低酯果胶胶凝特性研究进展及应用.docx

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1、低酯果胶胶凝特性研究进展及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3-5,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

2、 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%o HMP胶凝时需要低的pH值(2.03.8)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分子中游离的竣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

3、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频基基团较多，形成凝胶时主要依赖于解离的覆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

4、，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0 NEILL等9的研究，认为果胶分子可分为同型聚半乳糖醛酸区(homogalacturonan,HG) 鼠李半乳糖醛酸聚糖I型区(rhamnogalacturonan- I , RG-I)以及鼠李半乳糖醛酸聚糖 II 型区(rhamnogalacturonan-II,RG-)3部分。HG是由数百个连续的D-半乳糖醛酸残基经-(l4)糖昔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

5、称为平滑区10。HG区域中，部分半乳糖醛酸残基C6位上的竣基以甲酯化状态存在，未被甲酯化的覆基则以解离酸的形式，或以钾盐、钠盐、铁盐、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比例即定义为果胶分子的酯化度(degreeofesterification, DE)或甲基化程度(degreeofmethoxylation, DM) o 除 DE 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。DB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

6、非甲酯化的半乳糖醛酸总量的比例(图1)。此外，HG的半乳糖醛酸残基可能发生酰胺化，被氨基取代。RG-I区域主要由a-D-半乳糖醛酸与a-L-鼠李糖通过糖普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-I的半乳糖醛酸残基在C2和C3位还可能被乙酰基取代。RG-II通常被描述为HG的延伸结构，仍然以a-(1-4)-D-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4种已知的寡糖,包括洋芹糖、海藻糖、木糖、半乳糖醛酸。此外，RG-II区域还可能包含其他成分，如乙酸、械汁酸、葡萄糖醛酸等

7、，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-1和RG-H区域都含有较多的支链结构，因此统称为毛发区（图1）。图1LMP基本结构特点3FigIThefundamentalstructurecharacteristicsoflowmethoxylpectin1. 2LMP制备方式对分子结构的影响目前，LMP不仅可从天然植物组织中提取获得，也可将HMP脱酯化处理获得。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12-14。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

8、的苹果和柑橘LMP主要是通过将它们的HMP进行脱酯化处理后获得11。1. 2. 1提取方式对LMP结构的影响对于包含LMP的天然植物组织，提取方式对LMP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，使得果胶分子质量降低。刘新新等15研究发现，与硝酸、盐酸等无机强酸相比，采用柠檬

9、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，EZZA取等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、分子质量较大，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2种方法制得的果胶分子质量较高,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，目前尚未实现规模化应用。1. 2. 2

10、去酯化方式对LMP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处理得到，常见方式包括碱法脱酯，酸法脱酯，酶法脱酰胺化法脱酯。碱法和酸法脱酯均是以水解的方式随机脱去甲氧基，因此导致获得的LMP的DB值较低。再者，碱或酸处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，进而降低果胶分子质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

11、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的平均分子质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，TALEKAR等18采用了交联酶聚集法对柑橘果胶甲酯酶进行处理，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DE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(degreeofamidation,DA) o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

12、的LMP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峻基基团与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2个位于不同果胶链上的竣基基团，这种结合被形象地描述为“蛋盒”模型。具体解释为，2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620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

13、步（图2-a）。首先，Ca2+与相邻2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

14、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，DE值、DB值、分子质量、分支化程度均能影响LMP的胶凝过程。2. 1. IDE值与DB值虽然DE值低于50%的果胶都可归类于LMP,但就LMP而言,DE越低，果胶结构中游离的殿基基团就越多，越容易和Ca2+结合，因此胶凝速率越快。此

15、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DE也影响LMP胶凝时Ca2+的用量。DE较高的LMP胶凝时往往需要较多的Ca2+oA!另一方面，近年来有报道指出，果胶DE 一定时，未被耳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随机分布模式或“block”分布模式存在。随机分布模式是指未被甲酯化的半乳糖醛酸单元以随机的方式分布于HG主链中；“block”分布模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。如上所述，当连续排列的620个非甲酯化半乳糖醛酸单元和Ca2+结合时，相邻的果胶分子才能形成稳定的交联区，从这一层面而言，“block”分布模式显然更有利于LMP与Ca2+结合形成稳定的分子间交联3。一般LMP的DB值越高，表明未被甲酯化的半乳糖醛酸单元以“