蒸汽爆破對植物多酚及抗氧化活性的影響研究進展

豐程鳳，崔文玉，夏智慧，羅凱云，程安瑋

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南省菜籽油營養(yǎng)健康與深度開發(fā)工程技術(shù)研究中心，湖南長沙 410128）

植物多酚（plant polyphenols）是一類存在于植物體內(nèi)多羥基酚類化合物的總稱，主要包括黃酮類、單寧類、花色苷類、酚酸類等，具有清除自由基、抗氧化、抗衰老等多種生物活性。酚類物質(zhì)在植物中主要以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)存在，游離酚是指不與其他大分子發(fā)生物理、化學(xué)相互作用的酚類化合物[1]；結(jié)合酚是經(jīng)由共價鍵與食品基質(zhì)（如細胞壁物質(zhì)）相結(jié)合的多酚[2]，需要通過化學(xué)或酶處理方法將多酚從細胞壁上分離出來。

蒸汽爆破技術(shù)最早是在1926年由梅森發(fā)明，主要用于木材加工業(yè)[3]。它具有類酸性水解、熱降解、類機械斷裂、氫鍵破壞以及結(jié)構(gòu)重排等多種作用，集高溫和高壓的雙重效果，使植物組織的細胞破裂及結(jié)構(gòu)破壞，是一種物理化學(xué)預(yù)處理手段[4-5]。該技術(shù)集作用時間短、耗能低、高效無污染及適應(yīng)工業(yè)化等優(yōu)點，被認(rèn)為是生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)換最具發(fā)展前景的預(yù)處理方法[6-10]。

近年來，蒸汽爆破技術(shù)逐漸被應(yīng)用到植物及加工副產(chǎn)物中生物活性成分提取預(yù)處理中，展現(xiàn)出極好的效果[4,11-13]。本文綜述了近些年來國內(nèi)外蒸汽爆破技術(shù)對植物多酚及抗氧化活性的影響研究，為爆破加工適用于不同種類生物質(zhì)及有效成分的提取提供理論指導(dǎo)，拓展爆破加工技術(shù)在食品加工行業(yè)的利用范圍。

1 蒸汽爆破對植物中多酚的影響

1.1 總多酚

酚類作為食源性植物原料中重要的活性成分，組成種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受加工方式的影響。適宜的蒸汽爆破預(yù)處理條件能顯著促進植物原料中多酚類物質(zhì)的釋放，主要原理是蒸汽爆破處理破壞了原料的細胞結(jié)構(gòu)，從而有利于萃取溶劑的可觸及性。過高的蒸汽爆破強度則會使多酚類物質(zhì)發(fā)生降解從而導(dǎo)致多酚提取量降低。表1總結(jié)了不同植物原料在不同蒸汽爆破條件下酚類物質(zhì)的變化及其作用機制。可以看出，多酚物質(zhì)變化因原料品種和處理條件不同而存在差異，但經(jīng)蒸汽爆破處理后多酚的提取率均增加。此外，蒸汽爆破可用于柑橘皮渣[14-15]、草莓?dāng)D壓物[16]、紅白葡萄柚汁加工殘留物[17]等農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物中黃酮類等活性物質(zhì)的提取及利用。

表1 蒸汽爆破過程中酚類物質(zhì)的變化及作用機制Table 1 Changes and mechanism of phenols during steam explosion

1.2 游離酚（可溶性多酚）

蒸汽爆破技術(shù)通過高溫高壓作用破壞物料結(jié)構(gòu)，可將結(jié)合在細胞壁上的多酚游離出來，顯著提高了游離酚的提取率。Gong等[4]報道大麥麩中總可溶性酚含量均隨蒸汽爆破強度的增加而增加，在220 ℃蒸汽爆破處理120 s后，總可溶性酚產(chǎn)率提高了近9倍，阿魏酸和對香豆酸的產(chǎn)量急劇增加，其中阿魏酸的游離型和共軛型的產(chǎn)率分別提高了59和9倍。Liu等[30]也以大麥麩皮為原料得出相似的結(jié)果，但其中可溶性游離酚酸和可溶性共軛酚酸的含量只比未處理組增加了39和7倍。同樣地，蒸汽爆破也顯著提高麩皮總可溶性酚含量，特別是游離阿魏酸和共軛阿魏酸的含量增加明顯[31]。Conde等[32]發(fā)現(xiàn)在240 ℃蒸汽爆破條件下橄欖枝的酚類提取率比200 ℃下約高2倍。爆破溫度從180 ℃升高到250 ℃，Sasa palmata中的酚類物質(zhì)含量呈逐漸增加的趨勢，最高可為未處理組的52倍，但當(dāng)溫度高于260 ℃時，酚類物質(zhì)提取率開始降低[33]。

高效液相色譜法（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）測定苦蕎麩皮中含有沒食子酸、焦性沒食子酸、原兒茶酸、羥基苯甲酸、兒茶素、咖啡酸、綠原酸、葒草苷、蘆丁、金絲桃苷、白藜蘆醇、木犀草素、槲皮素、山奈酚、阿魏酸15種成分，這15種成分在蒸汽爆破處理前均存在于游離部位中，蒸汽爆破后咖啡酸和阿魏酸消失。在結(jié)合酚中，除焦性沒食子酸、原兒茶酸和咖啡酸3種外，其余12種酚類物質(zhì)在蒸汽爆破處理前均檢測出；相反，經(jīng)蒸汽爆破后這3種成分能檢測到，而木犀草素消失[12]。苯甲酸和咖啡酸在加熱條件下可分別生成奎寧酸和兒茶酚[34]，熱處理也有助于咖啡酸和奎尼酸轉(zhuǎn)化為綠原酸[35]。Cheng等[36]選用0.25～1.0 MPa壓力范圍分別對紅豆爆破30和90 s，結(jié)果證實0.25～0.75 MPa范圍內(nèi)隨著壓力的上升和時間的延長，游離酚的含量呈上升的趨勢；壓力提高到1.0 MPa，長時間的維壓反而降低其游離酚的含量。隨著爆破壓力的增強和時間的延長，游離酚中的兒茶素、兒茶素、表兒茶素和香豆酸含量明顯上升，阿魏酸含量明顯下降，蘆丁和異槲皮苷的含量先增加后又降低。

Arrieta-Baez等[37]指出加熱條件下，阿魏酸和對香豆酸的脫羧作用可使其相應(yīng)的自由基中間體形成二聚產(chǎn)物，阿魏酸和對香豆酸的游離和共軛形式對蒸汽爆破更為敏感[36]。在過度汽爆處理過程中，阿魏酸可能會分解成4-甲基、4-乙基和4-乙烯基愈創(chuàng)木酚和香蘭素等化學(xué)物質(zhì)[38]。適當(dāng)?shù)恼羝铺幚砜伤獍肜w維素或纖維素中的糖苷鍵和木質(zhì)素中的β-O-4醚鍵，還可有效地水解酚類物質(zhì)、木質(zhì)素和碳水化合物之間的酯鍵和/或醚鍵，從而提高酚類物質(zhì)的釋放率。蒸汽爆破預(yù)處理有助于顯著提高可溶性多酚的提取率，然而高溫和長時間的汽爆處理會導(dǎo)致酚類物質(zhì)降解或聚合，由于芳基環(huán)取代基類型和取向存在差異性，這使得熱處理會導(dǎo)致酚類化合物發(fā)生不同程度的降解。

1.3 結(jié)合酚（不溶性多酚）

植物中具有不同的結(jié)合態(tài)的多酚，許多實驗表明結(jié)合態(tài)的含量遠遠高于游離酚，如玉米中的結(jié)合酚含量達87.4%～95.6%[39]，藜麥種子中結(jié)合酚占了80%[40]，6種小扁豆含有9.94%～63.11%的不可提取多酚[41]。結(jié)合酚通常與植物不溶性大分子如纖維素或半纖維素共價結(jié)合[42]，不能直接用有機溶劑萃取得到。

蒸汽爆破可通過直接破壞細胞壁基質(zhì)或水解細胞壁中酚和多糖之間的酯鍵，從細胞液泡中釋放被束縛的酚類物質(zhì)[4,29]。紅豆經(jīng)蒸汽爆破（壓力0.25～1.0 MPa，維壓時間30～90 s）預(yù)處理后，結(jié)合酚含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，HPLC結(jié)果表明結(jié)合酚主要成分是原兒茶素，而咖啡酸只存在于結(jié)合酚中[36]。由于蒸汽爆破過程中物理和化學(xué)作用的協(xié)同作用，酚酸的形成和降解是共存的過程，需要達到一個平衡狀態(tài)，因此隨著蒸汽爆破程度的增加，趨勢表現(xiàn)為先增加后減少[29,43]。蒸汽爆破產(chǎn)生的類機械作用也可導(dǎo)致結(jié)合酚酸的釋放；另外，木質(zhì)素的解聚也可增加酚類物質(zhì)的產(chǎn)率。不同的加熱過程可使原料中游離酚增加而結(jié)合酚下降[4]。Yeo等[44]研究指出扁豆經(jīng)熱處理后，結(jié)合態(tài)與游離酚的比率均有所下降，加熱能使不溶于水的酚醛共價鍵解離，導(dǎo)致它們從種子基質(zhì)中解放出來，轉(zhuǎn)化為游離酚。蒸汽爆破處理也可導(dǎo)致豆渣中的膳食纖維發(fā)生降解和斷裂，使一些原來與這些大分子物質(zhì)結(jié)合的大豆異黃酮轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)[25]。HPLC測定蒸汽爆破后的松針中黃酮苷元含量比未經(jīng)處理組高3.17倍，而糖苷含量降低了57%[28]。類黃酮作為一類重要的多酚類物質(zhì)，可分為游離、可溶的酯類或共軛物和不可溶的結(jié)合形式[4]。

食品加工過程中的酸水解、堿水解、酶水解、熱降解和機械化作用等可使多酚與細胞壁物質(zhì)之間的共價作用或非共價作用解除，而導(dǎo)致結(jié)合態(tài)多酚向游離態(tài)多酚轉(zhuǎn)化。蒸汽爆破是一個自水解過程，具有類酸性作用，可形成小分子的有機酸，可溶性結(jié)合物（黃酮苷）可在有機酸的作用下水解并轉(zhuǎn)化為游離苷元，也可導(dǎo)致羧基和酚羥基的增加以及β-O-4結(jié)構(gòu)的顯著降低[45-46]。蒸汽爆破產(chǎn)生的高溫、高壓對不穩(wěn)定化學(xué)鍵（如糖苷鍵）的破壞，導(dǎo)致預(yù)處理過程中發(fā)生化學(xué)變化，細胞內(nèi)結(jié)合態(tài)的黃酮轉(zhuǎn)化為游離態(tài)，且木質(zhì)素、纖維素類物質(zhì)發(fā)生降解[26]。從微觀結(jié)構(gòu)上看，蒸汽爆破可導(dǎo)致生物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分解和顆粒尺寸減小，另外肽鏈中的一些共價鍵被破壞，然后在聚合物鏈內(nèi)重新結(jié)合形成新的鍵，從而改變聚合物的最終結(jié)構(gòu)[47]。

1.4 影響蒸汽爆破效果的主要因素

處理強度指飽和蒸汽溫度和維壓時間的協(xié)同效應(yīng)，它對預(yù)處理的效果有直接影響[48]，能夠增大固相物的內(nèi)孔面積，使大部分半纖維素發(fā)生自水解，這些都有助于提高多酚的提取率。在較低壓力條件下（1.0 MPa），隨著維壓時間的延長，粉葛總黃酮提取量增加；在2.0 MPa處理條件下，隨著維壓時間的持續(xù)增加，黃酮量先增加后降低[26]。在200 ℃、5 min的蒸汽爆破條件下，漆樹果黃酮類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率最高[29]。但過高的處理強度會導(dǎo)致酚類物質(zhì)不同程度的降解或聚合，甚至?xí)?dǎo)致植物生物質(zhì)的炭化[34]。Mrad等[49]研究也指出高處理強度會導(dǎo)致結(jié)合酚變性。適當(dāng)?shù)恼羝铺幚韽姸瓤梢杂行У靥岣咧参镏卸喾拥奶崛÷?，強度過低時提取率下降是因為蒸汽爆破是自水解過程，作用時間短則反應(yīng)不充分，當(dāng)汽爆強度過高時，小顆粒發(fā)生聚集，導(dǎo)致提取率下降。

蒸汽爆破處理對植物原料組分分離和超分子結(jié)構(gòu)的影響與原料的孔徑有密切關(guān)系。纖維原料的形態(tài)結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)變化程度取決于原料的孔隙度，通常情況下孔隙度較大的有利于爆破處理，所需強度弱一些，孔隙度小的爆破條件強一些。Sui等[50]研究結(jié)果表明，平均孔徑與提取參數(shù)相關(guān)性最大。蒸汽爆破后的黃芪，大孔面積百分比（100～100000 nm）由8.25%增大到91.57%，是提取性能提高的主要原因。

蒸汽爆破前的預(yù)浸泡處理是影響蒸汽爆破的重要過程[51-52]。預(yù)浸泡處理的主要目的是實現(xiàn)纖維軟化與膨脹，使纖維分離免受機械損傷。此外，纖維膨脹有助于增加水蒸氣的滲透強度和水化作用，從而提高處理效果。常用的預(yù)浸處理試劑為堿液、水及稀酸溶液，橄欖種殼用硫酸預(yù)浸后，在200 ℃下汽爆處理2 min后戊糖產(chǎn)率為63%；而不加硫酸預(yù)浸時，即使將處理強度提高到215 ℃，戊糖產(chǎn)率也只有39%[53]。松針用水預(yù)浸1.5 h后，在1.2 MPa、60 s條件下進行汽爆處理，黃酮類物質(zhì)的提取率最高為49.5 mg/g；而未預(yù)浸處理組在相同汽爆條件下提取率只有21.0 mg/g[28]。適當(dāng)?shù)念A(yù)浸處理會使原料纖維膨脹，增加水蒸氣的滲透強度和水化作用，從而提高蒸汽爆破處理效果。

影響蒸汽爆破的因素還有原料的蛋白質(zhì)含量、pH、水分含量等本身特性[54]。蛋白質(zhì)顆粒表明帶有很多極性基團，如羥基、羧基等和水有高度親和性。蒸汽爆破過程中蛋白質(zhì)與水蒸氣相遇時很容易在蛋白質(zhì)顆粒表面形成一層水膜，影響汽爆效果。另外，具有細胞結(jié)構(gòu)的植物原料在高溫高壓介質(zhì)下汽相蒸煮，可形成小分子的有機酸，易使半纖維素降解成可溶性糖，而原料本身pH較低則會促進這一過程。

2 蒸汽爆破對植物多酚抗氧化活性的影響

2.1 體外抗氧化活性

植物多酚的一個重要功效是具有很強的抗氧化活性，以上論述了蒸汽爆破對原料中多酚的存在形態(tài)、結(jié)合方式、含量及組成的影響，相應(yīng)的對其抗氧化活性也會產(chǎn)生明顯的影響。Chen等[18]在0.5～2.5 MPa壓力下對大豆皮爆破處理30～150 s，發(fā)現(xiàn)其酚類提取物的抗氧化活性明顯提升，在1.0 MPa、50 s和2.0 MPa、90 s條件下清除DPPH·能力最強，兩組之間沒有明顯差異。沙棘果渣經(jīng)蒸汽爆破處理后，與未爆破組相比DPPH·和·OH的IC50（半數(shù)抑制濃度）值分別下降44%和78%[55]。同樣，隨著爆破強度（0.2～1.0 MPa）的增加，茶渣提取物的FRAP還原能力和清除能力明顯增加，最大抑制效果分別在logR0=2.83和logR0=2.55[21]?？嗍w麩皮結(jié)合酚提取物的體外氧自由基吸收能力在1.5 MPa、60 s蒸汽爆破條件下提高了270%[12]。唐宇等[22]也對苦蕎麩皮進行了研究，通過模擬胃腸消化全階段顯示，經(jīng)蒸蒸汽爆破破處理后苦蕎麩皮的ORAC值均高于未蒸汽爆破組，這可能是由于蒸汽爆破處理促進黃酮糖苷去糖苷化生成生物活性更優(yōu)的苷元。以上研究結(jié)果表明蒸汽爆破預(yù)處理能提高植物原料的抗氧化活性。

Noda等[43]研究指出，大蒜在蒸汽壓力為15 atm，時間為1、3、5 min，提取物的自由基清除活性EC50（半最大效應(yīng)濃度）值分別為7.444、0.538和0.202 g/L，說明在一定壓力下作用時間越長，抗氧化活性越高。在蒸汽壓力為30和45 atm時，在1～10 min的蒸汽時間內(nèi)DPPH·的EC50值從0.3降至0.14 g/L，說明大蒜中的部分酚類物質(zhì)是低分子的，經(jīng)蒸蒸汽爆破破后快速減壓至常壓后，以低分子酚類物質(zhì)的形式溶解于水中，同時多糖也被降解。蒸汽爆破后大蒜提取物具有較高的抗氧化活性，而在30 atm下處理5 min，其酚類物質(zhì)含量（93.7 mg/g）最高，而抗氧化活性最高值在45 atm下處理5 min，是因為在30和45 atm的蒸汽壓力下產(chǎn)生了糠醛和5-羥甲基糠醛等熱解產(chǎn)物，蛋白質(zhì)、脂肪和其他物質(zhì)也會發(fā)生降解，這些產(chǎn)物也有助于提高抗氧化活性。

適當(dāng)?shù)恼羝颇茱@著提高物料的抗氧化活性，而高強度蒸汽爆破處理有可能造成抗氧化成分的損失[56]。籽粒莧籽實經(jīng)0.6 MPa、60 s蒸汽爆破處理后DPPH·清除率最高達到76.62%±2.98%，是未蒸汽爆破組的4.6倍，但壓力上升到1.5 MPa時DPPH·清除率會降低[57]。張瑞婷[58]研究發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破條件1.5 MPa、90 s時，麥麩提取液清除DPPH·最高，持續(xù)提高壓力和時間，反而呈下降趨勢，與籽粒莧籽實結(jié)果相似。Cheng等[36]詳細研究了蒸汽爆破對紅豆中游離酚和結(jié)合酚的抗氧化活性影響，結(jié)果表明游離酚和結(jié)合酚的FRAP、DPPH·、ABTS+·的清除能力隨著爆破壓力的增強和維壓時間的延長，都表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，相比較，結(jié)合酚的抗氧化活性高于游離酚；且多酚含量與DPPH、FRAP、ABTS之間具有顯著的相關(guān)性，決定系數(shù)R2值分別為0.784、0.909、0.937。Chen等[18]采用雙變量相關(guān)分析也表明經(jīng)爆破處理后大豆種皮總酚類物質(zhì)含量、總黃酮含量與DPPH值、ABTS值呈顯著相關(guān)（P＜0.01），且DPPH值與ABTS值也呈正相關(guān)，表明酚類和黃酮類物質(zhì)是發(fā)揮抗氧化活性的主要成分。同樣，經(jīng)蒸汽爆破后紫甘薯花色苷的DPPH·清除能力和·OH清除能力有一定的提高[59]，可能由于花色苷組分相對含量發(fā)生了變化，或蒸汽爆破導(dǎo)致花色苷糖苷鍵的斷裂，使其分子結(jié)構(gòu)中的活性基團（酚羥基）暴露出來，從而提高了抗氧化活性。Gong等[4]研究也表明，大麥麩中總抗氧化能力隨蒸汽爆破強度的增加而增加，與總可溶性酚含量呈高度正相關(guān)，表明蒸汽爆破后大麥麩皮提取物總抗氧化能力的增加至少部分是由于可溶性酚含量的增加。

適宜的蒸汽爆破預(yù)處理使多酚降解成低分子形式，從而提高抗氧化活性，蛋白質(zhì)、脂肪和其他物質(zhì)發(fā)生降解，其降解產(chǎn)物也有助于提高抗氧化活性，并且多酚物質(zhì)含量與抗氧化活性值呈顯著正相關(guān)。對椰棗[60]、大蒜皮[61]、柑橘皮渣[14]、秋葵籽[62]、青稞[63]、麥麩粉[64]、油茶籽油[65]、竹材[51]等原料進行蒸汽爆破預(yù)處理，也證實了蒸汽爆破能有效促進多酚物質(zhì)的釋放，同時提高抗氧化能力。

2.2 細胞內(nèi)抗氧化活性

多酚物質(zhì)在細胞水平上的抗氧化活性，將有助于開發(fā)利用其作為防癌劑、心血管保護劑、神經(jīng)退化抑制劑等潛在藥用價值?？鄥⑷~在0.5 MPa的蒸汽壓力下，120 s內(nèi)山茶素A可脫糖轉(zhuǎn)化為芹菜素，轉(zhuǎn)化率達94%以上，芹菜素的形成能顯著提高提取物的細胞抗氧化活性。DSC（示差掃描量熱儀）分析顯示，山茶素A在160 ℃開始出現(xiàn)明顯的吸熱峰，隨后出現(xiàn)放熱峰，芹菜素從350 ℃開始出現(xiàn)一個尖銳的吸熱峰，為其結(jié)晶形態(tài)的熔點，這表明山茶素A在較高溫度下可轉(zhuǎn)化為芹菜素[66]。蒸汽爆破前苦蕎麩皮中游離酚細胞抗氧化能力的EC50值為77.61 mg/mL，蒸汽爆破后的游離酚EC50值顯著下降到36.01 mg/mL[12]，而結(jié)合酚沒有顯示細胞抗氧化活性，說明蒸汽爆破能顯著提高游離酚的含量，并提高了細胞抗氧化能力[67]。同樣地，玉米、大米、小麥、燕麥、大麥和蕎麥等全谷物中的不溶性結(jié)合酚類物質(zhì)沒有細胞抗氧化活性[68]。與山奈酚、木犀草素和槲皮素相比，咖啡酸和阿魏酸的細胞抗氧化活性較低[69-70]，推測蒸汽爆破處理后咖啡酸和阿魏酸的降解可能導(dǎo)致游離態(tài)的山奈酚、木犀草素和槲皮素的組成比例發(fā)生變化，從而增強游離酚的細胞抗氧化活性。木犀草素和槲皮素具有良好的親脂性，相反，蘆丁和咖啡酸等較親水的酚類物質(zhì)，其細胞抗氧化活性較低或沒有[70]，蒸汽爆破處理導(dǎo)致結(jié)合態(tài)咖啡酸的產(chǎn)生，細胞內(nèi)抗氧化活性較低。

3 結(jié)語

蒸汽爆破技術(shù)可適用于各種生物質(zhì)物料，預(yù)處理條件易于調(diào)節(jié)控制，可實現(xiàn)物料在組分水平、組織水平和細胞水平上的分級分離。近年來的研究主要用于食品原料的預(yù)處理以及功效成分的提取，但需要注意的是較高的溫度或者長時間的維壓會引起食品的糊化、焦化等變質(zhì)現(xiàn)象。蒸汽爆破技術(shù)作為食品加工行業(yè)中的一項新技術(shù)，還需要深入探究：a.食品原料基質(zhì)的組成特點與蒸汽爆破效果之間的關(guān)系；b.蒸汽爆破對食品原料中活性成分的釋放機制還沒完全清楚，例如蒸汽爆破強化活性成分的提取傳質(zhì)機理及多孔結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律；c.構(gòu)建蒸汽爆破過程多階段質(zhì)量傳遞模型；d.如何進一步控制好原料處理的強度和均勻度，避免造成有效成分的降解和美拉德反應(yīng)；e.聯(lián)合多種預(yù)處理方法，進一步提高有效成分的提取率；f.在蒸汽爆破過程中是否對食品營養(yǎng)價值及安全性產(chǎn)生影響；g.目前通過動物模型研究蒸汽爆破對植物多酚體內(nèi)抗氧化活性的研究沒有檢索到相關(guān)文獻，應(yīng)該進一步通過體內(nèi)和體外聯(lián)合實驗研究其抗氧化等活性。隨著研究的深入，會進一步拓展爆破技術(shù)在食品加工行業(yè)的利用范圍。