《Industrial Crops and Products》：Influence of extraction methods and modification techniques on structure, composition and bioactivities of apple pectin: A review
苹果果胶是植物细胞壁中的主要结构多糖，其功能特性与提取条件和结构修饰密切相关。苹果渣作为果汁工业的主要副产物，因其丰富性、可持续性和独特的果胶特性而受到广泛关注。提取过程通常包括预处理、提取和纯化三个阶段，不同提取技术（常规酸提、酶辅助提取、微波辅助提取、超声辅助提取、亚临界水和绿色溶剂体系）在破坏木质纤维素基质、保留鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I（RG-I）侧链、保留多酚以及控制分子量（Mw）分布方面存在显著差异。提取条件直接影响果胶的酯化度（DE）、半乳糖醛酸（GalA）含量、Mw和中性糖组成等关键结构参数，进而决定其胶凝、增稠、稳定和乳化性能，以及抗氧化、益生元、降血糖、降胆固醇和免疫调节等生物活性。修饰策略，包括原位修饰和提取后修饰，可通过控制解聚、去甲酯化、交联和与生物活性化合物结合等方式进一步扩展果胶的功能应用。绿色提取技术，尤其是天然/深共熔溶剂（NADES/DES）辅助体系，在温和条件下有利于保留RG-I结构域和结合型多酚，从而增强果胶的生物活性。研究人员强调，提取与修饰并非孤立过程，优化提取条件并应用靶向修饰是充分挖掘果胶大分子在食品、制药和生物材料领域生物功能应用潜力的关键。本综述系统评估了提取方法和修饰技术如何塑造苹果果胶的分子结构、组成和功能特性，重点探讨了结构-功能关系以及新兴绿色技术在苹果渣循环生物经济可持续增值中的作用。
1. 引言
果胶是高等植物初生细胞壁和胞间层的主要结构多糖，其骨架主要由α-1,4-连接的D-半乳糖醛酸（GalA）残基构成的同型半乳糖醛酸聚糖（HG）组成，并穿插富含鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖和木糖等中性糖的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I（RG-I）区域。果胶的甲酯化程度与模式、分子量（Mw）、单糖组成、乙酰化、分支结构、HG和RG区域的分布、离子环境、pH以及与矿物质、蛋白质和酚类化合物的相互作用强烈影响其构象和功能行为。
苹果渣作为果汁工业的主要副产物，占加工水果总量的25%–40%，纤维含量为35%–52.9%，其中含有大量果胶多糖。苹果果胶具有优良的胶凝行为、热稳定性和粘弹性，适用于高端食品配方和功能产品。然而，苹果果胶的有益作用深受其提取和结构修饰方法的影响。传统的酸提取法尽管在工业上广泛使用，但其选择性较差，剧烈条件可能降解相关多酚和生物活性成分，同时改变果胶的天然结构。近年来，酶辅助、微波辅助、超声辅助、亚临界水和天然/深共熔溶剂（NADES/DES）等绿色提取技术因其温和条件和更好的结构保留能力而受到关注。
已有综述通常将提取和修饰作为独立主题处理，缺乏对单一商业主导来源（如苹果）的系统整合。本综述填补了这一空白，全面评估了提取条件和修饰技术对苹果果胶分子结构、组成和功能特性的影响，特别强调了结构-功能关系以及新兴绿色技术在循环生物经济中的作用。
2. 苹果果胶的提取方法
提取过程一般包括预处理、提取和纯化三个阶段。预处理（如漂烫、乙醇洗涤、干燥）有助于去除酚类物质并提高溶剂可及性。纯化阶段通过醇沉、超滤或离子交换去除游离糖、蛋白质、色素和有机盐等杂质，影响表观化学组成，包括GalA和中性糖含量以及Mw分布。
根据提取介质和方法性质，苹果果胶提取方法可分为化学法、酶法、物理/仪器辅助法和绿色技术。每种方法在细胞壁破坏机制、对HG或RG-I区域的选择性以及对DE、GalA含量、Mw和中性糖组成等结构指标的影响上存在差异。
2.1 化学法
化学提取法使用酸性或碱性溶液破坏植物细胞壁并释放果胶。传统方法通常使用盐酸、硫酸、硝酸和柠檬酸等强矿物酸或有机酸，在pH 1.5–3.5和高温（80–100°C）条件下进行。提取率受酸浓度、温度、提取时间和溶剂与固体比的影响。柠檬酸提取可获得高达22%的产率，但高产率并不一定对应高质量的果胶。延长酸性条件暴露时间可能加速糖苷键水解，导致解聚、Mw降低、RG-I降解和部分中性糖损失，从而损害胶凝性能、流变行为和生物功能。
常规酸提取的主要局限性在于选择性差、能耗高、腐蚀性强和环境问题。纯化对果胶质量至关重要，商业标准通常要求GalA含量不低于65%，这通常通过乙醇（70%–96%）或异丙醇沉淀实现。膜技术（透析、超滤、渗滤）在低温（≤50°C）下操作，可减少热降解并获得超过95%的纯度。
2.2 酶处理及酸-酶联合方法
酶法利用特定酶（主要为果胶酶类、纤维素酶、半纤维素酶、α-淀粉酶和β-葡聚糖酶）降解植物细胞壁结构并释放果胶。该方法可在温和条件下操作，更环保且能保持果胶质量。整合酸-酶水解技术可更完全地解聚多聚半乳糖醛酸：先用稀酸处理破坏细胞壁基质并提高酶可及性，随后酶解促进多糖组分的更选择性降解。然而，酸预处理可能部分损害酶法提取的结构保留优势。
研究发现，阿拉伯糖在浓酸条件下比其他果胶糖更不稳定，而鼠李糖对热和酸特别敏感。多催化酶制剂能实现更精确的中性糖水解。水解时间和酶的选择是影响果胶质量的关键因素。
2.3 物理与绿色提取技术
微波辅助提取（MAE）通过快速体积加热加速细胞壁破坏和质量传递；超声辅助提取（UAE）利用声空化改善溶剂渗透和多糖扩散。与传统加热相比，这些技术可在较低温度和较短时间下运行，减少多酚氧化降解，从而提高天然结合多酚的保留率。与传统酸提相比，这些技术常产生具有更高DE和甲氧基化度的果胶。
NADES/DES体系代表了一种可持续的绿色替代方案，由氢键受体和氢键供体组成，具有低挥发性、可调物理化学性质和增强的提取选择性。DES/NADES在温和条件下形成广泛的氢键网络，破坏木质纤维素基质并促进果胶释放，同时最大限度地减少水解降解。与传统酸提相比，这些溶剂对RG-I侧链内糖苷键的裂解较少，从而保留富含阿拉伯聚糖和半乳聚糖的区域。此外，胆碱-乳酸预处理后进行水提取可回收高分子量和高甲酯化、富集RG-I结构域的果胶。NADES提取物在DPPH和FRAP测定中表现出更高的抗氧化能力，部分归因于不稳定生物活性物质（如槲皮素、绿原酸、根皮苷和没食子酸）的稳定化。
尽管物理和绿色提取技术具有优势，但过度微波能量或超声强度可能导致解聚，降低Mw并使RG-I部分降解。DES/NADES辅助提取面临溶剂粘度、溶剂回收、法规接受度和工业放大等挑战。
2.4 组合提取方法
组合经典方法可提高果胶产量和质量。Celluclast 1.5 L与超声的连续使用使产量翻倍，并改善了DE和GalA含量。然而，化学（草酸/草酸铵）和多酶复合物（Viscozyme?L）组合用于某些果渣时，产量和GalA含量低于单独化学处理。组合方法的协同效应需要仔细平衡化学和酶的浓度差、固液比、暴露时间和温度。此外，处理顺序也是高效提取的决定性因素。
总体而言，没有一种提取技术是普遍最优的。常规酸提在工业上最成熟，但剧烈条件常导致过度解聚、去酯化和生物活性化合物降解。酶辅助、DES/NADES辅助和集成提取策略通常提供提取效率和结构保留之间的最佳平衡。
3. 苹果果胶的修饰
果胶修饰指通过物理、化学或酶过程有意改变其复杂多糖结构、Mw或官能团，以调整其适用于特定应用。常见方法包括解聚、取代（烷基化、酰胺化、季铵化、硫醇化、硫酸化、氧化、硒化）、链延长（交联、接枝）和去甲酯化。修饰策略可分为原位修饰和提取后修饰。
3.1 原位修饰
提取过程中同时发生结构修饰。溶剂类型、温度、pH、酶活性、压力和物理能量输入等变化可改变Mw、DE、GalA含量、中性糖组成以及HG和RG-I结构域的相对丰度。HG由于其线性骨架，在剧烈提取条件下特别容易发生酸催化去酯化和糖苷键断裂。相比之下，RG-I含有高度分支的阿拉伯聚糖和半乳聚糖侧链，在温和条件下更易保留，但暴露于剧烈酸性或热处理时可能部分降解。
可持续提取技术已显示出同时增强提取性能和修饰果胶结构的潜力。例如，碱性羟胺处理苹果渣可通过形成异羟肟酸衍生物增强所得果胶的抗自由基活性。亚临界水提取可保留RG-I，同时使相关蛋白变性，从而影响果胶的流变、乳化和生物活性。超声、微波和DES/NADES辅助系统可改变Mw、DE、侧链组成和结合多酚的保留。酶辅助提取通过靶向水解特定多糖结构域，可选择性地修饰果胶结构，产生具有改善益生元发酵性和增强生物功能的果胶。
3.2 提取后修饰
提取后修饰涉及对分离果胶的刻意改变，以定制Mw、DE、分支结构、电荷密度和官能团组成。物理修饰如超声可降低Mw和控制解聚而改变初级结构。化学修饰如酸水解和碱处理，特别是β-消除反应，可选择性降解HG区域并产生富含RG-I的组分，随后酸水解部分去除侧链并改变鼠李糖、阿拉伯糖和半乳糖的分布。酸性或碱性去甲酯化和酰胺化可改变酯化羧基的分布并增加无定形区域内的吸水能力，从而影响不同pH和离子条件下的胶凝行为、粘度和稳定性。提取后修饰对特定分子特征提供更大控制，是建立结构-功能关系和扩展苹果果胶功能潜力的有力策略。
4. 提取和修饰对组成和理化性质的影响
4.1 提取诱导的变化
提取过程中，方法及条件严重程度可同时诱导结构改变，包括去酯化、解聚和中性糖侧链损失。这些因素决定DM度、GalA含量、中性糖组成和Mw分布等关键结构属性。
4.1.1 甲基酯化
DE代表HG骨架上C-6羧基酯化的GalA残基比例，决定果胶为高甲氧基（DE > 50%）或低甲氧基（DE < 50%）。常规酸提可产生DE范围为33.44%–79.5%的苹果果胶。柠檬酸可产生高甲氧基果胶（DE约68.84%），而盐酸在高温下可产生DE 77.5%的果胶。微波辅助提取通常产生高甲氧基果胶（DE 50.13%–95.59%）。超声辅助提取产生的苹果果胶DE常超过70%。酶辅助提取提供最多样化的DE结果，从低甲氧基到很高甲氧基（38.26%–97.21%），这取决于酶的特异性和内源果胶甲酯酶活性。
4.1.2 糖酸
GalA含量是苹果果胶的主要质量指标，通常为40%至超过98%。国际食品级标准要求至少65% GalA。常规酸提中，柠檬酸常产生更高的纯度（可达93.90%），而矿物酸（如HCl）导致更多随机裂解。微波辅助提取通常实现40.7%–90.6%的GalA浓度。超声辅助提取提供优异的选择性，在某些条件下GalA含量可超过98%。酶法在温和条件下分离果胶，GalA浓度可高达99.45%。
4.1.3 中性糖
中性糖是共价连接在GalA骨架上的大分子，其类型、键合位置和分支影响多糖的关键性质。中性糖主要位于RG-I区域，靶向该区域对产生具有不同两亲性的果胶至关重要。乙酸提取获得15.9%的中性糖产率，果胶酶预处理获得40.52%。较低的中性糖水平表明较高的水解活性。
4.1.4 分子量
Mw是果胶完整性的关键指标。传统酸提产生广泛的Mw范围：柠檬酸可提取Mw高达1.10×10? g/mol的果胶，而强矿物酸导致更大的碎裂（Mw约为9.34×10?–1.00×10? g/mol）。微波辅助提取的果胶Mw介于4.21×102–2.64×10? g/mol。超声辅助提取产生的Mw范围为4.02×102–3.86×10? g/mol。酶辅助提取通常产生较高质量的果胶（Mw 1.17×10?–8.99×10? g/mol）。DES体系常产生Mw显著高于常规酸提的果胶。
4.2 修饰诱导的变化
修饰诱导的变化主要影响DE、GalA含量、中性糖组成和Mw。酶法去甲酯化可选择性转化高甲氧基果胶为低甲氧基果胶，同时基本保留聚合物骨架。碱处理常诱导快速去酯化伴随β-消除，导致部分解聚。中性糖，特别是与RG-I相关的部分，对修饰高度敏感。受控酶处理可选择性改变侧链结构，而剧烈化学或热处理常去除这些侧链。解聚处理通常通过链断裂降低Mw，增强生物利用度，拓宽营养保健品应用。
5. 提取和修饰对结构特征的影响
果胶结构主要包含三个结构域：HG（约65%）、RG-I（20%–35%）和RG-II（约10%）。RG-I由交替的α-L-鼠李糖和GalA单元组成，带有阿拉伯糖和半乳糖侧链。提取方法可诱导果胶结构变化，不同技术靶向特定区域。常规酸提主要靶向RG-II，增强溶解性但可能损伤RG-I的完整性。相反，大多数绿色技术如MAE和EAE靶向RG-I区域，允许更好地保留中性糖侧链，特别是与免疫调节和益生元效应有关的阿拉伯聚糖和半乳聚糖。
Mw分布进一步说明结构-功能关系。低Mw组分表现出改善的抗氧化和胆汁酸结合活性，但过度解聚会降低胶凝能力。RG-I结构域内的侧链结构起关键作用：富含半乳糖和阿拉伯糖分支的果胶更有效地调节肠道微生物群。低DE果胶通常表现出更强的金属离子结合和改善的降胆固醇效果，而乙酰化结构域增强乳化特性。
6. 生物活性和功能应用
6.1 生物活性
6.1.1 抗氧化活性
苹果果胶通过直接自由基清除、金属离子螯合和内源性抗氧化防御系统的调节表现出相当的抗氧化活性。酶提取（endo-xylanase和endo-cellulase）的果胶具有约两倍于常规酸提果胶的自由基清除和Fe(III)还原能力。硒化低Mw苹果果胶可减轻糖尿病模型中的氧化应激并保护肝、肾和胰腺免受氧化损伤。
6.1.2 益生元潜力
苹果果胶作为可溶性膳食纤维，可完整到达大肠，通过发酵刺激有益肠道细菌的生长和活性。果胶可富集Lachnospira、Bacteroides和Eubacterium eligens等菌群。发酵动力学和微生物谱受Mw和DE的高度影响，低酯化果胶常表现出更好的持续多样性和对Clostridiaceae的特异性富集。果胶衍生的低聚糖已显示免疫调节作用，促进Th1极化和增强细菌清除。
6.1.3 对脂质消化的影响
与山楂、桃子和胡萝卜果胶相比，苹果果胶表现出优异的抗剪切稳定性和更明显的脂质消化抑制作用，这主要归因于其较高的Mw和高度分支的结构。
6.1.4 抗癌潜力
苹果果胶通过抑制增殖、诱导凋亡和预防转移靶向癌症标志性特征。其对结直肠癌的疗效涉及调节多种分子通路，包括增加促凋亡蛋白（如Bax）表达和降低抗凋亡蛋白（如Bcl-2）。苹果果胶可作为化疗辅助剂，增强伊立替康对结肠癌细胞的细胞毒性作用，同时通过抑制细菌β-葡萄糖醛酸酶减少肠道毒性。
6.1.5 治疗潜力
苹果果胶通过增加胃肠内容物粘度、延迟胃排空和形成扩散屏障降低餐后血糖反应。其通过结合胆汁酸促进粪便排泄，降低总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇。苹果果胶通过调节肠-肝轴、减少肠道通透性和改善脂质代谢发挥保肝作用。
6.2 生物膜生产和涂层
果胶膜可形成强韧、柔韧和透明的结构，可作为抗氧化剂、香料、抗褐变剂和抗微生物剂的载体。含有乳酸链球菌素（nisin）的果胶膜与电离辐射结合可有效控制即食火鸡肉上的单核细胞增生李斯特菌。精油（如牛至油、肉桂油）掺入果胶膜可赋予抗菌、抗真菌和治疗特性。果胶基质中益生菌的封装可提高其在胃酸条件下的存活率，并在结肠中实现靶向释放。果胶涂层可调节气体交换、降低呼吸速率、延迟水分流失，延长新鲜农产品保质期。
7. 未来展望
未来的研究应侧重于整合先进计算工具、可持续过程设计、生物精炼概念和临床验证，以加速下一代果胶产品的开发。人工智能和机器学习在提取优化方面显示出前景，可同时分析提取参数、原料特性和目标果胶质量属性之间的复杂相互作用。过程建模和数字孪生技术可实现实时过程监控和预测性决策。技术经济评估和生命周期评估对评估新兴提取技术的经济可行性和环境可持续性至关重要。集成生物精炼方法应开发用于同时回收果胶、多酚、膳食纤维和其他增值化合物。
8. 结论
苹果渣是生产结构多样、功能多样的果胶的高度有价值且未充分利用的资源。提取策略和修饰技术从根本上决定其组成、结构和生物活性。提取条件控制木质纤维素基质的破坏、RG-I和HG等关键结构域的保留以及生物活性多酚的保留。修饰方法通过受控解聚、去甲酯化、交联和与生物活性化合物结合进一步扩展功能景观。绿色提取技术，特别是酶辅助、DES/NADES辅助和集成系统，为生产具有定制功能的高价值果胶提供了重要机会。未来进展将依赖于先进计算工具的集成、数字过程优化、技术经济和环境评估、生物精炼概念以及严格的临床验证，以促进下一代果胶产品的工业转化。
