果胶酶及其在食品加工中的应用研究进展

摘要：果胶酶（pectinase）是指能够催化果胶质分解的多种酶的总称，其广泛存在于植物果实中。微生物中的细菌、放线菌、酵母菌和霉菌都能代谢合成果胶酶。该文综述了果胶酶的分类、产果胶酶菌种的选育、发酵工艺及其果蔬汁澄清、改善果酒品质、提取生物活性成分等食品加工领域中的应用，并对果胶酶的研究发展方向进行了展望，以期为果胶酶的进一步应用提供理论指导。

关键词：果胶酶；食品加工；应用

果胶是一种高分子多糖化合物，作为细胞结构的一部分，几乎存在于所有的植物中。它主要由半乳糖醛酸及其甲酯缩合而成，此外还含有鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖等。根据从植物细胞壁中提取方式的不同，果胶可分为三类：水溶性果胶、螯合剂可溶性果胶和原果胶。果胶酶是指能够催化果胶质分解的多种酶的总称，其广泛存在于植物果实中。微生物中的细菌、放线菌、酵母菌和霉菌都能代谢合成果胶酶。目前市售食品级果胶酶主要是由黑曲霉发酵生产的[1-4]。作为世界四大酶制剂之一，果胶酶在果汁澄清、榨汁、酿酒、榨油等食品行业应用十分广泛，此外，果胶酶还在纺织、医药、造纸、环境、生物技术、饲料等领域有所发展[5-6]。近年来，国内外对果胶酶的研究已经进入了分子生物学水平，已从许多种属微生物中克隆了果胶酶基因和测序，并对果胶酶基因的结构、功能、调控及其表达产物结构与性能等方面进行了探索。我国对果胶酶的需求量很大，但国内果胶酶的发展却较缓慢，且通常是将果胶酶单一使用，这限制了果胶酶的应用范围及效果。本文主要综述了果胶酶的分类、产果胶酶菌种的选育、发酵工艺以及果胶酶在果蔬汁澄清、改善果酒品质、提取生物活性成分等食品加工领域中的研究及应用，以期促进果胶酶产业的发展。

1 果胶酶

1.1 果胶酶的分类

根据作用半乳糖醛酸的方式不同，果胶酶可以分为：果胶水解酶（pectinhydrolases）、果胶酯酶（pectinesterases）、果胶裂解酶（pectin lyases）和原果胶酶四大类[7-8]。果胶水解酶发现较早，这类酶可以水解D-半乳糖醛酸的α-1,4糖苷键；果胶裂解酶是通过反式消去作用使糖苷键断裂，该酶作用底物的糖苷键在邻近羧基或酯化的羧基一边发生β消除；果胶酯酶是通过切除甲基促进果胶酯的水解，生成果胶酸[9-11]。果胶酶按其作用最适pH值又可分为酸性果胶酶和碱性果胶酶。食品行业中应用较多的是酸性果胶酶，碱性果胶酶目前主要在纺织、造纸等领域有所应用。

1.2 果胶酶生产菌种的选育

很多学者在果胶酶的菌种选育方面做了大量研究工作，主要有诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等技术。陈勇强等[12]以产果胶酶菌株黑曲霉（Aspergillus niger）YQ-13为出发菌株，通过紫外与氯化锂复合诱变反复处理，最终获得1株能够稳定遗传的突变菌株YQY-36，其果胶酶活力比出发菌株提高了2.44倍。刘连成等[13]通过聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）扩增的方法，从地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）DG-3菌株中扩增出碱性果胶酶的结构基因PelA，对其进行序列分析表明，所获基因与已报道的B.licheniformis14A菌株的PelA基因的同源性为100%。将PelA基因在大肠杆菌中表达，可发酵产生碱性果胶酶。DOREEN H等[14]采用紫外线和亚硝基胍复合诱变处理酱油曲霉，获得了一株果胶酶产量高的突变株ATCC 20235，其产酶能力比出发菌株提高了2.4倍。国内微生物果胶酶的酶活力还较低，这制约了果胶酶产品的应用，选育适合实际生产需要的菌株，将使果胶酶在工业生产方面有更广阔的应用空间。

1.3 微生物果胶酶的发酵生产

果胶酶的生产主要是通过微生物发酵制备而成，目前国内外研究和应用较多的果胶酶产生菌是细菌和霉菌，也有链霉菌产生果胶酶的报道。在细菌中，欧文氏杆菌（Erwiniasp.）、芽孢杆菌（Bacillussp.）、节杆菌（Arthrobacter sp.）和假单胞杆菌（Pseodomonassp.）都产生果胶酶。嗜碱性芽孢杆菌属（Bacillus basophilus）和欧文氏杆菌属主要用于在苎麻和红麻的脱胶、生物制浆及污物的处理软化等方面，应用前景可观，受到较多地关注和研究。已见报道的产果胶酶的霉菌种类大约包括20个属，如曲霉属（Aspergillussp.）、灰霉菌属（Botrytissp.）、镰孢菌属（Fusarium sp.）、炭疽菌属（Colletotrichumsp.）、核盘菌属（Scletorium sp.）和玉圆斑菌属（Cochliobolussp.）等。国内外对霉菌发酵产果胶酶的研究主要集中在曲霉属中，研究最多的是黑曲霉（Aspergillus niger）。

果胶酶的发酵生产主要有固态发酵和液态发酵两种形式。液体发酵通常采用果胶质作为诱导物，徐勇等[15]以脱汁橘皮粉为诱导物，在摇瓶液体发酵的条件下研究了里氏木霉（Trichoderma reesei）合成果胶酶的规律，发酵48 h，果胶酶活力最高值达到32.6 μmol/（min·mL）。但一些菌株的发酵中，作为培养基的果胶却抑制了产酶。MALDONADO M C等[16]从腐烂柠檬中分离获得了一株黑曲霉，其能够合成聚半乳糖醛酸酶和果胶酯酶，葡萄糖和果胶均是其产酶的抑制物，只有糖含量降至低于菌体生长所消耗的水平，其对产酶的抑制才得以解除。固体发酵则以麸皮、稻草等植物秸秆及橘皮、香蕉皮等工农业废弃物为主要原料[17-19]。有研究表明，同一菌株分别采用固体发酵和液体发酵生产果胶酶，相比较固体发酵可获得更高的果胶酶产量[20-21]；另外，固体发酵生产的果胶酶其特性更稳定，如具有较好的pH和热稳定性以及受分解代谢阻遏影响更小，因此，对固体发酵生产果胶酶的研究和应用也较深入。SCHMIDT O等[22]对黑曲霉在30 L搅拌通气发酵罐中的生长及产酶模式进行了研究，酶的合成主要发生在两个阶段，第一阶段与菌体生长相关，在菌体达到对数生长期时结束；第二阶段与菌体生长不相关，发生在分解代谢阻遏的结束期。将泡盛曲霉（Aspergillusawamori）IFO4033培养于麸皮固体培养基中，以柠檬和苹果分别作为底物测定原果胶酶活力，研究发现，24 h原果胶酶活力达到最大，聚半乳糖醛酸酶活力则在48 h达到最高值。在培养过程中原果胶酶对柠檬和对苹果为底物的酶活力不同，由此推测，培养体系中至少存在两种底物特异性不同的原果胶酶[23]。随着探索的深入，能够作为固体发酵培养基的原料更加广泛。李祖明等[24]以甜菜渣为碳源和酶的诱导物以及棉粕作为氮源，采用克劳氏芽孢杆菌（Bacillus clausii）固体发酵生产果胶酶，酶产率可达4 780 U/g（干甜菜渣）。韦璐等[25]以香蕉皮及麸皮为主要原料，黑曲霉CICC40493为发酵菌种，研究了固态发酵果胶酶的培养基配比，在优化的培养条件下获得的果胶酶总活力为10 853.54 U。发酵是菌种产生代谢产物的主要环节，对于果胶酶工业生产，固体培养由于生产成本低，培养物易于分离等优势，仍将在果胶酶生产中占主导地位。

2 果胶酶在食品工业中的应用

2.1 果蔬汁澄清

利用果胶酶澄清果蔬汁由来已久，早在20世纪30年代已有所应用。通常果蔬汁产品都有浑浊、沉淀的现象，不仅会影响产品外观，而且还直接影响到果蔬汁的质量和稳定性。因此，在加工过程中都要进行澄清处理。果胶酶澄清果蔬汁作用包括果胶的酶促水解和非酶的静电絮凝两部分，在果胶酶作用下果蔬汁中的果胶部分水解后，原本被包裹在内部的部分带正电荷的蛋白质颗粒暴露出来，随后与带负电荷的粒子相撞发生絮凝。絮凝物在沉降过程中，果胶酶又起到吸附、缠绕果蔬汁中的其他悬浮粒子作用，通过离心、过滤，可将絮凝物除去，从而达到澄清的目的。辛建刚等[26]选用果胶酶PECTINEX+BE XXL处理西番莲果汁，研究了果胶酶处理工艺对果汁的出汁率和可溶性固形物含量的影响，采用优化的工艺条件，可得到澄清透明、不含果胶的澄清果汁。SAGU S T等[27]研究了果胶酶提取澄清香蕉汁的工艺，在33℃，0.03%（V/W）酶浓度条件下，酶解108 min，澄清香蕉汁中钾含量达到1 400～1 630 mg/L，并建立了果胶水解动力学方程，其遵循一级反应动力学，为工业生产中果胶水解工艺的控制提供了理论指导。应用果胶酶对果蔬汁进行处理，能够大幅度降低果蔬汁中胶体含量，从而降低果蔬汁黏稠度，提高过滤效率，果蔬汁的澄清和过滤是酸性果胶酶的重要应用。

2.2 改善果酒的品质

果酒酿造中使用果胶酶可以降低酒体粘稠度、提高出汁率和澄清度、提高香气物质和色素，丹宁的浸出率，从而提高呈色强度、增加酒香、增强酒体的丰满度，改善酒的品质。MARIEAGNÈS D等[28]考察了果胶复合酶处理对Merlot红葡萄酒中多酚和多糖物质组成的影响，研究表明，果胶酶降解了葡萄果实的细胞壁，改善了释放到葡萄酒中多糖的分子质量分布，酶处理提高了葡萄酒中鼠李糖半乳糖醛酸聚糖Ⅱ含量，降低了阿拉伯糖和半乳糖含量；另一方面，酶处理改善了酒体中多酚类物质的组成和呈色强度。邹雪等[29]研究了不同浓度果胶酶对蓝莓半甜红酒风味成分的影响，结果表明，添加果胶酶处理后蓝莓半甜红酒的总酸、甲醇、杂醇油比未添加果胶酶时均有所提升；酒精度、色度值以及单宁、甲醇含量均随着果胶酶浓度的增高而增高；处理后酒体澄清透明有光泽，香气浓郁，明显优于未添加果胶酶的蓝莓半甜红酒和日本半甜蓝莓红酒。李媛等[30]以蓝莓和紫薯为原料，对果胶酶解条件和蓝莓紫薯复合果酒的发酵工艺进行了研究，确定了果胶酶酶解的最佳条件，即果胶酶用量为0.03%，酶解温度为35℃，酶解时间为80min，发酵温度为24.4℃，条件优化后原酒酒精度为13.3%vol。综上所述，在果酒酿制中使用果胶酶，可以增加天然色素的提取量，改善酒的色泽与风味，增加酒香，并可产生起泡酒，对提高酒的质量有重要作用。

2.3 提取生物活性功能成分

大多数高活性的天然成分在细胞内的含量远远高于在细胞间隙中的含量，因此破坏细胞壁是促进天然产物提取的关键。果胶酶能降解植物材料使细胞壁结构松散，甚至能完全水解植物材料，将活性成分释放。与超声波和微波辅助提取比较，酶法提取投资成本和能耗较低、性价比高的优势。由于酶法提取可以在常温和非有机溶剂下进行，所以得到的产物纯度、稳定性及活性都较高。另外，酶法提取的同时，还可以对某些活性成分进行改性和转化，生成产物具有更强的生物活性[31-32]。刘慧等[33]将超声波与果胶酶共同作用应用于提取山楂汁类黄酮，相比传统乙醇浸提方法，果胶酶法提取类黄酮可以缩短提取时间，更加有效地增加山楂汁中类黄酮物质的含量，提高山楂汁品质。崔春兰等[34]以苹果渣为原料，采用果胶酶辅助提取技术，优化了果胶酶辅助提取苹果渣中总多酚和咖啡酸的工艺，确定了最佳提取工艺参数为酶/基质比0.11，反应温度38℃，反应时间12.53 h。CLAVER I P等[35]探索了提取温度对果胶复合酶提取多糖的影响，研究结果表明，温度从30℃升高至60℃的过程中多糖提取率不断提高，温度提高至80℃，提取率明显下降。提取水溶性活性成分的方法主要有：水浸提法、渗透法、超声波法和酶法等，酶法作用条件温和，操作相对简单，由于成本及提取率的限制，目前果胶酶在生物活性功能成分提取中主要起辅助作用。

2.4 茶和咖啡发酵

在茶的发酵过程中果胶酶与纤维素酶、多酚氧化酶和蛋白酶等共同作用，催化茶叶中相关物质的转化，与发酵茶甘醇、厚滑等口感的形成密切相关[36]。杨富亚等[37]研究了在复合酶制剂的作用下普洱茶渥堆过程中部分理化成分的变化及对普洱茶品质的影响，结果表明，联合应用果胶酶、多酚氧化酶、蛋白酶等制成的复合酶制剂，在一定浓度下有利于普洱茶中水浸出物、茶多酚、可溶性糖的增加，有助于普洱茶品质的形成，并可缩短渥堆发酵时间。此外，在咖啡发酵过程中利用产碱性果胶酶微生物除去咖啡豆的表皮，以及添加碱性果胶酶来去除含大量果胶质的果肉状表层[38]。目前，茶叶发酵过程中的果胶酶是由渥堆生产中自然接种的微生物而分泌的，如何将工业生产的果胶酶直接应用于茶叶加工过程中，还鲜有报道。

2.5 油脂提取

采用纤维素酶、半纤维素酶及果胶酶等生物酶制剂来破坏油料的细胞壁结构，可有效提高蛋白质和油脂的提取率。与传统方法相比，采用酶法提油具有油脂得率高，操作条件温和，品质好，易于后续精炼，工艺路线和技术设备简单，能耗低等优点[39-41]。徐效圣等[42]研究了中性蛋白酶、碱性蛋白酶、纤维素酶、果胶酶等单独使用和复合使用对核桃油提取率的影响，复合酶处理核桃油的提取率高于单酶处理，对核桃提油率的工艺条件进行优化，核桃提油率可达54.2%。罗明亮等[43]研究了纤维素酶、果胶酶、淀粉酶、中性蛋白酶和半纤维素酶单因素及其复配酶对提取蓖麻籽总油和清油提取率的影响。结果表明，中性蛋白酶+果胶酶的总油提取率最高，为86.93%。果胶酶作为复合酶的组分之一在油脂提取中起着重要作用，但酶催化效率低，抗逆性差是限制酶法提取油脂规模化应用的因素。如何获得能够满足工业化需要的复合酶是亟待解决的问题，而采用酶人工改造技术改善酶的催化性能将是酶在油脂提取中的研究方向。

3 结论及展望

目前果胶酶研究已发展到分子水平，由从自然界中筛选、分离发展到诱变和基因工程等多种手段相结合。分离纯化方法的发展也推动了对果胶酶特性的研究。随着对果胶酶应用研究的日益深入，其在食品中的应用领域也由传统的果汁澄清、提高出汁率、去壳逐渐拓宽至活性功能成分的提取、茶和咖啡发酵、油脂提取等领域，并且由应用的单一酶逐渐发展至与其他酶类复合使用，解决复杂的问题。未来在果胶酶的研究领域中对菌种的改良选育、发酵机制、果胶酶特性的探索仍会占主导地位，也将会有更多的研究者致力于对果胶酶分子水平上的调节机制，酶的诱导、抑制、激活、阻遏以及不同果胶酶对果胶质底物的作用机制的研究。通过本文对果胶酶生产及应用的综述，为深入研究果胶酶的性质，提高果胶酶活性，缩小我国与国外果胶酶产品的质量及拓宽果胶酶应用范围提供借鉴。

参考文献：略

中图分类号：TS201.3

文章编号：0254-5071（2017）03-0010-04

doi：10.11882/j.issn.0254-5071.2017.03.003

收稿日期：2017-12-17

基金项目：黑龙江省自然科学基金项目资助（E201345）

（田英华，刘晓兰，郑喜群，杜国军  齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006）

作者简介：田英华（1975-），女，副教授，硕士，研究方向为麻类纤维的生物处理。

文章来源微信公众号:食品研究