第一節 果膠概述
一、果膠的存在
果膠是一種親水性植物膠，廣泛存在于高等植物的果實、根、莖和葉中，是細胞壁的一種組成部分。不同植物或同一植物的不同部位，果膠的含量相差很大。對于同一株植物而言，細胞壁中果膠含量最高；對于不同器官而言，在果實中果膠含量最高，在根莖葉中也有所分布。到目前為止，已發現果膠含量較高并作為工業化生產原料的植物為數不多，主要有柑橘皮、向日葵托盤和甜菜等。果膠類物質包括原果膠、果膠和果膠酸。原果膠不溶于水，只存在于細胞壁中；果膠溶于水，存在于細胞汁液中；果膠酸微溶于水，細胞壁與細胞液中均有。
二、果膠的化學結構
果膠是由D-半乳糖醛酸殘基經α-1，4糖苷鍵相連接聚合而成的大分子多糖，相對分子質量在20000～300000之間。也有研究發現，果膠并不僅是通過α-1，4糖苷鍵連接起來的聚半乳糖醛酸的長鏈聚合物，果膠分子除含有半乳糖醛酸外還含有20%的中性糖組分，把其描述為以聚半乳糖醛酸為主的“光滑區”以及以鼠李糖和其他中性多糖為主的“多毛區”。實際上，果膠是一類具有共同特性的寡糖和多聚糖的混合物，但在結構上卻有很大的不同。
半乳糖醛酸的羧基可不同程度(0～85%)甲酯化以及部分或全部成鹽，完全去甲酯化的果膠稱果膠酸；提取前存在于植物中，與纖維素和半纖維素等結合的水不溶性的果膠物質稱原果膠。原果膠受植物體內原果膠酶的作用降解為水溶性果膠，再在多聚半乳糖醛酸酶也稱果膠酶的作用下，最終分解為半乳糖醛酸。衡量果膠酯化度高低的參數是DE值(degree of esterification)，是指果膠分子中平均每100個半乳糖醛酸殘基C6位上以甲酯化形式存在的百分數。通常我們將DE值高于50%的果膠稱為高甲氧基果膠，反之將DE值低于50%的果膠稱為低甲氧基果膠。自然界果實中天然存在的果膠都是高甲氧基果膠，經酸或堿處理高甲氧基果膠降低酯化度后可獲得低甲氧基果膠。果膠的分子結構決定了它許多理化方面的特性。
三、果膠的分類
果膠根據酯化度的不同可分為高酯果膠和低酯果膠兩大類。酯化度大于50%的果膠為高酯果膠(HM)，酯化度小于50%的為低酯果膠(LM)。低酯果膠可進一步分為普通低酯果膠和酰胺化低酯果膠。另外，高酯果膠還可分為快凝、中凝和慢凝三種類型。快凝果膠的酯化度在70%以上，慢凝果膠的酯化度在65% 以下。三種果膠的凝膠速度、凝膠溫度不同，在食品工業中的具體用途也不同。
四、果膠的特性
1．果膠的溶解性
果膠可分為水溶性果膠和水不溶性果膠。果膠溶于水后為黏稠溶液，不溶于乙醇和其他有機溶劑。果膠在水中的溶解度與其聚合度和甲酯基團的數量及分布有關。除此之外，溶液的pH值、溫度和離子強度對果膠的溶解速度有重要影響。果膠與其他親水溶膠一樣，果膠顆粒是先溶脹再溶解。如果果膠顆粒分散于水中時沒有很好地分離，溶脹的顆粒就會相互聚合形成大塊，反而更難溶解。工業應用上難溶解的另一個重要因素是溶解果膠用水中鈣含量，高硬度水可導致果膠溶解不完全。
2．果膠的酸堿性
在不加任何試劑的條件下，果膠水溶液呈酸性，主要是果膠酸和半乳糖醛酸。因此，在適度的酸性條件下，果膠穩定。但在強酸強堿條件下，果膠分子會降解。
3．果膠的凝膠性
凝膠化作用是果膠最重要的性質，果膠最主要的用途就是作為酸性條件下的膠凝劑。由于高甲氧基果膠和低甲氧基果膠在結構上的差異致使二者的凝膠條件完全不同。
4．果膠的穩定性
由于果膠在水溶液中呈弱酸的化學性質，其分子結構對熱和酸都相當穩定。高酯果膠在pH值2.5～4.5之間是穩定的。而低酯果膠在較高pH值條件下要稍穩定一些。高酯快凝果膠在低pH值條件下會脫酯以及水解，快凝果膠經過脫酯可變為慢凝的果膠，而慢凝果膠再脫酯逐步具有低酯果膠的特性。在堿性條件下，果膠即使在室溫下也能發生脫酯反應。如果用氮進行脫酯，則部分甲酯的甲氧基轉變為酰胺的氨基。酰胺化的低酯果膠比其他低酯果膠具有更優良的物理特性，可廣泛用于膠凝劑。果膠的不穩定因素主要是因為聚半乳糖醛酸聚糖鏈會由于β鍵消除的作用而解聚。β鍵消除作用發生在C6羧基被甲酯化的無水半乳糖醛酸的C4位置上的糖苷鍵上。高酯果膠在pH值5以上會部分失穩且明顯衰變。由于在較高pH值條件下的這種不耐性，在生產過程中很難將果膠溶液的pH值調高。當堿滴定液加入果膠溶液的同時在瞬間接觸的界面上會發生衰變。低酯果膠相對比較穩定，但仍不能暴露于高溫下，在pH值5以上的條件下，可發生水解作用而引起聚半乳糖醛酸聚糖鏈的解聚。如果果膠溶液保存于高溫且pH值低于3的條件下數小時，這個現象會更顯著。但在應用于食品的常規處理下是沒有問題的。果膠在各種酶的作用下會降解，其中某些酶是植物本身產生的。通常用微生物酶來降解果蔬原料，這種酶是通過微生物的發酵來進行商業化生產的。在水果加工中應用時，果膠應用的失敗有時與酶的存在有關。例如，將經過果膠分解酶處理過的果蔬原料與未經適當的酶變性熱處理的果膠一起使用，果膠的凝膠特性與穩定性則會表現得非常差。
五、果膠的功能
果膠作為一種可溶性膳食纖維，具有不可替代的功能特性。目前仍大部分應用于食品工業，在果醬、糖果工業中，果膠的主要功能還是其膠凝性。果膠作為膠凝劑所形成的凝膠在結構、外觀、色、香、味等方面均優于其他食品膠制作的凝膠。在低pH值下，多數膠的凝膠性能較差，而果膠則具有最大的穩定性；高酯果膠的黏度特性使其作為增稠劑用于果汁和乳制品工業中，可賦予產品以天然、爽口的口感。近年來，隨著人們對果膠分子結構研究的逐步深入，果膠的蛋白質穩定性、乳化特性越來越受到人們的青睞，酸化乳飲料、植物蛋白飲料在全球迅速發展，在低pH值下非常有效的穩定劑——果膠的需求量也日益增長。果膠在食品工業中主要作為膠凝劑使用，但它作為乳化穩定劑在大多數領域中還不為人所知。其乳化穩定特性主要建立在乳濁液水相的黏度提高上。果膠作為乳化穩定劑主要用于蛋黃醬、調味品等產品中。
六、水果中的果膠物質
未成熟的水果中果膠類物質以原果膠形式存在，原果膠是可溶性果膠與纖維素縮合而成的高分子物質，不溶于水，具有黏結性，使植物細胞之間黏結并賦予未熟水果較大的硬度。當果實進入過熟階段時，果膠在果膠酯酶的作用下脫甲酯變為果膠酸與甲醇。果膠酸不溶于水、無黏結性，相鄰細胞間沒有了黏結性，組織就變得松軟無力，彈性消失。果膠酸在多聚半乳糖醛酸酶的作用下生成短鏈或單個的半乳糖醛酸，果實變得軟爛。
果膠為白色無定形物質，無味，有些能溶于水成為膠體溶液，不溶于酒精、硫酸鐵和硫酸銨等鹽類，在酸、堿和酶的作用下可脫甲酯形成低甲氧基果膠和果膠酸。果汁中果膠可被甲醇和乙醇迅速沉淀下來，這就是果酒在釀造后期出現絮狀沉淀的原因之一，可以利用此特性來粗測果汁、果酒中果膠含量。果膠的甲氧基水解后在果酒制造中會生成甲醇，故含果膠非常豐富的某些原料在制酒時有可能導致甲醇含量過高。
由于果膠酸不溶于水，會使果汁出現不澄清現象，有時甚至出現絮狀物。因此可以通過添加果膠酶澄清果汁和果酒。果汁、發酵醪液、果酒中的果膠物質不能通過過濾除去，因為果膠可以堵塞過濾孔，當需要時可添加果膠酶使果膠降解，然后過濾。制造果酒時，一般無須預先澄清，因為在發酵過程中，果汁中含有少量的果膠物質可被自然存在和酵母產生的果膠酶降解掉，前提條件是果汁沒有被加熱到超過70℃。