高靜水壓加工對果蔬酚類化合物的影響研究進(jìn)展

閆慧明,李葦舟,李富華,2,趙吉春,2,明 建,2,

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶 400715；2.西南大學(xué)食品貯藏與物流研究中心,重慶 400715）

眾所周知,果蔬類食品除了提供必需的維生素、礦物質(zhì)、類胡蘿卜素和膳食纖維外,還含有多種生物活性物質(zhì),如酚類化合物。酚類化合物本身是一種植物激素,直接影響植物的色澤、風(fēng)味、香氣等[1]。流行病學(xué)研究表明,膳食中增加果蔬及其制品攝入量可有效降低代謝綜合征、糖尿病、非酒精性脂肪肝和心血管疾病等慢性疾病的風(fēng)險,這與果蔬中含有的酚類化合物密切相關(guān)[2-3]。熱處理是果蔬類產(chǎn)品加工中最為普遍的工藝技術(shù),其對酚類化合物的穩(wěn)定性及活性的發(fā)揮構(gòu)成威脅。蘋果汁中原花青素?zé)崦粜宰畈?受熱水解為（+）兒茶素、（－）表兒茶素和原花青素B2[4]。高靜水壓作為一種典型的非熱加工技術(shù),在高品質(zhì)、高營養(yǎng)果蔬制品的生產(chǎn)加工中具有廣闊應(yīng)用前景。高靜水壓處理能更好地保留果蔬酚類化合物,因此本文就高靜水壓對果蔬酚類化合物含量、結(jié)構(gòu)以及抗氧化、抗炎活性的影響展開論述。

1 高靜水壓處理在果蔬加工中的應(yīng)用

高靜水壓即超高壓技術(shù),是一種以水為介質(zhì),在室溫或溫和條件下以100～1000 MPa處理原料的非熱加工技術(shù)[5]。以這種方式處理的食物能最大程度地保留其原有的新鮮度、風(fēng)味和顏色[6]。高靜水壓能破壞細(xì)胞組織、滅活微生物,其在果蔬加工中主要用于滅菌、提高生物活性成分萃取率、鈍化酶活力等方面,此外還具有保持食品形狀[7],改善果蔬顏色、質(zhì)構(gòu)及風(fēng)味[8],促進(jìn)果酒理化和感官特性變化[9]等作用（表1）。該技術(shù)作為一項(xiàng)食品保鮮技術(shù),也被用于增強(qiáng)活性成分功能或開發(fā)新產(chǎn)品。

1.1 滅菌

與傳統(tǒng)熱處理相比,高靜水壓不改變共價鍵,只影響弱的靜電相互作用和細(xì)胞微結(jié)構(gòu)[10],對低分子質(zhì)量化合物如維生素、色素和其他營養(yǎng)成分影響有限,所以能更好地保持食品的色澤、風(fēng)味和營養(yǎng),用于食品微生物滅活,特別適用于熱敏產(chǎn)品。高靜水壓通過影響蛋白質(zhì)和酶結(jié)構(gòu),或者改變食品體系的pH值來提高殺菌效率[11],降低微生物細(xì)胞的活力。用于食品的高壓設(shè)備通常采用室溫下600 MPa處理幾分鐘,殺菌效果接近“冷巴氏殺菌”,不能完全殺菌,因?yàn)榧?xì)菌孢子對壓力具有一定的抵抗性,所以高靜水壓不能完全取代熱殺菌,但高壓可結(jié)合70～130 ℃的熱處理滅活細(xì)菌孢子[12]。

1.2 活性成分萃取

植物細(xì)胞壁中多糖（纖維素、半纖維素和果膠）組分阻礙細(xì)胞內(nèi)生物活性成分（如植物酚類化合物）釋放。高壓破壞膜結(jié)構(gòu),有利于從植物組織中釋放酚類化合物、β-胡蘿卜素等活性成分。如600 MPa顯著增加了甘薯粉β-胡蘿卜素的萃取率[13]。高靜水壓作為天然生物活性物質(zhì)的冷萃取方法,壓力水平是萃取過程中最重要的參數(shù)之一,其與生物活性成分溶解度直接相關(guān)。有研究表明,壓力對細(xì)胞器和細(xì)胞有直接機(jī)械破壞作用[14],隨著壓力的增加,可溶性成分溶解度增加,萃取物平衡濃度提高[15]；同時,高強(qiáng)度壓力還會引起細(xì)胞形變、蛋白質(zhì)變性等變化[16],也有利于生物活性成分的萃取。高靜水壓在提高生物活性成分萃取率方面具有潛在優(yōu)勢。

1.3 調(diào)節(jié)酶活力

高強(qiáng)度的高靜水壓處理會導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性,許多酶如多酚氧化酶（polyphenol oxidase,PPO）、過氧化物酶（peroxidase,POD）因發(fā)生不可逆變化而喪失功能。而高靜水壓溫和處理可以激活酶活力,因?yàn)閴毫l件下酶的可逆構(gòu)型有利于酶釋放第二個活性中心或與底物發(fā)生相互作用[17]。食品體系中酶的失活程度可能與處理?xiàng)l件和原料有關(guān)。高靜水壓也可與其他技術(shù)聯(lián)用,如與溫和熱處理結(jié)合或與二氧化碳聯(lián)用促進(jìn)酶的失活[12,18]。

1.4 提高產(chǎn)品品質(zhì)

高靜水壓可以提高果蔬硬度,這與壓力條件下果膠甲酯酶活性增強(qiáng)有關(guān)。壓力導(dǎo)致細(xì)胞分裂,花青素、色素等滲入細(xì)胞間隙,使得果蔬產(chǎn)品顏色加深。由于壓力在果蔬表面均勻且瞬間傳遞,因此不會對果蔬組織造成過度損傷[19]。此外,高壓還可促進(jìn)紅葡萄酒在貯藏過程中美拉德反應(yīng)的發(fā)生和酚類物質(zhì)的聚合,利于葡萄酒色澤、風(fēng)味的形成[9]。因此,高靜水壓在果蔬加工中可用于提高產(chǎn)品品質(zhì)。

表1 高靜水壓處理在果蔬加工中的應(yīng)用Table 1 Application of high hydrostatic pressure in processing of fruits and vegetables

2 果蔬酚類化合物

酚類化合物是植物在對抗病原體過程中產(chǎn)生的植物次生代謝物,以共軛形式存在,如糖苷[32],或通過醚和/或酯鍵與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)組分（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠、蛋白質(zhì)）結(jié)合,主要功能是提供抵抗紫外線輻射的保護(hù)[33]。酚類化合物可以作為天然抗氧化劑、抗菌劑、抗輻射保護(hù)劑和細(xì)胞壁成分等[34]；然而酚類化合物不能在人或動物機(jī)體中合成,只能通過食物攝取,作為抵抗氧化應(yīng)激的外源抗氧化劑。

2.1 種類和含量

圖1 不同花青素的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of different anthocyanins

果蔬中酚類化合物有類黃酮、酚酸、香豆素、丹寧等,主要位于細(xì)胞液泡中,其中花青素（類黃酮）含量較為豐富,有天竺葵素、矢車菊素、飛燕草素、芍藥素、矮牽牛素和錦葵色素等6 種主要存在形式[35]（圖1）。蔬菜中不含?；椭挥幸粌蓚€單糖結(jié)構(gòu)的簡單花青素占總花青素的16%,水果中相應(yīng)比例為74%；蔬菜中約70%的花青素含有一個或多個芳香?；?而水果中只有11%[36]?；ㄇ嗨谺環(huán)中3,4-二羥基取代基是清除自由基的關(guān)鍵,易與羥自由基（·OH）、疊氮自由基（N3·）和過氧自由基（ROO·）等反應(yīng)[37]。酚酸抗氧化活性主要?dú)w因于分子中的鄰二羥基或3-OH取代基和烷基,能提高酚酸親脂性和螯合能力[38]。果蔬酚類化合物含量和組成差異可能取決于內(nèi)在因素,如不同屬、種或品種,以及外部因素如果實(shí)采收時間、位置、環(huán)境因素、加工條件和貯藏條件等[39]。此外,提取方法或分析方法也會影響酚類化合物的種類及含量。

2.2 抗氧化、抗炎活性

果蔬之所以有利于人體健康,其中的酚類化合物發(fā)揮著非常重要的作用。一方面,酚類化合物可直接作為抗氧化劑,防止低密度脂蛋白氧化、血小板聚集和紅細(xì)胞損傷[40],或者通過減少細(xì)胞DNA氧化損傷間接抑制細(xì)胞癌變和腫瘤細(xì)胞增殖[41]。還可以通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激敏感的核轉(zhuǎn)錄因子,如核因子κB（nuclear factor kappa B,NF-κB）,減少心腦血管疾病相關(guān)動脈粥樣硬化的發(fā)生[42]；另一方面,酚類化合物具有抗炎作用,其重要機(jī)制是抑制類二十烷類生成酶——脂氧合酶（lipoxygenase,LOX）和環(huán)氧合酶（cyclooxygenase,COX）活性[43],由這些酶催化的多不飽和脂肪酸,特別是花生四烯酸的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物可能增加許多疾病的風(fēng)險。酚類化合物還可以通過干擾NF-κB、絲裂原活化蛋白激酶等炎癥信號,或者抑制促炎細(xì)胞因子來抑制炎癥反應(yīng)[44]。因此,果蔬酚類化合物通過有效抑制LOX、COX活力,調(diào)節(jié)相應(yīng)信號通路或細(xì)胞因子起到抗炎作用。此外,酚類化合物還具有抑制癌癥、心腦血管疾病和代謝紊亂等功能活性[44-45]。

3 高靜水壓處理對果蔬酚類化合物的影響

3.1 對果蔬酚類化合物含量的影響

一定程度的高靜水壓能觸發(fā)果蔬組織氧化應(yīng)激反應(yīng),產(chǎn)生H2O2、誘導(dǎo)與丙二醛形成相關(guān)的脂質(zhì)過氧化,從而影響酚類化合物代謝[10,46]。具體的,100 MPa的壓力可誘導(dǎo)植物組織中氧化應(yīng)激,激活與次生代謝產(chǎn)物（如酚類化合物）生物合成相關(guān)代謝途徑；150～200 MPa處理可引起細(xì)胞壁破壞和膜通透性改變,代謝活性逐漸降低[10]。高靜水壓處理后番木瓜H2O2含量隨壓力增加而顯著增加（P＜0.001）；并且壓力和時間對丙二醛水平都有顯著影響[47]。

高靜水壓處理通過破壞細(xì)胞組織,促進(jìn)酚類化合物的釋放。因?yàn)楦邏耗芤饚щ娀鶊F(tuán)的去質(zhì)子化,破壞疏水鍵和鹽橋,導(dǎo)致膜蛋白形態(tài)變化和變性,有利于酚類化合物滲透到細(xì)胞膜外,從而提高萃取產(chǎn)率[48]。如高壓處理嘉寶果（jabuticaba）,總酚含量增加38%[49]；一定壓力處理草莓果醬后,天竺葵素-3-葡萄糖苷和天竺葵素-3-蘆丁苷含量較傳統(tǒng)熱處理更為豐富[50],除花青素外,還保留了9 種酚類物質(zhì)：兒茶素、鞣花酸、β-羥基苯甲酸、對香豆酸、阿魏酸、咖啡酸、山萘酚、槲皮素及楊梅素[6]。Hana等[51]研究發(fā)現(xiàn)高靜水壓對龍眼中柯里拉京（corilagin）（一種水溶性鞣質(zhì)）具有良好的選擇性。500 MPa處理后,柯里拉京含量為9.6 mg/gmd,高于傳統(tǒng)溶劑提取法得到的2.3 mg/gmd（30 ℃下用50%乙醇提取30 min）。

高靜水壓處理有利于提高果蔬中酚類化合物的貯藏穩(wěn)定性,并促進(jìn)酚類化合物釋放。400～600 MPa高壓處理?xiàng)蠲?花青素保留量在98%以上。4 ℃貯藏期間,花青素降解符合一級動力學(xué)變化,其降解速率隨處理壓力的增大而降低[52]。高壓處理后的橙汁也具有相似的特性[53]。說明高靜水壓處理可以提高果汁花青素穩(wěn)定性。

3.2 對果蔬酚類化合物結(jié)構(gòu)的影響

壓力可能改變酚類物質(zhì)結(jié)構(gòu),形成新化合物。研究發(fā)現(xiàn),600 MPa、70 ℃處理葡萄酒模型溶液（葡萄酒陳化過程）30 min,矢車菊素3-O-葡萄糖苷（cyanidin 3-O-glucoside,Cy3gl）降解約25%,并且生成vitisin A衍生物（圖2）,有助于葡萄酒變紅。熱加壓下葡萄酒中的錦葵色素-3-O-葡萄糖苷（malvidin-3-O-glucoside）含量減少,花青素單體降解,同時高分子質(zhì)量產(chǎn)物含量增加?；ㄇ嗨亟到鈺r首先去糖基化形成查耳酮,再生成各種苯甲酸衍生物,如原兒茶酸、2,4-二羥基苯甲酸等[54-55]。高效液相色譜分析顯示,200 MPa處理桑葚20 min,形成兩種新花青素：飛燕草素-3-O-香豆酰葡萄糖苷和天竺葵素-3-O-香豆酰葡萄糖苷（圖3）；但在400 MPa/20 min處理?xiàng)l件下,僅生成飛燕草素-3-O-香豆酰葡萄糖苷[24]。由于壓力變化而導(dǎo)致花青素結(jié)構(gòu)差異的主要原因是壓力通過影響非共價鍵,導(dǎo)致羥基和氫氧化物離子在苷元氰化物上發(fā)生重排,從而形成新的花青素。

圖2 受熱/加壓樣品中Cy3gl與丙酮酸鹽的縮合反應(yīng)[54]Fig.2 Condensation reaction of cyanidin 3-O-glucoside and pyruvate in heated/pressurized samples[54]

圖3 天竺葵素-3-O-香豆酰葡萄糖苷（A）和飛燕草素-3-O-香豆酰葡萄糖苷（B）化學(xué)結(jié)構(gòu)[24]Fig.3 Structures of pelargonidin-3-O-coumaroylglucoside (A) and delphinidin-3-O-coumaroylglucoside (B)[24]

3.3 對果蔬酚類化合物抗氧化和抗炎活性的影響

高靜水壓處理通過增加酚類化合物或其他抗氧化成分含量[56],或者降低與酚類化合物相關(guān)酶的活性[57],抑制酚類化合物與其他成分非酶氧化和聚合反應(yīng),或通過改變果蔬微觀結(jié)構(gòu)而影響酚類物質(zhì)與蛋白質(zhì)、多糖相互作用[7],最終利于保護(hù)果蔬酚類化合物的抗氧化和抗炎活性。

高靜水壓處理通過降低多種生物酶類的活性,如β-葡萄糖苷酶、PPO、POD、果膠甲酯酶、多聚半乳糖醛酸酶來保持果蔬抗氧化活性[58]。一般而言,400～900 MPa壓力處理后蘋果、葡萄、草莓等水果中的褐變相關(guān)酶的活性顯著降低[58]。然而不同果蔬中的酶對壓力敏感性差異大[59]。如紅樹莓和草莓經(jīng)壓力處理后,β-葡萄糖苷酶不能完全被滅活[28],但這并不是一個壞結(jié)果,因?yàn)樵撁竻⑴c從非揮發(fā)性葡萄糖苷中釋放揮發(fā)性苷元過程,從而對水果風(fēng)味釋放發(fā)揮重要作用[60]。楊梅中的PPO對矢車菊素3-葡萄糖苷沒有直接作用,但加入沒食子酸能刺激花色苷降解[61]。600 MPa處理后仙人果薄壁組織和細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞,異鼠李糖苷含量增加近2 倍,仙人果抗炎活性提高[62]。說明高靜水壓處理能較好地保留果蔬食品的功能活性。

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)熱加工相比,高靜水壓處理對果蔬酚類化合物含量和抗氧化、抗炎活性具有更好的保留作用,原因主要是高壓破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),促進(jìn)生物活性物質(zhì)釋放；降低PPO、POD等酶活性；抑制酚類化合物與其他物質(zhì)非酶氧化和聚合反應(yīng)；影響酚類物質(zhì)與蛋白質(zhì)、多糖相互作用。高壓處理也會引起花青素、酚酸結(jié)構(gòu)變化,形成新化合物。但高壓條件如何影響酚類化合物與大分子物質(zhì)相互作用,以及如何影響酚類化合物生物利用度等方面仍有許多科學(xué)問題需要揭示[58]。此外,還應(yīng)進(jìn)一步探討高壓處理后新物質(zhì)形成機(jī)制,這些物質(zhì)可能是酚類化合物氧化、分解、縮合和異構(gòu)化產(chǎn)物,具有一定的生物活性[7]。

雖然高靜水壓非熱加工技術(shù)在果蔬加工中優(yōu)勢明顯,但目前仍受到兩方面的限制：一是導(dǎo)致微生物和酶失活的壓力動力學(xué)理論不夠完善,不能保證高壓處理過程可替代傳統(tǒng)加熱過程；二是開發(fā)食品連續(xù)壓力加工機(jī)械仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn),設(shè)備投資和維護(hù)成本高[7]。因此,高靜水壓非熱加工技術(shù)的發(fā)展及推廣還需要大量的科學(xué)理論和裝備技術(shù)作支撐。