摘要：果膠酶（pectinase）是指能夠催化果膠質(zhì)分解的多種酶的總稱，其廣泛存在于植物果實中。微生物中的細菌、放線菌、酵母菌和霉菌都能代謝合成果膠酶。該文綜述了果膠酶的分類、產(chǎn)果膠酶菌種的選育、發(fā)酵工藝及其果蔬汁澄清、改善果酒品質(zhì)、提取生物活性成分等食品加工領(lǐng)域中的應用，并對果膠酶的研究發(fā)展方向進行了展望，以期為果膠酶的進一步應用提供理論指導。
關(guān)鍵詞：果膠酶；食品加工；應用
果膠是一種高分子多糖化合物，作為細胞結(jié)構(gòu)的一部分，幾乎存在于所有的植物中。它主要由半乳糖醛酸及其甲酯縮合而成，此外還含有鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖等。根據(jù)從植物細胞壁中提取方式的不同，果膠可分為三類：水溶性果膠、螯合劑可溶性果膠和原果膠。果膠酶是指能夠催化果膠質(zhì)分解的多種酶的總稱，其廣泛存在于植物果實中。微生物中的細菌、放線菌、酵母菌和霉菌都能代謝合成果膠酶。目前市售食品級果膠酶主要是由黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)的[1-4]。作為世界四大酶制劑之一，果膠酶在果汁澄清、榨汁、釀酒、榨油等食品行業(yè)應用十分廣泛，此外，果膠酶還在紡織、醫(yī)藥、造紙、環(huán)境、生物技術(shù)、飼料等領(lǐng)域有所發(fā)展[5-6]。近年來，國內(nèi)外對果膠酶的研究已經(jīng)進入了分子生物學水平，已從許多種屬微生物中克隆了果膠酶基因和測序，并對果膠酶基因的結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)控及其表達產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與性能等方面進行了探索。我國對果膠酶的需求量很大，但國內(nèi)果膠酶的發(fā)展卻較緩慢，且通常是將果膠酶單一使用，這限制了果膠酶的應用范圍及效果。本文主要綜述了果膠酶的分類、產(chǎn)果膠酶菌種的選育、發(fā)酵工藝以及果膠酶在果蔬汁澄清、改善果酒品質(zhì)、提取生物活性成分等食品加工領(lǐng)域中的研究及應用，以期促進果膠酶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
1.1 果膠酶的分類
根據(jù)作用半乳糖醛酸的方式不同，果膠酶可以分為：果膠水解酶（pectinhydrolases）、果膠酯酶（pectinesterases）、果膠裂解酶（pectin lyases）和原果膠酶四大類[7-8]。果膠水解酶發(fā)現(xiàn)較早，這類酶可以水解D-半乳糖醛酸的α-1,4糖苷鍵；果膠裂解酶是通過反式消去作用使糖苷鍵斷裂，該酶作用底物的糖苷鍵在鄰近羧基或酯化的羧基一邊發(fā)生β消除；果膠酯酶是通過切除甲基促進果膠酯的水解，生成果膠酸[9-11]。果膠酶按其作用最適pH值又可分為酸性果膠酶和堿性果膠酶。食品行業(yè)中應用較多的是酸性果膠酶，堿性果膠酶目前主要在紡織、造紙等領(lǐng)域有所應用。
1.2 果膠酶生產(chǎn)菌種的選育
很多學者在果膠酶的菌種選育方面做了大量研究工作，主要有誘變育種、雜交育種、原生質(zhì)體融合、基因工程等技術(shù)。陳勇強等[12]以產(chǎn)果膠酶菌株黑曲霉（Aspergillus niger）YQ-13為出發(fā)菌株，通過紫外與氯化鋰復合誘變反復處理，最終獲得1株能夠穩(wěn)定遺傳的突變菌株YQY-36，其果膠酶活力比出發(fā)菌株提高了2.44倍。劉連成等[13]通過聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）擴增的方法，從地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）DG-3菌株中擴增出堿性果膠酶的結(jié)構(gòu)基因PelA，對其進行序列分析表明，所獲基因與已報道的B.licheniformis14A菌株的PelA基因的同源性為100%。將PelA基因在大腸桿菌中表達，可發(fā)酵產(chǎn)生堿性果膠酶。DOREEN H等[14]采用紫外線和亞硝基胍復合誘變處理醬油曲霉，獲得了一株果膠酶產(chǎn)量高的突變株ATCC 20235，其產(chǎn)酶能力比出發(fā)菌株提高了2.4倍。國內(nèi)微生物果膠酶的酶活力還較低，這制約了果膠酶產(chǎn)品的應用，選育適合實際生產(chǎn)需要的菌株，將使果膠酶在工業(yè)生產(chǎn)方面有更廣闊的應用空間。
1.3 微生物果膠酶的發(fā)酵生產(chǎn)
果膠酶的生產(chǎn)主要是通過微生物發(fā)酵制備而成，目前國內(nèi)外研究和應用較多的果膠酶產(chǎn)生菌是細菌和霉菌，也有鏈霉菌產(chǎn)生果膠酶的報道。在細菌中，歐文氏桿菌（Erwiniasp.）、芽孢桿菌（Bacillussp.）、節(jié)桿菌（Arthrobacter sp.）和假單胞桿菌（Pseodomonassp.）都產(chǎn)生果膠酶。嗜堿性芽孢桿菌屬（Bacillus basophilus）和歐文氏桿菌屬主要用于在苧麻和紅麻的脫膠、生物制漿及污物的處理軟化等方面，應用前景可觀，受到較多地關(guān)注和研究。已見報道的產(chǎn)果膠酶的霉菌種類大約包括20個屬，如曲霉屬（Aspergillussp.）、灰霉菌屬（Botrytissp.）、鐮孢菌屬（Fusarium sp.）、炭疽菌屬（Colletotrichumsp.）、核盤菌屬（Scletorium sp.）和玉圓斑菌屬（Cochliobolussp.）等。國內(nèi)外對霉菌發(fā)酵產(chǎn)果膠酶的研究主要集中在曲霉屬中，研究最多的是黑曲霉（Aspergillus niger）。
果膠酶的發(fā)酵生產(chǎn)主要有固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵兩種形式。液體發(fā)酵通常采用果膠質(zhì)作為誘導物，徐勇等[15]以脫汁橘皮粉為誘導物，在搖瓶液體發(fā)酵的條件下研究了里氏木霉（Trichoderma reesei）合成果膠酶的規(guī)律，發(fā)酵48 h，果膠酶活力最高值達到32.6 μmol/（min·mL）。但一些菌株的發(fā)酵中，作為培養(yǎng)基的果膠卻抑制了產(chǎn)酶。MALDONADO M C等[16]從腐爛檸檬中分離獲得了一株黑曲霉，其能夠合成聚半乳糖醛酸酶和果膠酯酶，葡萄糖和果膠均是其產(chǎn)酶的抑制物，只有糖含量降至低于菌體生長所消耗的水平，其對產(chǎn)酶的抑制才得以解除。固體發(fā)酵則以麩皮、稻草等植物秸稈及橘皮、香蕉皮等工農(nóng)業(yè)廢棄物為主要原料[17-19]。有研究表明，同一菌株分別采用固體發(fā)酵和液體發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶，相比較固體發(fā)酵可獲得更高的果膠酶產(chǎn)量[20-21]；另外，固體發(fā)酵生產(chǎn)的果膠酶其特性更穩(wěn)定，如具有較好的pH和熱穩(wěn)定性以及受分解代謝阻遏影響更小，因此，對固體發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶的研究和應用也較深入。SCHMIDT O等[22]對黑曲霉在30 L攪拌通氣發(fā)酵罐中的生長及產(chǎn)酶模式進行了研究，酶的合成主要發(fā)生在兩個階段，第一階段與菌體生長相關(guān)，在菌體達到對數(shù)生長期時結(jié)束；第二階段與菌體生長不相關(guān)，發(fā)生在分解代謝阻遏的結(jié)束期。將泡盛曲霉（Aspergillusawamori）IFO4033培養(yǎng)于麩皮固體培養(yǎng)基中，以檸檬和蘋果分別作為底物測定原果膠酶活力，研究發(fā)現(xiàn)，24 h原果膠酶活力達到最大，聚半乳糖醛酸酶活力則在48 h達到最高值。在培養(yǎng)過程中原果膠酶對檸檬和對蘋果為底物的酶活力不同，由此推測，培養(yǎng)體系中至少存在兩種底物特異性不同的原果膠酶[23]。隨著探索的深入，能夠作為固體發(fā)酵培養(yǎng)基的原料更加廣泛。李祖明等[24]以甜菜渣為碳源和酶的誘導物以及棉粕作為氮源，采用克勞氏芽孢桿菌（Bacillus clausii）固體發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶，酶產(chǎn)率可達4 780 U/g（干甜菜渣）。韋璐等[25]以香蕉皮及麩皮為主要原料，黑曲霉CICC40493為發(fā)酵菌種，研究了固態(tài)發(fā)酵果膠酶的培養(yǎng)基配比，在優(yōu)化的培養(yǎng)條件下獲得的果膠酶總活力為10 853.54 U。發(fā)酵是菌種產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的主要環(huán)節(jié)，對于果膠酶工業(yè)生產(chǎn)，固體培養(yǎng)由于生產(chǎn)成本低，培養(yǎng)物易于分離等優(yōu)勢，仍將在果膠酶生產(chǎn)中占主導地位。
2.1 果蔬汁澄清
利用果膠酶澄清果蔬汁由來已久，早在20世紀30年代已有所應用。通常果蔬汁產(chǎn)品都有渾濁、沉淀的現(xiàn)象，不僅會影響產(chǎn)品外觀，而且還直接影響到果蔬汁的質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，在加工過程中都要進行澄清處理。果膠酶澄清果蔬汁作用包括果膠的酶促水解和非酶的靜電絮凝兩部分，在果膠酶作用下果蔬汁中的果膠部分水解后，原本被包裹在內(nèi)部的部分帶正電荷的蛋白質(zhì)顆粒暴露出來，隨后與帶負電荷的粒子相撞發(fā)生絮凝。絮凝物在沉降過程中，果膠酶又起到吸附、纏繞果蔬汁中的其他懸浮粒子作用，通過離心、過濾，可將絮凝物除去，從而達到澄清的目的。辛建剛等[26]選用果膠酶PECTINEX+BE XXL處理西番蓮果汁，研究了果膠酶處理工藝對果汁的出汁率和可溶性固形物含量的影響，采用優(yōu)化的工藝條件，可得到澄清透明、不含果膠的澄清果汁。SAGU S T等[27]研究了果膠酶提取澄清香蕉汁的工藝，在33℃，0.03%（V/W）酶濃度條件下，酶解108 min，澄清香蕉汁中鉀含量達到1 400～1 630 mg/L，并建立了果膠水解動力學方程，其遵循一級反應動力學，為工業(yè)生產(chǎn)中果膠水解工藝的控制提供了理論指導。應用果膠酶對果蔬汁進行處理，能夠大幅度降低果蔬汁中膠體含量，從而降低果蔬汁黏稠度，提高過濾效率，果蔬汁的澄清和過濾是酸性果膠酶的重要應用。
2.2 改善果酒的品質(zhì)
果酒釀造中使用果膠酶可以降低酒體粘稠度、提高出汁率和澄清度、提高香氣物質(zhì)和色素，丹寧的浸出率，從而提高呈色強度、增加酒香、增強酒體的豐滿度，改善酒的品質(zhì)。MARIEAGNèS D等[28]考察了果膠復合酶處理對Merlot紅葡萄酒中多酚和多糖物質(zhì)組成的影響，研究表明，果膠酶降解了葡萄果實的細胞壁，改善了釋放到葡萄酒中多糖的分子質(zhì)量分布，酶處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，酶處理改善了酒體中多酚類物質(zhì)的組成和呈色強度。鄒雪等[29]研究了不同濃度果膠酶對藍莓半甜紅酒風味成分的影響，結(jié)果表明，添加果膠酶處理后藍莓半甜紅酒的總酸、甲醇、雜醇油比未添加果膠酶時均有所提升；酒精度、色度值以及單寧、甲醇含量均隨著果膠酶濃度的增高而增高；處理后酒體澄清透明有光澤，香氣濃郁，明顯優(yōu)于未添加果膠酶的藍莓半甜紅酒和日本半甜藍莓紅酒。李媛等[30]以藍莓和紫薯為原料，對果膠酶解條件和藍莓紫薯復合果酒的發(fā)酵工藝進行了研究，確定了果膠酶酶解的最佳條件，即果膠酶用量為0.03%，酶解溫度為35℃，酶解時間為80min，發(fā)酵溫度為24.4℃，條件優(yōu)化后原酒酒精度為13.3%vol。綜上所述，在果酒釀制中使用果膠酶，可以增加天然色素的提取量，改善酒的色澤與風味，增加酒香，并可產(chǎn)生起泡酒，對提高酒的質(zhì)量有重要作用。
2.3 提取生物活性功能成分
大多數(shù)高活性的天然成分在細胞內(nèi)的含量遠遠高于在細胞間隙中的含量，因此破壞細胞壁是促進天然產(chǎn)物提取的關(guān)鍵。果膠酶能降解植物材料使細胞壁結(jié)構(gòu)松散，甚至能完全水解植物材料，將活性成分釋放。與超聲波和微波輔助提取比較，酶法提取投資成本和能耗較低、性價比高的優(yōu)勢。由于酶法提取可以在常溫和非有機溶劑下進行，所以得到的產(chǎn)物純度、穩(wěn)定性及活性都較高。另外，酶法提取的同時，還可以對某些活性成分進行改性和轉(zhuǎn)化，生成產(chǎn)物具有更強的生物活性[31-32]。劉慧等[33]將超聲波與果膠酶共同作用應用于提取山楂汁類黃酮，相比傳統(tǒng)乙醇浸提方法，果膠酶法提取類黃酮可以縮短提取時間，更加有效地增加山楂汁中類黃酮物質(zhì)的含量，提高山楂汁品質(zhì)。崔春蘭等[34]以蘋果渣為原料，采用果膠酶輔助提取技術(shù)，優(yōu)化了果膠酶輔助提取蘋果渣中總多酚和咖啡酸的工藝，確定了最佳提取工藝參數(shù)為酶/基質(zhì)比0.11，反應溫度38℃，反應時間12.53 h。CLAVER I P等[35]探索了提取溫度對果膠復合酶提取多糖的影響，研究結(jié)果表明，溫度從30℃升高至60℃的過程中多糖提取率不斷提高，溫度提高至80℃，提取率明顯下降。提取水溶性活性成分的方法主要有：水浸提法、滲透法、超聲波法和酶法等，酶法作用條件溫和，操作相對簡單，由于成本及提取率的限制，目前果膠酶在生物活性功能成分提取中主要起輔助作用。
2.4 茶和咖啡發(fā)酵
在茶的發(fā)酵過程中果膠酶與纖維素酶、多酚氧化酶和蛋白酶等共同作用，催化茶葉中相關(guān)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，與發(fā)酵茶甘醇、厚滑等口感的形成密切相關(guān)[36]。楊富亞等[37]研究了在復合酶制劑的作用下普洱茶渥堆過程中部分理化成分的變化及對普洱茶品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，聯(lián)合應用果膠酶、多酚氧化酶、蛋白酶等制成的復合酶制劑，在一定濃度下有利于普洱茶中水浸出物、茶多酚、可溶性糖的增加，有助于普洱茶品質(zhì)的形成，并可縮短渥堆發(fā)酵時間。此外，在咖啡發(fā)酵過程中利用產(chǎn)堿性果膠酶微生物除去咖啡豆的表皮，以及添加堿性果膠酶來去除含大量果膠質(zhì)的果肉狀表層[38]。目前，茶葉發(fā)酵過程中的果膠酶是由渥堆生產(chǎn)中自然接種的微生物而分泌的，如何將工業(yè)生產(chǎn)的果膠酶直接應用于茶葉加工過程中，還鮮有報道。
2.5 油脂提取
采用纖維素酶、半纖維素酶及果膠酶等生物酶制劑來破壞油料的細胞壁結(jié)構(gòu)，可有效提高蛋白質(zhì)和油脂的提取率。與傳統(tǒng)方法相比，采用酶法提油具有油脂得率高，操作條件溫和，品質(zhì)好，易于后續(xù)精煉，工藝路線和技術(shù)設(shè)備簡單，能耗低等優(yōu)點[39-41]。徐效圣等[42]研究了中性蛋白酶、堿性蛋白酶、纖維素酶、果膠酶等單獨使用和復合使用對核桃油提取率的影響，復合酶處理核桃油的提取率高于單酶處理，對核桃提油率的工藝條件進行優(yōu)化，核桃提油率可達54.2%。羅明亮等[43]研究了纖維素酶、果膠酶、淀粉酶、中性蛋白酶和半纖維素酶單因素及其復配酶對提取蓖麻籽總油和清油提取率的影響。結(jié)果表明，中性蛋白酶+果膠酶的總油提取率最高，為86.93%。果膠酶作為復合酶的組分之一在油脂提取中起著重要作用，但酶催化效率低，抗逆性差是限制酶法提取油脂規(guī)模化應用的因素。如何獲得能夠滿足工業(yè)化需要的復合酶是亟待解決的問題，而采用酶人工改造技術(shù)改善酶的催化性能將是酶在油脂提取中的研究方向。
目前果膠酶研究已發(fā)展到分子水平，由從自然界中篩選、分離發(fā)展到誘變和基因工程等多種手段相結(jié)合。分離純化方法的發(fā)展也推動了對果膠酶特性的研究。隨著對果膠酶應用研究的日益深入，其在食品中的應用領(lǐng)域也由傳統(tǒng)的果汁澄清、提高出汁率、去殼逐漸拓寬至活性功能成分的提取、茶和咖啡發(fā)酵、油脂提取等領(lǐng)域，并且由應用的單一酶逐漸發(fā)展至與其他酶類復合使用，解決復雜的問題。未來在果膠酶的研究領(lǐng)域中對菌種的改良選育、發(fā)酵機制、果膠酶特性的探索仍會占主導地位，也將會有更多的研究者致力于對果膠酶分子水平上的調(diào)節(jié)機制，酶的誘導、抑制、激活、阻遏以及不同果膠酶對果膠質(zhì)底物的作用機制的研究。通過本文對果膠酶生產(chǎn)及應用的綜述，為深入研究果膠酶的性質(zhì)，提高果膠酶活性，縮小我國與國外果膠酶產(chǎn)品的質(zhì)量及拓寬果膠酶應用范圍提供借鑒。
參考文獻：略
中圖分類號：TS201.3
文章編號：0254-5071（2017）03-0010-04
doi：10.11882/j.issn.0254-5071.2017.03.003
收稿日期：2017-12-17
基金項目：黑龍江省自然科學基金項目資助（E201345）
（田英華，劉曉蘭，鄭喜群，杜國軍 齊齊哈爾大學食品與生物工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006）
作者簡介：田英華（1975-），女，副教授，碩士，研究方向為麻類纖維的生物處理。
文章來源微信公眾號:食品研究
