低酯果胶胶凝特性研究进展及应用

　　摘要随现代食品工业快速发展和人们健康饮食意识不断增强，开发健康、营养、感官兼具的食品类型已成为食品领域的迫切任务。低酯果胶在钙离子存在的条件下即可形成凝胶，胶凝时无需添加蔗糖，对于开发低热量食品意义重大。该文首先综述了低酯果胶的结构特点和胶凝机理，强调了各因素对低酯果胶胶凝特性的影响，进一步总结了低酯果胶在食品开发中的应用进展，旨在为低酯果胶在食品工业中的应用提供参考。

　　关键词低酯果胶;胶凝机理;凝胶性质;蛋盒模型;食品应用

　　果胶是一种结构复杂的酸性杂多糖，广泛存在于自然界各种高等陆生植物的初生细胞壁中[1]，可通过各种提取方法获得，包括酸法提取、酶法提取、辅助法提取等[2,3]。果胶常作为胶凝剂、增稠剂、乳化剂等应用于食品工业[35]，如果酱、果冻、蜜饯、酸奶等食品的生产[6]。

　　此外，果胶还具有显著的保健作用，如降血糖、降胆固醇、抗癌、调节胃肠功能、吸附有害金属离子等[7]。因而，国际食品添加剂联合委员会认为果胶是安全的食品添加剂，对其每日允许摄入量不作限定。食品工业中，果胶最主要的用途之一是用作胶凝剂。根据酯化程度不同，果胶可分为高酯果胶(highmethoxylpectin,HMP)和低酯果胶(lowmethoxylpectin,LMP)，HMP是指果胶分子结构中有超过50%的半乳糖醛酸单元被甲酯化，即酯化度大于50，而LMP酯化程度小于50%。HMP胶凝时需要低的pH值(2.0~3.8)和较高浓度的可溶性固形物(如55%~75%的蔗糖)。

　　当pH值较低时，HMP分子中游离的羧酸基团解离程度被极大抑制，减小了分子间静电斥力，同时较高含量的可溶性固形物优先和水分子结合，降低了果胶分子的溶剂化程度，使得果胶分子彼此靠近，最终形成三维凝胶网络。基于这一特性，当前HMP常作为饮料增稠剂、高糖果酱胶凝剂和酸奶稳定剂应用于食品加工。但由于HMP胶凝时需添加大量的可溶性固形物，导致产品糖分含量较高，不符合现代低热量食品的开发趋势，一定程度上限制了HMP的应用。

　　然而，LMP胶凝时仅需Ca2+参与，对可溶性固形物含量没有特殊要求[8]，胶凝时pH值范围较广。这是因为LMP羧基基团较多，形成凝胶时主要依赖于解离的羧基基团与二价阳离子(如Ca2+)之间的静电引力，而氢键与疏水相互作用仅起到稳定三维网络结构的作用。LMP的胶凝特性特别适用于生产低糖果酱、果冻、酸奶或其他无糖保健食品，这也是低酯果胶在现代食品工业中应用的主要趋势。因此，本文基于LMP的结构特征，综述了果胶分子结构特点与其胶凝机理的关联，探讨了各因素对LMP凝胶特性的影响。此外，也总结了近年来LMP在食品研发中的应用进展，旨在为拓宽LMP在食品与保健领域中的应用提供理论依据。

　　1LMP的分子结构与胶凝机理

　　1.1LMP分子的基本结构尽管当前对果胶分子的结构组成还存有一些争论，但主流观点都倾向于认同O’Neill的研究[9]，认为果胶分子可分为同型聚半乳糖醛酸区homogalacturonanHG)、鼠李半乳糖醛酸聚糖型区rhamnogalacturonanⅠRGI)以及鼠李半乳糖醛酸聚糖II型区rhamnogalacturonanⅡRGII)三个部分。HG是由数百个连续的半乳糖醛酸残基经α(1→4)糖苷键连接而成的线性区域，构成了超过65%的果胶结构，是果胶结构的主链，因此HG区也被称为平滑区[10]。HG区域中，部分半乳糖醛酸残基C6位上的羧基以甲酯化状态存在，未被甲酯化的羧基则以解离酸的形式，或以钾盐、钠盐、铵盐、钙盐等形式存在[11]。

　　HG区域中平均每100个半乳糖醛酸残基在C6位上以甲酯化形式存在的百分数即定义为果胶分子的酯化度(degreeofesterification，DE)或甲基化程度(degreeofmethoxylation，DM)。除值外，目前还以DB值(degreeofblockiness)评估LMP中未被甲酯化的半乳糖醛酸单元的分布情况。值定义为内聚半乳糖醛酸酶降解果胶后释放的单个半乳糖醛酸、二聚半乳糖醛酸和三聚半乳糖醛酸的量占果胶中非甲酯化的半乳糖醛酸总量的比例。

　　此外，HG的半乳糖醛酸残基可能发生酰胺化，被氨基取代。RG区域主要由α半乳糖醛酸与α鼠李糖通过糖苷键连接而成的二糖重复单元组成，其中20%~80%的鼠李糖在C3或C4位上的羟基氧上连接着由阿拉伯糖、半乳糖组成的长短不一的支链。RG的半乳糖醛酸残基在C2和C3位还可能被乙酰基取代。RGII通常被描述为HG的延伸结构，仍然以α(l→4)半乳糖醛酸链为主要组成部分，但不同于主链的是该区域支链化程度较高，支链上含有四种已知的寡糖，包括洋芹糖、海藻糖、木糖、半乳糖醛酸。此外，RGⅡ区域还可能包含其他成分，如乙酸、槭汁酸、葡萄糖醛酸等，受植物种类、生长环境、成熟程度以及果胶提取部位的影响而有所差异[3]。由于RG和RGII区域都含有较多的支链结构，因此统称为毛发区。

　　1.2LMP制备方式对分子结构的影响

　　目前，MP不仅可从天然植物组织中提取获得，也可将MP脱酯化理获得。有研究报道，LMP广泛存在于天然植物组织中，如向日葵盘、豆腐柴叶、薜荔籽、甜瓜、马铃薯渣、菠萝蜜皮、可可豆荚壳、甘薯、假酸浆籽粒等[1214]。然而，目前仅有向日葵盘中提取的LMP实现了商业化，市面上常见的苹果和柑橘LMP主要是通过将它们的HMP进行脱酯化理后获得[11]。

　　1.2.1提取方式对MP结构的影响对于包含MP的天然植物组织，提取方式对MP结构特点有明显影响。天然的果胶物质以原果胶、果胶、果胶酸的形态存在植物组织中，果胶提取的原理是将水不溶性的原果胶转化为水溶性果胶并将其分离出植物组织的过程。主要的果胶提取方法包括酸法提取，超声辅助提取，微波辅助提取，微生物法提取，酶法提取等。酸法提取是利用高温酸性溶液水解原果胶，使其转化为水溶性果胶溶出，再通过乙醇或金属离子将果胶沉淀分离。

　　该方法容易导致果胶解聚，使得果胶分子量降低。刘新新等研究发现[15]，与硝酸、盐酸等无机强酸相比，采用柠檬酸、草酸等有机弱酸提取果胶效果较好，可有效避免果胶结构遭到破坏。超声波和微波提取分别靠空化效应和辐射加热破坏植物组织促使果胶分离，通常作为辅助方法与传统果胶提取方法结合使用，能有效提高果胶的提取效率、降低能量消耗。例如，EZZATI等[16]利用超声与微波辅助法提取了向日葵盘果胶，发现得到的LMP半乳糖醛酸含量高、分子量较大，并且表现出良好的胶凝性、乳化性、热稳定性和抗氧化性。微生物法提取和酶法提取分别利用微生物发酵和酶的催化作用将细胞壁降解从而使果胶从植物组织中分离。这两种方法制得的果胶分子量较高，提取率优于酸法提取，但是生产成本高、周期长、条件难以控制，目前尚未实现规化应用。

　　1.2.2去酯化方式对MP结构的影响目前，市售的LMP主要是通过将高酯苹果果胶或柑橘果胶进行去酯化理得到，常见方式包括碱法脱酯，酸法脱酯，酶法脱酯，酰胺化法脱酯。碱法和酸法脱酯均是以水解的方式机脱去甲氧基，因此导致获得的LMP的DB值较低。再者，碱或酸理虽然能有效地脱除果胶分子的甲氧基，但仍会引起果胶分子的降解，包括HG主链降解或侧链降解等，进而降低果胶分子量和改变果胶的分支化程度。而酶法脱酯的原理与碱法和酸法脱酯不同，其原理是通过外加或激活植物中原本存在的果胶甲酯酶，促使甲基化的半乳糖醛酸脱酯，降低果胶DE值。与化学方法相比，果胶甲酯酶以序列脱除的方式脱去果胶分子的甲氧基，脱脂后LMP中游离的半乳糖醛酸残基呈区域化分布，DB值较高、胶凝能力也更好。WAN等[17]采用高静压辅助酶法脱酯制备了LMP，发现获得的LMP的平均分子量大于碱法脱酯获得的果胶，不仅脱酯效率高，而且凝胶性能也更好。

　　为了降低酶法脱酯的成本，ALEKAR等[18]采用了交联酶聚集法对柑橘果胶甲酯酶进行理，提升了果胶脱酯的催化效率，同时降低了酶反应的pH和温度要求。对HMP进行酰胺化改性以降低果胶的酯化度也是生产LMP的重要方法。在此过程中，被酯化的半乳糖醛酸残基的甲基基团被氨基取代，称为果胶的酰胺化程度(degreeofmidation,DA)。苏东林等[19]用酰胺化法制备了低酯柑橘果胶，发现与普通LMP相比，酰胺化的MP形成凝胶时所需的Ca2+数目更少，且凝胶硬度更大，具有较好的热可逆性。

　　1.3LMP的胶凝机理LMP的胶凝是指在Ca2+存在的条件下，果胶分子中半乳糖醛酸残基解离的羧基基团与Ca2+结合形成离子键，进而形成三维网络结构的过程。其中，一个Ca2+可以结合两个位于不同果胶链上的羧基基团，这种结合被形象地描述为蛋盒型。具体解释为，两条果胶链反向平行，不同果胶分子链上的非甲酯化的半乳糖醛酸单元互补、形成规则的几何形空穴，Ca2+镶嵌在内，以离子键的方式与半乳糖醛酸单元结合，且至少需要~20个连续排列的蛋盒单元才能形成稳定的分子间交联[20]。当前普遍认为，LMP胶凝时与Ca2+的结合分为两步。

　　首先，Ca2+与相邻的两个果胶分子发生交联，形成二聚体，这种二聚体结构主要通过氢键作用稳定;其次，多个二聚体之间发生氢键作用，聚合形成四聚体、六聚体等，不断形成连续的立体分布，进而促进三维凝胶网络的形成[20]。一般而言，LMP和Ca2+结合形成凝胶时，果胶分子和Ca2+越容易形成交联、构成的交联区越多，则胶凝速率越快、凝胶强度越高。

　　需要指出的是，尽管与Ca2+的结合是LMP胶凝化的主要原因，但由于果胶结构复杂，部分果胶虽然结构上划分为LMP，但这些果胶仍然可以在Ca2+不存在的条件下形成微弱的凝胶结构[21]。其中，氢键和疏水相互作用是维系这类凝胶网络的主要作用力。

　　2LMP凝胶的性质及其影响因素

　　食品质构不仅是消费者十分重视的感官特征，也是食品质量评价的一项重要指标[22]。就LMP而言，其凝胶的性质不仅决定了LMP作为食品胶凝剂的品质，也决定了其在改善食品质构、开发新型食品类型的应用前景。

　　2.1自身结构特点对LMP胶凝化的影响

　　LMP自身的结构特点是影响其胶凝特性的重要因素，即便对于同一种果胶，分子结构不同也会引起其胶凝性质的较大差异。一般而言，值、DB值、分子量、分支化程度均能影响LMP的胶凝过程，详述如下。

　　2.1.1值与DB值定义上，虽然值低于50%的果胶都可归类于LMP，但就LMP而言，酯化度越低，果胶结构中游离的羧基基团就越多，越容易和Ca2+结合，因此胶凝速率越快。此外，由于LMP分子上带有的甲氧基有阻碍未被甲酯化的半乳糖醛酸残基进入到凝胶结合区的作用[23]，因此酯化度也影响LMP胶凝时Ca2+的用量。酯化度较高的LMP胶凝时往往需要较多的Ca2+。

　　另一方面，近年来有报道指出，果胶酯化度一定时，未被甲酯化的半乳糖醛酸单元分布不同，果胶的胶凝特性也不同。通常，果胶结构中未被甲酯化的半乳糖醛酸以机分布式或block分布式存在。机分布式是指未被甲酯化的半乳糖醛酸单元以机的方式分布于HG主链中;block分布式则是指未被甲酯化的半乳糖醛酸单元以连续排列的方式分布。

　　2.1.2分支化程度

　　分支化程度也对LMP的胶凝能力有一定影响。根据LMP的基本结构特点，中性糖主要构成了毛发区，即RG型和RGII型区域，而半乳糖醛酸主要构成了HG主链，因此半乳糖醛酸与中性糖、半乳糖醛酸之和的摩尔比可近似用来描述果胶的分支化程度。比值越高，表明果胶分支化程度越低[26]。

　　由于LMP胶凝主要是由于HG主链中未被甲酯化的半乳糖醛酸单元的羧基基团和Ca2+的结合，因而当其他分子结构参数相同时，分支化程度越高，果胶和Ca2+结合的空间位阻作用越大，因此果胶越不容易和Ca2+结合形成交联。此外，当果胶分子量相同时，分支化程度越高，果胶分子的流体力学体积越低，溶液黏度也降低，不利于果胶分子二聚体彼此结合，也降低了LMP的胶凝能力[25]。然而，对于某些结构特殊的LMP而言，氢键是诱导凝胶形成的主要作用力，这种情况下，果胶分支化程度越高，反而利于果胶分子彼此接触形成氢键缔合，进而形成凝胶。

　　HEN等[27]从柑橘囊衣中提取了RG型区域含量不同的果胶，其中RG型区域含量为63%的果胶与型区域比例为41%的果胶相比，形成的凝胶网络结构不规则且更为稀疏，流变学性能更差。值得一提的是，由于RG型区域主要包含中性糖，因此具有良好的氢键形成能力，和传统果胶复合可起到协同胶凝作用。

　　2.1.3分子量与分子浓度LMP分子结构相同时，分子量越大，果胶在水溶液中所占的流体力学体积越大，越容易形成粘稠的溶液，因此有利于果胶分子彼此靠近形成交联越有利于形成凝胶。一般情况下，分子量高(≥300kDa)的果胶，增稠效果较好，最低胶凝浓度也更低[28]。而低较分子量(≤10kDa)的果胶，可能会由于其2+结合位点的数量有限而无法形成凝胶[29]。

　　浓度也是影响MP凝胶性质的重要因素。当LMP浓度较低时，倾向于形成2+介导的分子内交联，对凝胶强度的提高贡献不大。浓度增加，体系中果胶分子数目增多，有利于凝胶网络形成，且由于较多的果胶分子能结合更多的水，因此果胶浓度越高，凝胶强度和持水性也越高[30,31]。但当果胶浓度过高时，制得的凝胶强度虽高，但弹性降低、易破碎、整体外观较差。在实际应用中，LMP的添加量一般在0.5~2.0%之间，对于分子量较低的MP，可以适度增加使用量[32]。

　　2.2外部环境因素对LMP胶凝化的影响除果胶自身的结构特点外，外部环境因素如Ca2+浓度、pH值、温度、溶质含量等也对LMP的胶凝有明显影响。

　　3MP的保健功能

　　果胶是水溶性的膳食纤维，不被人体分泌的消化酶水解，但能被人体肠道内的微生物利用，产生短链脂肪酸。果胶已被证实具有明显的健康功效，包括缓解肠道炎症、调控新陈代谢紊乱、优化肠道菌群、预防癌症、降低肥胖风险等。其中，果胶分子的结构特点，如酯化度、分支化程度、分子量等，对其健康功效影响显著。

　　3.1新陈代谢调控

　　长期摄入过多的卡路里会增加总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白胆固醇、高密度脂蛋白胆固醇的水平，进而诱导胰岛素抵抗，导致肥胖症、二型糖尿病、高血压、非酒精性脂肪肝等疾病。众多研究表明，摄入果胶可有效预防和缓解这些疾病，其机制主要包括三点：第一，果胶能一定程度上扰乱消化酶在人体肠道内的功能，结合胆固醇和胆汁酸，从而阻止胆固醇吸收;第二，果胶高度亲水，可降低葡萄糖吸收和肠道激素的分泌，从而下调了胰岛素水平;第三，果胶在大肠内被肠道微生物发酵，产生短链脂肪酸，如醋酸盐和丙酸盐，进而抑制肝脏胆固醇合成。果胶的这些调控效果高度依赖于其结构特点。

　　例如，HOI等研究表明[49]，富含RG型的果胶更利于缓解高脂饮食诱导的肥胖小鼠体重增加、降低小鼠的胰岛素抵抗。此外，BROUNS等比较了酯化程度对果胶健康功效的影响，结果表明，与酯化度为35%的低酯果胶相比，摄入DE值为70%的柑橘和苹果果胶更利于降低低密度脂蛋白水平。

　　3.2缓解炎症

　　与不溶性的膳食纤维相比，水溶性的膳食纤维在缓解肠道炎症方面更具优势。POPOV等研究表明[50]，果胶主要通过降低中性白细胞的黏附性和抑制氧自由基的产生达到降低炎症的效果，且进一步研究显示，摄入果胶可显著降低小鼠的结肠炎。此外，POPOV等研究还显示[50]，与HMP相比，LMP对乙酸和脂多糖诱导的胃肠道损伤有更好的缓解作用，表明LMP的炎症调控效果优于HMP。就分支化程度而言，有报道显示，分支化程度较高的果胶具有更好的炎症调控效果。

　　4LMP在食品中的应用

　　虽然当前尚无证据表明MP比MP具有更优良的保健效果，但就整体而言，果胶的健康功效已得到广泛认可。因而，果胶在食品中并无最大添加限度，具体添加量取决于食品生产时的工艺和食品感官、质构等要求。由于在Ca2+存在的条件下，LMP在有糖或无糖的环境中均能形成凝胶，这种特点使得LMP被广泛用于低糖、低热量、低甜度食品的开发，如低糖果酱、果冻、软糖、果汁、酸奶、冷冻甜点等。

　　4.1低糖果酱LMP在果酱中的应用最为常见。由于HMP需要在高糖条件下才能形成凝胶，因此制备的果酱都具有较高的含糖量[54]，而LMP仅在Ca2+存在时就能形成凝胶，不受糖含量的影响。而且与HMP凝胶相比，LMP凝胶有一定的可逆性，经加热或搅拌后，可以转变为流体状态，冷却或停止搅拌后又可以恢复为凝胶状，具有优良的可涂抹性[55,56]。

　　4.2带肉果汁带肉果汁同时包含液态的果汁和固态的果肉，贮藏中容易出现果汁和果肉的分离，严重影响产品外观。为保证货架期内果汁和果肉能充分融合、不出现相分离，需要添加合适的稳定剂以提高该果汁体系的稳定性。传统饮料的稳定剂一般选择海藻酸钠等多糖，但存在果汁假塑性差、腥味大、浊度高等缺点。相比之下，LMP作为稳定剂使用时，不仅能与饮料中自身含有的金属离子发生增稠或胶凝作用，实现饮料的稳定，同时也赋予了饮料“丝滑”、“稀薄”的口感，且不存在腥味残留等缺点[57]。

　　食品论文投稿刊物： 《食品工业》的主办单位是上海市食品工业研究所、主管单位是上海光明食品(集团)有限公司。创刊于1979年，以反映食品工业技术进步为主，配合报道食品的市场动态和科学管理，食品行业的科研、生产、原料、市场和消费等各个环节，在全国食品界创下了良好的声誉，成为全国食品工业类中文核心期刊。

　　5结论

　　LMP和Ca2+的结合是诱导凝胶形成的主导因素，该过程不仅受MP自身分子结构特点的影响，也受到外界环境因素的作用。无论是结构因素还是环境因素，它们影响MP胶凝化的本质在于影响了果胶分子和Ca2+的结合过程，宏观表现为不同的胶凝速率、不同的凝胶理化性质。实际应用MP时，需根据具体的需求合理选择MP类型及凝胶形成调节。本文通过总结LMP的胶凝机理及影响其凝胶性质的常见因素，并列举了MP在新型食品开发中的应用实例，可为MP在食品工业中的进一步应用提供参考。

　　参考文献

　　[1]CAROÇORF,KIM,SANTACOOMAA,etal.Analysisandmodelbasedoptimizationofapectinextractionprocess[J].JournalofFoodEngineering,2019,244:159169.

　　[2]ADETUNJIR,ADEKUNEA,ORSATV,etal.Advancesinthepectinproductionprocessusingnovelextractiontechniques:Areview[J].Foodydrocolloids,2017,62:239250.

　　[3]CANSY,COOWS,YOUNGDJ,etal.ectinasarheologymodifier:Origin,structure,commercialproductionandrheology[J].Carbohydrateolymers,2017,161:118139.

　　[4]ZUK,MAOG,WUD,etal.ighlyranchedRGIDomainEnrichmentIsIndispensableforectinMitigatingagainstighFatDietInducedObesity[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry,2020,6832:86888701.

　　作者：杨旭东，郭绰，袁凯，杨曦，王晓宇，孟永宏，郭玉蓉