李倩倩 付佳璇 趙玉梅 曹建康*

（1中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院 北京 100083

2北京聯(lián)合大學應用文理學院 北京 100191）

果膠是存在于高等植物初生細胞壁和中膠層中的一種酸性多糖物質。果實質地變化與果膠的代謝密切相關。一般地，在后熟軟化過程中，果實細胞壁果膠逐漸降解，引起細胞壁結構的完整性受到破壞，使果實質地出現(xiàn)軟化。本文綜述果膠分子的化學結構和基本結構模型、組分與含量、后熟軟化過程中果膠降解模式等，為深入研究果膠與果實質地變化提供參考。

1 果膠分子化學組成與結構模型

果膠是由β-D-半乳糖醛酸（β-D-Galacturonic Acid，GalA）通過α-1，4-糖苷鍵相互連接而成的部分甲酯化的多聚物。多聚半乳糖醛酸鏈構成果膠分子的基本主鏈骨架，在主鏈上還往往連接有大量的由中性糖組成的側鏈。果膠側鏈富含α-L-鼠李糖（α-L-Rhamnose，Rha）、α-L-阿拉伯糖（α-L-Arabinose，Ara）、 β-D-半乳糖（β-D-Galactose，Gal）等 20余種中性糖[1-2]。根據(jù)果膠分子結構中主鏈和側鏈的組成不同，可以將其分為同型半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturonan，HG）、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-Ⅰ（Rhammogalacturonan-I，RG-Ⅰ）、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-Ⅱ（Rhammogalacturonan-Ⅱ，RG-Ⅱ），以及木糖半乳糖醛酸聚糖（Xylogalacturonan，XGA）和芹菜糖半乳糖醛酸聚糖（Apiogalacturonan，AGA）[3]。這些不同果膠多聚物之間大多以共價鍵相連。關于它們之間的連接方式，目前已提出多個模型。Visser等[4]認為HG、RG-I和RG-II形成了一個連續(xù)的構架，其中，由線性HG構成的“光滑區(qū)”和由RG-I和RG-II構成的“毛發(fā)區(qū)”交替存在（圖1a）。Vincken 等[1]提出了另一種模型，即RG-I作為主鏈，HG及阿拉伯糖和半乳糖為長側鏈（圖1b）。另外，Yapo[5]還提出了一種“l(fā)iving thing-like”模型，認為果膠分子的主鏈結構是由兩個線型的HG和一個RG-I交替連接。

1.1 HG

HG是由約100～200個β-D-半乳糖醛酸殘基通過α-1，4-糖苷鍵相連接而成的線性果膠分子（[（1→4）-α-D-GalA]n），是細胞壁中含量最多的果膠多聚物，約占細胞壁總果膠的60%～65%。其中，有些半乳糖醛酸殘基C-6羧基會被甲酯化（圖1a），有些半乳糖醛酸殘基O-2或O-3可能會發(fā)生乙?；痆6]。HG鏈的甲酯化程度和形式在很大程度上決定了果膠的功能特性[7-8]。未被甲酯化的β-D-半乳糖醛酸殘基帶負電荷，會與Ca2+通過離子鍵發(fā)生交聯(lián)。當10個以上未酯化的半乳糖醛酸殘基與鈣離子相連時即可形成一個穩(wěn)定的凝膠結構，這種HG-Ca模型又被稱為 “蛋殼模型”[8]（圖2）。但是，乙?；鶊F的存在會阻礙HG與Ca2+的連接。果膠分析結構中的HG與細胞壁多孔性、完整性和機械強度都密切相關；HG-Ca模型在增強細胞壁機械強度、增加細胞之間的相互粘附方面具有一定作用。

圖1 果膠的基本結構模型[9]Fig.1 The basic structure of pectin

圖2 HG-Ca連接而成的蛋殼模型[9]Fig.2 The ‘Egg model’ derived from the crosslinking of HG-Ca

1.2 RG-I

RG-I是一類含有較多復雜結構側鏈的果膠多聚物。RG-I是由β-D-半乳糖醛酸和α-L-鼠李糖通過α-1，2-和α-1，4-糖苷鍵連接的重復二糖單元（[→a-D-GalA-1，2-α-L-Rha-1，4→]n）構成主鏈骨架，約有一半的鼠李糖殘基在C-4上帶有富含多聚半乳糖或多聚阿拉伯糖的側鏈[10]（圖1a）。RG-I約占細胞壁總果膠的20%～35%。RGI中的半乳糖醛酸殘基在O-2或O-3上也可能會被乙酰化。在莧科類植物（如甜菜和菠菜）中，RGI側鏈上的阿拉伯糖殘基和半乳糖殘基能分別與阿魏酸在O-2和O-6上發(fā)生酯化反應，這些阿魏酸酯能夠進行氧化耦合反應，進而形成脫氫二聚體，以進一步形成果膠網(wǎng)狀結構[11]。RG-I和木葡聚糖之間還可以通過共價鍵連接，形成穩(wěn)定性的結構[12]。

1.3 RG-II

RG-Ⅱ在細胞壁果膠中所占比例約為10%[6]。它由約7～9個半乳糖醛酸殘基相互連接形成主鏈骨架，帶有5個固定的側鏈基團。這些側鏈由富含鼠李糖的多聚糖構成，含有12種不同的糖基，包括一些稀有糖類，如2-O-甲基木糖、2-O-甲基海藻糖、槭汁酸、2-酮-3-脫氧-D-來蘇庚酮糖酸和2-酮-3-脫氧-D-甘露辛酮糖酸等[13-14]。RG-II分子是自組裝起來的，硼酸鹽可通過硼酯鍵與側鏈中的芹菜糖殘基（Apiose，Apif）相連接形成RG-II果膠多糖二聚體[15]。

1.4 XGA和AGA

XGA是HG中的半乳糖醛酸殘基在C3位置被 D-木糖殘基取代（[Xylp-（1，2）-Xylp-（1，3）-GalpA]）形成的分支結構，主要存在于大葉藻科海草和豆科植物中。AGA也是HG中半乳糖醛酸殘基在C2或C3位置被D-芹菜糖取代形成的芹菜糖聚半乳糖醛酸，主要存在于水生植物如浮萍和海草中[6]。

2 采后果實果膠含量的變化

不同種類果實的果膠含量差異很大（表1）。其中，柑橘皮、甜菜根和蘋果渣中果膠含量較高，是商業(yè)果膠的主要來源。果實的發(fā)育成熟、與衰老程度對果膠含量有較大影響。一般地，成熟度較低的果實果膠含量較高，而成熟高的果實果膠含量較低?！癎ala”蘋果在花后70 d總果膠含量最高，在之后發(fā)育過程中一直降低，在采后貯藏20周時進一步降低[16]。高成熟度的“Friar”李總果膠含量比中成熟度的低[17]。此外，不同果實組織中果膠含量也有較大差異。果皮、果渣的果膠含量比其果肉部分果膠含量高，如柑橘[18]、柚子[19]、西葫蘆[20]、百香果[21]、木瓜[22]等果實果皮中果膠含量都相比果肉中較高。蘋果[23]、番茄[24]、甘薯[25]和辣椒[26]等加工廢渣中果膠含量也很高，頗具利用價值。但是，有些果實果肉卻含有較豐富的果膠，如蘋果[16]、李[17，27]、梨[28]、南瓜[29]、胡蘿卜[30]等。

果膠的提取、分離方法對果膠含量也有較大的影響，同時還極大地影響果膠的得率和提取效率。果膠提取的方法主要有傳統(tǒng)酸提法、堿提法、酶法、微生物法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法、離子交換法、草酸銨提取法等（表1）[38]。果膠含量的數(shù)值還受到測定方法的影響。目前，果膠的測定方法主要有咔唑比色法和間羥基聯(lián)苯法（表1）。利用強酸將果膠水解生成半乳糖醛酸單體，與咔唑試劑發(fā)生縮合反應生成紫紅色化合物，該化合物呈色強度與半乳糖醛酸溶液濃度成正比，可利用半乳糖醛酸含量來表示果膠含量。但果膠中的中性糖可與硫酸-咔唑形成棕色衍生物，干擾測定結果的準確性[39]。后來用間羥基聯(lián)苯取代咔唑試劑，測定結果誤差有所減小，但各文獻報道差異較大[40-41]。

表1 采后果實果膠含量Table 1 Pectin contents in some fruits

3 采后果實中不同溶解性果膠組分的變化

由于果膠在細胞壁中存在狀態(tài)不同，表現(xiàn)出了不同的溶解性[42]。用熱乙醇溶液蒸煮果實原料以去除不溶性糖分，得到細胞壁乙醇不溶物（Alcohol insoluble residues，AIR）。利用水或苯酚、乙酸和水的混合液（Phenol/Acetic acid/Water，PAW）溶解AIR即可得到水溶性果膠（Water-soluble pectin，WSP）。WSP主要為那些能溶解在細胞質和細胞間隙溶液中的果膠組分。再利用螯合劑（一般為EDTA）從沉淀物中溶解所得的果膠為螯合劑溶解性果膠（Chelate-soluble pectin，CSP），主要為那些與細胞壁其它成分以離子鍵或氫鍵相結合的果膠，還有以鈣橋結合在“蛋殼模型”中的果膠。CSP又稱離子結合型果膠，主要位于中膠層，其中的多聚半乳糖醛酸含量很高。最后再用Na2CO3溶液從沉淀物中提取堿溶性果膠（Sodium carbonate-soluble pectin，SSP），主要是以共價鍵和纖維素等細胞壁成分緊密結合的果膠。SSP又稱共價結合型果膠，主要位于初生壁中，其中的RG-I含量較高，所以中性糖與糖醛酸之比值較高[43]。

果實在采后質地軟化過程中，WSP含量往往顯著上升，有的果實CSP含量也會上升，相應地，與細胞壁緊密結合的SSP含量一般會減少[43-45]。如梨在貯藏18d后WSP含量為采收時的2.3倍，CSP含量為采收時的2.9倍，而SSP含量卻下降了72%[28]。西葫蘆在貯藏過程中外果皮WSP和CSP含量均有所上升，而SSP含量下降[20]。梨采后軟化過程中，SSP可轉變形成WSP，經(jīng)長期貯藏后WSP又可進一步分解成小分子物質脫離出細胞壁物質[46]。然而有些果實如某些品種的桃[47]、棗[48]等，在采后質地變化過程中，各種溶解性果膠組分含量均有所上升，但WSP含量上升幅度仍最大。還有些果實各果膠組分變化不明顯，如某些品種的蘋果，從貯藏初期到衰老過程中，果膠各組分變化很小[49]。相反，有些果實如番茄[50]、草莓[51]等在后熟軟化過程中SSP含量上升幅度很大，而WSP和CSP上升幅度則較小?？梢姡麑嵓毎谥胁煌芙庑怨z代謝模式并不是此消彼長的關系。在果實成熟軟化過程中，細胞壁組分（包括果膠）會發(fā)生溶解、側鏈斷裂、解聚、去甲酯化、直接降解和溶脹等多種變化，從而影響果實質地變化的模式。

4 采后果實果膠中性糖組成變化

不同溶解性果膠組分的中性糖組成都是以半乳糖、阿拉伯糖和鼠李糖為主，還有甘露糖、木糖、葡萄糖和巖藻糖等[50]（圖1）。中性糖主要存在于RG-I和RG-II的側鏈中。中性糖鏈通過化學鍵與半纖維素、纖維素等相結合從而將果膠分子錨定在細胞壁上[12，52]。果膠分子間也會通過中性糖側鏈發(fā)生物理纏繞。果實后熟軟化過程中，在細胞壁β-糖苷酶作用下，果膠側鏈中性糖會被水解而丟失，果膠多聚物會逐漸解聚和降解，果膠與細胞壁成分的結合力減弱，進而為果膠水解酶作用于其底物打開了接觸的通道，間接誘導了降解物片段逐漸溶解[53]。

不同溶解性果膠組分的中性糖含量變化有較大差異。綠熟番茄SSP中中性糖主要為半乳糖、鼠李糖和阿拉伯糖等，它們的含量都遠遠高于WSP和CSP組分中相應的中性糖含量[50]。但在貯藏過程中，番茄WSP中性糖含量顯著增加，CSP中性糖含量也有所增加，而SSP中性糖含量卻顯著減少[50]。西葫蘆在采后14 d內，WSP中性糖含量先上升再下降，變化幅度不大，CSP中性糖含量緩慢下降，而SSP中性糖含量急劇下降[20]。不同種類的中性糖，變化趨勢也不一致。如獼猴桃在成熟過程中，鼠李糖含量上升，阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、木糖、葡萄糖和海藻糖含量均下降[32]。然而，在有些果實中，中性糖減少與果膠降解沒有直接關系，例如，當李果實中果膠大量降解時，阿拉伯糖和半乳糖并沒有明顯減少；當蘋果和沙梨中半乳糖大量減少時，果膠也并沒有發(fā)生顯著降解[54]。

5 采后果實果膠多聚物的解聚

原子力顯微鏡（AFM）技術的發(fā)展為研究果膠多聚物納米結構的變化提供了有力的工具。利用AFM技術可得到果膠多聚物樣品表面的三維立體圖像，通過對圖像的解析可獲得果膠分子納米結構特征[65]。表3列舉了一些果實中不同溶解性果膠組分的鏈長以及鏈寬。在果實質地軟化過程中，果膠多聚物會在一系列細胞壁水解酶的作用下發(fā)生解聚，主要表現(xiàn)為聚合物的數(shù)量減少，果膠鏈長度變短，果膠鏈寬度縮小。其中，以SSP組分中果膠多聚物納米結構的變化最為顯著。如未成熟櫻桃比成熟果實果膠擁有更寬和更長的SSP鏈，SSP片段數(shù)量更多并且纏繞得更緊密[56]。Yang等[59]分析了兩種不同質地（軟質和脆質）的桃果實中3種組分果膠多聚物分子納米結構，發(fā)現(xiàn)最大的區(qū)別在于兩種類型果實的SSP長度不同，脆質桃果實SSP長度（249 nm）比軟質桃的（57 nm）長得多。另外，脆質桃果實CSP和SSP果膠鏈帶有側鏈，而軟質桃果膠組分中沒有或很少有側鏈。

CSP果膠組分的結構也可能對果實質地有明顯的影響。如番茄果實從轉色期到半熟期時，CSP鏈寬度減小，線型的、單一的、短的果膠鏈明顯增多[64]。棗果實CSP果膠鏈長度也隨著果實成熟而減小[48]。未成熟的草莓果實CSP組分中長鏈果膠較多，而成熟草莓中較短的鏈多；側鏈聚合物在未成熟和成熟草莓中出現(xiàn)的程度要高[63]。

表2 果實不同溶解性果膠組分的納米結構Table 2 Nanostructural of different soluble pectin fractions of some fruits

6 采后果實質地變化與果膠代謝

6.1 質地變綿（沙）與果膠代謝

蘋果、梨、西瓜、冬棗等果實在長期貯藏后或后熟過度時容易出現(xiàn)果肉變綿（沙）、缺少汁液的現(xiàn)象，嚴重影響口感。有報道表明，蘋果變綿（沙）時果實細胞之間的連接顯著減少，這可能與果實細胞壁中膠層果膠降解過快、失去了對相鄰細胞的粘結能力有關[66]。在咬下或咀嚼果實的過程中，由于中膠層果膠的降解失去粘結能力，果實細胞容易錯動而不易破裂，從而減少了細胞內容物的流出；同時，中膠層水解的果膠容易與Ca2+形成凝膠復合物大分子溶脹吸水，從而減少了果實汁液中的自由水分，給人以沙質綿軟、缺乏汁液的感覺[67]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，蘋果變綿（沙）與果膠甲酯酶基因表達下調最為相關[66]。京白梨果實快速軟化時，果實呈沙質綿軟狀態(tài)，這可能與果實半乳糖醛酸酶、β-半乳糖苷酶和α-阿拉伯糖苷酶基因表達量和酶活性高、中膠層果膠迅速降解和溶解有關[28]。

6.2 組織漿化與果膠代謝

多數(shù)核果、番茄、獼猴桃、芒果、草莓等果實在采后容易出現(xiàn)漿狀軟化（又稱溶質化）。獼猴桃是典型的漿化果實，在貯藏初期果肉細胞結構完整，果實較硬；貯藏一段時間后，中膠層逐漸溶解分離，細胞間產(chǎn)生空隙，果肉開始變軟；隨后，果膠進一步解體，中膠層液化，細胞壁空泡化，纖維素多聚物解散，微纖絲斷裂；果實衰老末期，果肉組織全部瓦解漿化，細胞壁和其它結構己全部液化[68]?？梢?，與變綿過程中果肉組織崩解成細胞個體不同，果實組織漿化過程是細胞個體的崩裂、消融、溶解形成均一態(tài)膠體的過程。

果實組織的漿狀軟化與各組分果膠的形態(tài)變化有關。在軟質桃‘Akatsuki’后熟軟化過程中，內切多聚半乳糖醛酸酶活性升高，使SSP含量降低而CSP含量上升，果膠溶解性增加[34]。采后杏果實組織漿化過程中，CSP含量上升但側鏈結構減少、鏈寬縮小、且短鏈CSP明顯增加而長鏈CSP減少[37]。另外，在草莓組織漿化過程中發(fā)現(xiàn)，WSP和SSP鏈的長度下降達30%～39%，CaCl2處理可減少草莓中SSP的解聚從而維持果實硬度[51]。

6.3 “慢軟化”果實的果膠代謝

“慢軟化”指一些品種果實后熟軟化速率比一般品種慢，軟化所需時間往往可達到一般品種的兩倍甚至更多。近年來，“慢軟化”機制的研究逐漸引起了國內外學者的關注。如“Friar”李果實在25℃下可以貯藏 3～4周[17]?！癡98041”李也是一種“慢軟化”李，在4℃下貯存30 d后，還可在20℃下貯存12 d?！癡98041”李的慢軟化與細胞壁降解相關酶的基因轉錄表達水平很低有關[69]?！奥浕碧O果“Kanzi”在成熟軟化過程中沒有明顯的果膠解聚或者溶解發(fā)生，只是在衰老期，果實硬度才會陡然下降，但此時它的中膠層仍保持完整[49]?！癝cifresh”蘋果的“慢軟化”機制可能與其在早期發(fā)育階段果膠溶解較少、半乳糖丟失水平較低有關[16]。硬質桃“Mochizuki”采后軟化緩慢，其果膠溶解程度也處在相當?shù)偷乃?，果膠提取物分子質量分布基本保持不變[34]。

近年來，各種細胞壁糖苷酶如β-半乳糖苷酶、β-甘露糖苷酶和α-呋喃阿拉伯糖苷酶等在果實細胞壁成分降解和質地軟化中的作用得到越來越多的研究[49，70-71]。細胞壁不同組分往往以糖苷鍵相連接而牢固地結合在一起，維持了細胞壁的機械強度。細胞壁糖苷酶能夠水解這些糖苷鍵，釋放出中性糖，促進細胞壁物質的解聚和溶解。但是，有研究認為較高的半乳糖水平可減少細胞壁的多孔性，阻礙細胞壁酶作用的通道，進而有利于保持結構完整，減緩果實軟化速率[72]。

6.4 果實冷害與果膠代謝

冷害往往導致果實組織出現(xiàn)絮敗、木質化、半透明化、凝膠化、不軟化或過快軟化等質地變化。這些癥狀的出現(xiàn)可能與低溫冷害引起的果膠代謝異常有關[73]。李果實常見冷害癥狀為半透明化，出現(xiàn)于近皮的果肉處，果肉呈膠狀、半透明的狀態(tài)。半透明化被認為是由于細胞間隙WSP結合水形成膠體狀結構而形成的現(xiàn)象[73]。桃果實在冷藏過程中經(jīng)常會發(fā)生果肉絮敗現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，絮敗果實比正常果實具有更高的CSP和SSP含量和更低的WSP含量[74]。杏果實在冷藏過程中也會發(fā)生絮敗，低溫容易發(fā)生冷害的杏果實多聚半乳糖醛酸酶活性低而果膠甲酯酶活性高，CSP和SSP含量高于正常成熟的果實，在貯藏過程中，冷害杏果實果膠物質不能正常降解，因而容易形成果肉絮敗[75]。

7 結論與展望

在果實軟化過程中，在一系列細胞壁代謝相關酶的作用下，中性糖不斷丟失，果膠側鏈不斷解離，果膠多聚物逐漸降解，果膠分子結構和果膠組分溶解性發(fā)生了改變，果膠物質逐漸與細胞壁其它成分分離。在采后果實正常軟化過程中，不溶性果膠向可溶性果膠的轉變，使果實變得柔嫩多汁。然而，由于果實種類與品種、發(fā)育及成熟程度等本身生物學特性的影響，以及采后貯藏溫度等因素的影響，采后果實果膠發(fā)生降解的方式、不同溶解性果膠組分構成都發(fā)生了變化，中性糖丟失與果膠多聚物的解聚程度也發(fā)生了改變，因此出現(xiàn)了果實變綿（沙）、漿化（溶質化）、“慢軟化”等質地軟化方式，還出現(xiàn)了半透明化、凝膠化、絮敗等異常質地變化現(xiàn)象，嚴重地影響果實的后熟生理進程、貯藏品質、加工性能、甚至醫(yī)療保健功能。果實細胞壁中果膠存在狀態(tài)復雜，不同果實果膠組成與含量又有較大差異，因此還需利用現(xiàn)代分析技術如熒光免疫定位、激光共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡觀察、核磁共振技術、光譜分析、高效離子交換色譜分析等手段，不斷深入研究果膠及其在果實后熟軟化、貯藏保鮮和加工過程中的變化規(guī)律。