合症和抑制癌症等[27]。

3.1 潜在的益生元

益生元一般指一些不被宿主消化吸收，却能够选择性地促进体内有益菌的代谢和增殖，从而改善宿主健康的有机物质[56]。果胶作为益生元可以促进肠道益生菌的生长繁殖，提高益生菌的生物活性[27]。果胶物质结构的细微变化可能会显著并直接地影响肠道微生物及其生理功能[57]。与HG 果胶相比，RG-I 果胶的中性糖侧链起着重要作用，对慢性代谢疾病和肠道益生菌的生物活性具有优越的调节作用[33]。

3.2 调节免疫

由于对免疫系统的直接或间接影响，饮食中的果胶被认为是某些免疫疾病的免疫分子。据报道，柑橘果胶可以与巨噬细胞中的Toll 样受体相互作用，从而调节结肠炎和回肠炎小鼠的免疫反应[3]。RG-I 果胶的侧链可以结合Galectin-3 的特异性识别位点[58]，并通过抑制Galectin-3 的活性而发挥免疫调节作用[33]。

3.3 无糖凝胶

果胶复杂的结构赋予果胶不同的物理化学特性，最显著的是它在食品工业中的增稠和凝胶应用[46]。RG-I 果胶具有自凝胶潜力，其形成的凝胶具有显著的增稠和稳定作用。RG-I 的自凝胶性能和益生元功能的结合，使其可作为一种具有益生作用的功能性食品添加剂[27]。果胶本身或由于其凝胶特性，在制药工业中被用作向胃肠道输送药物的载体，如骨架片、凝胶珠、薄膜包衣剂[53]。

3.4 输送药物

利用果胶作为控制药物输送的基质，主要是在生物医学方面的应用，如药物输送、基因输送、组织工程、伤口愈合和伤口敷料材料[59]，因为它能够形成稳定的凝胶[13]。富含RG-I 的果胶也被用于药物输送[60]，它还被开发为生物活性物质的载体，并因其抗菌活性而被应用于医疗和骨工程中的植入性生物材料[41]。

3.5 预防癌症等疾病

果胶与常规抗癌药物联合具有协同作用，依赖于果胶的结构产生各种活性片段，这些活性片段可以对抗活性部位或结合分子，从而诱导细胞凋亡和抑制肿瘤转移[13]。Galectin-3 是一种β-半乳糖苷结合蛋白，被认为是通过促进肿瘤细胞的增殖、黏附、转移和抑制细胞凋亡而促进肿瘤发展的分子[61]。富含RG-I 结构的果胶，通过与Galectin-3 的相互作用，抑制细胞转移，并可以诱导癌细胞凋亡。已发表的研究还显示，不同结构的人参果胶和化学修饰的柑橘果胶对Galectin-3 的作用不同，是因为RG-I 中的短β-1,4 半乳糖侧链起着重要作用[61]。

3.6 吸附重金属离子

果胶具有阳离子结合能力，被用作生物吸附剂，去除人体中的有毒金属离子或废水中的重金属[62]。除了HG外，RG-I 和RG-II 也被认为参与了重金属的结合。特别是RG-I 的支化程度和性质以及RG-II 上的中性糖可能会对果胶的重金属结合产生影响。果胶的侧链可能限制链间结合，从而限制重金属的吸附。果胶对重金属具有良好的吸附能力，但机械强度低、分离困难等缺点限制了其应用[63]。

3.7 乳化剂

果胶作为一种潜在的天然食品乳化剂，在食品加工中可作为人造奶油替代物或活性物质运载体系等[64]。乳液是不稳定的胶体体系，往往会产生两个不相容的相。通常使用乳化剂来降低油和水之间的界面张力或产生排斥作用以稳定乳化体系。果胶组分表现出乳化能力和乳化稳定性，这可能依赖于蛋白质和乙酰基的存在，并受HG 和RG-I 片段的影响，特别是疏水基团和中性糖侧链，它们为果胶提供了锚定油水界面的能力[65]。

4 展望

本文梳理了RG-I 果胶的结构、提取方法以及加工应用。随着大众对健康饮食需求的增加，RG-I 果胶具有较可观的发展前景，且被广泛研究并应用。富含RG-I 结构域的果胶多糖在预防癌症、调节慢性代谢综合症等方面显示出更好的活性，并显示出通过pH 诱导和微波诱导凝胶形成无糖凝胶系统的潜力。RG-I 果胶还可能通过肠道微生物发酵被人体吸收和利用，有助于进一步开发其抗癌、免疫调节和作为益生菌的特点。目前，对RG-I果胶的结构和应用虽有一定的研究，但其作用机理研究不够透彻，还需经过更加权威的论证。今后要拓宽RG-I果胶深加工领域，如从欧李果实中提取的RG-I 果胶，可用作一种具有凝胶和抗氧化效果的新型乳化剂，在包括水包油和低糖产品在内的各种产品中作为天然乳化剂和流变性改进剂提供替代应用，并将其应用于功能性食品与医疗中，满足不同用户的需要。