何英东，崔文甲，李晓，王月明，王文亮，*，唐晓珍

（1.山东省农业科学院农产品研究所，山东济南250100；2.山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安271018）

果胶是植物细胞壁中最丰富的成分，是修饰植物多个生命阶段的关键成分。果胶的存在使得植物细胞壁具有一定的流动性，因此，植物细胞壁可以被认为是动态细胞器，而不单纯是细胞内部和外部世界之间的屏障。从结构的角度来看，果胶是由α-（1，4）-连接的D-半乳糖醛酸单体构成的高聚半乳糖（homogalacturonan，HG）链的线性链构成的复杂多糖[1-4]。果胶可被各种果胶酶分子协同降解[5]。根据果胶酶作用效果的不同，可分为酯酶（催化果胶酯键水解）、解聚酶（催化果胶解聚）和原果胶酶（催化原果胶解聚）。其中，果胶甲酯酶（pectin methylesterase，PME）作为果胶酯酶的一种，可以对果胶进行去甲酯化[6]。随着工业与科技的发展，对于果胶酶的应用研究也越来越深入，果胶甲酯酶作为果胶的一种也逐渐成为研究的新热门。

1 果胶甲酯酶的作用机理

果胶按酯化程度可分为低甲氧基果胶和高甲氧基果胶。基本上不与Ca2+反应的高甲氧基果胶经果胶甲酯酶去甲基化后，可形成低甲氧基果胶[7]。当Ca2+存在时，低甲氧基果胶会与Ca2+交联形成具有一定硬度的果胶钙，减缓采后处理对果蔬的软化作用，抑制果胶的部分物质溶解，使果蔬的脆度接近新鲜的脆度，从而减少果蔬品质的降低[8]。

果胶的代谢对于植物机体非常重要，它调控与植物发育和植物防御相关的多种过程，通过一连串的酶严格控制[9-11]。在果胶HG链上发生的修饰尤其重要，因为它们调节果胶的组装和分解，在植物病害期间病原体通过水解果胶破坏HG网络结构[12]，打乱植物细胞壁的重塑，对细胞产生破坏。果胶的水解只能在HG链的单体单元逐步改性后发生。α-（1，4）-连接的D-半乳糖醛酸可以通过PME进行脱甲基酯化。PME去除甲基基团，将中性HG链转化为带高度负电荷的聚合物，改变高度甲基化的果胶的某些物理化学性质，并对植物细胞壁生理作用产生一定的影响[10]，而称为多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）的果胶分解酶可以有效识别去甲基化的中性HG链[13-14]，使得HG链实现脱甲基酯化，从而引发果胶水解。因此，PME和PG可以联合促进果胶聚合物的水解。

果胶是果汁呈现出混浊态的主要原因，果胶的存在会影响果汁的黏度。在果酒酿造工业中，需要对果汁进行澄清处理，在果汁处理过程中减少果胶含量的方法是通过添加PME来促进果胶沉淀，随后将可以与带负电荷的果胶（由PME改性）形成复合物的CaCl2加入到果汁中。最终，在结合Ca2+后，果胶沉淀以便去除。另外，为了保持植物细胞壁完整的多糖网络进而保持产品的质构性质，可以对水果和蔬菜进行类似的处理。在水果和蔬菜的采后处理（包括冷冻，脱水或巴氏灭菌）期间，细胞壁的破坏导致细胞成分和流体的损失以及产品硬度的降低。如前所述的PME和CaCl2在果汁澄清过程中的使用有利于避免硬度的降低。从HG链中除去甲基后，Ca2+离子桥连接去甲基化后的HG链的带负电荷的羧酸酯基团，有利于形成聚合物网络，以减少处理环境对果蔬细胞壁完整性的破坏。在这种情况下，具有保持加工水果或蔬菜硬度脆度的作用。另一方面，分离的果胶可根据其携带的负电荷的多少用作增稠剂或胶凝剂[15-16]。

2 果胶甲酯酶在食品工业中的应用

2.1 果胶甲酯酶在果蔬汁澄清中的应用

果蔬汁的混浊态是评判果蔬汁产品品质的感官特征之一，混浊态赋予了果蔬汁独特的口感与风味，但由于果蔬中存在着多种内源酶，其中有一部分属于果胶酶，这些内源性的果胶酶会影响果蔬及其制品的风味和稳定性。其中内源性的果胶甲酯酶易与果胶半乳糖醛酸残基C6处羧基发生作用，导致果胶去甲酯化，易降解为甲醇与果胶酸，在果蔬汁加工与贮存过程中，使得混浊态易消失，造成果蔬汁产品感官品质降低[17]。

目前主要采取两种方式来钝化果蔬汁中的内源性果胶甲酯酶以保持其品质，第一种为超高压处理，改变果胶甲酯酶的内构以达成钝化活性的目的。刘野等[18]研究发现，在用超高压技术钝化果胶甲酯酶的试验中，处理压力越高，钝化效果越好。Ly-Nguyen等[19]研究发现草莓汁中的果胶甲酯酶经过超高压处理后，酶的活性钝化明显。Lacroix等[20]研究发现，橘子汁中的果胶甲酯酶经过50℃的预热后，在一定的pH值的条件中对于高压环境十分敏感。张波波等[21]通过研究发现，与对照组相比，超高压处理与瞬时超高温灭菌处理都能对果胶甲酯酶产生钝化作用，当压力超过某一定值之后，超高压处理作用明显强于瞬时超高温处理。

第二种是在猕猴桃果实中提取果胶甲酯酶抑制剂来钝化其活性，以提升果蔬汁混浊态的稳定性。1990年，Castaldo等[22]研究发现，从猕猴桃中分离纯化出一种可以抑制果胶甲酯酶的蛋白质，即为果胶甲酯酶抑制剂（pectin methylesterase inhibitor，PMEI）。PMEI通过与植物中的果胶甲酯酶结合，形成一种非共价型可逆复合物。就目前的研究来看，从猕猴桃等植物体中直接分离纯化PMEI的技术并不成熟，且效率很低，一般采用基因工程相关技术，利用真菌类生物生产单一果胶甲酯酶抑制剂。梅晓宏等[23-24]研究发现，在毕赤酵母GS115菌株的基因中剪切进猕猴桃果胶甲酯酶抑制基因，使其可以单一连续表达出果胶甲酯酶抑制剂，以达到高效生产的目的。

2.2 果胶甲酯酶在改善果蔬制品质构品质中的应用

根据果胶甲酯酶对果胶的作用机理，可知果胶甲酯酶对果胶作用的主要场所在部分甲酯化的半乳糖醛酸链上，果胶甲酯酶切除半乳糖醛酸链上的甲基后产生带负电的多糖分子，与钙离子结合生成难溶性的果胶酸盐，增加果蔬的硬度脆度，提高果蔬的品质。

目前利用果胶甲酯酶改善果蔬制品品质的应用方式主要有两种。第一种为添加金属离子激活内源性果胶甲酯酶来达到目的。金属离子对果胶甲酯酶有一定的激活作用，加速果胶分解成为甲醇和果胶酸，提高蔬菜中自由羧基的含量，加快其与钙、镁离子的交联作用，从而保持蔬菜的脆度[25]。李春燕等[26]研究发现，内源性果胶甲酯酶活性增加会导致甜橙果实软化；陆胜民等[27]发现：在青梅果实软化过程中PME和β-半乳糖苷酶含量上升、活性增强；杜小琴等[28-30]使用改善温度的方法以激活萝卜泡菜中存在的内源性的果胶甲酯酶，使其与外源钙盐结合，提高了泡菜产品的脆度；Anthon等[31]也发现了果胶甲酯酶在改善白萝卜泡菜脆度方面具有良好的应用；杨林等[32]探讨了果胶甲酯酶和外源钙离子对番茄丁硬度的影响，试验表明：果胶甲酯酶结合氯化钙对番茄丁硬化效果明显。第二种为通过添加外源性果胶甲酯酶与钙离子进行交联反应。李晓等[33]研究了最优条件下添加外源性果胶甲酯酶对低盐腌渍黄瓜果胶含量和质构性质的影响，结果表明，添加果胶甲酯酶改善了低盐腌渍黄瓜的质构性质。张慧娟等[34]利用添加超高压浸渍酶与Ca2+处理罐装桃制品，探究其保脆的最佳工艺条件，保脆效果显著。因此，果胶甲酯酶在保持果蔬加工制品的质构、提高果蔬类泡菜的脆度、改良果酱制品黏度等方面应用广泛。

2.3 利用果胶甲酯酶制备低酯果胶

果胶根据酯化程度的不同可分为低甲氧基果胶（低酯果胶，甲氧基含量低于7%）和高甲氧基果胶（高酯果胶，甲氧基含量在7%～16.3%）。其中高酯果胶凝胶条件为可溶性固形物含量高于55%和一定的pH值，因此在食品工业中，高甲氧基果胶普遍应用于高糖制品；而低酯果胶在可溶性固形物含量较低，pH值在2.6～6.8的环境下，与Ca2+等二价阳离子结合形成具有一定性质的稳定的凝胶[35]。

目前食品工业中低酯果胶的制备方法主要有酶法、碱法、酸法以及酰胺化法等。酸法与碱法生产低酯果胶的缺点明显，酸法制备效率较低，而碱法的产物的酯化度难以控制。目前最高效且方便控制工艺的方法是酶法，生产工艺流程和设备简单，制出果胶凝胶度好。因此，酶法制备低酯果胶具有广阔的前景，从现在到未来都将是一个研究热门[36]。果胶甲酯酶是酶法制备低酯果胶的常用工具，对果胶有去甲酯化的作用。果胶酯酶制备低酯果胶主要分为两种方法，内源酶法和外源酶法，其作用机理都是激活果胶酯酶来生产低酯果胶。

内源酶法制备低酯果胶的主要途径就是通过在材料中添加内源酶激活剂来激活果胶酯酶制备低酯果胶。雷激等[37]研究了激活鲜橙皮中内源果胶酶制备低酯果胶的方法的工艺条件。蔡长河等[38]与Yoon等[39]研究了利用碳酸钠激活果胶酯酶以制备低酯果胶的方法。

利用外源酶法制备低酯果胶是从微生物发酵液或植物组织中提取果胶酶，然后用果胶酶生产低酯果胶。Sandra Aparecida de Assis等[40]通过明胶固定化果胶酯酶制备低酯果胶，确定了最佳工艺条件：pH 9.0，NaCl含量为0.1 mol/L，制备温度为55℃。李川等[41]在酸法提取果胶的基础上，利用外源性果胶甲酯酶在橙皮渣中提取低甲氧基果胶。焦云鹏等[42]采用明胶作载体和戊二醛作交联剂制备固定化果胶酯酶，制得符合国家标准的低酯果胶产品。

酶法制备低酯果胶的优点明显，工艺条件易于控制，但是相较于其他3种方法，其不利因素在于在同条件下产出的果胶的凝胶度低于其他3种方法。目前，提高同条件下制出果胶的凝胶度也是一个研究热点。目前在研究中普遍采用从黑曲霉发酵液中分离提纯得到果胶甲酯酶，并用该酶脱酯提取低酯果胶，能更好的保证产品的胶凝度。

2.4 果胶甲酯酶在葡萄酒酿造中的间接应用

在葡萄酒的酿造过程中，添加果胶酶是不可缺少的关键一环，而果胶甲酯酶作为果胶酶的一种，也发挥着重要的作用。在改善酒液品质方面，由于葡萄中含有的大量果胶在果实破碎后留在果汁里，影响汁液的澄清性，导致葡萄出汁率低、过滤效率低下等问题的出现。同时，在浸渍处理的过程中，葡萄中含有的大量果胶会影响多酚类和色素类物质的浸提、溶解和稳定，导致了葡萄酒酿造难度的增加。当在葡萄酒酿造的适当工艺阶段添加果胶酶后，其中的果胶裂解酶（pectin lyase，PL）会使果胶中的长链分子链裂解为众多的短链果胶分子；PG和PME使果胶长链分子链裂解来的短链分子水解成更小的分子团，有助于其凝聚并沉降分离，从而实现果胶的彻底分解，使葡萄在破碎榨汁阶段的出汁率大为提升，后续的澄清和过滤变得更加容易，为提高葡萄酒的产量奠定了基础[43-44]。

在对葡萄酒提色提香的过程中，果胶酶处理也具有十分重要的作用。花色苷是葡萄酒的主要呈色物质，是影响葡萄酒感官品质的重要成分之一。花色苷在葡萄酒中主要有聚合和单体两种存在方式，其中聚合花色苷是单体花色苷与其他物质的聚合体。在葡萄酒酿造的浸渍过程中，葡萄果皮中的花色苷类物质慢慢的释放出来。由于果胶酶对植物细胞壁中的果胶具有修饰降解作用，所以在浸渍过程中加入果胶酶有助于改变葡萄细胞壁的透过性，从而促进花色苷等酚类物质的释放，降低葡萄汁的黏度，提高出汁率和澄清度[45]。

2.5 果胶甲酯酶在其他方面的应用

在作物培育中，果胶甲酯酶通过改变植物细胞壁的结构来影响周围环境对植物的胁迫作用。植物细胞壁的主要成分为多糖、蛋白质和木质素，在植物生长发育中起到至关重要的作用，尤其影响植物体的逆境胁迫。果胶是细胞壁的主要组成成分，对细胞壁通透性调节和细胞之间的连接具有重要作用。果胶甲酯酶是果胶催化作用的主力军，作为整个催化反应的第一个关键酶类，可以使果胶的结构和功能发生定性变化。细胞壁代谢相关的酶能够显著地改变果胶结构，进而影响植物的生长发育和胁迫响应过程。目前有研究证实果胶甲酯酶在植物镉胁迫[46-48]、铝胁迫[49-54]、NaCl胁迫[55]、H2O2胁迫[56]、铜胁迫[57]、病原菌侵害[58-59]、营养逆境[60]等过程中具有重要作用。

3 结论与展望

综上所述，果胶甲酯酶在食品行业中发挥着重要的作用，主要体现在澄清果蔬汁、保持腌渍果蔬的质构性质、制备果胶、酿造葡萄酒等方面。在果蔬汁的澄清中，通过超高压、高温或加入抑制剂的方式，尽量抑制果蔬自身中存在的果胶甲酯酶活性，以保持果蔬汁的浑浊态，维持口感和质感已经成为食品工业中的常用辅助手段。在果蔬腌渍中，一般利用果胶甲酯酶将高甲氧基果胶转变为低甲氧基果胶，加入钙盐，使得低甲氧基果胶与钙离子结合形成一种果胶凝胶网络，减缓果蔬在腌渍过程中脆度的降低，达到保脆的目的。在食品增稠剂、低酯果胶的生产中，利用果胶酯酶的酶法生产是未来的一大研究热点，酶法制备果胶的优点明显，由于酶反应的高效性和专一性，能够提高反应的脱酯效率，从而降低设备要求，简化工艺流程，使得工艺易于控制，保持产品良好的胶凝度，具有广阔的市场前景，安全高效。在葡萄酒的酿造过程中，果胶甲酯酶作为果胶酶的一部分而发挥作用。其主要功能为修饰和处理果胶，促进果胶降解，促进色素活性物质的释放，从而提升酒液的澄清度与色泽香气。

随着工业的发展与进步，人民的生活消费水平不断提高，对于产品的需求也逐年提高，持续增长的需求使得特定果胶酶的应用拓宽。在食品工业中，对于特定果胶酶的研究必定越来越深入，而在果胶甲酯酶应用方面的研究，应根据其作用机理，不断开展新的应用思路，拓展其应用领域，致力于将其应用于更多的工业生产流程中，提高工业生产的效率，这将是今后果胶甲酯酶研究和应用的热点，也是其未来的发展趋势。