果胶改性的研究进展

果胶是一种结构复杂，功能多样的天然植物多糖[1-2]，广泛存在于高等植物I型的初生壁(primary cell wall, PCW)和胞间层(middle lamella, ML)，在低等植物如苔藓等中的含量也很丰富[3]。果胶主要由D-吡喃半乳糖醛酸(D-Galp A)通过α-1,4糖苷键连接构成，还含有少量的中性糖如 L-鼠李糖(L-Rha)、L-阿拉伯糖(L-Ara)和 D-半乳糖(D-Gal)等[4]。目前商品果胶主要原材料有苹果渣、橘皮、柠檬皮等农副产品[5]，近年来比较新颖的原材料还有甜菜根和向日葵盘等。大部分植物细胞壁中果胶的含量都在30%左右，果胶的提取实际上就是由不溶性果胶转变成可溶性果胶至溶液中，再对其进行提取的过程，主要的提取方法有酸提法、酶与微生物法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法、离子交换法、草酸铵提取法等。果胶具有多种功能，如：促进肠道蠕动[6]、防辐射[7]、吸附重金属离子[8]、增强饱腹感等。果胶溶于水而不溶于有机溶剂[9]，其水溶液呈弱酸性，可以作为食品添加剂添加到食品中改善食品的质量风味[10]，因此被广泛应用于食品、药品领域。

根据甲酯化程度的不同，果胶又分为高酯果胶(high methoxyl pectin, HMP)和低酯果胶(low methoxyl pectin, LMP)。高酯果胶的凝胶性与pH有较大关系，而低酯果胶主要跟二价金属离子有关，所以相比HMP在食品工业中作为增稠剂、凝胶剂等添加到食品中，LMP的应用范围广，低甲氧基果胶的甲酯化程度低，游离羧基较多，较容易和Ca2+结合形成网络结构，使果胶结构更稳定。然而大多数果胶是以原果胶的形式存在，分子质量较大，溶解性和凝胶性较差，不利于人体吸收[11]，对果胶进行改性后有利于增强其生理功能，近年来有关果胶改性的研究成为热点。

本文总结了果胶改性的几种方法，并简述了改性后果胶的生理功能，以期为实现果胶功能更大程度的开发和利用以及开发新的改性果胶产品提供参考。

1 改性方法

果胶因结构复杂且分子质量大，绝大部分果胶经消化道排出体外，这种不被消化的特性能够很好地促进胃肠蠕动，对便秘有较好的预防效果；同时果胶因很难被消化吸收，很多生理功能都被限制。因此，试图对果胶的结构进行一定的人为修饰，得到具有特殊功能的果胶产品，这类果胶称为修饰果胶或改性果胶[12]。果胶改性后产生了一些富含鼠李半乳糖醛酸聚糖(RG)或鼠李半乳糖醛酸聚糖II(RGII)的小分子片段，使改性后的果胶有更好的溶解性，能够很好地溶解在血液中被人体吸收。

1.1 化学改性

果胶的化学改性是通过酸和碱改变pH实现的。化学改性的过程一般是：先用碱处理、再用酸处理。碱处理使果胶发生β消除反应，将聚半乳糖醛酸长链分解为小片段，使酯化度降低，酸处理是将侧链上的中性糖脱除[13]。此方法比较简单，被广泛应用于柑橘类果胶、豌豆壳果胶等低酯果胶的制备，但是对pH值和温度的要求较高。吴莎极[14]对佛手皮渣果胶进行化学改性，使果胶酯化度降低，游离羧基的数量增加，而游离羧基对重金属的吸附尤为重要，通过体外实验表明改性后的果胶对镉的吸附能力显著增强。BOSTANUDIN等[15]通过对果胶进行化学改性，合成了丁基甘油果胶并制成纳米颗粒，此改性果胶可以作为阿霉素药物的载体，在给药应用中具有较大潜力。

化学改性效率较高，降酯化度效果较好，但是不同原料应用化学改性的最佳工艺条件差别较大，因此不同的厂家生产改性果胶的工艺条件不尽相同，生产的低酯果胶的质量也不一样。

1.2 生物改性

果胶的生物改性主要是利用酶处理进行果胶脱酯，又叫做酶改性。用于果胶改性的酶有内源酶和外源酶2种，它们的作用机理都是激活果胶酯酶来制备改性果胶。内源酶法是利用内源酶激活剂激活果胶中的果胶酯酶来切除果胶主链中的甲氧基，释放出游离羧基并产生甲醇。外源酶法是从植物或者微生物(如黑曲霉)中提取果胶酶作用于果胶来制备低酯果胶。CAMERON等[16]用果胶甲基酯酶和多聚半乳糖醛酸酶降解果胶得到低甲氧基果胶，并通过数学模型分析预测了酶解产物的分子质量和酯化度。KIM等[17-18]利用2种果胶酶对橘皮果胶进行改性得到几种不同酯化度、分子质量和酰胺化程度的果胶，通过感官分析得出改性后的果胶在凝胶能力、弹性和咀嚼性等几个方面都有一定的改善。HUANG等[19]在黑曲霉中提取果胶酶，并将其作用于果胶，得到酯化度为11.6%的低酯果胶，较未改性的果胶酯化度降低了20%，此改性果胶清除自由基的活性较强，也可提高大豆分离蛋白乳液的稳定性，延长储藏期。

酶法改性具有专一性强、安全、反应条件温和、无毒副作用等优点，虽然通过酶法制备的改性果胶凝胶强度要低于其他方法，但在排铅和抗肿瘤等功能方面效果较好。酶的价格比较昂贵是限制酶改性在工业生产上广泛应用的主要原因。

1.3 热改性

热改性是果胶先经高温高压处理然后冷却、过滤、干燥获得改性果胶的过程，因为采用高温和高压处理，故热改性果胶也被称为高温/高压改性果胶[20]。WANG等[21]将果胶溶液经过高压蒸汽热处理一定时间后冷却至室温，离心后上清液加双倍的无水乙醇，置于-20 ℃条件下一段时间后离心，沉淀用丙酮清洗，过滤、干燥得到改性果胶。张燕燕等[22]将甘薯果胶在123.2 ℃下加热60 min，冷却静置过夜，吸取上清液后冻干得到热改性甘薯果胶，此改性果胶对结肠癌细胞HT-29和乳腺癌细胞Bcap-37等有明显的抑制作用。孟凡磊等[23]通过对石榴皮果胶分别进行化学改性和热改性后得到改性石榴果胶，并发现与未改性的果胶相比，改性果胶的总糖含量变化不明显，半乳糖醛酸含量分别提高37%和24%，酯化度分别降低21%和23%，两者的抗氧化能力提高，此改性果胶具有很好的开发应用潜力。

1.4 辐照改性

近几年，随着辐照技术的成熟，果胶的辐照改性技术发展良好，辐照改性是指用60Co等辐射源技术对果胶进行辐照处理后得到的改性果胶[24]。利用不同辐照剂量和射线对果胶进行处理使果胶发生一定的物理变化，以此来达到果胶改性的目的。王培等[24]使用不同辐照剂量的60Co辐照不同浓度的果胶溶液使果胶降解，并通过实验发现改性后的果胶半乳糖醛酸含量、酯化度、分子链宽值都变小，且通过流变学特性研究表明，辐照对果胶黏度和凝胶状态的影响较大。DOGAN等[25]分别用0、2、6、8和10 kGy辐照瓜尔胶、果胶和黑果浆，研究了辐照对果胶流变特性的影响，结果表明，辐照对瓜尔胶的影响较大，辐照后瓜尔胶的一致性和表观黏度均下降，而对果胶和黑果浆的流变性影响不大，故可用辐照保存果胶和黑果浆。与其他较为传统的改性方法相比，辐照改性具有方便、快捷、节能等优点。

1.5 其他改性方法

近几年，越来越多研究者发现只用一种方法对果胶进行改性时，在果胶的生物学活性和构效关系方面有较大缺陷，他们试图将2种方法结合，辅助降解果胶，发现会有更好的效果。牟方婷等[26]利用超声波和微波辅助果胶酶处理果胶得到改性果胶，并对其的理化性质和结构特性进行了研究，结果发现超声和微波辅助时能有效提高果胶酶的降解效率，且半乳糖醛酸含量提高，酯化度降低，但是不会改变单糖的类型，增加了果胶的功能性，扩展应用范围。赵文婷[27]将超高压辅助果胶甲酯酶和传统的化学法做对比，通过研究果胶的理化性质、分子结构以及流变性质，结果发现超高压辅助酶法脱脂效率高，制备的低酯果胶分子质量大、黏度好且增稠性好，该方法可以作为一种高效、环保的新技术制备改性果胶。MELANI等[28]用高静水压辅助果胶酶对甘薯果胶进行改性，并研究改性后果胶结构、功能以及对Pb2+吸附能力的影响，结果表明与单独高静水压和果胶酶改性相比，2种方法协同改性果胶分子质量和酯化度最低，分别为0.05×105 g/mg和18.16%，对重金属离子Pb2+的吸附能力也明显优于未改性果胶，此改性方法在食品工业中具有很大的应用潜力。MUDUGAMUWA等[29]利用高静压辅助果胶酶制备改性果胶，改性后的甘薯果胶对Pb2+的吸附能力较天然果胶好，吸附曲线符合Langmuir模型，吸附过程涉及含O官能团和阳离子交换和静电相互作用，而且表现出良好的环保性能。

2 果胶改性后的生理功能

因改性后的果胶功能较多使得改性果胶受到广泛的重视，其应用范围扩大，例如抵抗癌细胞、吸附重金属等有毒物质、抗炎、用于研发保健功能食品等。

2.1 抵抗癌细胞

有研究统计，世界上约1/3的癌症都是可通过食疗方法预防，而果胶作为一种天然膳食成分，能够抑制癌细胞的繁殖、扩散等，且对人体没有任何毒副作用[30]。一般认为改性果胶的抑癌效果和Galectin-3(Gal3)的结合相关，Gal3与果胶结合后失去了与其他蛋白或肽结合的能力，抑制了癌细胞的吸附、转移和增殖，促进了细胞的凋亡。果胶也具有一定的免疫调节作用，能够通过激活体内的免疫系统来抵抗癌细胞的侵袭。RAMACHANDRAN等[31]通过实验证明改性果胶在人体血液中有免疫刺激特性，能够激活T细胞、B细胞和NK细胞，对抗K562白血病细胞。张文博等[32]研究表明改性果胶能够抑制肿瘤细胞的转移，使得癌症患者化疗效果得到一定的改善，并且增强免疫响应的活性，由此看来，改性果胶对开发抗肿瘤功能食品具有极大潜能。杨国华等[33]通过对改性果胶联合内皮抑制素对小鼠奥沙利铂耐药结肠癌种植瘤生长及肝转移的研究表明，两者联合使用抑制奥沙利铂耐药结肠癌肝转移可能与其协同减少血管形成有关。李志平等[34]研究了果胶阿霉素大分子前药纳米体系的体外抗肿瘤效果，结果表明果胶对于肝癌细胞的增殖具有明显的抑制效果。

2.2 吸附重金属

环境中有很多对人体有害的重金属，如砷、铅和汞等，重金属在体内富集会导致很多慢性疾病，例如动脉硬化和高血压等，会扰乱人体正常的免疫系统和内分泌系统。目前清除体内重金属的方法主要是用一些人工合成的螯合剂，果胶溶液中有较多的羧基阴离子而重金属离子带正电荷，两者会进行螯合形成果胶-重金属复合物，然后通过粪便排出体外。LI等[35]合成了乙二酸交联改性果胶，利用傅里叶变换红外光谱对其结构进行研究，结果发现改性果胶表面粗糙多孔，对Pb2+、Cu2+和Zn2+的负载能力达到了1.82、1.794和0.964 mmol/g，结果表明该果胶有较高的吸附重金属能力。

2.3 抗炎症

果胶能够调节抗炎因子，有研究表明高酯果胶和低酯改性果胶都能够预防肠道中炎症的发生，并且低酯改性果胶具有特异性，能够抑制局部和系统中的炎症发生。POPOV等[36]通过对小鼠口服不同甲酯化的果胶来观察对3种炎症的作用，结果表明低酯果胶的口服抗炎效果要优于高酯果胶，低酯果胶可以抑制局部和全身的炎症。RAMACHANDRAN等[37]通过体外研究发现改性果胶具有抗氧化和抗炎的作用，改性果胶联合厚朴酚的抗炎症作用效果要优于单一的化合物，因此改性果胶可用于改善氧化反应和自由基损伤产生的不良影响。

2.4 降低胆固醇

胆固醇是人体不可或缺的营养物质，也是合成人体所需物质的重要原料[38]。人体中有2种胆固醇，一种是对身体有益的高密度脂蛋白(或称H13上胆固醇)，另一种是对人体有一定害处的低密度脂蛋白(或称/D/胆固醇)。胆盐是以人体中的胆固醇为原料产生的，而果胶能够和人体内的胆盐结合而随着排泄物被排出体外，随着人体胆盐含量的减少，用于制造胆盐的胆固醇含量就会减少，以此来达到降胆固醇的目的。RUBIO-SENENT等[39]研究发现，从生产橄榄的废水中提取出来的果胶在结合胆汁酸等方面有很好的作用，而且能够降低葡萄糖在人体内的吸收程度。BROUNS等[40]研究了不同酯化度的改性果胶对降胆固醇的影响，结果发现随着酯化度的增加，果胶降低胆固醇的效果越好。研究表明果胶的降解产物-丙酸会使肝脏胆固醇的含量降低，机理是降低肾小管的重吸收作用来抑制人体对胆固醇的吸收[41]。

2.5 药物运输

果胶作为一种高分子膳食纤维，在体内不易被胃中的蛋白酶和淀粉酶分解，进而能够避免在结肠中被肠道菌群降解，所以果胶可以作为载体将药物运输到所需位置。JUNG等[42]测定用改性果胶包埋吲哚美辛珠状水凝胶的能力，使水凝胶珠分别在模拟胃液和模拟肠液中浸泡2和3 h并测定药物释放率，结果发现吲哚美辛在肠道中的释放率<15%，释放率明显低于天然形成的微珠，由此说明改性果胶能够降低吲哚美辛在胃肠运输过程的损耗。SALBU等[43]通过利用压缩和减压弹射后果胶弹性恢复程度研究不同酯化度果胶的变形行为，结果表明果胶的酯化度对果胶的挤压特性有重要影响，可以用直接压片法制备以低酯果胶为包衣的药片。

2.6 抗血栓的作用

血栓是指在血液流动过程中血管壁脱落形成的块状物体。血栓会导致人体中血液的流速变慢，血液组织中凝固组织增加。目前治疗血栓的药物一般是肝素，但是肝素能够引起血小板减少等不良反应。有研究者发现果胶可作为肝素替代品减少不良反应的发生，例如CIPRIANI 等[44]对改性柑橘果胶进行硫酸化，并对改性果胶的抗凝和抗血栓活性以及出血效应做了一定的研究，结果表明改性后的果胶可以直接通过独立机制抑制凝血酶的活性，且与肝素相比，改性果胶的出血风险更低。HU等[45]的研究也得到了类似的结果，通过对硫酸化的果胶进行结构表征，发现硫化主要发生在GalA的C-2、C-3位置，抗凝实验表明，硫酸柑橘果胶可实现凝血酶失活，此果胶可以开发成为肝素替代品。

3 结语

改性果胶是一种功能丰富、结构复杂的可溶性多糖，改性过程降低了果胶的分子质量、酯化度等，扩大了果胶的应用范围，具有较大的市场开发价值。改性后的果胶生理功能也有一定改善，例如抗癌、吸附重金属、抗炎症、降低胆固醇、药物运输和抗血栓等。随着人们健康意识的增强，人们对改性果胶的认识也逐渐加深，利用改性果胶开发绿色健康的新型果胶资源是以后研究的重点方向。