前言

第一章 前言

1.1 種子黏質之簡介

被子植物的種皮 (seed coat)由數層特殊組織所構成，是受精後的珠 被 發 育 而 成 。 一 些 植 物 ， 例 如 十 字 花 科 (Brassicaceae) 、 茄 科 (Solanaceae)、亞麻科 (Linaceae)、車前草科 (Plantaginaceae)等種子的 種皮最外層含有黏質 (mucilage)，此類外層含有黏質的種子又稱為黏 液繁殖體 (myxospermy) (Grubert, 1981)。黏質是在高爾基體內製造，

累積於分泌小泡，再經由胞外分泌成為細胞外基質 (extracellular matrix) (Western et al., 2000)。黏質為透明果膠狀多醣體 (pectinaceous polysaccharides)的物質，乾燥時緊貼於種皮外圍，遇水則會在短時間 內吸取水份並膨潤，包覆種子形成一圈黏液 (Bradford and Nonogaki, 2007)。

種子外層的黏質被認為在保持種子活力及確保種子萌芽上扮演重 要角色，可藉由：(1)幫助種子對抗乾燥。當黏質遇水可立即吸取水 分，並且降低水分喪失；(2)幫助種子吸收及補充營養物。黏質一旦 澎潤後增加種子與土壤接觸面積，因此可促進種子保持營養物；(3) 保護種子。黏質可與土壤黏著，避免種子遭受螞蟻或種子採集者的掠 食。(4)調節種子萌芽。溼度過高時，黏質使種皮的透氣性及透水性 變差，引起種子進入休眠，同時抑制種子發芽以保護胚 (embryo)免 於損害，保持種子完整且確保在合適的條件下再行萌芽； (5)幫助固 著。黏質黏附土壤後，防止種子被風雨散播，利於種子在母株附近固 著。(6)幫助散播。黏質也可黏附於鳥類與哺乳類，幫助種子擴展至

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新棲地，或是藉由流水散播至較遠的距離並保持種子完整 (Gutterman, 1993; Zaady et al., 1997; Arsovski et al., 2009; Yang et al., 2010)。除此 之外，黏質吸附露水或少量雨水後可幫助胚修復 DNA，並且維持種 子在惡劣沙漠環境中的活力 (Huang et al., 2008)。

1.2 黏質多醣體之組成

黏質多醣體的主要成份為果膠 (pectin) (Western et al., 2000)。果膠 是由大量酸性多醣所構成的膠狀物，存在於植物細胞壁的細胞外間 質 ， 具 有 很 高 的 親 水 性 。 依 組 成 的 不 同 分 為 四 類 ， 分 別 為 homogalacturonan (HGA) 、 xylogalacturonan (XGA) 、 rhamnogalacturonan I (RG I) 及 rhamnogalacturonan II (RG II)。HGA 是以 α-1,4 醣苷鍵連接的 D-galacturonic acid 直鏈結構；XGA 是 α-1,4-D-galacturonic acid 的直鏈，側鏈為 β-1,3-D-xylose；RG I 是以 α-1,4-D-galacturonic acid 與 α-1,2-L-rhamnose 組合的雙醣構成主鏈，

側鏈主要為 α-1,3-L-arabinose 和 β-1,4-D-galactose 形成較長的寡聚 醣；RG II 是以 α-1,4- D-galacturonic acid 為主鏈，側鏈較短且多，可 能連接的單醣有十二種，也是唯一含有硼 (borate)的果膠 (Willats et al., 2001; Harholt et al., 2010)。

果 膠 的 結 構 可 以 被 修飾 ， 在 galacturonic acid 之 羧 基 (carboxyl group)可被甲基酯化 (methyl esterified)或是在第二個碳上的氫氧根 (hydroxyl)被乙醯酯化 (acetyl esterified)。果膠根據甲基酯化的程度可 分 為 兩 類 ， 其 中 甲 基 酯 化 程 度 低 於 50% 為 低 甲 基 酯 化 果 膠 (low-methoxyl pectins)，高於50%則為高甲基酯化果膠 (high-methoxyl

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pectins)。依據果膠的修飾程度具有不同的凝膠機制，高甲基酯化果 膠需在高酸 (pH 24)且高糖濃度之環境下方可凝膠，是以氫鍵結合 形成網狀構造的凝膠 (Gigli et al., 2009)；而低甲基化酯果膠凝膠時不 需糖，且pH值範圍較廣 (pH 2.56.5)，是雙價金屬陽離子 (例如Ca²⁺、 Mg²⁺等)與galacturonic acid 之羧基以離子鍵鍵結形成的凝膠 (Thakur et al., 1997)。

1.3 果膠的應用

長久以來，果膠普遍做為天然的食品添加劑。果膠常做為食品中的 膠凝劑 (gelling agent)、增稠劑 (thickener)、調質劑 (texturizer)、乳 化劑 (emulsifier)及安定劑 (stabilizer)等，是一項純天然植物原料。

經由聯合國糧食及農業組織和世界衛生組織 (FAO ∕ WHO)聯合專家 委 員 會 共 同 確 認 ， 果 膠 是 無 毒 性 ， 並 且 是 無 每 日 允 許 攝 取 量 (acceptable daily intake, ADI) 限 制 的 食 品 添 加 劑 (Thakur et al., 1997)。

除了應用於食品工業的特性之外，攝取含有果膠的食物有益健康。

已知食用果膠具有以下保健功能：(1)刺激腸胃蠕動，軟化糞便並促 進排便；(2)具抗菌功效，緩和幼兒常見的細菌性腹瀉；(3)降低血液 中總膽固醇與低密度脂蛋白 (low-density-lipoprotein, LDL)濃度，預防 心血管疾病；(4)與鉛等重金屬結合，並排出體外。現代文明疾病與 高熱量飲食習慣相當有關，果膠產品不但促進健康，可取代高糖高脂 肪原料製成低卡洛里產品，並在腸道與其它食物混合，阻止消化液與 食物接觸，降低食物吸收率；又因果膠能結合大量水分，延緩胃排空

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時間與提升飽足感，達到節食效果 (Thakur et al., 1997; Sriamornsak, 2003)。

近年來關於果膠在藥物上的應用已有許多進展。藥物釋放系統 (drug delivery system, DDS)目的為控制藥物進入人體的釋放速率，防 止藥物輸送過量及抑制藥物副作用，且維持長時間的藥效。藥物釋放 系統將藥物外表包覆親水性載體，使輸送過程中不受破壞，到達目標 後因載體逐漸水解而擴散釋放藥物。藥物釋放系統常用高分子材料做 為藥物的載體。由於果膠具有良好的生物相容性及親水性，已有許多 實 驗 進 一 步 評 估 做 為 藥 物 釋 放 系 統 的 載 體 (Thakur et al., 1997;

Sriamornsak, 2003; Liu et al., 2007)。

除此之外，果膠廣泛應用於許多其它產業。例如化粧品產業中，果 膠可做為調整化妝品流動性的增稠劑，及均勻混合油水兩相的乳化穩 定劑；另外紡織業與造紙業也使用果膠做為漿料。在生態應用方面，

果膠可吸附廢水中的重金屬，如鉛、銅、鋅等金屬離子。由上述等多 項應用，可證實果膠是一項天然、安全且相當具有發展價值的原料 (Thakur et al., 1997; Leroux et al., 2003; Li et al., 2007)

1.4 皮膚的構造與老化之簡介

皮膚是人體最大的器官，總表面積約1.52.0 平方公尺，具有調節 體溫、防止乾燥及抵抗外來物質入侵的功能。皮膚由上而下可大致分 為表皮 (epidermis)、真皮 (dermis)和皮下組織 (subcutaneous tissue) 三層，另外還有一些附屬結構，如毛髮、指甲、皮膚腺體 (汗腺、皮 脂腺)等。

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表皮平均厚度約 0.10.3 mm，由內而外分為五層，即：基底層、有 棘層、顆粒層、透明層、角質層，但只有手掌及腳掌的部位具有透明 層。表皮是由細胞密密地推積起來的，由以三種型態的細胞：角質細 胞 (keratinocyte)、 麥拉 寧 色 素 細胞 (melanocyte)及 蘭 格 罕 氏細 胞 (langerhans cell) 所組成。角質細胞是表皮層裡主要行擴散代謝的細 胞，其功能為角質化以產生角質蛋白，表皮層內之各層是由角質細胞 由其基底層分裂代謝而形成。麥拉寧色素細胞生成麥拉寧色素，是造 成膚色的主因之一。蘭格罕氏細胞是皮膚之免疫反應中呈現抗原給淋 巴球的細胞。

真皮以基底膜與表皮連繫，平均厚度約 0.32 mm，區分為乳頭層 及網狀層，是由結締纖維、基質及細胞所組成。真皮內含三類細胞：

纖 維 母 細 胞 (fibrobla st) 、 肥 大 細 胞 (mast cell) 及 巨 噬 細 胞 (macrophage)。纖維母細胞可合成膠原蛋白纖維與彈力蛋白纖維，其 中膠原蛋白纖維其功用是保持組織的形狀，而彈力蛋白纖維可使皮膚 組織有彈性。肥大細胞和巨噬細胞則是與皮膚免疫反應有關。真皮內 基質功能為保持大量的水分，組成為醣蛋白和粘多醣，真皮內水分可 將養分從血管擴散到細胞中，同時使組織柔軟。

位於真皮下層的皮下組織是由海綿狀的結締組織與脂肪細胞所構 成，其中脂肪細胞會合成脂肪貯存於內，而脂肪的功能是保持體溫和 貯存能量。

皮膚老化會有許多徵象，在外觀上會使皮膚紋理粗糙、皮膚鬆弛，

並產生皺紋及褐斑等。在皮膚生理機能上，則有角質層的水分含量減 少、表皮細胞增殖能力降低、真皮纖維母細胞增殖能力降低及皮下組

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織脂肪減少的現象。此外，對於皮膚老化有許多理論，目前最被接受 的是自由基老化理論 (free radical theory)。自由基是具有不成對電子 的化學物質，會攻擊細胞組織，促成癌症及老化產生 (光井武夫，

2005；陳與洪，2001)。

1.5 自由基之簡介

自由基定義為外層軌域具有不成對電子 (unpaired electron)的原子 或基團，因外層軌遇的不穩定，而具有極高的化學反應性 (high chemical reactivity)，易與其它物質反應並奪取電子，穩定自由基本身 但造成其它物質的不穩定，引發一連串的反應，即為自由基的連鎖反 應 (free radical chain reaction) (Halliwell, 1994)。

自由基的來源分為外生性 (exogenous)與內生性 (endogenous)兩 類，外生性為受到環境汙染、輻射、紫外線或吸菸等因素而誘導；內 生性為人體進行正常代謝時所產生。人體內進行氧化代謝 (oxidative metabolism)時，會產生活性氧 (reactive oxygen species, ROS)，活性氧 是以氧為中心的高反應分子。當活性氧與抗氧化防禦系統失衡時，過 量的活性氧攻擊細胞組織，造成氧化逆境 (oxidative stress)而促進老 化或疾病。常見的活性氧有超氧陰離子自由基 (superoxide radical, O2

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-) 、 過 氧 化 氧 (hydrogen peroxide, H2O2) 及 氫 氧 離 子 自 由 基 (hydroxyl radical, ‧OH) (Lykkesfeldt, 1995)。

超氧陰離子自由基為最先產生、數量也最多的活性氧，半衰期短，

很少直接對人體造成傷害，卻會形成其它的活性氧。過氧化氧雖然不 是自由基，但可穿透細胞膜到達人體各處，且易受過渡金屬離子催化

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轉變為氫氧離子自由基。氫氧離子自由基的毒性最強，會使細胞膜上 的脂質過氧化及氧化修飾 DNA，將 DNA 上的鳥糞嘌呤 (guanine)突 變為 8-hydroxyguanine 而造成細胞凋亡。另外，氫氧離子自由基也可 能氧化蛋白質，使蛋白質結構改變而失去活性 (Zhu et al., 2004)。

1.6 抗氧化機制之簡介

人體內本身即有酵素與非酵素的抗氧化防禦系統。包括超氧歧化酶 (superoxide dismutase ， SOD) 、 麩 胱 甘 肽 過 氧 化 酶 (glutathione peroxidase，GSH-Px)、及過氧化氫酶 (catalase)等，相互間的反應式 如下：

非酵素系統則包含維他命 E (α-tocopherol)、維他命 C (ascorbic acid)、類黃酮 (flavonoid)及多元酚 (polyphenol)等，作用機制為終止 自由基連鎖反應、提供氫原子或螯合過渡金屬離子，達到抑制氧化反 應 (Zhu et al., 2004)。

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1.7 研究動機與目的

柚籽是食用柚肉後剩下的廢棄物，表面含有黏質。將柚籽浸潤水 1015 分鐘後，柚籽周圍即有一層透明的黏質物 (圖 1-1A)，然後再 利用一種染酸性多醣的染劑ruthenium red (0.2%，w/v)，染柚籽後呈 現明顯紅紫色 (圖 1-1B)，確認柚籽外層的主要成份是酸性多醣 (Naran et al., 2008)。根據種子的生理理論，推測此黏質物應該具有良 好的吸水特性。因此擬以水萃取存在柚籽外層的多醣體，進行特性分 析，包括黏度、水合能力、抗氧化能力及細胞毒性；組成分析，包括 總醣含量、醣醛酸含量、蛋白質含量、醣類成份及甲基酯化程度。並 且將粗萃的多醣經過陰離子交換層析得到部份純化的多醣體，除了除 了重複上述的特性分析與組成分析外，並利用分子篩估算部份純化多 醣的分子量，實驗架構如圖 1-2。

期望藉由上述的組成與特性分析，評估柚籽表面粘質物是否具有做 為食品、化妝品及藥物添加劑的應用潛力。

圖 1-1. (A)柚籽吸水後，黏質膨潤為果 膠狀的物質。(B)以 0.2% (w/v) ruthenium

圖 1-1. (A)柚籽吸水後，黏質膨潤為果 膠狀的物質。(B)以 0.2% (w/v) ruthenium