低酯果膠膠凝特性研究進(jìn)展及應(yīng)用

果膠是一種結(jié)構(gòu)復(fù)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(xì)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)[3-5]，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(huì)認(rèn)為果膠是安全的食品添加劑，對(duì)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(high methoxyl pectin, HMP)和低酯果膠(low methoxyl pectin, 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(shí)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(dāng)pH值較低時(shí)，HMP分子中游離的羧酸基團(tuán)解離程度被極大抑制，減小了分子間靜電斥力，同時(shí)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)?；谶@一特性，當(dāng)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(shí)需添加大量的可溶性固形物，導(dǎo)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(shì)，一定程度上限制了HMP的應(yīng)用。然而，LMP膠凝時(shí)僅需Ca2+參與，對(duì)可溶性固形物含量沒有特殊要求[8]，膠凝時(shí)pH值范圍較廣。這是因?yàn)長MP羧基基團(tuán)較多，形成凝膠時(shí)主要依賴于解離的羧基基團(tuán)與二價(jià)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(shì)。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(diǎn)與其膠凝機(jī)理的關(guān)聯(lián)，探討了各因素對(duì)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(jìn)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)。

1 LMP的分子結(jié)構(gòu)與膠凝機(jī)理

1.1 LMP分子的基本結(jié)構(gòu)

盡管當(dāng)前對(duì)果膠分子的結(jié)構(gòu)組成還存有一些爭(zhēng)論，但主流觀點(diǎn)都傾向于認(rèn)同O′NEILL等[9]的研究，認(rèn)為果膠分子可分為同型聚半乳糖醛酸區(qū)(homogalacturonan, HG)、鼠李半乳糖醛酸聚糖I型區(qū)(rhamnogalacturonan-Ⅰ, RG-I)以及鼠李半乳糖醛酸聚糖II型區(qū)(rhamnogalacturonan-Ⅱ, RG-II)3部分。HG是由數(shù)百個(gè)連續(xù)的D-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(gè)半乳糖醛酸殘基在C6位上以甲酯化形式存在的比例即定義為果膠分子的酯化度(degree of esterification，DE)或甲基化程度(degree of methoxylation，DM)。除DE值外，目前還以DB值(degree of blockiness)評(píng)估LMP中未被甲酯化的半乳糖醛酸單元的分布情況。DB值定義為內(nèi)聚半乳糖醛酸酶降解果膠后釋放的單個(gè)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(圖1)。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-I區(qū)域主要由α-D-半乳糖醛酸與α-L-鼠李糖通過糖苷鍵連接而成的二糖重復(fù)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-I的半乳糖醛酸殘基在C2和C3位還可能被乙?；〈G-II通常被描述為HG的延伸結(jié)構(gòu)，仍然以α-(l→4)-D-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4種已知的寡糖，包括洋芹糖、海藻糖、木糖、半乳糖醛酸。此外，RG-Ⅱ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-I和RG-II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)(圖1)。

圖1 LMP基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[3]
Fig.1 The fundamental structure characteristics of low methoxyl pectin

1.2 LMP制備方式對(duì)分子結(jié)構(gòu)的影響

目前，LMP不僅可從天然植物組織中提取獲得，也可將HMP脫酯化處理獲得。有研究報(bào)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[12-14]。然而，目前僅有向日葵盤中提取的LMP實(shí)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(jìn)行脫酯化處理后獲得[11]。

1.2.1 提取方式對(duì)LMP結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)于包含LMP的天然植物組織，提取方式對(duì)LMP結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dǎo)致果膠解聚，使得果膠分子質(zhì)量降低。劉新新等[15]研究發(fā)現(xiàn)，與硝酸、鹽酸等無機(jī)強(qiáng)酸相比，采用檸檬酸、草酸等有機(jī)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、分子質(zhì)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(xì)胞壁降解從而使果膠從植物組織中分離。這2種方法制得的果膠分子質(zhì)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(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

1.2.2 去酯化方式對(duì)LMP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(jìn)行去酯化處理得到，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隨機(jī)脫去甲氧基，因此導(dǎo)致獲得的LMP的DB值較低。再者，堿或酸處理雖然能有效地脫除果膠分子的甲氧基，但仍會(huì)引起果膠分子的降解，包括HG主鏈降解或側(cè)鏈降解等，進(jìn)而降低果膠分子質(zhì)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(xué)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的平均分子質(zhì)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，TALEKAR等[18]采用了交聯(lián)酶聚集法對(duì)柑橘果膠甲酯酶進(jìn)行處理，提升了果膠脫酯的催化效率，同時(shí)降低了酶反應(yīng)的pH和溫度要求。對(duì)HMP進(jìn)行酰胺化改性以降低果膠的DE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(tuán)被氨基取代，稱為果膠的酰胺化程度(degree of amidation, 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LMP形成凝膠時(shí)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。

1.3 LMP的膠凝機(jī)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(tuán)與Ca2+結(jié)合形成離子鍵，進(jìn)而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程。其中，一個(gè)Ca2+可以結(jié)合2個(gè)位于不同果膠鏈上的羧基基團(tuán)，這種結(jié)合被形象地描述為“蛋盒”模型。具體解釋為，2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(bǔ)、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6～20個(gè)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(dāng)前普遍認(rèn)為，LMP膠凝時(shí)與Ca2+的結(jié)合分為兩步(圖2-a)。首先，Ca2+與相鄰2個(gè)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(gè)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(jìn)而促進(jìn)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(shí)，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(qiáng)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(fù)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。

2 LMP凝膠的性質(zhì)及其影響因素

食品質(zhì)構(gòu)不僅是消費(fèi)者十分重視的感官特征，也是食品質(zhì)量評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[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(diǎn)對(duì)LMP膠凝化的影響

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

2.1.1 DE值與DB值

雖然DE值低于50%的果膠都可歸類于LMP，但就LMP而言，DE越低，果膠結(jié)構(gòu)中游離的羧基基團(tuán)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(jìn)入到凝膠結(jié)合區(qū)的作用[23]，因此DE也影響LMP膠凝時(shí)Ca2+的用量。DE較高的LMP膠凝時(shí)往往需要較多的Ca2+。

另一方面，近年來有報(bào)道指出，果膠DE一定時(shí)，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隨機(jī)分布模式或“block”分布模式存在。隨機(jī)分布模式是指未被甲酯化的半乳糖醛酸單元以隨機(jī)的方式分布于HG主鏈中；“block”分布模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。如上所述，當(dāng)連續(xù)排列的6～20個(gè)非甲酯化半乳糖醛酸單元和Ca2+結(jié)合時(shí)，相鄰的果膠分子才能形成穩(wěn)定的交聯(lián)區(qū)，從這一層面而言，“block”分布模式顯然更有利于LMP與Ca2+結(jié)合形成穩(wěn)定的分子間交聯(lián)[3]。一般LMP的DB值越高，表明未被甲酯化的半乳糖醛酸單元以“block”模式分布的可能性就越高，因而也越容易和Ca2+結(jié)合。L?FGREN等[24]從檸檬中提取了DM值基本相同但DB值不同(16%，5%)的2種果膠，并對(duì)其膠凝動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)DB值低的果膠儲(chǔ)能模量更低、膠凝速率更緩慢，而DB值高的果膠則更易形成凝膠。CELUS等[25]則是以柑橘果膠作為初始原料，采用果膠甲酯酶處理得到DB值為20.0%～82.4%的一系列果膠，通過等溫滴定量熱法測(cè)定了果膠分子與Ca2+結(jié)合所需的能量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨DB值升高，果膠分子與Ca2+結(jié)合所需的能量能越少，意味著果膠分子越易與Ca2+結(jié)合。

2.1.2 分支化程度

分支化程度也對(duì)LMP的膠凝能力有一定影響。根據(jù)LMP的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，中性糖主要構(gòu)成了“毛發(fā)區(qū)”，即RG-I型和RG-II型區(qū)域，而半乳糖醛酸主要構(gòu)成了HG主鏈，導(dǎo)致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(tuán)和Ca2+的結(jié)合，因而當(dāng)其他分子結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時(shí)，分支化程度越高，果膠和Ca2+結(jié)合的空間位阻作用越大，導(dǎo)致果膠越不容易和Ca2+結(jié)合形成交聯(lián)。此外，當(dāng)果膠分子質(zhì)量相同時(shí)，分支化程度越高，果膠分子的流體力學(xué)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(duì)于某些結(jié)構(gòu)特殊的LMP而言，氫鍵是誘導(dǎo)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(jìn)而形成凝膠。CHEN等[27]從柑橘囊衣中提取了RG-I型區(qū)域含量不同的果膠，其中RG-I型區(qū)域含量為63%的果膠與RG-I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(xué)性能更差。值得一提的是，由于RG-I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(fù)合可起到協(xié)同膠凝作用。

2.1.3 分子質(zhì)量與分子濃度

LMP分子結(jié)構(gòu)相同時(shí)，分子質(zhì)量越大，果膠在水溶液中所占的流體力學(xué)體積越大，越容易形成黏稠的溶液，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，分子質(zhì)量高(≥300 kDa)的果膠，增稠效果較好，最低膠凝濃度也更低[28]。而低較分子質(zhì)量(≤10 kDa)的果膠，可能會(huì)由于其Ca2+結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量有限而無法形成凝膠[29]。

濃度也是影響LMP凝膠性質(zhì)的重要因素。當(dāng)LMP濃度較低時(shí)，傾向于形成Ca2+介導(dǎo)的分子內(nèi)交聯(lián)，對(duì)凝膠強(qiáng)度的提高貢獻(xiàn)不大。隨濃度增加，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(qiáng)度和持水性也越高[30-31]。但當(dāng)果膠濃度過高時(shí)，制得的凝膠強(qiáng)度雖高，但彈性降低、易破碎、整體外觀較差。在實(shí)際應(yīng)用中，LMP的添加量一般為0.5%～2.0%，對(duì)于分子質(zhì)量較低的LMP，可以適度增加使用量[32]。

2.2 外部環(huán)境因素對(duì)LMP膠凝化的影響

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

2.2.1 金屬離子濃度

2.2.1.1 Ca2+濃度

對(duì)于特定的果膠溶液，其膠凝行為很大程度上取決于體系中游離的Ca2+數(shù)目和果膠分子中解離的羧基數(shù)目之比，通常以R值描述。R值定義為Ca2+濃度的2倍與游離的羧基基團(tuán)濃度之比(R=2[Ca2+]/[COO—])。當(dāng)果膠分子中解離的羧基基團(tuán)數(shù)目一定時(shí)，理論上總存在一個(gè)最佳的Ca2+濃度，可以和解離的羧基基團(tuán)形成最大數(shù)目的離子交聯(lián)，稱為飽和R值[26]。當(dāng)Ca2+濃度低于飽和R值時(shí)，升高Ca2+濃度會(huì)促使果膠二聚體形成，從而增加果膠的膠凝速率和凝膠強(qiáng)度(圖2-b)。當(dāng)Ca2+濃度高于飽和R值時(shí)，增加Ca2+濃度并不能明顯增加果膠的凝膠強(qiáng)度。當(dāng)Ca2+濃度過高時(shí)，凝膠強(qiáng)度反而降低，原因是果膠分子在高的Ca2+濃度環(huán)境中優(yōu)先與Ca2+結(jié)合形成單聚體，減少了果膠分子間的交聯(lián)。例如，VENTURA等[33]采用X射線小角散射法系統(tǒng)研究了不同Ca2+濃度下，LMP和Ca2+形成的交聯(lián)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低Ca2+濃度時(shí)(R<1)，果膠分子形成“桿狀交聯(lián)”、“點(diǎn)狀交聯(lián)”及“單聚體”3種納米結(jié)構(gòu)，且3種結(jié)構(gòu)共存。高Ca2+濃度下(R>>1)，“桿狀交聯(lián)”數(shù)目降低，“點(diǎn)狀交聯(lián)”及“單聚體”數(shù)目增多，果膠分子交聯(lián)密度降低(圖2-c)。值得注意的是，盡管隨R值增加，LMP的凝膠強(qiáng)度均會(huì)出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但實(shí)際情況中，果膠的最大凝膠強(qiáng)度并非總在R=1時(shí)出現(xiàn)。一般而言，LMP達(dá)到最佳凝膠強(qiáng)度時(shí)，R值總是傾向于高于理論飽和R值(即R=1)，主要是因?yàn)椴⒎求w系中所有的游離的Ca2+都可以和解離的羧基基團(tuán)結(jié)合。例如，YULIARTI等[31]對(duì)麻瘋樹葉子中提取的果膠進(jìn)行了凝膠性質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)R=3時(shí)凝膠強(qiáng)度最高。

Ca2+添加量是調(diào)控LMP凝膠特性的重要因素。通常，隨Ca2+添加量增加，LMP凝膠強(qiáng)度、彈性、持水能力均會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，因?yàn)镃a2+濃度增加時(shí)，果膠形成了更多的分子間交聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)更密集，不僅增加了凝膠強(qiáng)度，同時(shí)也提供了更為顯著的毛細(xì)管作用力，能夠束縛更多的水分子。然而，當(dāng)Ca2+添加量過高時(shí)，凝膠強(qiáng)度降低、凝膠質(zhì)地更為粗糙、且更容易析水，這是由于過高的Ca2+濃度反而降低量果膠分子間的交聯(lián)程度。因此，LMP膠凝過程中存在一個(gè)最佳的Ca2+添加量，高于或低于最佳的Ca2+添加量均會(huì)導(dǎo)致凝膠質(zhì)地變差。果膠結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境因素均會(huì)引起最佳Ca2+添加量的變化，與LMP的半乳糖醛酸含量、DE、DA以及溶液的pH值有關(guān)。由于最佳Ca2+添加量總是略大于理論飽和R值(R=1)，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可近似根據(jù)R=1估計(jì)合適的Ca2+添加量。

a-LMP和Ca2+的結(jié)合分為兩步；b-不同Ca2+濃度下LMP和
Ca2+的結(jié)合；c-LMP-鈣凝膠網(wǎng)絡(luò)在不同Ca2+濃度下的納米結(jié)構(gòu)
圖2 LMP和Ca2+的結(jié)合機(jī)理[20,33]
Fig.2 The combination mechanism of low methoxyl pectin and calcium ions

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常存在Ca2+添加量過大而導(dǎo)致凝膠脫水收縮、凝膠質(zhì)地不均勻等現(xiàn)象，可在膠凝前向果膠溶液中加入適量的檸檬酸鹽、多聚磷酸鹽等Ca2+螯合劑，從而降低Ca2+的有效濃度，一定程度上緩解過高的Ca2+添加量對(duì)LMP凝膠的不利影響。此外，有報(bào)道顯示，不同的Ca2+添加方式也會(huì)影響LMP的凝膠性質(zhì)。Ca2+添加方式主要包括外部法和內(nèi)部法[20]。外部法是指直接將LMP溶液置于高濃度的Ca2+溶液中透析，Ca2+逐漸滲透至LMP溶液中和果膠分子結(jié)合形成凝膠網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部法是指將Ca2+或易溶性鈣鹽直接加入LMP溶液中，使Ca2+均勻分散，然后誘導(dǎo)凝膠形成。外部法形成凝膠的快慢取決于Ca2+的擴(kuò)散速率，最先與Ca2+接觸的外緣LMP首先形成網(wǎng)絡(luò)，阻礙了Ca2+向LMP溶液的中心位置擴(kuò)散。因此，采用外部法制備的凝膠質(zhì)地均一性較差，食品生產(chǎn)中較少使用。內(nèi)部法具有成膠速度快、方便操作等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用采用較多。但需要注意的是，采用內(nèi)部法也可能出現(xiàn)不均勻的凝膠結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)LMP膠凝速率過快時(shí)，添加Ca2+的同時(shí)就誘導(dǎo)LMP交聯(lián)，出現(xiàn)預(yù)凝膠顆粒，此時(shí)可通過增加LMP溶液溫度、降低Ca2+濃度的方法避免預(yù)凝膠現(xiàn)象。再者，還可將鈣鹽預(yù)先溶解于少量蔗糖溶液中，然后將蔗糖溶液添加至LMP溶液中。

2.2.1.2 其他金屬離子濃度

除Ca2+外，其他金屬離子也可促進(jìn)LMP凝膠的形成。一價(jià)陽離子雖然不能直接與2個(gè)解離的羧基基團(tuán)結(jié)合形成鈣橋，但可起到靜電遮蔽作用，有助于果膠分子相互靠近形成氫鍵[34]。例如，在弱酸性環(huán)境中，Na+就可以誘導(dǎo)豆腐柴葉果膠發(fā)生凝膠化，凝膠可以倒置于試管中不從底部流出，最佳的Na+添加濃度為0.6 mol/L[35]。Mg2+也能和解離的羧基基團(tuán)結(jié)合形成分子間交聯(lián)，從而誘導(dǎo)凝膠形成。但與Ca2+相比，Mg2+對(duì)LMP的膠凝誘導(dǎo)能力較弱，成膠時(shí)需要更高的果膠濃度，且膠凝速率緩慢，形成的凝膠柔軟、粘口，原因可能是Mg2+半徑小于Ca2+，因此形成的鈣橋穩(wěn)定性較弱[36]。此外，Zn2+和Cu2+也可誘導(dǎo)LMP形成凝膠，在添加Zn2+和Cu2+的同時(shí)凝膠即可形成，膠凝速率過快，導(dǎo)致成膠不均勻且伴隨著脫水現(xiàn)象。

雖然三價(jià)陽離子(如Al3+和Fe3+)電荷密度更高，但對(duì)LMP沒有明顯的膠凝誘導(dǎo)效果，在添加Al3+和Fe3+時(shí)，LMP分子聚集速率過快，難以發(fā)生膠凝化，果膠分子多以絮狀沉淀的形成存在，這也是鹽析法沉淀果膠的常用工藝。這些報(bào)道可能表明，LMP膠凝速率與金屬離子之間存在一定規(guī)律，同價(jià)元素隨離子半徑增大而膠凝速率加快，對(duì)于同周期元素，三價(jià)陽離子對(duì)LMP的分子聚集誘導(dǎo)速率大于二價(jià)。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到Ca2+在食品中廣泛存在，因而多以Ca2+調(diào)控LMP的凝膠特性。

2.2.2 pH值

pH值對(duì)LMP膠凝行為的影響分為兩方面[37-38]。首先，隨著pH升高或降低，果膠分子羧基基團(tuán)解離程度發(fā)生變化，進(jìn)而影響解離的羧基基團(tuán)的數(shù)目。例如，當(dāng)pH值較低時(shí)(pH ～3.5)，部分羧基基團(tuán)以非解離的形式存在，此時(shí)雖然分子間靜電斥力較小，利于果膠形成分子間氫鍵，但不利于果膠分子和Ca2+結(jié)合。隨pH值升高，解離的羧基基團(tuán)的數(shù)目增加，此時(shí)果膠分子與Ca2+能形成更多的離子交聯(lián)。一般情況下，當(dāng)pH>4.5時(shí)，絕大多數(shù)的羧基基團(tuán)均以解離的形式存在。此外，需注意的是，當(dāng)pH值過高時(shí)(如pH>7)，果膠分子容易發(fā)生去甲酯化反應(yīng)和β-消除反應(yīng)，導(dǎo)致果膠DE和分子質(zhì)量降低。DE降低使得果膠分子中解離的羧基基團(tuán)數(shù)目進(jìn)一步增加，能結(jié)合更多的Ca2+，但分子質(zhì)量降低不利于果膠凝膠網(wǎng)絡(luò)形成。此前有報(bào)道指出[39]，去甲酯化反應(yīng)和β-消除反應(yīng)總是同時(shí)發(fā)生，溫度較高且堿性相對(duì)較低的條件下，β-消除反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，溫度較低且堿性較高的條件下，去甲酯化反應(yīng)占主導(dǎo)。這也是采用堿法將HMP脫酯改性為LMP的常用方法。

如上所述，pH主要是通過改變體系中有效Ca2+的濃度和果膠分子中解離的羧基數(shù)目，從而影響果膠分子和Ca2+的交聯(lián)。HAN等[40]報(bào)道顯示，采用磷酸鹽和檸檬酸鹽緩沖液調(diào)節(jié)果膠pH值時(shí)，凝膠強(qiáng)度在pH 4.0時(shí)最大，隨pH值升高，凝膠強(qiáng)度迅速降低，在接近pH 7.0時(shí)甚至不能形成凝膠。原因可能是磷酸根基團(tuán)或檸檬酸根基團(tuán)優(yōu)先絡(luò)合Ca2+，降低了果膠溶液中游離的Ca2+濃度。YANG等[39]采用NaOH調(diào)節(jié)pH，可將LMP凝膠的pH范圍拓寬至3.5～9.5，發(fā)現(xiàn)在pH 8.5時(shí)，凝膠強(qiáng)度最高，原因是果膠分子在堿性條件下發(fā)生了脫酯反應(yīng)，使得更多的羧基基團(tuán)可以和Ca2+結(jié)合。但當(dāng)pH>8.5時(shí)，β-消除反應(yīng)明顯，使得果膠分子解聚，從而降低了凝膠強(qiáng)度。值得注意的是，雖然采用NaOH調(diào)節(jié)果膠pH時(shí)，添加的CaCl2可能和氫氧根離子形成Ca(OH)2，但整體而言，Ca(OH)2屬于微溶性鈣鹽，20 ℃時(shí)溶解度為160 g/L，仍然可以提供足夠游離的Ca2+和果膠結(jié)合。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體的要求選擇合適的pH調(diào)節(jié)策略。

2.2.3 蔗糖濃度

雖然LMP膠凝時(shí)不需要添加蔗糖作為脫水劑，但適量濃度的蔗糖可以明顯提高LMP的凝膠強(qiáng)度[41]。這是因?yàn)檎崽蔷哂泻軓?qiáng)的親水性，能夠優(yōu)先于果膠分子和水結(jié)合，降低果膠的溶劑化程度，從而促進(jìn)果膠分子彼此結(jié)合形成額外的氫鍵[42]。然而，當(dāng)蔗糖濃度過高時(shí)，果膠分子的溶劑化程度越低，分子構(gòu)象更緊密，反而不利于LMP和Ca2+結(jié)合。此外，過多的蔗糖和水分子結(jié)合后，會(huì)剝奪果膠凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的水分，導(dǎo)致凝膠皺縮。HAN等[40]報(bào)道了不同蔗糖濃度下蘋果LMP的凝膠性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隨蔗糖濃度升高，果膠的凝膠強(qiáng)度也不斷增加，在蔗糖含量為40%時(shí)達(dá)到最高值，此后繼續(xù)增加蔗糖濃度凝膠強(qiáng)度則開始下降，凝膠外觀也逐漸粗糙。其他可溶性固形物如葡萄糖、果糖等也可以起到與蔗糖相似的作用，作用原理相同。

另外，蔗糖添加對(duì)LMP的凝膠質(zhì)地有也較大影響。不添加蔗糖時(shí)，LMP凝膠顏色很淺、不透光，但加入少量蔗糖后，凝膠透光性增加、表面更光滑、凝膠色澤加深。再者，由于蔗糖本身具有良好的親水性，因此加入蔗糖后，LMP凝膠的持水性也可得到改善，凝膠質(zhì)地更富有彈性。一般而言，制備LMP凝膠時(shí)，蔗糖添加量多為5%～30%，過高的蔗糖不僅增加了LMP凝膠的熱量，也降低了凝膠性質(zhì)。

2.2.4 溫度

溫度對(duì)LMP的膠凝也有明顯影響。溫度較高時(shí)，果膠分子在溶液中移動(dòng)速率較快，難以和Ca2+結(jié)合形成穩(wěn)定的交聯(lián)區(qū)，溫度降低時(shí)，果膠分子運(yùn)動(dòng)速率較慢，容易和Ca2+結(jié)合。但是當(dāng)溫度低于一定值以后，添加Ca2+的同時(shí)凝膠化隨即發(fā)生，導(dǎo)致體系形成預(yù)凝膠顆粒，嚴(yán)重影響凝膠質(zhì)地[43]。因此，制備LMP凝膠時(shí)，常將鈣加入熱的果膠溶液中，使Ca2+均勻分散，之后冷卻果膠體系以便形成質(zhì)地均一的凝膠。另一方面，雖然果膠分子和Ca2+的結(jié)合是引起LMP凝膠形成的主要因素，但果膠分子間的氫鍵作用也起到穩(wěn)定凝膠網(wǎng)絡(luò)的作用[44]。因而，當(dāng)溫度降低時(shí)，氫鍵作用越強(qiáng)，凝膠強(qiáng)度也越高。

2.2.5 時(shí)間

時(shí)間也是影響LMP凝膠形成的重要因素。如上所述，當(dāng)溫度較高時(shí)，果膠分子和Ca2+的結(jié)合較慢，此時(shí)膠凝速率也相對(duì)較低，需要更長的時(shí)間才能形成穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度較低時(shí)，果膠和Ca2+的結(jié)合相對(duì)容易，因此在較短的時(shí)間內(nèi)就能形成凝膠網(wǎng)絡(luò)。另外，LMP在剛剛形成凝膠后的短時(shí)間內(nèi)還不能形成穩(wěn)定的“蛋盒”結(jié)構(gòu)，此時(shí)果膠分子、Ca2+、水分子和蔗糖之間的相互作用仍處在動(dòng)態(tài)的平衡中，大致在凝膠形成后48 h后才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)[45]。然而，保存時(shí)間過長時(shí)，又可能出現(xiàn)凝膠網(wǎng)絡(luò)收縮。值得一提的是，GUO等[46]報(bào)道了假酸漿LMP在Ca(OH)2誘導(dǎo)下的膠凝行為，發(fā)現(xiàn)假酸漿果膠在添加少量Ca(OH)2時(shí)，室溫靜置20～30 min即可形成凝膠，證實(shí)了時(shí)間對(duì)LMP膠凝過程的重要作用。

2.2.6 其他因素

除上述因素外，其他因素[47-48](如糖醇濃度、其他聚合物存在與否等)也可能對(duì)LMP的膠凝化有明顯影響。雖然目前有關(guān)這方面的報(bào)道十分有限，但考慮到和Ca2+的結(jié)合是引起LMP膠凝的主導(dǎo)因素，因而可以推斷，當(dāng)外界因素有利于促進(jìn)果膠和Ca2+結(jié)合時(shí)，就有利于LMP的膠凝。相反，當(dāng)外界因素阻礙果膠分子和Ca2+的結(jié)合時(shí)，凝膠化就受阻。

3 LMP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(shí)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(yù)防癌癥、降低肥胖風(fēng)險(xiǎn)等。其中，果膠分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如DE、分支化程度、分子質(zhì)量等，對(duì)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(huì)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(jìn)而誘導(dǎo)胰島素抵抗，導(dǎo)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(yù)防和緩解這些疾病，其機(jī)制主要包括三點(diǎn)：(1)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；(2)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；(3)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(jìn)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(diǎn)。例如，CHOI等[49]研究發(fā)現(xiàn)，富含RG-I型的果膠更利于緩解高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠體重增加、降低小鼠的胰島素抵抗。此外，有研究比較了酯化程度對(duì)果膠健康功效的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與DE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(shì)。POPOV等[50]研究發(fā)現(xiàn)，果膠主要通過降低中性白細(xì)胞的黏附性和抑制氧自由基的產(chǎn)生達(dá)到降低炎癥的效果，且進(jìn)一步研究顯示，攝入果膠可顯著改善小鼠的結(jié)腸炎。此外，與HMP相比，LMP對(duì)乙酸和脂多糖誘導(dǎo)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(bào)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。

3.3 預(yù)防癌癥

MAXWELL等[51]報(bào)道，甜菜皮果膠能顯著誘導(dǎo)HT29癌癥細(xì)胞凋亡，且RG-I型結(jié)構(gòu)含量越多、DE越低，效果越好。然而，也有研究表明，對(duì)柑橘果膠而言，RG-II型區(qū)域含量越高、果膠分子質(zhì)量含量越低，對(duì)Caco-2細(xì)胞增殖的抑制作用就越好。

3.4 改善腸道菌群

近年來，諸多研究表明，果膠能明顯改善腸道菌群的多樣性、并增加有益菌群的豐度，從而利于恢復(fù)異常的腸道菌群。JIANG等[52]研究發(fā)現(xiàn)，果膠干預(yù)能復(fù)原肥胖小鼠的腸道菌群，使之達(dá)到和正常小鼠相似的水平，表明果膠對(duì)肥胖誘導(dǎo)的腸道菌群異常有顯著的調(diào)控作用。ZHU等[4]研究了分支化程度不同的柑橘果膠對(duì)肥胖小鼠的干預(yù)效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分支化程度高的果膠顯著降低了肥胖小鼠的體重增加、抑制了胰島素抵抗及炎癥反應(yīng)，對(duì)腸道菌群和脂質(zhì)代謝的調(diào)控效果明顯優(yōu)于分支化程度低的果膠。此外，GHAFFARZADEGAN等[53]研究顯示，HMP更能刺激肥胖小鼠腸道中乙酸鹽和丙酸鹽的生成，維持乳酸桿菌的活力，效果高于LMP。

4 LMP在食品中的應(yīng)用

雖然當(dāng)前尚無證據(jù)表明LMP比HMP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(rèn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(fù)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(shí)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(yán)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(diǎn)。相比之下，LMP作為穩(wěn)定劑使用時(shí)，不僅能與飲料中自身含有的金屬離子產(chǎn)生增稠或膠凝作用，實(shí)現(xiàn)飲料的穩(wěn)定，同時(shí)也賦予了飲料“絲滑”、“稀薄”的口感，且不存在腥味殘留等缺點(diǎn)[57]。

4.3 低酸性軟糖

傳統(tǒng)的HMP凝膠軟糖大多口味較酸，風(fēng)味單一，且大量的糖分會(huì)降低體系的水分活度，冷卻時(shí)果膠膠凝速率過快，致使生產(chǎn)出的糖果黏性較高。與HMP相比，LMP可以在較高的pH環(huán)境下形成凝膠，近年來LMP已經(jīng)逐漸替代HMP用于低酸性軟糖的生產(chǎn)[58]。生產(chǎn)LMP軟糖時(shí)，常將LMP和淀粉結(jié)合使用，用于控制膠凝速率和降低糖果黏性。

4.4 凝固型酸奶

在凝固型酸奶的生產(chǎn)中，LMP已可作為優(yōu)良的穩(wěn)定劑廣泛應(yīng)用。LMP的主要單糖組成之一是半乳糖醛酸，因此LMP溶于水后攜帶負(fù)電荷，溶液具有一定酸性。加入乳酸飲料后，LMP能和帶正電荷的蛋白質(zhì)顆粒結(jié)合，干擾蛋白質(zhì)自身在酸性條件下的聚集，同時(shí)使形成的LMP-蛋白質(zhì)復(fù)合顆粒帶負(fù)電荷，從而相互排斥，實(shí)現(xiàn)體系的穩(wěn)定[59]。但由于LMP價(jià)格相對(duì)較高，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，一般將LMP與羥甲基纖維素按1∶1的比例混合使用，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且又可利用兩者的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)一步提高體系的穩(wěn)定性。

4.5 冰淇淋

傳統(tǒng)冰淇淋生產(chǎn)工藝中大多采用明膠作為增稠劑，但明膠形成的凝膠口感較硬、透光性差，會(huì)影響冰淇淋的品質(zhì)?？紤]到冰激凌包含較高濃度的可溶性固形物，因而LMP可在較低溫度下形成凝膠[60]?；谶@一性質(zhì)，LMP已被用于冰淇淋等冷凍甜點(diǎn)的加工生產(chǎn)，而且LMP形成的凝膠柔軟可口、透光性較好、質(zhì)地與冰淇淋相協(xié)調(diào)，同時(shí)風(fēng)味釋放特性優(yōu)良。

4.6 其他產(chǎn)品

除上述幾類食品外，LMP形成的凝膠也可作為脂肪替代物用于干酪和蛋糕的生產(chǎn)[61]。此外，LMP還可增加甜食、焙烤制品的光澤度。特別是，LMP屬于水溶性膳食纖維，其自身不僅對(duì)人體有良好的保健功能，而且近年來LMP在包埋益生菌等功能成分方面的潛力也得到了廣泛關(guān)注[62]，為LMP功能食品的開發(fā)提供了新思路。

5 結(jié)論

LMP和Ca2+的結(jié)合是誘導(dǎo)凝膠形成的主導(dǎo)因素，該過程不僅受LMP自身分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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LMP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(shí)際應(yīng)用LMP時(shí)，需根據(jù)具體的需求合理選擇LMP類型及凝膠形成調(diào)節(jié)。本文通過總結(jié)LMP的膠凝機(jī)理及影響其凝膠性質(zhì)的常見因素，并列舉了LMP在新型食品開發(fā)中的應(yīng)用實(shí)例，可為LMP在食品工業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。