植物食品中結(jié)合態(tài)酚酸的研究進(jìn)展

孫玉敬,張紅娟,郭精桐

(浙江工業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

酚酸是植物源食品中天然存在的酚類化合物的一種,在水果、蔬菜、咖啡、茶葉、葡萄酒、啤酒及橄欖油中含量較高[1]。游離態(tài)酚酸參與很多植物和動(dòng)物的生理過(guò)程,如形成木質(zhì)素、抗氧化、清除自由基、刺激反應(yīng)和毒素活性反應(yīng)等[2]。酚酸可延緩機(jī)體衰老、預(yù)防心血管疾病,具有抗炎、防癌、抗腫瘤和抗?jié)兊壬砉π3],這使得酚酸可以應(yīng)用在醫(yī)藥保健中。然而酚酸在植物中大多數(shù)以結(jié)合態(tài)形式存在,如核桃仁中結(jié)合態(tài)酚酸約占總酚酸質(zhì)量的50%[4],在小麥面粉中結(jié)合態(tài)酚酸約占總酚酸質(zhì)量的77%[5]。酚酸結(jié)構(gòu)的多樣性在很大程度上影響了其生物利用率,單體酚酸很容易通過(guò)腸道屏障被機(jī)體吸收,而大分子則很難被吸收[6],結(jié)合態(tài)酚酸降低了其生物利用率,因此結(jié)合態(tài)酚酸的釋放是酚酸能被有效利用的關(guān)鍵。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)合態(tài)酚酸的存在形式、生物利用率和生物活性進(jìn)行介紹,重點(diǎn)對(duì)國(guó)內(nèi)外結(jié)合態(tài)酚酸的釋放方法進(jìn)行綜述,以期為開發(fā)結(jié)合態(tài)酚酸釋放新方法提供參考。

1 酚酸的種類及存在形式

酚酸屬于酚類化合物,以C1-C6和C3-C6為主干,從結(jié)構(gòu)上來(lái)看可分為兩大類:苯甲酸和肉桂酸衍生物[7](圖1,2)。酚酸有游離態(tài)和結(jié)合態(tài)兩種存在形式,其中以結(jié)合態(tài)形式為主[5]。苯甲酸及其衍生物和肉桂酸及其衍生物的結(jié)構(gòu)[8]分別如圖1,2所示。

R1=R2=R3=H,苯甲酸;R1=R2=R3=OH,沒食子酸;R1=R2=OH,R3=H,原兒茶酸;R1=R3=H,R2=OH,對(duì)-羥基苯甲酸;R1=OCH3,R2=OH,R3=H,香草酸。圖1 苯甲酸和普通羥基苯甲酸結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of benzoic acid and common hydroxybenzoic acid

R1=R2=R3=H,肉桂酸;R1=R2=OH,R3=H,咖啡酸;R1=R3=H,R2=OH,對(duì)-香豆酸;R1=OCH3,R2=OH,R3=H,阿魏酸;R1=R3=OCH3,R2=OH,芥子酸。圖2 肉桂酸和普通羥基肉桂酸結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of cinnamic acidand common hydroxycinnamic acid

游離態(tài)酚酸能溶于水和極性溶劑,結(jié)合態(tài)酚酸又被稱為不溶性鍵合態(tài)酚酸,其通過(guò)醚鍵、酯鍵和C—C共價(jià)鍵與結(jié)構(gòu)蛋白、纖維素和果膠等大分子物質(zhì)結(jié)合形成結(jié)合態(tài)酚酸,可在酸、堿或相關(guān)酶的作用下解離出單體酚酸成分[9]。

在不同的植物性食品中酚酸種類、含量及其存在形式是不同的。在鮮棗中檢出沒食子酸、原兒茶酸、對(duì)羥基苯甲酸、綠原酸、香草酸、對(duì)香豆酸、阿魏酸、鞣花酸和肉桂酸等9種游離態(tài)酚酸,結(jié)合態(tài)酚酸中的可溶酯化酚酸有對(duì)香豆酸和阿魏酸[10]。柑橘中的酚酸類化合物主要為肉桂酸型,少數(shù)為苯甲酸型,主要以酰胺、酯或糖苷的結(jié)合形式存在,很少以游離形式存在[11]。目前已從咖啡中分離得到對(duì)羥基苯甲酸、香草酸、對(duì)香豆酸、阿魏酸、綠原酸、咖啡酸、咖啡?？鼘幩岬确铀犷惣翱Х人嵫苌?其中綠原酸是主要的酚酸類化合物[12],堿性水解釋放出結(jié)合態(tài)酚酸后,檢測(cè)到阿魏酸、對(duì)香豆酸和高濃度的咖啡酸[13]。

2 結(jié)合態(tài)酚酸的生物利用率

生物利用率是食物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或某物質(zhì)被消化、吸收和代謝的比例。酚酸必須在消化過(guò)程中從谷物細(xì)胞壁中釋放出來(lái)[14]才能夠被人體消化、吸收和利用。自由形式的酚酸相對(duì)于結(jié)合態(tài)酚酸具有更高的生物利用率,結(jié)合態(tài)酚酸一旦到達(dá)結(jié)腸,就會(huì)被腸道菌群代謝,從而能夠從結(jié)合的復(fù)合物中釋放游離態(tài)酚酸[15],利用過(guò)程如圖3所示。Hemery等[16]利用超細(xì)粉碎和靜電分離麥麩來(lái)釋放結(jié)合態(tài)酚酸,從而提高其生物利用率。Anson等[17]發(fā)現(xiàn)結(jié)合在麩皮基質(zhì)中的阿魏酸生物利用率極低,為了提高麩皮面包中酚類化合物的生物利用率,開發(fā)了不同的生物處理技術(shù),包括發(fā)酵處理和酶處理。

圖3 結(jié)合態(tài)酚酸在胃腸道中的利用Fig.3 Utilization of bound phenolic acids in the gastrointestinal tract

3 結(jié)合態(tài)酚酸的生物活性

胃腸道消化可能會(huì)影響結(jié)合態(tài)酚酸的釋放類型和速率,從而決定其在胃腸道系統(tǒng)中的生物利用率,如無(wú)論餅干中顯示的抗氧化化合物的類型和數(shù)量如何,在經(jīng)腸道消化后,其體外抗氧化能力都會(huì)增加[18]。對(duì)羥基肉桂酸衍生物是谷物中主要的結(jié)合態(tài)酚酸,包括阿魏酸、對(duì)香豆酸、二阿魏酸、芥子酸、綠原酸和咖啡酸,占總酚質(zhì)量的96.4%～100.0%,在胃腸道消化中不能被消化吸收的結(jié)合態(tài)酚酸將到達(dá)結(jié)腸,并顯示出健康益處,如預(yù)防結(jié)腸癌、其他消化系統(tǒng)癌癥、乳腺癌和前列腺癌[19]。

被釋放的結(jié)合態(tài)酚酸在人體中可發(fā)揮重要的生理活性作用,具有抗氧化、抑制肥胖、抑菌以及抑制結(jié)腸癌、乳腺癌等癌癥的功能[20],研究發(fā)現(xiàn)被釋放的結(jié)合態(tài)酚酸的抗氧化活性不低于甚至高于游離態(tài)酚酸。例如,小麥、玉米、燕麥和大米全谷物的抗氧化能力主要取決于它們被釋放的結(jié)合態(tài)酚酸[20-21]。以色列研究學(xué)者利用海藻中酚酸殺滅蚊蟲幼蟲,結(jié)果表明海藻中釋放不溶性結(jié)合態(tài)酚酸和可溶性結(jié)合態(tài)酚酸的組分對(duì)埃及蚊有較好的抑制作用[22]。Piazzon等[23]用鐵還原抗氧化能力測(cè)定法對(duì)啤酒中的抗氧化活性進(jìn)行測(cè)定,發(fā)現(xiàn)啤酒中結(jié)合態(tài)酚酸保留了抗氧化活性,并且對(duì)啤酒的鐵還原抗氧化活性貢獻(xiàn)最大。Kim[24]測(cè)定了6種漿果的抗氧化能力和總酚酸含量,發(fā)現(xiàn)游離態(tài)酚酸和結(jié)合態(tài)酚酸成分的含量和抗氧化能力有很大的差異,6種漿果的不溶性結(jié)合態(tài)酚酸是天然抗氧化劑的良好來(lái)源。釋放的結(jié)合態(tài)酚酸是天然的抗氧化劑,并且效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于游離態(tài)酚酸,所以對(duì)結(jié)合態(tài)酚酸進(jìn)行釋放并利用,可將其用于保健類食品,預(yù)防與氧化應(yīng)激相關(guān)的疾病。

4 結(jié)合態(tài)酚酸的釋放方法

4.1 酸堿水解釋放

酸堿水解法是釋放結(jié)合態(tài)酚酸的傳統(tǒng)方法,其主要原理是酸、堿可以破壞共價(jià)鍵,使得與酯、糖苷和細(xì)胞壁結(jié)合的酚酸釋放出來(lái)。酸堿水解釋放法一般先用甲醇去除游離態(tài)酚酸,然后用酸、堿或?qū)⑺釅A聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)行結(jié)合態(tài)酚酸的釋放,近年來(lái)陸續(xù)有學(xué)者以此為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)來(lái)釋放結(jié)合態(tài)酚酸。研究人員探討了不溶性膳食纖維結(jié)合的酚類化合物在堿水解前后的結(jié)構(gòu)變化,經(jīng)紅外光譜分析證實(shí),堿水解后不溶性膳食纖維的C—O鍵發(fā)生斷裂[25]。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)堿性介質(zhì)不僅可以破壞類黑色素與酚類化合物之間的共價(jià)鍵,而且可以破壞綠原酸的內(nèi)鍵,還發(fā)現(xiàn)強(qiáng)酸可以破壞共價(jià)鍵[26]。表1是部分用酸堿水解釋放結(jié)合態(tài)酚酸的研究。

酸堿水解法具有操作簡(jiǎn)單、成本投入較低等優(yōu)勢(shì),但該方法耗時(shí)長(zhǎng),約2～10 h。其中應(yīng)用到鹽酸、氫氧化鈉,對(duì)環(huán)境不友好,在釋放過(guò)程中酸堿會(huì)破壞部分酚酸的結(jié)構(gòu)。

4.2 酶解釋放

釋放結(jié)合態(tài)多酚的酶主要有淀粉酶、纖維素酶和蛋白酶,其主要原理是這些酶分別能夠水解與結(jié)合態(tài)酚酸結(jié)合的多糖、蛋白質(zhì)和纖維素[36],因此可以添加酶類或用菌類發(fā)酵產(chǎn)生酶來(lái)釋放結(jié)合態(tài)酚酸。碳水化合物水解酶,例如果膠酶、纖維素酶、淀粉酶、半纖維素酶和葡聚糖酶已被有效地用于釋放多酚,這些酶起到分解植物細(xì)胞壁基質(zhì)的作用,從而促進(jìn)多酚的提取[37]。在細(xì)菌發(fā)酵過(guò)程中可通過(guò)內(nèi)源性和細(xì)菌酶的作用來(lái)修飾谷物成分,包括酯酶、木聚糖酶和酚氧化酶,從而影響它們的結(jié)構(gòu)[38],釋放結(jié)合態(tài)酚酸。Moore等[39]利用固態(tài)酶反應(yīng)系統(tǒng)來(lái)釋放麥麩中存在的酚酸,發(fā)現(xiàn)固態(tài)酶反應(yīng)系統(tǒng)比水相反應(yīng)系統(tǒng)更適用于食品成分的改性和生產(chǎn),因?yàn)樵诿甘Щ詈蟛恍枰~外的步驟來(lái)去除水分或分離最終產(chǎn)品,此外固態(tài)酶法不會(huì)產(chǎn)生廢物,也不需要特殊設(shè)備。表2是部分由酶解釋放結(jié)合態(tài)酚酸的研究。

表2 部分由酶解釋放結(jié)合態(tài)酚酸的研究

酶解釋放結(jié)合態(tài)酚酸對(duì)環(huán)境友好,不產(chǎn)生多余的廢料,綠色環(huán)保。該方法雖然具有特異性、高效性等優(yōu)點(diǎn),但是價(jià)格昂貴,不適合商業(yè)生產(chǎn)。

4.3 加工釋放

很多食品加工的過(guò)程也可以改變游離態(tài)和結(jié)合態(tài)酚酸的含量,De Paula等[45]發(fā)現(xiàn)谷物的加工可能會(huì)對(duì)酚類化合物的含量產(chǎn)生積極或消極的影響,從而可能影響其生物活性。大多數(shù)加工方法會(huì)破壞結(jié)合態(tài)酚酸與大分子物質(zhì)之間的化學(xué)鍵,從而使結(jié)合態(tài)酚酸釋放。目前有文獻(xiàn)報(bào)道釋放結(jié)合態(tài)酚酸的加工方法有擠壓工藝、遠(yuǎn)紅外輻射、脈沖電場(chǎng)、電子束輻射和蒸汽爆炸等。

擠壓工藝是在短時(shí)間內(nèi)將材料暴露在高溫、壓力和剪切力下的熱機(jī)械過(guò)程,這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致許多結(jié)構(gòu)和化學(xué)轉(zhuǎn)變,例如淀粉的糊化、蛋白質(zhì)的變性和擠壓材料中淀粉、脂類和蛋白質(zhì)復(fù)合物的形成,并且擠壓還會(huì)增加可溶性膳食纖維[46]。Hu等[47]通過(guò)擠壓黑米發(fā)現(xiàn)較高的溫度和較強(qiáng)的擠壓剪切力可以破壞部分酚類物質(zhì)與細(xì)胞壁或纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)組分之間的酯鍵,因此一些結(jié)合態(tài)酚酸被釋放。Mora-Rochin等[48]研究表明擠壓蒸煮促進(jìn)了阿魏酸由結(jié)合形式向游離形式的轉(zhuǎn)化,但影響程度較小。擠壓工藝不使用化學(xué)品,綠色環(huán)保,主要適用于谷物,在其他原料上的應(yīng)用還有待研究。

遠(yuǎn)紅外輻射射線被定義為波長(zhǎng)大于4 μm但短于微波(λ>0.1 cm)的電磁波,紅外線具有生物活性,其將熱量均勻地傳遞到材料的中心,而不會(huì)降解材料表面的分子,然而遠(yuǎn)紅外輻射射線可能會(huì)裂解共價(jià)鍵,并從重復(fù)的聚合物中釋放抗氧化劑化合物[49]。同時(shí)遠(yuǎn)紅外輻射還是一種干燥技術(shù),具有高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn),可以大大縮短干燥的時(shí)間[50]。Ratseewo等[51]研究發(fā)現(xiàn):遠(yuǎn)紅外輻射會(huì)導(dǎo)致“色素大米”酚酸含量增加,因?yàn)檫h(yuǎn)紅外輻射射線可能會(huì)打破共價(jià)鍵,從聚合物中釋放更多結(jié)合的或更小的多酚分子,如酚酸等,從而產(chǎn)生更強(qiáng)的抗氧化活性。遠(yuǎn)紅外輻射技術(shù)不使用化學(xué)品,對(duì)環(huán)境友好,主要應(yīng)用在米、面中,然而輻射射線可能會(huì)破壞其他的物質(zhì)結(jié)構(gòu),且成本相對(duì)較高。

脈沖電場(chǎng)的原理是破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)以提高生物活性物質(zhì)的提取率[52]。長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理往往會(huì)導(dǎo)致果實(shí)中酚類化合物的降解[53]。Lohani等[54]用脈沖電場(chǎng)處理的蘋果渣含有較高濃度的原兒茶酸、綠原酸和水楊酸,而高粱面粉含有較高濃度的水楊酸、阿魏酸、對(duì)羥基苯甲酸和咖啡酸。從微觀結(jié)構(gòu)分析來(lái)看,發(fā)酵和電穿孔導(dǎo)致更多的細(xì)胞崩潰和細(xì)胞破壞,酚類物質(zhì)從結(jié)合結(jié)構(gòu)中釋放出來(lái)。脈沖電場(chǎng)雖然具有處理溫度低、時(shí)間短、能耗低、污染小、能更好地保持食品品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)特性等優(yōu)點(diǎn)[55],但是其成本相對(duì)較高。

電子束輻射可以打破化學(xué)鍵,去除電子,并誘導(dǎo)水輻射分解,然而所使用的輻射類型可能會(huì)改變處理結(jié)果,并且電離輻射通過(guò)誘導(dǎo)活組織中的活性氧物種影響細(xì)胞抗氧化狀態(tài)。這種氧化應(yīng)激會(huì)對(duì)水果和蔬菜等食物的營(yíng)養(yǎng)成分產(chǎn)生影響[56]。Kim等[57]發(fā)現(xiàn)輻射處理可以通過(guò)破壞咖啡豆的糖苷鍵釋放酚酸,咖啡豆中活性香氣成分增加。經(jīng)過(guò)輻射處理的大豆也顯示出更強(qiáng)的抗氧化能力。該方法可能會(huì)改變材料中其他成分的結(jié)構(gòu),因此在實(shí)際生活中應(yīng)用較少。

蒸汽爆破是一種有效的粉碎材料以提高其質(zhì)量的技術(shù)[58],其原理是在高溫和高壓下使用蒸汽水解,然后突然降低壓力對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行物理處理,以產(chǎn)生低分子量物質(zhì)[59]。蒸汽爆破可形成較大的空腔和胞間空間,有利于多酚類物質(zhì)的釋放[60]。Liu等[61]發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破法能有效釋放麩皮中的結(jié)合態(tài)酚酸。蒸汽爆破成本較低,效果較好,值得進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

酚酸大多以結(jié)合態(tài)形式存在于植物中,結(jié)合態(tài)酚酸被釋放后其生物活性一般高于游離態(tài)酚酸,結(jié)合態(tài)酚酸的有效利用有利于人類的健康。此外,通過(guò)回收利用植物廢棄物并釋放結(jié)合態(tài)酚酸也可以減少資源浪費(fèi)。由于結(jié)合態(tài)酚酸結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,釋放結(jié)合態(tài)酚酸的方法還停留在實(shí)驗(yàn)室階段,因此還需進(jìn)一步研究。研究發(fā)現(xiàn):結(jié)合態(tài)酚酸因受到熱、酶、菌類發(fā)酵、壓力和輻射等的影響,會(huì)以游離態(tài)形式釋放出來(lái),從而提高其生物利用率。傳統(tǒng)釋放方法雖然在逐步完善,但仍存在水解不徹底、流程相對(duì)繁瑣、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響、應(yīng)用較多化學(xué)藥品、成本較大以及會(huì)降解部分單體酚酸等問(wèn)題。而菌類發(fā)酵要求很高,且應(yīng)用的菌種比較單一,一旦泄漏會(huì)對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生影響。酶類釋放雖然相對(duì)環(huán)保,但成本較高,而且效果并不理想。超聲波、微波和蒸汽爆破技術(shù)作為成本低、節(jié)約能源、綠色環(huán)保和安全的加工新技術(shù),在釋放結(jié)合態(tài)酚酸方面有一定的應(yīng)用前景,然而還需要對(duì)其釋放規(guī)律和機(jī)制進(jìn)行深入研究。