通过深度共晶溶剂提取法制备柠檬皮果胶：结构与性能关系及其薄膜阻隔性能

《Food Hydrocolloids》：Engineering lemon peel pectin via deep eutectic solvent-based extraction methods: structure–property relationships and film barrier performance

　　摘要：本研究比较了使用柠檬酸-甘油深共晶溶剂通过四种提取方法提取柠檬皮果胶的效果：传统加热法、超声辅助提取法、微波辅助提取法以及超声辅助微波联合提取法。旨在探讨深共晶溶剂中的提取技术如何影响果胶的物理化学性质及其在可生物降解薄膜中的应用性能。超声辅助微波联合提取法得到的果胶产量最高，达到20.18%，且分子结构较为均衡，半乳糖丰富的侧链保留良好（Ara/Gal比值为1.92）。而超声辅助提取法得到的果胶分子量最高，为1041 kD，但由于其呈紧密的球形结构，产量最低，薄膜的抗拉强度仅为16.4 MPa。相反，传统加热法和微波辅助提取法会导致果胶热降解，虽然分子量较低，但所得薄膜的机械强度较高，约为45 MPa。值得注意的是，超声辅助微波联合提取法得到的CGUMP薄膜具有更优异的功能性能，包括最高的疏水性能（水接触角为83.6°）以及出色的阻隔性能，氧气透过率最低为15.3 cc/m2/day，水蒸气透过率为0.079 g mm/m2·h·kPa。这些优异性能得益于分子分支结构的有效保留。总体而言，超声辅助微波联合提取法是一种更为有效的工艺，可通过调控果胶的分子结构来制备高性能生物聚合物，用于可持续食品包装领域。

引言：果胶是一种复杂的结构多糖，存在于陆地植物的初生细胞壁和细胞间组织中，起着黏合剂的作用。果胶主要由α-(1,4)-连接的D-半乳糖醛酸单元组成，其中部分单元的羧基在C-6位置被甲基化，从而使聚合物具有特定的甲基酯化程度（Zhao等人，2022年）。果胶的分子结构还包括由阿拉伯糖和半乳糖构成的中性糖侧链的“毛状区域”（Chandel等人，2022年）。这种独特的结构赋予了果胶宝贵的功能特性，使其在食品工业中被广泛用作果酱、凝胶以及乳制品等产品的凝胶剂、增稠剂、稳定剂和乳化剂（Zhao、Xu、Dorado、Bai等人，2024年）。在各种水果副产品中，本研究选择柠檬皮作为原料，因为柠檬皮尤其是柑橘类水果皮是商业上果胶含量最丰富的来源之一（干基含量通常为20–30%），且作为柑橘汁加工过程中的低价值副产品，其大量产出使得对其进行综合利用在经济和环境层面都具有优势。此外，柠檬皮果胶主要为高甲氧基、高半乳糖醛酸含量的果胶，其主链富含同半乳聚糖，这种结构一致的原料非常适合用于制备薄膜，也有助于研究不同提取能量模式对分子结构的影响。传统的果胶提取方法是成熟的工业工艺，需将植物材料置于加酸的热水中（通常为硝酸或盐酸等矿物酸）在80–100°C下长时间加热（Haque等人，2025年）。这种称为酸水解的过程能够分解植物细胞壁中的不溶性原果胶，释放出可溶性果胶（Riyamol等人，2023年）。然而，该工艺往往耗时且能耗高，还可能导致果胶分子热降解，从而影响最终产量和品质。作为一种比使用强矿物酸的传统方法更环保的替代方案，基于柠檬酸的提取方法利用弱有机酸来水解原果胶（Mansor等人，2025年）。由于柠檬酸的腐蚀性较低，这种方法被认为更环保，也对设备更为安全（I?iguez-Moreno等人，2024年）。研究表明，柠檬酸能有效提取出具有理想凝胶特性的高产量果胶，因此是可从柠檬皮、苹果渣等各种水果废弃物中生产高质量食品级果胶的可行选择。深共晶溶剂属于新一代绿色溶剂，由柠檬酸和甘油组成的深共晶溶剂则是目前用于果胶提取的一项新兴技术（Md Yusoff等人，2023年）。该方法利用深共晶溶剂的独特性质——它们是由氢键受体和供体混合而成的物质，能形成熔点低于各组分单独熔点的共晶物（Gómez Vargas等人，2024年）——作为溶解植物材料中果胶的有效介质。研究表明，与传统溶剂相比，这种溶剂能提高果胶的提取产量，且无毒、可生物降解。在分子层面，柠檬酸的羧基可作为氢键受体/质子供体，使原果胶中的半乳糖醛酸酯键和糖苷键发生质子化并断裂，从而促进果胶溶解；而甘油的多元醇羟基则可作为氢键供体，与半乳聚糖主链上的游离羧基和羟基形成延伸的氢键网络。这种溶剂与聚合物之间的氢键作用被认为可以部分保护果胶链免受强烈的酸水解和β-消除反应，进而相对于使用强矿物酸的提取方法更好地保持果胶的分子量和侧链完整性；因此，质子供体（柠檬酸）与氢键供体（甘油）成分的比例决定了提取效率以及所获果胶的甲基酯化程度和分支程度（Chen等人，2022年；Elgharbawy等人，2019年；Gómez Vargas等人，2024年）。近年来，研究人员逐渐倾向于在深共晶溶剂体系中加入水进行稀释，以此减少化学品的使用和浪费，提升提取过程的可持续性和成本效益，同时降低纯共晶溶剂的过高粘度，改善物质传递效率（Dai等人，2015年；Hammond等人，2017年）。与其他研究人员一样，本研究也采用了类似稀释后的深共晶溶剂体系进行果胶提取（Elgharbawy等人，2019年；Gómez Vargas等人，2024年；Lin等人，2025年；Liu等人，2024年；Pan等人，2022年）。

微波辅助提取法利用微波能量快速加热溶剂和植物材料。其机制在于微波与植物细胞内的极性分子（主要是水）直接相互作用，使其振动并产生强烈的局部热量。这种快速的内部加热会产生巨大压力，导致细胞壁破裂，从而使果胶释放到溶剂中。与传统加热法相比，微波辅助提取法具有诸多优势，如显著缩短提取时间（从数小时缩短至几分钟）、降低溶剂消耗量，且往往能获得更高产量（Fishman等人，2000年；Zakaria等人，2021年）。超声辅助提取法是一种非热处理技术，依靠声学空化的机械效应发挥作用（Ranjha等人，2021年）。高强度超声波在溶剂中传播时会形成微小的真空泡，这些真空泡会剧烈破裂，产生强大的微射流和冲击波。这些机械力能够破坏并侵蚀植物细胞壁，增强溶剂渗透能力，促进果胶向溶剂中转移。由于可在较低温度下进行，超声辅助提取法能最大限度地减少果胶的热降解，从而使得到的果胶具有更高的分子量以及更好的结构完整性（Lindriati等人，2023年）。这种混合技术结合了超声和微波能量的优点，形成了高效且具有协同效应的提取过程（Yapias等人，2025年）。其机制为：首先超声空化作用会破坏植物细胞壁，形成孔洞并增加溶剂作用的表面积；随后微波迅速对整个体系进行整体加热，有效穿透已被削弱 的细胞结构，使果胶释放出来。这种组合方法不仅能大幅缩短提取时间和能耗，还能最大化产量，同时保持果胶的分子结构。

果胶的结构和功能特性对提取环境和能量输入极为敏感。我们近期使用柠檬酸水溶液开展的研究表明，传统加热法、微波法、超声法以及超声辅助微波混合提取法所产生的果胶链结构及果胶薄膜的性能存在明显差异（Chandrasekar等人，2026年；Chandrasekar等人，2026年）。在关于深共晶溶剂在果胶相关研究中的应用方面，现有文献主要关注提取速率以及深共晶溶剂体系的化学性质（例如氯化胆碱-有机酸体系）。研究表明，深共晶溶剂能够提高果胶的分子量和同半乳聚糖含量，或调节果胶的甲基酯化程度及分支程度（Chen等人，2022年；Elgharbawy等人，2019年；Gómez Vargas等人，2024年）；然而，这些研究并未进一步探讨果胶薄膜的功能特性，也未建立果胶结构与薄膜性能之间的关系。在涉及果胶薄膜的研究中，深共晶溶剂多被用作增塑剂或活性添加剂，尚未有研究系统地将溶剂环境与能量模式与果胶链构型以及薄膜的阻隔性能联系起来（Alasalvar等人，2023年；Zoratti等人，2025年）。目前，将提取条件/加工流程与果胶结构架构及果胶薄膜功能特性相关联的、基于能量模式的深共晶溶剂对比研究十分少见。我们推测，能量模式会影响基于深共晶溶剂的果胶提取过程，不同的能量模式会导致果胶分子具有不同的物理化学性质，进而影响含果胶薄膜的性能。在本研究中，我们在相同的深共晶溶剂条件下，系统研究了热能、超声能、微波能以及超声-微波混合能量模式对柠檬皮果胶结构特性的影响，以及这些提取条件对果胶薄膜功能性能的影响。通过首次对四种提取技术（传统加热提取、超声辅助提取、微波辅助提取以及超声辅助微波混合提取）在同一深共晶溶剂体系中的效果进行对比研究，明确地将溶剂环境与能量模式与果胶的结构特性及果胶薄膜的功能特性联系起来，本研究为深入理解不同能量模式下的深共晶溶剂与聚合物之间的氢键作用如何转化为具有实际应用价值的果胶薄膜阻隔性能提供了机理层面的见解。

原材料：2024年10月中旬，从位于美国佛罗里达州Fort Pierce的USDA Picos研究农场采集了生理成熟期的Bearss柠檬果实（Citrus limon cv. 'Bearss'）。这些果实先用JBT Fruit Cleaner 395清洁，再通过新型榨汁机（JBT Fresh'n Squeezer Point-of-Sale Juicer，由JBT FoodTech Corporation生产，位于美国佛罗里达州Lakeland市）进行榨汁。每提取100克果汁，就会产生约115克可用于果胶提取的湿残留柠檬皮生物质。

果胶的物理化学性质与单糖组成：四种不同的提取方法——传统加热提取法、超声辅助提取法、微波辅助提取法以及超声辅助微波混合提取法——会显著影响最终果胶的物理化学特性（见表1）。每种方法都会给果胶分子带来独特的结构和功能特征。其中最引人注目的是超声辅助微波混合提取法的表现最为优异。

结论：本研究表明，在深共晶溶剂环境中选择不同的提取能量模式，会从根本上决定柠檬皮果胶的分子架构以及由此形成的薄膜功能。本研究超越了传统的提取效率评价标准，揭示出了结构与性能之间的直接关联。传统加热法得到的果胶为经过热降解的线性链，这些链会聚集形成刚性网络；而单独的超声处理则能较好地保留较大的分子结构。

作者贡献说明：Chandra Mohan Chandrasekar：概念构思、正式分析、研究实施、方法设计、初稿撰写。Andre K. White：正式分析、方法设计。Arland T. Hotchkiss：正式分析、方法设计、审稿与编辑。Michael A. Jackson：正式分析、方法设计、审稿与编辑。Kervin O. Evans：正式分析、方法设计、审稿与编辑。Atanu Biswas：正式分析、方法设计。Shyam S. Sablani：正式分析、方法设计、写作。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了美国农业部农业研究服务局的资助，项目编号为6034-30600-001-000D。作者还要感谢US Horticultural Research Laboratory柑橘及其他亚热带产品研究组的Peiling Li、USDA-ARS国家农业利用研究中心植物聚合物研究组的Jason Adkins，以及USDA-ARS东部地区研究中心可持续生物燃料与副产品研究组的Stefanie Simon。Chandra Mohan Chandrasekar|Andre K. White|Arland T. Hotchkiss|Michael A. Jackson|Kervin O. Evans|Atanu Biswas|Shyam S. Sablani|Mark A. Ritenour|Wei Zhao，USDA-ARS，US Horticultural Research Laboratory，柑橘及其他亚热带产品研究组，地址：美国佛罗里达州Fort Pierce市South Rock Road 2001号，邮编34945。