多酶系统辅助从柑橘果皮中提取果胶：特性分析及综合功能研究

《Process Biochemistry》：Multi-Enzyme System Assisted Extraction of Pectin from Citrus Peels: Characterization and Comprehensive Functional Properties

　　

Jiahui Lu|Meijun Tong|Jiarui Shen|Min Yu|Tianli Xie|Xin Liu|Zhao Wang|Yinjun Zhang|Xinjun Yu

浙江省生物有机合成重点实验室，浙江工业大学生物技术与生物工程学院，杭州，310014，中国

摘要

柑橘皮作为柑橘产业的主要副产品，含有高达20-30%（干重）的果胶，具有多种生物活性。然而，柑橘皮的处理存在严重的环境和效率问题。本研究采用了一种多酶系统（包括纤维素酶、木聚糖酶和酸性蛋白酶）来提取果胶，提取效率达到了25%，优于传统的酸碱法和单一酶法。此外，物理化学分析表明，多酶提取的果胶（MEP）的酯化度仅为45.7%，还原糖含量为2.7%，进一步通过FT-IR和SEM分析证实了其低糖和低脂的特性。在大分子特性方面，MEP表现出优异的功能性，如乳化、凝胶化和流变性能，显示出作为高价值功能性成分在创新食品应用中的巨大潜力。

引言

柑橘皮是柑橘加工 Industry 的主要副产品，占水果废物的60–70%，是一种丰富的、低成本的果胶来源（干重占比20–30%）[1]，[2]，[3]。果胶是一种复杂的杂多糖，广泛用于食品和制药行业中的凝胶化、增稠和乳化剂[4]。然而，传统的果胶提取方法在提取效率和功能质量之间存在矛盾，尤其是对于当前健康饮食趋势下的低糖低脂食品体系。

果胶是柑橘皮残渣的重要组成部分，占其生物量的20-30%，主要分布在植物细胞壁的初生壁和胞间层中，并与纤维素、半纤维素和蛋白质紧密结合。果胶的主要提取方法有化学提取和酶法提取。例如，Ghoshal等人[5]使用酸热提取法从Citrus nobilis和Citrus deliciosa的果皮中提取果胶，在pH值为5的条件下，将果皮在90°C下热水提取30分钟，仅获得了6.13%的果胶产量；Cui等人[6]通过酸提取法从葡萄柚果皮中获得了16.24%至21.28%的果胶产量。碱法提取的果胶产量略高于酸法提取。例如，Cui等人[6]使用碱法从橙子果皮中提取出23%的果胶，而Wang等人[7]使用碱法从脐橙果皮中提取出最高的22.6%果胶产量。Wandee等人[8]使用氢氧化钠溶液从柚子果皮中提取果胶，产量在13.9%至24.2%之间。化学提取方法条件较为苛刻且难以控制产品水解，容易导致果胶质量不均和功能特性不稳定，不符合健康食品的要求[9]，[10]。因此，酶法提取果胶越来越受到关注[11]。研究表明，酶法提取的条件更为温和可控，果胶产量高且产品质量好[12]，[13]。然而，单酶提取难以完全水解植物细胞壁，酶解时间长达8小时或更长时间，提取效率通常在10%-20%左右。使用Aspergillus awamori酶制剂通过酶解从南瓜果肉中提取的果胶产量仅为12%[14]。近年来，市场上出现了复合商业酶制剂，通过混合多种果胶提取酶来提高提取效率和产量[15]。但由于富含果胶的植物材料细胞壁结构的不同，固定比例的复合酶对原料的适用性较差，而且制备出的果胶酯化度（ED）较高，不符合低脂健康食品的要求[16]。

果胶是一种天然多糖，具有多种生物活性，包括调节肠道微生物群、增强免疫活性、降低胆固醇和抗氧化作用[17]。与传统功能性食品添加剂相比，低糖低脂果胶由于其独特的结构特征，表现出更强的生物活性和靶向能力。传统的高甲氧基果胶需要超过55%的蔗糖浓度才能形成稳定的凝胶，而低糖低脂果胶则通过钙离子交联实现凝胶化，即使在食品体系中的糖含量低至10%时也能有效发挥作用[18]。同时，其优异的流变性能、胶体稳定性和乳化能力使其在食品和制药行业中具有显著的应用价值。在食品领域，果胶的凝胶化能力改善了低糖产品的质地（如果酱和酸奶），而其乳化稳定性促进了植物基替代品的发展。在制药应用中，果胶的pH响应性和生物相容性使其作为结肠靶向药物递送载体，显著提高了药物的生物利用度。随着全球对“减少糖分和脂肪”的健康饮食需求持续增长，寻找合适的果胶来源、优化提取方法并扩展其功能特性已成为研究重点[19]。

为了解决从柑橘皮残渣中提取果胶时提取效率低和功能特性有限的问题，本研究提出了一种基于以下两个核心假设的更高效提取策略：（1）多酶协同系统可以有效提高酶解效率，显著提高柑橘皮中果胶的提取产量；（2）使用多酶策略提取的果胶可能具有显著或多样的功能，其中多酶系统有助于果胶的完全水解，形成低分子量或低脂果胶，对健康更有益。为了验证这些假设，本研究系统地研究了纤维素酶、木聚糖酶和酸性蛋白酶对柑橘果胶提取的协同效应，以果胶产量作为主要指标，并系统优化了提取工艺参数。此外，还将多酶法获得的果胶的结构特性和功能特性与化学提取和单一酶提取法获得的果胶进行了比较，以明确不同提取技术对果胶质量的影响。本研究旨在开发一种设计合理且优化的多酶系统，专门用于高效提取柑橘果胶。该系统结合了对细胞壁结构的理解、酶的协同设计以及功能应用的验证。所构建的复合酶系统不仅能高效释放果胶，还能同时控制酯化度，无需进行碱脱酯步骤，为开发适合健康食品应用的果胶提供了新方法。

章节片段

材料和化学品

本研究中使用的柑橘皮（Citrus reticulata Blanco，温州蜜橘）由Toshima Holding Group Co., Ltd.（中国浙江温州）提供。新鲜柑橘皮先用水煮沸10分钟以灭活酶活性，然后用流动水冲洗三次以去除部分果皮色素。处理后的柑橘皮在60°C的恒温烘箱中干燥至恒重，干燥后的材料使用JONLN FW135植物切片机进行粉碎

提取pH值的影响

图1(A)显示，在pH 4.0-5.0范围内果胶产量超过20%，其中pH 4.5时产量最高。结合单因素测试，可以看出在酸性蛋白酶的最佳pH 3.5环境下，果胶产量较低。推断在pH值低于4.0的环境中，纤维素酶和木聚糖酶的活性较低，无法与蛋白酶协同作用。pH值的变化会影响酶的空间结构

结论

本研究开发了一种高效的酶法提取柑橘果胶的方法，在Box-Behnken优化条件下获得了25.0%的功能性果胶（MEP）：固液比为21.7 mL/g，温度为51℃，pH值为4.8，提取时间为2.9小时。与传统的酸碱法和单一酶法相比，MEP的产量分别提高了32-41%和15-22%。表征结果表明，MEP具有更优的功能特性

作者贡献声明

Yinjun Zhang：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，研究设计，资金筹措，概念构思。Zhao Wang：撰写 – 审稿与编辑，资源协调，项目管理，概念构思。Xin Liu：撰写 – 审稿与编辑，监督，研究设计，概念构思。Tianli Xie：撰写 – 审稿与编辑，数据验证，资源协调，形式分析。Jiahui Lu：撰写初稿，数据验证，监督，方法设计，形式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家大学生创新培训计划（202310337069）、重庆市科技局重点研发项目（cstc2021jscx-jbgsX0002）、浙江省新世纪人才计划项目（G24201050022）以及热带海洋生态系统与生物资源重点实验室（2022ZD04）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。