原花青素與果膠相互作用對果蔬加工特性的影響

任佳琦，李福香，雷琳，趙吉春,2，李富華,2，明建,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學,食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

原花青素與果膠因其分布廣泛、具有生物活性而成為研究熱點。在完整植物細胞中，果膠與原花青素一般不會發生接觸，當細胞在外力作用下破裂時，二者得以接觸并發生相互作用。此時二者結構發生改變，進而引起其功能活性發生變化，最終將反映為功能特性的變化[1]。這種變化對于食品的營養價值、感官風味、后續精深加工等有非常大的影響。因此，深入研究二者的互作機制以及二者所處環境因素對其相互作用的影響十分必要。本文就原花青素與果膠互作機制、影響因素以及互作對果蔬加工的影響等方面進行綜述，以期為原花青素與果膠互作機制的深入研究與工業應用提供參考。

1 原花青素與果膠概述

1.1 原花青素

原花青素，又名縮合鞣質、縮合單寧；是一類以黃烷-3-醇為結構單元，通過碳碳單鍵聚合形成的類黃酮化合物，主要存在于水果和蔬菜細胞液泡中[2]。按照聚合度分類可分為單倍體(圖1)、寡聚體及多聚體(10個以上聚合)[3]。

原花青素具有較高的生物活性。蘋果中的原花青素具有降低膽固醇、防治心腦血管疾病作用[4]；還可以通過抗炎、抗氧化、調節信號分子表達、阻滯細胞周期、抑制血管生成、促使腫瘤細胞凋亡等作用來抑制腫瘤[5]。對于保護人結腸細胞膜的完整性和降低IL-8對炎癥反應的響應方面，高聚合度的原花青素作用效果優于低聚合度原花青素[6]。

A-兒茶素；B-表兒茶素；C-表沒食子兒茶素；D-表阿夫兒茶素圖1 原花青素單倍體化學結構[3]Fig.1 The chemical structure of haploid proanthocya[3]

1.2 果膠

果膠是一種廣泛存在于植物細胞壁的復雜多糖，由D-吡喃半乳糖通過α-1,4-糖苷鍵連接成長鏈，含有3個結構區域，分別是同型半乳糖醛酸聚糖(homogalaeturonan, HGs)、鼠李半乳糖醛酸聚糖I(rhamnogalacturonan I, RGs I)和鼠李半乳糖醛酸聚糖Ⅱ(rhamnogalacturonan Ⅱ, RGs Ⅱ)。根據酯化度不同，果膠分為高甲氧基果膠(酯化度≥50%)和低甲氧基果膠(酯化度<50%)[7]。

果膠具有多糖的生物活性，其生物活性片段可能是果膠衍生的半乳聚糖[8]。研究表明，蘋果果膠對于肥胖具有一定的抑制作用[9]；獼猴桃果膠可以改善腸道環境，使其有利于有益菌的生長[10]。具有不同結構特征的果膠，其理化性質差異顯著。改性果膠對于癌癥治療有著一定的作用[11]。果膠的甲基化水平會影響聚合物的疏水性，因此，果膠的甲基化程度可以調節自身與其他分子之間的相互作用[1]。

2 原花青素與果膠之間的相互作用

原花青素與果膠之間的相互作用對于果蔬加工影響很大。如果汁或果酒生產過程中，細胞破碎后，原花青素會自發結合到植物細胞壁多糖，二者相互作用產生不可逆多酚多糖復合物，形成“不可提取多酚物質”或“果渣”，很難被二次提取[12]，嚴重影響果膠作為膳食纖維的價值。研究表明，原花青素與果膠之間的相互作用可以由焓或熵單一或共同驅動，其相互作用存在著多種不同機制[2]。

2.1 非共價相互作用

非共價相互作用是指由氫鍵、疏水相互作用力、離子相互作用力等介導產生的相互作用。

研究發現，在pH 2.2～7，原花青素對細胞壁材料的吸附不受pH值變化的影響；且吸附作用隨著離子強度的升高而降低，隨溫度的上升而下降；尿素、二惡烷和乙醇可降低吸附作用，由此推斷原花青素與細胞壁物質之間存在氫鍵和疏水相互作用[13]。WATRELOT等[14]的研究結果也表明，果膠的甲基群與原花青素中二氫吡喃雜環(C環)之間存在疏水相互作用，原花青素與果膠形成聚合體是由熵驅動的。

原花青素與細胞壁之間的作用是一個快速而直接結合過程，原花青素在熱酸條件下會轉化為花青素[15]?；ㄇ嗨嘏c纖維素-果膠之間的相互作用分為兩個階段進行，第一階段存在少量偶然的結合位點，結合過程迅速但結合位點有限；在第二階段，隨著時間的推進，花青素與果膠之間結合位點逐漸暴露，二者之間的結合變得緩慢，但結合數量增多[16]。LIN等[17]在研究藍莓果膠與花青素的相互作用時，也得到了類似的結論。

2.2 共價相互作用

共價相互作用是指由共價鍵維系的相互作用力。

原花青素與果膠之間的氧化共價反應機理類似于多酚與蛋白質之間的鄰醌機制[1]。在酶促褐變反應中，共價相互作用是由原花青素的氧化反應所介導，原花青素雖然不是多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)的底物，但可轉化為相應的鄰醌。當細胞破碎后，PPO在氧分子存在的條件下，能夠通過一個可逆過程催化鄰二酚的單酚羥基化，然后將其氧化為親電性的鄰醌[18]，可以與多糖或蛋白質進行親核加成，形成共價鍵[19]。

梨、柑橘、蘋果等水果在長時間熱處理之后會變成粉紅色，這種現象可以在細胞壁-原花青素復合物中復制，且形成的復合物不能被酶制劑或溶劑重新提取，因此，認為有共價化合物的形成，推斷其可能的機制為：在加工過程中，原花青素中的黃烷鍵在熱酸條件下斷裂，終端單元以游離的黃烷-3-醇形式釋放，而中間的活潑碳正離子或通過自氧化產生花青素或與親核化合物(如細胞壁聚合物)反應形成共價鍵，從而生成多酚多糖復合物[20]。

2.3 影響原花青素與果膠相互作用的因素

2.3.1 原花青素結構

原花青素的基本結構、單體之間的連接方式、聚合度等都會顯著影響其與果膠之間的相互作用。

原花青素和細胞壁多糖之間的相互作用強度很可能取決于原花青素的結構因素，包括大小、形態、構象的流動性和靈活性[20]?；ㄇ嗨氐暮诵慕Y構含有糖基化葡萄糖或其他糖類，可被脂肪酸或芳香族化合物酯化，這些花青素衍生物通常被稱為?；ㄇ嗨?，具有更高的穩定性和抗水解性，可結合更多的果膠[16]。兒茶素、表兒茶素、表沒食子兒茶素和表阿夫兒茶素可通過一定的連接方式聚合形成原花青素，原花青素在熱酸條件下又可以轉化為花青素[3]。與細胞壁結合的原花青素的量隨著(+)-兒茶素含量的增加而增加[13]。WANG等[21]研究發現含有不多于3個羥基基團的類黃酮，羥基化有利于其吸附；沒食子?；瘯岣咂鋵Χ嗵堑奈?，酚酸的甲基化及甲氧基化則不利于多糖的吸附。

原花青素單倍體可通過C—O—C鍵(A型)或C—C鍵(B型)相互連接，形成不同聚合度的原花青素(圖2)。

圖2 柿子單寧的化學結構[23]Fig.2 The chemical structure of persimmontannins[23]

如蘋果、葡萄籽的原花青素是以表兒茶素(epicatechin, EC)為主要組成單元，以B型C4～C8黃烷鍵連接形成的多聚體，而柿子單寧則同時具備兩種連接方式[22]。

植物單寧中以C2-O-C7或C2-O-C5醚鍵相連的A型濃縮單寧，其結構比B型更細長、更堅固。MAMET等[23]研究認為果膠與B型縮合單寧的相互作用可能不同于與復合縮合單寧(同時具備A、B鍵)的相互作用。APPELDOORN等[24]研究發現原花青素的沒食子酸基團和A型鍵均可以增強原花青素與果膠之間的結合，這是由于A型結構中2β→O→7醚鍵具有更多的果膠結合位點，導致原花青素與果膠的親和力上升。

PONCET-LEGRAND等[25]研究發現低聚合度原花青素比高聚合度原花青素更易受自締合作用的影響，這種自締合作用趨勢可能會限制其與果膠的結合，因此具有較高聚合度的原花青素與果膠相互作用力更強[1]；這與LE BOURVELLEC等[26]的研究結果一致；CARN等[15]研究表明形成配合物的質量和結構也取決于原花青素的聚合度。

2.3.2 果膠結構

原花青素和細胞壁多糖之間的相互作用強度不僅取決于原花青素的結構，還與果膠的結構、鏈長和構象特征相關[20]。復合物的形成主要受氫鍵和疏水相互作用的控制，其中高聚合度單寧與高度甲基化果膠之間的相互作用最為強烈[23]，且相互作用的強度與果膠結構和構象特征有關。

果膠的HGs結構區域由α-1,4-糖苷鍵連接而成，具有不同程度的甲基化和/或乙?；?；RGs I中的鼠李糖殘基通常被半乳聚糖、阿拉伯聚糖或阿拉伯半乳聚糖I取代，半乳糖醛酸殘基可被乙?；?；RGs Ⅱ是非常復雜的多糖，其骨架是帶有4個不同側鏈的HGs；由至少12種不同的單糖以多于20種不同的鍵合方式連接而成[7]。

果膠的酯化可以增加鏈的柔韌性，使其與原花青素的結合更加容易[27]，但當果膠酯化度值小于61.25%時，渾濁蘋果汁模擬體系穩定性減弱，可能是由于脫甲基的同時使果膠失去了與兒茶素結合的部分氫鍵結合位點，或者與疏水相互作用有關[28]。果膠甲酯化程度越高，與原花青素之間的締合程度越高，且更加穩定，締和時間也更長[14]。WATRELOT等[2]研究發現原花青素與果膠的結合能力大小主要取決于果膠的中性糖側鏈，其結合能力排序為(鼠李糖+半乳聚糖)>(阿拉伯糖+I型半乳聚糖+木糖聚半乳糖醛酸)>I型半乳聚糖>(阿拉伯糖+Ⅱ型半乳聚糖)>阿拉伯聚糖[1]。

果膠由于空間位阻而具有較低的表觀飽和度，但果膠可以通過凝膠形成疏水口袋以捕獲原花青素[29]。果膠的線性部分允許原花青素的堆積或結合，阿拉伯聚糖側鏈往往比半乳聚糖鏈更易移動，在構象上限制了與原花青素的關聯[2]。具有較高果膠含量以及構象更加靈活的細胞壁與原花青素有著更高的結合度[30]，果膠的中性糖側鏈也影響其與原花青素的相互作用，柑橘果膠中山梨糖的含量高于蘋果果膠，使得前者結合原花青素的構象更加靈活[31]。

2.3.3 其他

除了原花青素與果膠自身的結構構象之外，pH、離子強度、溫度，蛋白質等大分子物質、細胞壁孔隙率等因素均會對二者的相互作用產生影響。

原花青素與果膠相互作用強度隨溫度的上升而下降，隨離子強度的升高而降低[13]。BRAHEM等[32]研究發現不同品種的成熟梨果實汁液的初始多酚含量較過熟梨汁中的含量均有所下降，是因為當細胞壁失去阿拉伯糖和半乳糖之后，對原花青素具有更強的親和力。ZHAO等[33]研究發現pH會影響果膠的帶電狀態，引起果膠-麥醇溶蛋白-兒茶素體系穩定性發生變化。LIBI等[34]研究發現富含鐵的果膠與多酚更易結合，認為在關于果膠與多酚相互作用的研究不可忽視食品中含有的金屬離子。

蛋白質等大分子的存在也會對原花青素與果膠的反應產生影響。一些多糖類物質(如果膠)可以顯著增加單寧濃度，而有些則會降低單寧濃度，這可能是由于體系中形成了多糖-單寧復合物或者是單寧與蛋白質競爭與多糖相互反應所致[35]。環境中的多糖分解酶可以降低原花青素對細胞壁的吸附量，促進細胞壁多糖降解和釋放，部分釋放的多糖還可與原花青素反應[36]。細胞壁孔隙率的改變也會影響自身對原花青素的吸附?？紫堵试黾訉⒋龠M高聚合度原花青素分子滲透到更開放的細胞壁網絡，提高其對高分子量單寧的吸附[37]。蘋果細胞壁在100℃劇烈干燥過程中，孔隙率降低，三維結構改變，因此，原花青素對蘋果細胞壁的親和力下降[13]。

3 相互作用對果蔬加工特性的影響

總體來看，原花青素與果膠之間的相互作用可以提高原有功能特性或者獲得新的功能，這對于改善食品品質、提升食品營養價值、增強食品風味，以及作為功能性食品配料在食品工業中的應用等方面有著重要意義。

3.1 對感官特性的影響

脫澀是果蔬加工中十分必要的工序。單寧與高、低甲氧基的果膠反應，能夠有效提高兩種果膠的凝膠能力，同時形成的復合物可以降低水果的澀味[22]。SYMONEAUX等在模擬蘋果酒體系中發現原花青素含量對于苦味澀味有很大影響，在果酒制作中適當添加果膠可以降低果酒入口后單寧與口腔中蛋白質相互作用產生的澀味[38]。使用果膠作為載體包封多酚有望解決部分多酚澀味重、水溶性差等缺點，對于食品及醫藥行業均有所參考[39]。

對于果汁果酒等不穩定體系，細胞壁與原花青素形成的復合物可作為一種替代動物蛋白的新型澄清劑[18]。與蘋果汁渾濁有關的多酚是原花青素[28]，在模擬渾濁蘋果汁體系中，果膠能夠與蛋白質競爭結合原花青素單體兒茶素，使得體系不易形成較大的顆粒，增強體系穩定性[29]。果膠、EGCG的存在在一定程度上提高了乳鐵蛋白的熱穩定性，三者的三元復合物可以顯著提高β-胡蘿卜素乳液的物理穩定性，同時抑制乳液中β-胡蘿卜素降解，提高其化學穩定性[40]。

3.2 對功能特性的影響

在果實破壁、打漿等過程中，果蔬細胞破裂使果膠與原花青素發生接觸。研究表明果膠與原花青素、兒茶素等多酚混合后具有協同抗氧化的效果[41]，還能增強二者的抗癌活性[42]。OLIVEIRA等[43]也得出相似的結論，并認為一些食物成分與生物活性成分形成的復合物可以增強它們的穩定性，保護其在胃腸消化中免于降解而更易在體內吸收。梁迪等[44]研究發現添加了多酚后的蘋果果膠多酚復合膜液由于多酚與果膠形成的分子間氫鍵，其黏度會顯著增加且具有更強的機械強度及抗氧化能力，對于食品保鮮涂膜方面具有一定應用前景。多酚多糖復合物還具有抗凝血、抗氧化、抗輻射、止咳等特性[45]。如黑木耳多糖與原花青素組合可以提高機體抗氧化狀態及免疫能力，通過線粒體凋亡途徑來抑制脾臟細胞凋亡，對輻射誘導氧化損傷顯示出協同防護功效[46]。因此認為可以將復合物作為一種新型食品營養添加劑進行研究。

3.3 對生物利用度的影響

有效提高制品的生物利用度可以大大提升果蔬加工制品的營養價值。研究表明原花青素和果膠等膳食纖維相互作用可以減少對多糖的發酵，提高原花青素的代謝[47]。原花青素與細胞壁成分的結合可能對食物基質中的酚類化合物以及膳食蛋白等的生物利用度具有一定的影響[48]。與細胞壁相連的原花青素在腸道的上半部分生物利用度差，但在結腸處可成為細菌菌落的可發酵底物被轉化為活性代謝物[49]。MATTILA等[50]研究發現原花青素與細胞壁之間的相互作用會影響腸道微生物菌群對原花青素的代謝作用。聚合度較高的原花青素分子能夠抑制微生物將其轉化為酚酸，同時抑制碳水化合物轉化為短鏈脂肪酸，但這種抑制在食物基質的存在下減弱，可能是由于細胞壁將原花青素轉化為活性代謝物，成為結腸微生物的營養物質所致。

4 展望

在食品加工過程中，原花青素與果膠之間的相互作用不可避免。隨著研究技術手段的不斷發展，關于原花青素與果膠之間相互作用機制的研究日趨深入。其中，有關非共價互作機制方面的研究較多，而針對共價互作的研究以及在果蔬加工應用方面的報道相對較少。因此，未來關于原花青素與果膠之間的相互作用方面的研究應著重關注以下幾個方面：(1)深入理解和量化原花青素與細胞壁之間的相互作用對果蔬加工過程的影響，以及加工條件對原花青素與果膠互作的影響；(2)原花青素-果膠復合物作為新型食品添加劑對于果汁果酒品質口感成型等方面的研究；(3)原花青素-果膠復合物在腸道的消化吸收、轉運、代謝情況，以及對腸道微生物群落的影響；(4)深入研究原花青素-果膠之間的共價作用機制，確認共價鍵的存在，明確兩者之間確切的結合位點和連接方式，完善理論研究體系。