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The Research on Structure, Extraction and Emulsifying Properties of Sugar Beet Pectin

甜菜果胶的结构、提取及乳化特性研究进展


果胶是一种酸性多糖大分子,具有胶凝、乳化、增稠、稳定等功能特性,被广泛地应用于食品、医药、化工、纺织等行业。甜菜渣是甜菜制糖的副产物,富含果胶多糖,可以作为一种新的提取果胶原料。大量研究表明由于甜菜果胶分子量低、乙酰化程度高,导致其凝胶性差,但具有良好的乳化特性。因此结合国内外对甜菜果胶的研究成果,本文针对影响甜菜果胶功能性质的主要因素,如结构和提取方法及乳化性进行综述分析,探讨其发展趋势,旨在为甜菜果胶的进一步开发利用提供参考依据。


全 文 :核 农 学 报  2014,28(6):1070 ~ 1075
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2013⁃06⁃06  接受日期:2013⁃09⁃10
基金项目:援疆项目 -新疆薯类与甜菜加工副产物高值化利用关键技术开发专项(201291157)
作者简介:彭小燕,女,主要从事食品化学与营养研究。 E⁃mail:pxy2005616@ 163. com
通讯作者:木泰华,男,研究员,主要从事食品化学与营养研究。 E⁃mail:mutaihuacaas@ 126. com
文章编号:1000⁃8551(2014)06⁃1070⁃06
甜菜果胶的结构、提取及乳化特性研究进展
彭小燕  木泰华  孙红男  张  苗  陈井旺
(中国农业科学院农产品加工研究所 /农业部农产品加工综合性重点实验室,北京  100193)
摘  要:果胶是一种酸性多糖大分子,具有胶凝、乳化、增稠、稳定等功能特性,被广泛地应用于食品、医
药、化工、纺织等行业。 甜菜渣是甜菜制糖的副产物,富含果胶多糖,可以作为一种新的提取果胶原料。
大量研究表明由于甜菜果胶分子量低、乙酰化程度高,导致其凝胶性差,但具有良好的乳化特性。 因此
结合国内外对甜菜果胶的研究成果,本文针对影响甜菜果胶功能性质的主要因素,如结构和提取方法及
乳化性进行综述分析,探讨其发展趋势,旨在为甜菜果胶的进一步开发利用提供参考依据。
关键词:甜菜果胶;结构;提取方法;乳化特性
DOI:10􀆰 11869 / j. issn. 100⁃8551􀆰 2014􀆰 06. 1070
    果胶是一种酸性多糖大分子,广泛存在于植物的
果实、根、茎、叶中,是植物细胞间质的重要成分[1]。
它以天然的胶体状态构成细胞组织,与半纤维素、纤维
素等物质结合在一起,以水果类、根菜类(甜菜、胡萝
卜)及块茎类(土豆)中较为常见。 目前许多国家从柑
橘皮、向日葵盘、苹果皮渣及甜菜渣中提取果胶[2]。
据 FAO 统计,2011 年我国甜菜总产量在全球排
名第 8 位,高达 1073􀆰 1 万 t,占全球总产量的 4􀆰 3%左
右。 我国甜菜种植面积高达 25 万 hm2,主要分布在黑
龙江、新疆、内蒙古等北方地区。 甜菜渣是甜菜制糖的
副产物,每 1t甜菜制糖后可得到大约 0􀆰 15 t 干渣,其
主要成分为纤维素、半纤维素和果胶,这些成分占干基
的 85% ,其中约 28%为果胶[3],因此甜菜渣可以作为
提取果胶的原料。 果胶具有胶凝、乳化、增稠、稳定等
功能,同时具有一定的生理活性,对高血压、高血脂等
慢性病有一定疗效,还具有防癌和抗癌的作用,被广泛
应用于食品、医药、化工、纺织等行业[4]。 本文就近年
来国内外甜菜果胶的研究进展进行综述,涉及甜菜果
胶的结构组成、提取方法和乳化特性研究方面,旨在为
甜菜果胶进一步的开发利用提供参考依据。
1  甜菜果胶的结构组成
天然存在的果胶是由 α - D - (1 - 4)半乳糖醛酸
重复片段(平滑区)和带有大量中性糖侧链的 α - D -
(1 - 4)半乳糖醛酸和 α - L - (1 - 2)鼠李糖交替连接
的片段(毛发区)组成[5 - 6]。 果胶链上某些羧基被甲
基取代称之为甲酯化,半乳糖醛酸单元的羟基(O - 2
和 /或 O - 3)与乙酸发生酯化反应称之为乙酰化[7]
(图 1),果胶的平滑区和毛发区都含有一部分甲酯化
和乙酰化的半乳糖醛酸。 相对于其他果胶,甜菜果胶
具有较高的乙酰化程度[8 - 9]。 关于甜菜果胶的结构描
述一般包括单糖组成、分子量、甲酯化度和乙酰化度、
阿魏酸及蛋白含量等。
Sakamoto 等[10]利用碱法提取甜菜果胶 ( Alkali⁃
soluble pectin, ASP),酶解后测定其结构,发现 ASP 主
链单元结构为 α - D - (1 - 4)半乳糖醛酸和 α - L -
(1 - 2)鼠李糖,侧链中包含有阿拉伯聚糖、阿拉伯半
乳聚糖和少量的半乳糖。 半乳糖直接连接在鼠李糖半
乳糖醛酸聚糖主链上,阿拉伯聚糖存在于阿拉伯半乳
聚糖中,通过 β - 1,4 - D半乳糖链与鼠李糖半乳糖醛
酸聚糖相连接。 甲酯化的半乳糖醛酸区(平滑区)在
碱性条件下不稳定,易被降解为寡聚半乳糖苷,因此碱
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  6 期 甜菜果胶的结构、提取及乳化特性研究进展
图 1  果胶的甲酯化和乙酰化过程中的分子变化
Fig. 1  Changes in molecules due to methyl⁃esterification and acetylation of pectin
法提取的甜菜果胶甲氧基含量很少[11]。 而且随着碱
处理时间和碱液浓度的增加,果胶的分子量逐渐减小,
阿魏酸含量也逐渐降低[11 - 12]。 用体积排除色谱测得
其平均分子量在 30 ~ 190kDa之间。
Renard等[13]研究了酸法提取的甜菜果胶结构,发
现其具有与 Sakamoto 等[10]描述的相同的主链结构,
主要的单糖组分是半乳糖醛酸和鼠李糖,而阿拉伯糖
含量低,这是由于强酸使阿拉伯聚糖侧链降解,利用柠
檬酸等温和酸处理可以得到富含阿拉伯糖的甜菜果
胶。 Levigne等[9]测得不同酸性条件下提取的甜菜果
胶分子量在 70 ~ 355kDa 之间,甲酯化度在 34% ~
94%之间,乙酰化度在 6% ~ 43%之间,pH 和提取时
间对果胶的甲酯化度影响很大,在 pH 值 3,75 ℃,
30min条件下提取的甜菜果胶甲酯化度最高,达到
94% 。 乙酰化度受 pH 影响最大,pH 值越大,乙酰化
度相对越高。 酸法提取的甜菜果胶中也含有 0􀆰 2% ~
0􀆰 9%阿魏酸,它主要通过 1,5 糖苷键连接在阿拉伯聚
糖侧链,或 /和通过 1,4 糖苷键与半乳聚糖侧链连
接[13 - 17]。 大量的研究表明,阿魏酸单体很容易被过氧
化物酶或过氧化氢酶氧化交联,生成脱氢二聚物,使果
胶的分子量增加,物化功能性质改变[18 - 22]。 Morris
等[22]发现甜菜果胶中阿魏酸含量与总中性糖的含量
成正比。 此外,甜菜果胶还含有一定量的果胶 -蛋白
质复合物,蛋白含量占甜菜果胶的 2% ~ 14%之间。
它主要存在于果胶多糖链的一端,很难去除。 研究表
明这部分蛋白对甜菜果胶的乳化作用有很大贡
献[23 - 24]。 由此可见,不同提取方法得到的甜菜果胶结
构差异较大。
2  甜菜果胶的提取方法
果胶的提取是先将不溶性原果胶转化为可溶性果
胶,然后可溶性果胶再向溶解相转移的过程。 常用的
甜菜果胶提取方法大致有以下几种:酸法、碱法、草酸
铵法、酶法、微波辅助法及超声波法等(表 1)。
    关于其它果胶提取还有一些新的方法,比如超声
波 - 微波协同法[31 - 32]、离子交换树脂法[33]、超高压
法[34]等。 超声波与微波协同法结合了超声波与微波
的优点,已用于许多植物功能性成分的提取中,但该法
尚未实现规模化生产。 离子交换树脂法是在酸溶液中
加入阴阳离子交换剂,阳离子交换剂可以解除钙、镁等
阳离子对果胶的封闭作用,加速原果胶的溶解;阴离子
交换剂可以吸附分子量在 500Da 以下的物质,因此该
法可缩短果胶提取时间,提高果胶质量,但成本高。 目
前也有采用超高压辅助酸法提取果胶,果胶可从植物
组织中更快的溶出,提取温度低,果胶得率较高,但需
相应的高压提取设备。 由此可见,以上方法各有局限
性,仍需对其进行不断改进,合理利用,以期在较低成
本下获得较高品质的果胶。
3  甜菜果胶的乳化特性
在两种不相溶的液体(通常是油和水)中加入适
当的表面活性剂,并在剧烈的搅拌下,油被分散在水中
或水被分散在油中,形成水包油型或油包水型乳化液,
这个过程叫乳化。 在形成乳化液过程中,具有表面活
性物质通常可以降低油水界面的张力,并结合在油滴
表面,疏水性越强的表面活性剂,形成乳化液的能力越
强[35]。 在食品工业中,通常将乳化剂分为两类,一类
是一些小分子表面活性剂,主要包括甘油一酯、聚山梨
醇酯、蔗糖酯及卵磷脂等;另一类是大分子物质,常见
的如蛋白[36 - 37],一些多糖,如大豆可溶性多糖[38]、瓜
尔豆胶[39],阿拉伯树胶[40]、果胶[41]等已被证实具有较
1701
核  农  学  报 28 卷
            表 1  甜菜果胶提取方法
Table 1  Extraction methods of sugar beet pectin
方法
Methods
原理
Theories
应用实例
Application examples
优缺点及改进措施
Advantages, disadvantages and
the improvement measures
参考文献
References
酸法
Acid
method
主要是利用热酸水溶液将植物细
胞中原果胶质转化成水溶性果胶
并提取出来。
提取温度一般在80 ~ 95℃,pH值在1
~ 3,提取时间为 2 ~ 6h,得率在 15%
~25%之间。
优点:成本低,工艺成熟;
缺点:强酸条件下长时间高温提取会使
果胶变性分解,质量变差。 可采用混合
酸代替单一酸提高果胶得率。
[9,25]
碱法
Alkaline
methodd
主要是利用强碱将原果胶质水解
成水溶性果胶并提取出来。
提取温度一般在 25 ~ 70℃,提取时间
短( < 1h),得到富含阿拉伯糖的果
胶,得率可达 45% 。
优点:快速节能。
缺点:果胶平滑区严重减少,分子量、粘
度和胶凝能力下降。 可采用梯度浓度
分步提取,降低浓碱作用时间。
[11,26]
草酸铵法
Ammonium
oxalate
method
草酸根离子具有强的金属螯合作
用,可将植物细胞壁中水不溶性果
胶提取出来,使非水溶性果胶酸钙
变成可溶性铵盐,钙以草酸钙沉淀
形式除去。
提取温度为 75℃,pH3􀆰 5,提取时间
为 1h,平均得率为 24􀆰 89% ,灰分含
量 15􀆰 02% 。
优点:减少酸碱对设备的腐蚀,环境污
染程度低。
缺点:灰分含量较高。 因此可采用离子
交换柱多步纯化处理来降低灰分含量。
[8]
酶法
Enzyme
method
主要是利用酶降解与果胶结合的
植物细胞壁组织,使果胶分离出
来。
纤维素酶酶解,加酶量为 15U / g,
50℃,90h,得率为 19􀆰 86% (以半乳糖
醛酸计)。 也有用阿拉伯糖酶处理甜
菜渣同时得到阿拉伯糖、果胶和纤维
素三种产品。
优点:减少化学药品对环境的污染,产
品质量高。
缺点:温度要求严格,酶价格高,不同原
料对酶的要求不同。 可优化酶解工艺
参数,筛选复合酶,以降低酶用量和扩
大酶使用范围。
[27 - 28]
微波辅助

Microwave⁃
assisted
method
微波能量可直接深入试样内部,作
用于目标成分 -果胶,从而降低果
胶与细胞间质的结合力,加速果胶
溶出。
微波功率 900W,料液比 1:14,萃取 4
次,每次萃取时间 75s,pH2,得率达到
20% ;微波功率 152W, 提取时间
212s,pH1􀆰 57,料液比 1:18􀆰 92,得率
为 32􀆰 4% 。
优点:操作时间短,受热均匀,目标组分
得率高。
缺点:微波时间过长或 /和功率过高会
使果胶分解,另外,微波提取温度不易
控制。 可在微波提取设备中加上控温
组件,减少爆沸。
[14,29]
超声波法
Ultrosomic
method
通过高频机械振动产生的空化作
用来减少甜菜渣与果胶间的结合
力,从而实现果胶与甜菜渣分离的
方法。
超声 功率 为 1000 W、 超 声 时 间
40min,料 液 pH1􀆰 5, 此 时 得 率 为
7􀆰 6% ,半乳糖醛酸含量为 71% 。
优点:节能快速。
缺点:噪音大,长时间提取会使果胶过
度水解,副产物增多。 协同酸法提取或
间歇超声处理可改善提取效果。
[30]
强乳化能力,其乳化特性研究及应用已受到广泛关注。
有大量研究表明,甜菜果胶具有良好的乳化活性
和乳化稳定性,但 Li 等[42]发现甜菜果胶是单分子层
吸附在油水界面,乳化能力比多层吸附在油水界面的
羟丙基甲基纤维素差。 表 2 列举了国内外关于甜菜果
胶构成、分子量与乳化特性的关系。
由上可知,尽管关于甜菜果胶乳化特性的研究很
多,但对其构成、分子量与乳化特性的关系众说纷纭,
乳化机理的研究不够深入,有待进一步探讨。
4  展望
甜菜果胶结构复杂,不同提取方法得到的果胶结
构有较大差异,可以根据实际条件和需要选择适当的
提取方法。 有文献报道甜菜果胶的胶凝性差,但经过
适当改性处理后其胶凝性也会显著提高[56 - 58],可以用
作凝胶剂、增稠剂、乳化剂等使用。 也有将甜菜果胶作
为微胶囊壁材[59 - 60]和重金属离子吸附剂进行开发的
研究[61 - 62],但是目前甜菜果胶整体开发和应用还远远
落后于柑橘果胶和苹果果胶,甜菜果胶的市场仍需进
一步开拓。 据不完全统计,我国每年消耗约 1500 t 以
上的果胶,需求量呈高速增长趋势,但目前 80% 仍依
靠进口[63]。 我国是甜菜生产大国,如能充分的利用甜
菜渣中丰富的果胶资源,既可缓解我国果胶紧缺的现
状,增加企业利润,又能减少环境污染和资源浪费。 为
此,本文在前人研究的基础上,为进一步开发利用甜菜
果胶资源,提出开展以下研究建议:
(1) 开发更节能、环保、高效的甜菜果胶提取技
术,研究和筛选出最佳果胶提取工艺;
(2) 研究更加适用可行的改性方法,改善甜菜果
胶的品质,使之具有更强的市场竞争力;
(3) 深入研究甜菜果胶的结构组成,建立其结构
组成与乳化特性之间的关系,深入探讨其乳化机理;
(4) 研究甜菜果胶的生理保健功能,明确其功能
2701
  6 期 甜菜果胶的结构、提取及乳化特性研究进展
            表 2  甜菜果胶构成、分子量与乳化特性的关系
Table 2  Relationship between constitute, molecular weight and emulsifying properties of sugar beet pectin
结构
Structure
研究结果
Research results
解释
Explanations
参考文献
References
乙酰基
Acety growp
甜菜果胶中含有 2 - 9%的乙酰基,这与其有较强乳化能
力相关。 它比其他高甲氧基和低甲氧基果胶具有更强
的表面活性,更容易与植物油形成乳化液,维持乳化液
稳定。
乙酰基具有疏水性,可以吸附在油滴表面,所以乙酰基
含量高有可能提高果胶的乳化性。
[43 - 45]
蛋白质
Protem
甜菜果胶是一种多糖 -蛋白复合物。 随着甜菜果胶中
蛋白含量降低,甜菜果胶的乳化活性和乳化稳定性降
低。
蛋白质分子中含有亲水和亲油基团。 果胶中的蛋白质
与果胶链共价交联,其亲油基团吸附在油滴表面,果胶
多糖则通过形成具有空间排斥作用的水化层防止乳化
液液滴聚合或聚结,稳定乳化液。
[27,46 - 48]
分子量
Molecular
weigth
不同分子量甜菜果胶( > 50KDa或 < 50KDa),低分子果
胶具有较高的乳化能力,但也有报道认为高分子量的甜
菜果胶更容易吸附在油滴表面。
高分子量的甜菜果胶与蛋白结合的位点少,乳化能力
差;另一相反说法是高分子量的甜菜果胶中蛋白质含量
更高,乳化效果更好。
[49 - 50]
阿魏酸组分
Ferulic acid
过氧化物酶促使甜菜果胶的阿魏酸组分发生氧化交联,
可以在水包油乳化液中形成由多层生物聚合物交联的
界面,从而提高了乳化稳定性。
甜菜果胶经过虫漆酶或过氧化物酶氧化交联后形成更
加紧密的、高度分支的结构,使乳化液液滴更小更稳定。
[51 - 54]
酰胺化
Amidation
酰胺化的甜菜果胶其在较低浓度下可明显降低乳化液
的表面张力和界面活性;同时果胶的乳化活性和稳定性
升高。
甜菜果胶分子中含有大量的极性基团,酰胺基是一种非
极性基团,酰胺化的甜菜果胶其极性基团和非极性基团
达到一定的比例可很好的稳定乳化液。
[55]
因子及作用机理,促进甜菜果胶及其衍生物在食品和
医药行业的开发及应用。
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The Research on Structure, Extraction and Emulsifying
Properties of Sugar Beet Pectin
PENG Xiao⁃yan  MU Tai⁃hua  SUN Hong⁃nan  ZHANG Miao  CHEN Jing⁃wang
(Key Laboratory of Agro⁃products Processing, Ministry of Agriculture /
Institute of Agro⁃ Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing  100193)
Abstract:Pectin is an acidic macromolecular polysaccharide which possesses gelling, emulsifying, thickening and
stabilizing properties, hence it is widely used in food, medicine, chemical, textile and other industries. Beet pulp
residue is the by⁃product of beet sugar processing which is rich in pectin polysaccharide; it could be a good source for
extracting novel pectin. But many researches indicated that because of its low molecular weight and high acetylation
content, sugar beet pectin has poor gelling property, however, it has good emulsifying property. Therefore, in this
paper, the main factors that affect pectin functionality such as the structure, extraction methods and emulsifying
properties of sugar beet pectin were reviewed by combining the available research achievements of sugar beet pectin
within China and internationally, and finally, the development trends thereof were discussed, so as to provide references
for further development and utilization of sugar beet pectin.
Key words:Sugar beet pectin; Structure; Extraction methods; Emulsifying properties
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