果胶

更新时间:2022-08-14

果胶是一种多糖,其组成有同质多糖杂多糖两种类型。它们多存在于植物细胞壁和细胞内层,大量存在于柑橘、柠檬、柚子等果皮中。白色至黄色粉状,相对分子质量约20000~400000,无味。在酸性溶液中较在碱性溶液中稳定,通常按其化度分为高酯果胶及低酯果胶。高酯果胶在可溶性糖含量≥60%、pH=2.6~3.4的范围内形成非可逆性凝胶。低酯果胶一部分甲酯转变为伯胺,不受糖、酸的影响,但需与钙、镁等二价离子结合才能形成凝胶。

基本信息

中文名果胶
外文名pectin
别名2,3,4,5-Tetrahydroxypentanal; 9000-69-5
化学式C5H10O5
相对分子质量150.1299
外观白色至黄褐色粉末,在20倍水中形成黏稠体,呈弱酸性
EINECS232-553-0
CAS号9000-69-5
制备方法酸提取法、离子交换法、膜分离法等
应用食品工业、保健药品等
发现1824年法国药剂师Bracennot首次从胡萝卜提取得到
溶解性因其聚合度和其甲氧基的含量和分布而异,无明确数据
类别多糖
分子量20000~400000

杂多糖简介

果胶是一类广泛存在于植物细胞壁的初生壁和细胞中间片层的杂多糖,1824年法国药剂师Bracennot首次从胡萝卜提取得到,并将其命名为“pectin”。果胶主要是一类以D-半乳糖醛酸(D-Galacturonic Acids,D-Gal-A)由 α-1,4-糖苷键连接组成的酸性杂多糖,除D-Gal-A外,还含有L-鼠李糖、D-半乳糖D-阿拉伯糖等中性糖,此外还含有D-甘露糖、L-岩藻糖等多达12种的单糖,不过这些单糖在果胶中的含量很少。

杂多粮性状

果胶为白色或带黄色或浅灰色、浅棕色的粗粉至细粉,几无臭,口感黏滑。溶于20倍水,形成乳白色粘稠状胶态溶液,呈弱酸性。耐热性强,几乎不溶于乙醇及其他有机溶剂。用乙醇、甘油、砂糖糖浆湿润,或与3倍以上的砂糖混合可提高溶解性。在酸性溶液中比在碱性溶液中稳定。

食品添加剂

根据我国《食品添加剂食用卫生标准》(GB 2760-2014)中规定:果胶可作为乳化剂稳定剂、增稠剂,按生产需要适量用于除果蔬汁外的各类食品,在果蔬汁中最大使用量为3.0g/kg,固体饮料稀释倍数增加使用量。果胶可用于果酱、果冻的制造;防止糕点硬化;改进干酪质量;制造果汁粉等。高酯果胶主要用于酸性的果酱、果冻、凝胶软糖、糖果馅心以及乳酸菌饮料等。低酯果胶主要用于一般的或低酸味的果酱、果冻、凝胶软糖以及冷冻甜点,色拉调味酱,冰淇淋、酸奶等。

杂多糖的结构

虽然果胶被发现近200年,但目前对于其组成和结构并没有彻底弄清楚。果胶结构非常难解析的原因在于其结构和组成随着植物的种类、储藏期和加工工艺的不同而不同。此外,果胶中还存在一些杂质。根据果胶分子主链和支链结构的不同,将其分为4类:同型半乳糖醛酸聚糖(Homogalacturonan,HG)、鼠李半乳糖醛酸聚糖 I(Rhamngalacturonan I,RGI)、鼠李半乳糖醛酸聚糖II(Rhamngalacturonan II,RGII)和木糖半乳糖醛酸聚糖(Xylogalacturonan,XG)。

HG是长而连续、平滑的α-1,4糖苷键连接的半乳糖醛酸聚合体,约占果胶的65%,半乳糖醛酸的C6可被甲酯化或酰胺化,在一些植物中,C2或C3可被乙酰化。也有研究发现HG中半乳糖醛酸残基的O-3或O-4被木糖取代,形成XG。

RGI(20%~35%)是一个具有侧链区域的骨架,是由几十甚至超过100个重复鼠李半乳糖醛酸二糖构成。通常RGI中的鼠李糖残基有20%~80%被中性糖支链取代,取代位置通常在C4位,而RGI的支链长度和种类与果胶原料来源和提取方式有关。这些支链可分为3种多聚体:阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳聚糖I和阿拉伯半乳聚糖II。

阿拉伯半乳聚糖I由(1,4)-α-D-Gal-(1,5)-α-L-Ara 组成,通过(1,4)-α-L-Ara 与主链相连;阿拉伯半乳聚糖II是高度分枝的半乳聚糖,侧链的主链由(1,3)-α-D-Gal 组成,该主链被(1,6)-α-D-Gal取代成分枝,而该分枝则被(1,3)-α-L-Ara取代。

RGII(约10%)的结构非常复杂,其骨架是带有4个不同侧链的短而伸长的 HG,而非鼠李半乳糖醛酸聚糖,RGII由至少12种单糖以多于20种的键合方式连接。在植物中,RGII 可与硼酸盐发生交联。

杂多糖的用途

果胶作为一种高档的天然食品添加剂和保健品,可广泛应用于食品、医药保健品和一些化妆品中。商业化生产果胶的原料主要是柑橘皮及苹果皮。国内果胶资源丰富,但加工利用率低,大部分原料都被直接丢弃,如能加以综合利用,将会带来巨大的经济效应。

理化特性

由于原料的种类、生长期、采割期、保存时间及提取方法等因素的影响,果胶的自身组成和理化性质有很大的差异,所以对果胶理化性质的测定对于果胶的表征及质量判定具有非常重要的意义。果胶的理化性质主要有溶解性、酯化度(Degree of Esterfication,DE)、Gal-A含量(半乳糖醛酸)、单糖组成、相对分子质量(Molecular Weight,Mw)、流变及凝胶特性,其中决定果胶的应用范围和经济价值,评价果胶品质的3个较重要的参数为DE、胶凝度和Gal-A含量。

溶解性

根据果胶的溶解性将其分为水溶性果胶和水不溶性果胶。果胶的溶解性与果胶的聚合度和其甲氧基的含量和分布有关。虽然果胶溶液的pH、温度以及浓度对果胶的溶解性也有一定的影响,但一般来说,果胶的相对分子质量越小,酯化度越高,其溶解性越好。类似于亲水胶体,果胶颗粒是先溶胀再溶解。如果果胶颗粒分散于水中时没有很好地分离,溶胀的颗粒就会相互聚结成大块状,而此大块一旦形成就很难溶解。

酯化度

果胶是一类聚半乳糖醛酸多糖,其半乳糖醛酸残基往往被一些基团酯化,如甲氧基、酰胺基等。酯化度又称甲氧基化,指果胶中甲酯化、乙酰化和酰胺化比例的总和。根据果胶酯化度以及酯化种类的差异,可将果胶分为3类:高酯果胶(DE\u003e50%)、低酯果胶(DE\u003c50%)、酰胺化果胶(酰胺化度\u003e25%)。果胶的酯化度通常因原料的多样性和提取工艺的不同而不同。

果胶的DE是一个非常重要的参数。 DE的大小和种类影响着果胶产品的溶解性、凝胶性以及乳化稳定性。如在不考虑其它因素的条件下,果胶的酯化度越高,其水溶性越好;果胶的酰胺化度越高,果胶的水溶性也越好。此外,酯化度还影响药物的释放水平,例如目前普遍认为的具有抗癌活性的MCP的酯化度需在10%以下。

果胶DE一般采用滴定法测定,此法较为简单易行,但消耗样品量大且步骤繁琐。此外,还有拉曼光谱法、红外法、核磁共振波谱法和高效液相色谱法等,其中红外法所需样品量少且不破坏样品,简便、快速,但结果误差较大。测定结果最为准确的是核磁共振波谱法,但此法要求高纯度的样品。

单糖组成及含量

果胶是一类以聚半乳糖醛酸为主的杂多糖,商业化的果胶中Gal-A(半乳糖醛酸)含量≥65%。在许多文献中,通常以Gal-A含量来表示果胶纯度,测定Gal-A含量大多采用硫酸咔唑法和间羟基联苯法,离子色谱测定更为准确。此外还有重量法、果胶酸钙滴定法和蒸馏滴定法。不同原料的果胶单糖组成差异较大。

单糖构成可间接反映果胶结构,在一些文献中,通常以Gal-A(半乳糖醛酸)含量来表示果胶纯度,果胶的中性糖大多在其侧链中,因此Gal-A含量高;中性糖含量低的果胶,说明果胶中侧链较少,反之说明果胶中侧链含量较多高。目前,果胶单糖测定方法主要有高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测法(High Performance Anion-Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection,HPAEC-PAD)、蒸发光散射法(Evaporative Light Scatter-ing Detector,ELSD)和气液相色谱法(Gas-Liquid Chromatography,GLC)。与HPAEC-PAD和ELSD法相比,GLC法需对水解后的样品进行衍生才能测定,步骤更为繁琐,而衍生效果的好坏直接影响单糖含量的测定值。常用HPAEC-PAD法测定果胶的单糖组成,此法无需柱前或柱后衍生,灵敏度高,重现性好。

凝胶特性

胶凝度是衡量果胶质量的主要指标之一,指在一定条件下,每份果胶能与多少份固形物(通常为蔗糖葡萄糖)制成具有一定硬度和质量的果冻的能力,即衡量果胶形成凝胶的能力大小。

胶凝度是工业上判断果胶品质好坏的一个重要参数,主要采用US-SAG 法和压力破碎法测定果胶胶凝度。商业化果胶的胶凝度要求(US-SAG):高酯果胶(150度±5 度)和低酯果胶(100 度±5 度)。虽然果胶普遍存在于所有的高等植物中,许多科学家也尝试利用甘薯、向日葵等原料来进行商业化生产,但目前国内外的果胶生产商生产果胶的原料都是柑橘皮渣和苹果皮,其中一个关键的原因在于其它原料制备的果胶的胶凝度无法达到商业化的要求。

相对分子质量

果胶的相对分子质量介于50~300ku之间,不同原料和工艺提取到的果胶的相对分子质量相差甚大。凝胶法和高效体积排阻色谱法(High Performance Size Exclusion Chromatography,HPSEC)是测定果胶相对分子质量的主要方法。HPSEC测定较为准确,且结果信息量大。 HPSEC 法能够测定果胶的重均分子质量(Mw)和数均分子质量(Number-average Molecular Weight,Mn)。多聚分散性Mw/Mn表征分子质量的分布宽度,Mw/Mn愈大,表明分子质量分布越宽,反之则分子质量分布范围越窄。

目前,将HPSEC与多角度激光光散射检测器(Multi-angle Laser Light Scattering,MALLS)和示差折光检测器(Refractive Index Detection,RI)串联来表征果胶的绝对分子质量较为广泛。 HPSEC-MALLS-RI 联用技术的优点是通过MALLS和RI两种检测器的数据直接测出样品图谱中每个点的绝对分子质量,无需进行任何色谱柱标定和标准品参考。这种方法特别适合于难以获得标准品的果胶大分子结构的测定。

流变性质

果胶的流变特性是果胶应用过程中极为重要的问题。与其它植物胶相比,果胶溶液的黏度较低。果胶稀溶液的流动特性近似牛顿型流体,而高浓度(1%)的果胶溶液具有假塑性流体的一些现象和特性。

和其他的生物高聚物分散体一样,高浓度的果胶溶液中特性黏度和剪切速率的关系表现为 3个阶段:1)在 0 剪切速率下表现为一牛顿流体的性质,黏度为一常数;2)当到达低剪切速率的某个点时,溶液开始呈现剪切稀化的现象,黏度以幂次方下降;3)在高剪切速率下,溶液的黏度达到一极限,并且为一无限剪切常数黏度。

出现这种现象的原因目前认为是剪切速率使果胶的构象发生变化,果胶分子的构象在不同剪切速率下发生重排。在第1阶段,剪切速率非常低,聚合物链的重排较少,黏度变化很小;在第2阶段,剪切速率的加快使得果胶分子构象加速重排,宏观表现为黏度以幂次方的速率下降;而在高剪切速率下的第3阶段,由于剪切速率太快,果胶分子构象来不及重排便使得黏度无限接近一常数。

影响果胶溶液黏度的因素很多,除了果胶的自身结构特性(Mw、DE等)外,同时还受到外界条件,如所在溶液体系的状态(浓度、温度、pH值、盐以及固形物含量等)和一些物理因素(搅拌、外加剪切等)的影响。而果胶溶液流变性的好坏直接决定产品品质的优劣及食品加工工艺的设计。

功能与应用

果胶一直以来都是人类自然饮食的一部分,是FAO/WHO食品添加剂联合委员会推荐的安全无毒的天然食品添加剂,无每日添加量限制。果胶的功能很多,例如果胶作为一种天然的植物胶体,可作为一种胶凝剂、稳定剂、组织形成剂、乳化剂和增稠剂广泛应用于食品工业中;而果胶也是一种水溶性的膳食纤维,具有增强胃肠蠕动,促进营养吸收的功能,对防治腹泻、肠癌、糖尿病肥胖症等病症有较好的疗效,是一种优良的药物制剂基质;同时,果胶是一种良好的重金属吸附剂,这是因为果胶的分子链间能够与高价的金属离子形成“鸡蛋盒”似的网状结构,使得果胶具有良好的吸附重金属的功能;此外,果胶具有成膜的特性,持水性好以及抗辐射。随着研究工作的深入,果胶的用途不断被开发出来,其发展潜力巨大,具有广阔的市场前景。

食品工业中的应用

果胶作为一种食品添加剂或配料应用于食品工业中,主要起到胶凝、增稠、改善质构、乳化和稳定的作用。

(1)酸奶制品

在酸奶的生产过程中,不同种类的果胶具有不同的作用。例如,添加高脂果胶可以稳定酸奶的结构,而添加低甲氧基果胶则能够预防析出乳清。在制作酸奶的过程中,需要严格控制果胶的添加剂量。一旦没有加入足量的添加剂,就会使电荷中和,消退排斥力,乳制品的结构得不到稳定,只能继续添加,产生新的排斥力后,酸性乳制品的结构才能保持稳定。

(2)果酱

如果生产果酱时,原料中果胶含量太少,那么就可以利用果胶的增稠作用,用0.20%的果胶来当作增稠剂。果胶在低糖果酱中的使用量为0.60%左右。低糖草莓酱的配方为50.00%的草莓、36.00%的砂糖、13.00%的水、0.60%的酰胺化低甲氧基果胶和0.40%的柠檬酸。在上述草莓酱的制作配方中,可以使用酰胺化低甲氧果胶或者甲氧基果胶,因为水果和水中都含有一定量的钙离子,因此不需要再加钙盐。

(3)面包

高甲氧基果胶具有极强的吸水性,不仅可以增加面团的量,还可以提高面团的新鲜度、安定性和柔软性。因为添加果胶之后的面团具有较好的延展性,所以面包的烘焙体积会增加。例如,在汉堡包的制作中,如果保持汉堡的体积不变,但是添加果胶之后,制作同体积汉堡的面粉使用量会减少30%。另外,使用添加果胶之后的面团制作的面包可以延长面包的售价时间。

(4)饮料

随着人们对饮食健康的重视,现今市场中低糖饮料已经越来越受人们的欢迎,但是饮料的甜度降低后口感也随之下降。对此,可以通过添加0.05% ~ 0.10%的高甲氧基果胶来增加饮料的口感。高甲氧基果胶是一种悬浮剂,将其加入含有果肉的饮料中,其可以和钙离子产生胶凝反应,从而减少由于果肉沉淀而造成的硬物质,使果粒均匀地悬浮在饮料中,还可以提高果汁的口感,不仅克服了海藻酸钠的假塑性差、胶腥味大、浊度大等缺点,还起到了健胃和接触铅中毒的保健作用。

保健中的应用

果胶是一种极具价值的水溶性膳食纤维。果胶具有降血脂、降胆固醇、抗辐射、吸附重金属离子、润肠通便和抗癌等作用。目前,在国内药品和保健品中已有使用果胶的产品,如起润肠通便的胃药果胶秘,用来清除体内重金属铅的益多元等,但目前对果胶的用量尚不大。

与其他膳食纤维有所不同,果胶的结构特性使其具有良好的水溶性,且黏度大,能够吸附重金属等阳离子及毒素物质,促进肠胃蠕动,可被大肠中的肠道菌群发酵生成短链的脂肪酸,降低肠道pH 值,杀死有害菌,并促进有益菌增殖。也有研究表明果胶能够起到预防癌症的作用。

其它应用

此外,也有利用果胶良好的持水性和抗辐射功能,可将果胶应用于保鲜膜、尿不湿、化妆品和牙膏上。

果胶的食物纤维是维持人体健康的重要物质,具有增强胃肠蠕动促进营养吸收的功能,对防治高血压、肠癌、尿病、肥胖症等病症有良好的疗效。

杂多糖的原料

果胶存在于所有的高等植物中。在植物细胞壁中,果胶主要与纤维素半纤维素木质素等共价结合,形成原果胶,它是植物的一种结构物质,对维持植物的结构和硬度起着至关重要的作用。除此之外,果胶能够调节细胞的渗透性及 pH。果胶在植物细胞壁中含量最高,在双子叶植物中,主要存在于植物细胞壁的初生细胞壁和中间片层中,占 30%~35%。目前,用于生产商品果胶的原料主要是柑橘和苹果皮渣。此外,有大量研究从豆腐柴叶、香蕉皮、向日葵、甘薯及薜荔仔等副产物中提取果胶,不过这些原料的研究目前还仅限于实验室的基础研究中。不同原料中果胶含量相差较大。

杂多糖的制备

传统酸提取法

传统的工业果胶生产方法是酸提取法,所用的酸可以是硫酸盐酸磷酸等。为了改善果胶成品的色泽,也可以用亚硫酸。其基本原理是利用果胶在稀酸溶液中能水解,将果皮中的原果胶质水解为水溶性果胶,从而使果胶从桔皮中转到水相中,生成可溶于水的果胶。然后利用沉淀法或盐析法分离果胶,工业上常用金属盐析或有机溶剂(乙醇)沉析法提取。

(1)醇沉淀法

醇沉淀法是经常使用而且最早实现工业化生产的方法。其基本原理是利用果胶不溶于醇类溶剂的特点,加入大量醇,使果胶的水溶液中形成醇-水的混合剂以使果胶沉淀出来。将析出的果胶块经压榨、洗涤、干燥和粉碎后便得到成品。

也可用异丙醇等其他溶剂代替酒精。其具体的提取过程:原料预处理-酸液萃取-过滤-浓缩-乙醇沉淀-过滤-低温干燥-粉碎、标准化-成品果胶。

(2)盐析法

多价金属盐沉淀法,目前在生产上广泛采用。具体方法是:在果胶液中加入一定量的MgCl2、CuCl2或AlCl3然后用氨等调节pH,使之形成碱式金属盐,此碱式金属盐与果胶形成络合物沉淀出来,然后再经过脱盐漂洗和干燥得到果胶成品。具体流程是:橘皮残渣-复水-灭酶-漂洗-沥干-加酸萃取-过滤-加盐沉析-抽滤-洗涤-干燥-粉碎-产品。

最早提出的盐析法是铝盐法,但铝盐法收率低,沉淀性状不好,操作较为困难。后又提出铁盐法,铁盐法产率较高,但其沉淀颜色太深,增加了脱色的难度,故不甚理想。而混合盐析法采用铁铝混合盐沉淀果胶,所得到的沉淀性状好,易于分离,且色泽较浅,又有较高的产率,是一种较好的沉淀果胶的方法。

优点:酸提取法是最古老的工业果胶生产方法,1925年便有较全面的评述。用醇沉淀果胶,传统性强且纯熟,工艺较简单,各种条件比较容易控制,无污染,得到的果胶质量好、纯度高。盐析法耗用酒精量少,总能耗少,利率×粘度指标小于醇析法,此法具有生产成本低,果胶质量较好等优点。

缺点:酸提取法主要是提取过程中果胶分子易发生部分水解和降解。这样降低了果胶分子量,影响果胶的收率和质量,同时,提取时的温度、时间、酸的类型,水与皮的比率、溶液的pH对果胶的提取影响也很大。并且在酸提取过程中由于加热而打碎成胶粘的糊状,使萃取液与废皮的过滤发生困难,同时易腐蚀设备,使提取果胶的生产受到很大影响。目前盐析法存在的困难在于脱盐技术未能跟上,因而造成果胶粘度下降,猜测由于脱盐不彻底亦有可能造成产量增加;其次,选用大量的酸、碱对人体皮肤有腐蚀作用,又易造成环境污染。

离子交换法

果胶类物质与细胞壁半纤维素等有共价键结合,并与其它细胞壁多聚体通过次级键结合。多价阳离子,尤其是钙离子存在时,因阳离子键合的结果,引起低酯果胶类物质的不溶性和降低高酯果胶的浸胀性。另外,纤维状果胶类物质大分子间以及其它多聚体之间,存在着复杂的机械性牵绊,也影响果胶类物质的溶解性。所以,单用酸法不能完全解除果皮中多价阳离子及其它杂质对果胶的束缚或牵绊。同时,由于果皮中多价金属离子、低分子物质和色素等果胶以外的种种物质经酸法处理后仍留于果胶中,这些不纯物给果胶的品质带来不良影响,表现在果胶的胶凝度不强、灰分含量高、果胶色泽较差。

因此,果胶提取时,采用酸水解同时结合离子交换树脂的方法。首先,酸可使原果胶溶解,由于酸水解纤维素,果胶多糖复合物,或者由于酸使水不溶性大分子降解,果皮中多价阳离子溶出,阳离子交换树脂通过吸附阳离子,从而加速原果胶的溶解,提高果胶的质量和得率。阳离子交换树脂可以吸附分子量为500以下的低分子物质,解除果胶的一些机械性牵绊,因而也可提高果胶的质量和得率。

优点:该法果胶产率比用无机酸提取法高,且产品质量高,生产周期短,工艺简单,成本低,是一种经济上可行的制造方法。

缺点:离子交换法沉淀果胶所用的乙醇,使用量非常大,造成后阶段的乙醇回收工序耗能大,致使生产成本高。这种方法需要较高的温度和长时间加热,这样原料中含有的果胶不可避免地会产生变性和分解破坏,且提取的果胶数量和质量也不理想。

膜分离技术

膜技术(Membrane Technology)是用天然或人工合成的高分子薄膜,以外界能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。可用于液相和气相,对于液相分离,可用于水溶液体系、水溶胶体系以及非水溶液体系等。膜技术是一种分子水平上的分离技术。

近年来,国外已将超滤浓缩等新技术开始应用于果胶生产中,国内也已开始这方面的研究。超滤效果主要与滤膜透过分子量的选择和浓缩倍数有关。滤膜透过分子量越大,膜通量越大,设备效率越高,但果胶损失越大,浓缩倍数越高,生产成本越低,膜通量越小,设备效率越低。电渗析的作用主要是脱去提取液中的酸和无机盐,使提取液能够直接进行干燥以获得灰分合格的成品。

除高聚物膜(有机膜)外,目前使用的分离膜还有无机膜,与有机膜相比,无机膜具有以下特点:热稳定性好、使用温度较高、化学稳定性好、pH适用范围广、抗微生物能力强且不与其发生作用、机械强度大、清洁状态好、容易再生和清洗、孔径分布窄、分离性能好等。

无机膜在果胶浓缩中不仅可去除果胶提取液中的大部分水分,还可去除其中的大多数糖分和低聚物等杂质,不仅可以对提取液进行浓缩,还可以对其进行提纯,从而提高成品果胶的品质。

优点:与真空浓缩相比,膜分离浓缩技术具有能耗低(液体无相变),操作工艺简单,具有选择性;可去除果胶提取液中的糖分和低聚物,从而提高果胶的品质;无需加热,对果胶品质无损害;设备维护方便、简单等优势。

缺点:膜难于清洗,容易堵塞;必须在适宜的条件下使用,不能置于高温高压的条件下,否则会失效。此外,价格也较为昂贵。

微波法

微波是一种频率为300MHz~300GHz的电磁波,其对应的波长为1mm~1m,比可见光的波长长,属高频波段的电磁波。它具有电磁波的反射、透射、干涉、衍射、偏振以及伴随着电磁波的能量传输等波动特性,还具有高频特性、热特性及非热特性。它主要用于通讯、广播电视等领域。 20世纪60年代开始,人们逐渐将微波加热技术应用于纸类、木材、树脂挤出等物理加工过程。近年,在化学反应过程中导入微波加热技术,不仅可有效提高反应转化率、选择性,而且体现出节能、环保等诸多优点,其作为实现绿色化工手段之一而受到人们的广泛重视。21世纪初,美国发表了用微波加热技术提取果胶的专利。

优点:与传统方法相比,微波萃取能大大加快组织的水解,使果胶提取时间由传统方法90min缩短为5min,而且受热均匀,不会破坏果胶长链结构,同时降低了能耗,工艺操作容易控制,降低劳动强度,所得样品质量好,凝胶性能、色泽、溶解性等指标都有所提高,产率比传统方法提高了2%。除此之外,还大量节约酒精溶剂,产品质量符合国家质量标准,在生产应用上具有重要的现实意义。微波加热技术在化工和食品领域中的应用越来越引起人们的关注。

缺点:微波加热速度太快,不易控制加热温度。而且该法对微波的波长和功率都有一定的要求,否则会造成果胶产品形态有所差异。再者,微波法操作不当容易泄漏,对生物有害。现阶段对微波法的理论研究还不足,有待进一步探究。

酶解法

由于果胶分子与钙镁及铁离子结合、纤维素和半纤维素等细胞壁多糖与果胶分子形成共价键、果胶分子中的羟基与细胞壁的组分形成离子键、果胶分子彼此间与其他成分间的物理缠绕等等,而使果胶以原果胶的形式存在,用酶适当处理后,由于细胞壁降解,可提高果胶得率、简化工艺。

酶法提取果胶基本分两个阶段,如果用酸法提取少量果胶后,再用酶法提取剩余的果胶将会大大缩短反应时间,减少加酶量。因此,充分发挥酶法和酸法各自的优点,既可缩短反应时间,又能获得较高分子式量的果胶。另外,随着酶制剂工业的发展,酶制剂成本的降低,酶法提取果胶将是非常有发展前途的新方法。

优点:酶法提取果胶的相对分子质量(5.6×10)和提取率(91.02%)都较酸法(相对分子质量4.3×10、提取率42.0%)高得多,这为甜菜果胶产业化和进一步改性提高果胶品质提供了必要条件。

缺点:通过实验发现,酶法提取果胶36h以后,反应体系容易染霉菌,在生产实践中应注意防止染菌。酶法提取甜菜果胶反应时间长(90h),酶制剂用量大(15U/g)(酶活力单位),由于酶制剂用量的增加将显著增加生产成本,这可能是酶法提取甜菜果胶至今没能得到发展的原因。

微生物法

有学者实验发现:将绞碎的原料浸入杀菌的水中,放入发酵罐中,接种5%的种液,30℃振荡培养,利用微生物产生的酶作用可使果胶从植物组织中游离出来。这种酶能选择性分解植物组织中的复合多糖体,从而可有效地提取出植物组织中的果胶,其作用一定时间后,过滤培养液,得到果胶提取液。对培养微生物的培养基并无特别要求,普通酵母培养基都能使用,一般使用添加酵母抽提物蛋白胨、葡萄糖、半乳糖的培养基及添加微量磷酸盐和镁盐即可。日本在这种方法上已申请了专利。

另有研究,研究出一种利用微生物发酵从中国蜜桔皮中萃取果胶的方法,不用对原料进行处理,避免了过滤麻烦。实际上微生物法和酶法提取果胶原理相似,都用酶将果胶从植物组织中提取出来。从发展潜力来看,微生物法具有广阔的前景。

优点:微生物法低温发酵提取果胶,萃取液中果皮不破碎,也不需进行热、酸处理,容易分离,萃取完全,易过滤。萃取的果胶分子量大,果胶的胶凝度高,质量稳定。此法还能有效地克服酸水解法生产果胶的诸多不足,具有低消耗、低污染等特点,具有广阔的应用前景。

缺点:微生物法提取果胶受橘皮的预处理,反应时的固液化,微生物的生长时间、大小、保温时间以及pH的影响比较大。

新特点和趋势

改性

随着人们对营养健康的关注以及在果胶构效关系方面取得了一定的成绩,于是人们试图对果胶的一些结构进行人为的修饰,以得到某些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(modified pectin,MP)。果胶可通过化学、物理和生物,包括酶法来改性。目前对于果胶的改性已取得一些成绩,这方面的研究也将是今后发展的一个趋势。

果胶的改性多采用pH法。pH改性果胶是指把酸法提取的果胶进行碱处理(一般调pH至10),在相对温和的温度(50~60 ℃)下孵育一定的时间,大多研究采用60min,然后再调pH至酸性(一般调至3左右)。其主要原理是基于在中性或碱性条件下,尤其是升高温度,果胶溶液会快速且大量降解,包括HG与RG主链糖苷键断裂,对主链上的半乳糖醛酸部分进行脱酯化,分解支链上的中性糖等。反应的机制主要是首先果胶分子在碱性条件下发生β-消除反应和去酯反应,使得HG主链断裂,生成一些聚半乳糖醛酸低聚物和RGI;然后在酸性条件下去掉一些支链的中性糖,尤其是阿拉伯糖残基,最后的MP将是富含半乳糖链和阿拉伯聚半乳糖链的GI。

发展前景

在欧美国家,果胶的主要用途为水果加工品的胶凝和增稠,如饮料,果酱,沙拉酱等;而日本及其它国家则更多的作为酸性乳饮料的蛋白质稳定剂。果胶主要生产国有丹麦、英国、美国、以色列、法国等,亚洲国家产量极少,特别是消费量约占世界产量10%的日本因无生产厂家,完全依靠进口。在我国由于进口果胶价格远高于国产果胶,国产果胶成了国内众多企业的期盼,因此大力开发我国丰富的果胶资源,生产出优质果胶,满足国内外市场需求已显得极为迫切。

随着人们生活水平的提高,以及食品安全事件屡屡曝光,人们对食品安全的关注程度日益强烈,对健康营养食品的呼声日益高涨。作为一种天然的食品添加剂,果胶将越来越多地替代羧甲基纤维素钠CMC-Na)、变性淀粉等化学合成或化学改性的无营养价值或低营养价值的食品添加剂,应用在酸乳、饮料、果酱、糖果、果冻等等食品中。因此可以看到,果胶市场潜力巨大,市场对果胶的需求量仍将不断提高。

也有研究表明,果胶具有某些重要的生理功能,如降低血清胆固醇、血糖含量,刺激噬菌细胞巨噬细胞,增殖脾细胞,抗补体活性,抑制透明质酸酶组胺的释放、内毒素诱导的炎症反应和预防癌症发生与转移。


Powered by prower