摘要隨現(xiàn)代食品工業(yè)快速發(fā)展和人們健康飲食意識不斷增強，開發(fā)健康、營養(yǎng)、感官兼具的食品類型已成為食品領(lǐng)域的迫切任務(wù)。低酯果膠在鈣離子存在的條件下即可形成凝膠，膠凝時無需添加蔗糖，對于開發(fā)低熱量食品意義重大。該文首先綜述了低酯果膠的結(jié)構(gòu)特點和膠凝機理，強調(diào)了各因素對低酯果膠膠凝特性的影響，進一步總結(jié)了低酯果膠在食品開發(fā)中的應(yīng)用進展，旨在為低酯果膠在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

　　關(guān)鍵詞低酯果膠;膠凝機理;凝膠性質(zhì);蛋盒模型;食品應(yīng)用

　　果膠是一種結(jié)構(gòu)復雜的酸性雜多糖，廣泛存在于自然界各種高等陸生植物的初生細胞壁中[1]，可通過各種提取方法獲得，包括酸法提取、酶法提取、輔助法提取等[2,3]。果膠常作為膠凝劑、增稠劑、乳化劑等應(yīng)用于食品工業(yè)[35]，如果醬、果凍、蜜餞、酸奶等食品的生產(chǎn)[6]。

　　此外，果膠還具有顯著的保健作用，如降血糖、降膽固醇、抗癌、調(diào)節(jié)胃腸功能、吸附有害金屬離子等[7]。因而，國際食品添加劑聯(lián)合委員會認為果膠是安全的食品添加劑，對其每日允許攝入量不作限定。食品工業(yè)中，果膠最主要的用途之一是用作膠凝劑。根據(jù)酯化程度不同，果膠可分為高酯果膠(highmethoxylpectin,HMP)和低酯果膠(lowmethoxylpectin,LMP)，HMP是指果膠分子結(jié)構(gòu)中有超過50%的半乳糖醛酸單元被甲酯化，即酯化度大于50，而LMP酯化程度小于50%。HMP膠凝時需要低的pH值(2.0~3.8)和較高濃度的可溶性固形物(如55%~75%的蔗糖)。

　　當pH值較低時，HMP分子中游離的羧酸基團解離程度被極大抑制，減小了分子間靜電斥力，同時較高含量的可溶性固形物優(yōu)先和水分子結(jié)合，降低了果膠分子的溶劑化程度，使得果膠分子彼此靠近，最終形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò)。基于這一特性，當前HMP常作為飲料增稠劑、高糖果醬膠凝劑和酸奶穩(wěn)定劑應(yīng)用于食品加工。但由于HMP膠凝時需添加大量的可溶性固形物，導致產(chǎn)品糖分含量較高，不符合現(xiàn)代低熱量食品的開發(fā)趨勢，一定程度上限制了HMP的應(yīng)用。

　　然而，LMP膠凝時僅需Ca2+參與，對可溶性固形物含量沒有特殊要求[8]，膠凝時pH值范圍較廣。這是因為LMP羧基基團較多，形成凝膠時主要依賴于解離的羧基基團與二價陽離子(如Ca2+)之間的靜電引力，而氫鍵與疏水相互作用僅起到穩(wěn)定三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用。LMP的膠凝特性特別適用于生產(chǎn)低糖果醬、果凍、酸奶或其他無糖保健食品，這也是低酯果膠在現(xiàn)代食品工業(yè)中應(yīng)用的主要趨勢。因此，本文基于LMP的結(jié)構(gòu)特征，綜述了果膠分子結(jié)構(gòu)特點與其膠凝機理的關(guān)聯(lián)，探討了各因素對LMP凝膠特性的影響。此外，也總結(jié)了近年來LMP在食品研發(fā)中的應(yīng)用進展，旨在為拓寬LMP在食品與保健領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

　　1LMP的分子結(jié)構(gòu)與膠凝機理

　　1.1LMP分子的基本結(jié)構(gòu)盡管當前對果膠分子的結(jié)構(gòu)組成還存有一些爭論，但主流觀點都傾向于認同O’Neill的研究[9]，認為果膠分子可分為同型聚半乳糖醛酸區(qū)homogalacturonanHG)、鼠李半乳糖醛酸聚糖型區(qū)rhamnogalacturonanⅠRGI)以及鼠李半乳糖醛酸聚糖II型區(qū)rhamnogalacturonanⅡRGII)三個部分。HG是由數(shù)百個連續(xù)的半乳糖醛酸殘基經(jīng)α(1→4)糖苷鍵連接而成的線性區(qū)域，構(gòu)成了超過65%的果膠結(jié)構(gòu)，是果膠結(jié)構(gòu)的主鏈，因此HG區(qū)也被稱為平滑區(qū)[10]。HG區(qū)域中，部分半乳糖醛酸殘基C6位上的羧基以甲酯化狀態(tài)存在，未被甲酯化的羧基則以解離酸的形式，或以鉀鹽、鈉鹽、銨鹽、鈣鹽等形式存在[11]。

　　HG區(qū)域中平均每100個半乳糖醛酸殘基在C6位上以甲酯化形式存在的百分數(shù)即定義為果膠分子的酯化度(degreeofesterification，DE)或甲基化程度(degreeofmethoxylation，DM)。除值外，目前還以DB值(degreeofblockiness)評估LMP中未被甲酯化的半乳糖醛酸單元的分布情況。值定義為內(nèi)聚半乳糖醛酸酶降解果膠后釋放的單個半乳糖醛酸、二聚半乳糖醛酸和三聚半乳糖醛酸的量占果膠中非甲酯化的半乳糖醛酸總量的比例。

　　此外，HG的半乳糖醛酸殘基可能發(fā)生酰胺化，被氨基取代。RG區(qū)域主要由α半乳糖醛酸與α鼠李糖通過糖苷鍵連接而成的二糖重復單元組成，其中20%~80%的鼠李糖在C3或C4位上的羥基氧上連接著由阿拉伯糖、半乳糖組成的長短不一的支鏈。RG的半乳糖醛酸殘基在C2和C3位還可能被乙酰基取代。RGII通常被描述為HG的延伸結(jié)構(gòu)，仍然以α(l→4)半乳糖醛酸鏈為主要組成部分，但不同于主鏈的是該區(qū)域支鏈化程度較高，支鏈上含有四種已知的寡糖，包括洋芹糖、海藻糖、木糖、半乳糖醛酸。此外，RGⅡ區(qū)域還可能包含其他成分，如乙酸、槭汁酸、葡萄糖醛酸等，受植物種類、生長環(huán)境、成熟程度以及果膠提取部位的影響而有所差異[3]。由于RG和RGII區(qū)域都含有較多的支鏈結(jié)構(gòu)，因此統(tǒng)稱為毛發(fā)區(qū)。

　　1.2LMP制備方式對分子結(jié)構(gòu)的影響

　　目前，MP不僅可從天然植物組織中提取獲得，也可將MP脫酯化理獲得。有研究報道，LMP廣泛存在于天然植物組織中，如向日葵盤、豆腐柴葉、薜荔籽、甜瓜、馬鈴薯渣、菠蘿蜜皮、可可豆莢殼、甘薯、假酸漿籽粒等[1214]。然而，目前僅有向日葵盤中提取的LMP實現(xiàn)了商業(yè)化，市面上常見的蘋果和柑橘LMP主要是通過將它們的HMP進行脫酯化理后獲得[11]。

　　1.2.1提取方式對MP結(jié)構(gòu)的影響對于包含MP的天然植物組織，提取方式對MP結(jié)構(gòu)特點有明顯影響。天然的果膠物質(zhì)以原果膠、果膠、果膠酸的形態(tài)存在植物組織中，果膠提取的原理是將水不溶性的原果膠轉(zhuǎn)化為水溶性果膠并將其分離出植物組織的過程。主要的果膠提取方法包括酸法提取，超聲輔助提取，微波輔助提取，微生物法提取，酶法提取等。酸法提取是利用高溫酸性溶液水解原果膠，使其轉(zhuǎn)化為水溶性果膠溶出，再通過乙醇或金屬離子將果膠沉淀分離。

　　該方法容易導致果膠解聚，使得果膠分子量降低。劉新新等研究發(fā)現(xiàn)[15]，與硝酸、鹽酸等無機強酸相比，采用檸檬酸、草酸等有機弱酸提取果膠效果較好，可有效避免果膠結(jié)構(gòu)遭到破壞。超聲波和微波提取分別靠空化效應(yīng)和輻射加熱破壞植物組織促使果膠分離，通常作為輔助方法與傳統(tǒng)果膠提取方法結(jié)合使用，能有效提高果膠的提取效率、降低能量消耗。例如，EZZATI等[16]利用超聲與微波輔助法提取了向日葵盤果膠，發(fā)現(xiàn)得到的LMP半乳糖醛酸含量高、分子量較大，并且表現(xiàn)出良好的膠凝性、乳化性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性。微生物法提取和酶法提取分別利用微生物發(fā)酵和酶的催化作用將細胞壁降解從而使果膠從植物組織中分離。這兩種方法制得的果膠分子量較高，提取率優(yōu)于酸法提取，但是生產(chǎn)成本高、周期長、條件難以控制，目前尚未實現(xiàn)規(guī)化應(yīng)用。

　　1.2.2去酯化方式對MP結(jié)構(gòu)的影響目前，市售的LMP主要是通過將高酯蘋果果膠或柑橘果膠進行去酯化理得到，常見方式包括堿法脫酯，酸法脫酯，酶法脫酯，酰胺化法脫酯。堿法和酸法脫酯均是以水解的方式機脫去甲氧基，因此導致獲得的LMP的DB值較低。再者，堿或酸理雖然能有效地脫除果膠分子的甲氧基，但仍會引起果膠分子的降解，包括HG主鏈降解或側(cè)鏈降解等，進而降低果膠分子量和改變果膠的分支化程度。而酶法脫酯的原理與堿法和酸法脫酯不同，其原理是通過外加或激活植物中原本存在的果膠甲酯酶，促使甲基化的半乳糖醛酸脫酯，降低果膠DE值。與化學方法相比，果膠甲酯酶以序列脫除的方式脫去果膠分子的甲氧基，脫脂后LMP中游離的半乳糖醛酸殘基呈區(qū)域化分布，DB值較高、膠凝能力也更好。WAN等[17]采用高靜壓輔助酶法脫酯制備了LMP，發(fā)現(xiàn)獲得的LMP的平均分子量大于堿法脫酯獲得的果膠，不僅脫酯效率高，而且凝膠性能也更好。

　　為了降低酶法脫酯的成本，ALEKAR等[18]采用了交聯(lián)酶聚集法對柑橘果膠甲酯酶進行理，提升了果膠脫酯的催化效率，同時降低了酶反應(yīng)的pH和溫度要求。對HMP進行酰胺化改性以降低果膠的酯化度也是生產(chǎn)LMP的重要方法。在此過程中，被酯化的半乳糖醛酸殘基的甲基基團被氨基取代，稱為果膠的酰胺化程度(degreeofmidation,DA)。蘇東林等[19]用酰胺化法制備了低酯柑橘果膠，發(fā)現(xiàn)與普通LMP相比，酰胺化的MP形成凝膠時所需的Ca2+數(shù)目更少，且凝膠硬度更大，具有較好的熱可逆性。

　　1.3LMP的膠凝機理LMP的膠凝是指在Ca2+存在的條件下，果膠分子中半乳糖醛酸殘基解離的羧基基團與Ca2+結(jié)合形成離子鍵，進而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程。其中，一個Ca2+可以結(jié)合兩個位于不同果膠鏈上的羧基基團，這種結(jié)合被形象地描述為蛋盒型。具體解釋為，兩條果膠鏈反向平行，不同果膠分子鏈上的非甲酯化的半乳糖醛酸單元互補、形成規(guī)則的幾何形空穴，Ca2+鑲嵌在內(nèi)，以離子鍵的方式與半乳糖醛酸單元結(jié)合，且至少需要~20個連續(xù)排列的蛋盒單元才能形成穩(wěn)定的分子間交聯(lián)[20]。當前普遍認為，LMP膠凝時與Ca2+的結(jié)合分為兩步。

　　首先，Ca2+與相鄰的兩個果膠分子發(fā)生交聯(lián)，形成二聚體，這種二聚體結(jié)構(gòu)主要通過氫鍵作用穩(wěn)定;其次，多個二聚體之間發(fā)生氫鍵作用，聚合形成四聚體、六聚體等，不斷形成連續(xù)的立體分布，進而促進三維凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成[20]。一般而言，LMP和Ca2+結(jié)合形成凝膠時，果膠分子和Ca2+越容易形成交聯(lián)、構(gòu)成的交聯(lián)區(qū)越多，則膠凝速率越快、凝膠強度越高。

　　需要指出的是，盡管與Ca2+的結(jié)合是LMP膠凝化的主要原因，但由于果膠結(jié)構(gòu)復雜，部分果膠雖然結(jié)構(gòu)上劃分為LMP，但這些果膠仍然可以在Ca2+不存在的條件下形成微弱的凝膠結(jié)構(gòu)[21]。其中，氫鍵和疏水相互作用是維系這類凝膠網(wǎng)絡(luò)的主要作用力。

　　2LMP凝膠的性質(zhì)及其影響因素

　　食品質(zhì)構(gòu)不僅是消費者十分重視的感官特征，也是食品質(zhì)量評價的一項重要指標[22]。就LMP而言，其凝膠的性質(zhì)不僅決定了LMP作為食品膠凝劑的品質(zhì)，也決定了其在改善食品質(zhì)構(gòu)、開發(fā)新型食品類型的應(yīng)用前景。

　　2.1自身結(jié)構(gòu)特點對LMP膠凝化的影響

　　LMP自身的結(jié)構(gòu)特點是影響其膠凝特性的重要因素，即便對于同一種果膠，分子結(jié)構(gòu)不同也會引起其膠凝性質(zhì)的較大差異。一般而言，值、DB值、分子量、分支化程度均能影響LMP的膠凝過程，詳述如下。

　　2.1.1值與DB值定義上，雖然值低于50%的果膠都可歸類于LMP，但就LMP而言，酯化度越低，果膠結(jié)構(gòu)中游離的羧基基團就越多，越容易和Ca2+結(jié)合，因此膠凝速率越快。此外，由于LMP分子上帶有的甲氧基有阻礙未被甲酯化的半乳糖醛酸殘基進入到凝膠結(jié)合區(qū)的作用[23]，因此酯化度也影響LMP膠凝時Ca2+的用量。酯化度較高的LMP膠凝時往往需要較多的Ca2+。

　　另一方面，近年來有報道指出，果膠酯化度一定時，未被甲酯化的半乳糖醛酸單元分布不同，果膠的膠凝特性也不同。通常，果膠結(jié)構(gòu)中未被甲酯化的半乳糖醛酸以機分布式或block分布式存在。機分布式是指未被甲酯化的半乳糖醛酸單元以機的方式分布于HG主鏈中;block分布式則是指未被甲酯化的半乳糖醛酸單元以連續(xù)排列的方式分布。

　　2.1.2分支化程度

　　分支化程度也對LMP的膠凝能力有一定影響。根據(jù)LMP的基本結(jié)構(gòu)特點，中性糖主要構(gòu)成了毛發(fā)區(qū)，即RG型和RGII型區(qū)域，而半乳糖醛酸主要構(gòu)成了HG主鏈，因此半乳糖醛酸與中性糖、半乳糖醛酸之和的摩爾比可近似用來描述果膠的分支化程度。比值越高，表明果膠分支化程度越低[26]。

　　由于LMP膠凝主要是由于HG主鏈中未被甲酯化的半乳糖醛酸單元的羧基基團和Ca2+的結(jié)合，因而當其他分子結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時，分支化程度越高，果膠和Ca2+結(jié)合的空間位阻作用越大，因此果膠越不容易和Ca2+結(jié)合形成交聯(lián)。此外，當果膠分子量相同時，分支化程度越高，果膠分子的流體力學體積越低，溶液黏度也降低，不利于果膠分子二聚體彼此結(jié)合，也降低了LMP的膠凝能力[25]。然而，對于某些結(jié)構(gòu)特殊的LMP而言，氫鍵是誘導凝膠形成的主要作用力，這種情況下，果膠分支化程度越高，反而利于果膠分子彼此接觸形成氫鍵締合，進而形成凝膠。

　　HEN等[27]從柑橘囊衣中提取了RG型區(qū)域含量不同的果膠，其中RG型區(qū)域含量為63%的果膠與型區(qū)域比例為41%的果膠相比，形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不規(guī)則且更為稀疏，流變學性能更差。值得一提的是，由于RG型區(qū)域主要包含中性糖，因此具有良好的氫鍵形成能力，和傳統(tǒng)果膠復合可起到協(xié)同膠凝作用。

　　2.1.3分子量與分子濃度LMP分子結(jié)構(gòu)相同時，分子量越大，果膠在水溶液中所占的流體力學體積越大，越容易形成粘稠的溶液，因此有利于果膠分子彼此靠近形成交聯(lián)越有利于形成凝膠。一般情況下，分子量高(≥300kDa)的果膠，增稠效果較好，最低膠凝濃度也更低[28]。而低較分子量(≤10kDa)的果膠，可能會由于其2+結(jié)合位點的數(shù)量有限而無法形成凝膠[29]。

　　濃度也是影響MP凝膠性質(zhì)的重要因素。當LMP濃度較低時，傾向于形成2+介導的分子內(nèi)交聯(lián)，對凝膠強度的提高貢獻不大。濃度增加，體系中果膠分子數(shù)目增多，有利于凝膠網(wǎng)絡(luò)形成，且由于較多的果膠分子能結(jié)合更多的水，因此果膠濃度越高，凝膠強度和持水性也越高[30,31]。但當果膠濃度過高時，制得的凝膠強度雖高，但彈性降低、易破碎、整體外觀較差。在實際應(yīng)用中，LMP的添加量一般在0.5~2.0%之間，對于分子量較低的MP，可以適度增加使用量[32]。

　　2.2外部環(huán)境因素對LMP膠凝化的影響除果膠自身的結(jié)構(gòu)特點外，外部環(huán)境因素如Ca2+濃度、pH值、溫度、溶質(zhì)含量等也對LMP的膠凝有明顯影響。

　　3MP的保健功能

　　果膠是水溶性的膳食纖維，不被人體分泌的消化酶水解，但能被人體腸道內(nèi)的微生物利用，產(chǎn)生短鏈脂肪酸。果膠已被證實具有明顯的健康功效，包括緩解腸道炎癥、調(diào)控新陳代謝紊亂、優(yōu)化腸道菌群、預防癌癥、降低肥胖風險等。其中，果膠分子的結(jié)構(gòu)特點，如酯化度、分支化程度、分子量等，對其健康功效影響顯著。

　　3.1新陳代謝調(diào)控

　　長期攝入過多的卡路里會增加總膽固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白膽固醇、高密度脂蛋白膽固醇的水平，進而誘導胰島素抵抗，導致肥胖癥、二型糖尿病、高血壓、非酒精性脂肪肝等疾病。眾多研究表明，攝入果膠可有效預防和緩解這些疾病，其機制主要包括三點：第一，果膠能一定程度上擾亂消化酶在人體腸道內(nèi)的功能，結(jié)合膽固醇和膽汁酸，從而阻止膽固醇吸收;第二，果膠高度親水，可降低葡萄糖吸收和腸道激素的分泌，從而下調(diào)了胰島素水平;第三，果膠在大腸內(nèi)被腸道微生物發(fā)酵，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，如醋酸鹽和丙酸鹽，進而抑制肝臟膽固醇合成。果膠的這些調(diào)控效果高度依賴于其結(jié)構(gòu)特點。

　　例如，HOI等研究表明[49]，富含RG型的果膠更利于緩解高脂飲食誘導的肥胖小鼠體重增加、降低小鼠的胰島素抵抗。此外，BROUNS等比較了酯化程度對果膠健康功效的影響，結(jié)果表明，與酯化度為35%的低酯果膠相比，攝入DE值為70%的柑橘和蘋果果膠更利于降低低密度脂蛋白水平。

　　3.2緩解炎癥

　　與不溶性的膳食纖維相比，水溶性的膳食纖維在緩解腸道炎癥方面更具優(yōu)勢。POPOV等研究表明[50]，果膠主要通過降低中性白細胞的黏附性和抑制氧自由基的產(chǎn)生達到降低炎癥的效果，且進一步研究顯示，攝入果膠可顯著降低小鼠的結(jié)腸炎。此外，POPOV等研究還顯示[50]，與HMP相比，LMP對乙酸和脂多糖誘導的胃腸道損傷有更好的緩解作用，表明LMP的炎癥調(diào)控效果優(yōu)于HMP。就分支化程度而言，有報道顯示，分支化程度較高的果膠具有更好的炎癥調(diào)控效果。

　　4LMP在食品中的應(yīng)用

　　雖然當前尚無證據(jù)表明MP比MP具有更優(yōu)良的保健效果，但就整體而言，果膠的健康功效已得到廣泛認可。因而，果膠在食品中并無最大添加限度，具體添加量取決于食品生產(chǎn)時的工藝和食品感官、質(zhì)構(gòu)等要求。由于在Ca2+存在的條件下，LMP在有糖或無糖的環(huán)境中均能形成凝膠，這種特點使得LMP被廣泛用于低糖、低熱量、低甜度食品的開發(fā)，如低糖果醬、果凍、軟糖、果汁、酸奶、冷凍甜點等。

　　4.1低糖果醬LMP在果醬中的應(yīng)用最為常見。由于HMP需要在高糖條件下才能形成凝膠，因此制備的果醬都具有較高的含糖量[54]，而LMP僅在Ca2+存在時就能形成凝膠，不受糖含量的影響。而且與HMP凝膠相比，LMP凝膠有一定的可逆性，經(jīng)加熱或攪拌后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w狀態(tài)，冷卻或停止攪拌后又可以恢復為凝膠狀，具有優(yōu)良的可涂抹性[55,56]。

　　4.2帶肉果汁帶肉果汁同時包含液態(tài)的果汁和固態(tài)的果肉，貯藏中容易出現(xiàn)果汁和果肉的分離，嚴重影響產(chǎn)品外觀。為保證貨架期內(nèi)果汁和果肉能充分融合、不出現(xiàn)相分離，需要添加合適的穩(wěn)定劑以提高該果汁體系的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)飲料的穩(wěn)定劑一般選擇海藻酸鈉等多糖，但存在果汁假塑性差、腥味大、濁度高等缺點。相比之下，LMP作為穩(wěn)定劑使用時，不僅能與飲料中自身含有的金屬離子發(fā)生增稠或膠凝作用，實現(xiàn)飲料的穩(wěn)定，同時也賦予了飲料“絲滑”、“稀薄”的口感，且不存在腥味殘留等缺點[57]。

　　食品論文投稿刊物： 《食品工業(yè)》的主辦單位是上海市食品工業(yè)研究所、主管單位是上海光明食品(集團)有限公司。創(chuàng)刊于1979年，以反映食品工業(yè)技術(shù)進步為主，配合報道食品的市場動態(tài)和科學管理，食品行業(yè)的科研、生產(chǎn)、原料、市場和消費等各個環(huán)節(jié)，在全國食品界創(chuàng)下了良好的聲譽，成為全國食品工業(yè)類中文核心期刊。

　　5結(jié)論

　　LMP和Ca2+的結(jié)合是誘導凝膠形成的主導因素，該過程不僅受MP自身分子結(jié)構(gòu)特點的影響，也受到外界環(huán)境因素的作用。無論是結(jié)構(gòu)因素還是環(huán)境因素，它們影響MP膠凝化的本質(zhì)在于影響了果膠分子和Ca2+的結(jié)合過程，宏觀表現(xiàn)為不同的膠凝速率、不同的凝膠理化性質(zhì)。實際應(yīng)用MP時，需根據(jù)具體的需求合理選擇MP類型及凝膠形成調(diào)節(jié)。本文通過總結(jié)LMP的膠凝機理及影響其凝膠性質(zhì)的常見因素，并列舉了MP在新型食品開發(fā)中的應(yīng)用實例，可為MP在食品工業(yè)中的進一步應(yīng)用提供參考。

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　　作者：楊旭東，郭綽，袁凱，楊曦，王曉宇，孟永宏，郭玉蓉