熱加工過程對植物酚類物質結構、含量及抗氧化活性影響研究進展

馬占倩 吳娜娜 易翠平 譚 斌

(1. 長沙理工大學化學與食品工程學院，湖南 長沙 410114；2. 國家糧食局科學研究院，北京 100037)

植物酚類物質是自然存在的一類植物性化學成分，具有對機體有益的抗氧化活性[1]。然而，這些植物性物質需經受不同加工方式處理方可食用。熱處理是食品加工和保存中最常用的方法，除影響食品保質期外，還會影響食品感官、營養成分和植物化學物質等。熱處理可以采取烘焙、蒸煮、擠壓和微波加熱等多種方式，其處理程度、模式會改變酚類物質結構、含量及其抗氧化活性等，從而使營養成分出現不同程度的損失改變食品品質。本文綜述了蒸煮、焙烤、微波、擠壓等幾種常見的熱加工方式。

1 植物酚類物質

植物酚類物質是一種芳香環化合物，含有一個或多個羥基。最常見的酚類物質有酚酸、類黃酮和花青素等，結構組成分別如圖1、2和表1～3所示。其中，酚酸通常分兩大類，一類是從苯甲酸衍生出的含7個碳原子的物質，包括沒食子酸、香草酸、原兒茶酸、對羥基苯甲酸、水楊酸等；另一類是從肉桂酸衍生出的含9個碳原子的物質，包括肉桂酸、阿魏酸、咖啡酸、P-香豆酸等。類黃酮是由2個或2個以上芳香環組成的化合物，每個芳環都有一個或多個由碳橋連接的酚羥基，大多數黃酮類物質含有苯二烯的結構[4]。花青素是類黃酮物質中的一種，是由植物合成的次生代謝產物，具有封閉三碳橋的雙酚結構(C6-C3-C6)，但其吡喃環的氧所帶正電荷的形式與其他類黃酮不同[5]。酚類物質在稻米、小麥、玉米及其他雜糧類谷物中的含量較為豐富，尤其是在種皮部位[6]。酚類物質以自由態、可溶共軛態和結合態等形式存在，且以結合態為主[7]。

2 熱加工方式對植物酚類物質的影響

文獻[8]表明，熱加工可以不同程度地改變分子內部結構、增加或降低酚類物質含量，并影響其抗氧化活性，且不同的熱加工方式對不同種類或不同部位多酚的影響效果不同。分析原因可能包括食物基質中釋放出的酚類物質聚合和氧化反應、熱降解、高分子量酚醛物質的分解，比如濃縮丹寧和美拉德反應產物等[9]。因此，明確不同加工方式處理后多酚結構、含量及抗氧化活性的變化情況是非常重要的，這與人體攝入的多酚品質及其在人體中的作用價值密切相關。

圖1 植物中常見酚酸化合物的基本結構圖[2]Figure1 Basic structure of common phenolic compounds in plants[2]

表1 植物中常見的酚酸化合物[2]Table 1 Phenolic acid compounds commonly found in plants[2]

圖2 植物中常見黃酮化合物的基本結構[3]Figure 2 Basic structure of common flavonoid compounds in plants[3]

圖3 植物中常見花青素化合物的基本結構[4]Figure 3 Basic structure of common anthocyanins compounds in plants[4]

表2 植物中常見的花青素[4]Table 2 Anthocyanins commonly found in plants[4]

2.1 蒸煮處理

蒸煮處理是最常用的一種熱加工方法，能顯著影響多酚及其抗氧化活性，一般來說，蒸煮過程中酚類物質含量及抗氧化活性都有不同程度的降低，其原因可能是部分酚類物質自溶損失，或是蒸煮操作使酚類物質發生熱降解，從而使分子鍵斷裂或重組，改變分子結構[9]。

2.1.1 蒸煮處理對植物酚類物質結構的影響 蒸煮植物性食物時，其酚類物質的貯存穩定性和降解速率會發生變化，研究[10]表明蒸煮處理后，酚類物質將發生組成成分的降解或聚合，導致其結構的改變，或產生其他新物質，從而影響其性質。Yasunori等[3]發現對木瓜進行蒸煮處理后，提取的原花青素由淡黃色逐漸變為紅色，分析原因可能是：① 表兒茶素亞基在熱處理過程中減少，但花青素卻增加；② 形成了不會被硫酸化降解的新物質；③ 因亞油酸發生過氧化現象，由1，1-二苯基-2-苦基肼(DPPH)、福林酚和FRAP方法評價的抗氧化活性增強。該試驗還發現，木瓜產品的紅色著色主要是由于原花青素的光譜(即結構)變化形成氰化原花青素，并增強了抗氧化活性和抗流感病毒活性。同樣Hiemori等[11]用HPLC-MS分析技術觀察黑米花青素在蒸煮過程中結構的變化，結果如圖4所示，發現蒸煮過程使黑米花青素產生氰基-3-葡萄糖苷的熱降解和原兒茶酸的伴隨產物。

Daskalaki等[12]利用HPLC-MS技術研究發現煮沸(100 ℃，2 h)使橄欖油酚類物質氧化，產生酪醇和羥基酪醇衍生物。研究[13]報道采用反向液相電噴霧串聯飛行時間質譜技術測定蕎麥粉在蒸煮過程中對酚類物質的熱處理效果，發現酚類物質發生熱降解，并產生了兒茶素、表兒茶素和原花色苷等的衍生物及異構體，從而導致加工過程中其抗菌性及抗氧化活性產生退化現象，產生一定的負面影響。

2.1.2 蒸煮處理對植物酚類物質含量及抗氧化活性的影響

蒸煮處理對植物酚類物質含量及抗氧化活性均會產生一定的影響，比如有研究[14-15]發現采用高溫煮制苦蕎，不僅會降低苦蕎總酚、總黃酮和蘆丁含量，同時也會使抗氧化活性降低，繼續復合高壓處理會更顯著降低。一些研究[16-17]還提出在煮制過程中糙米和糙米米糠總酚含量和抗氧化活性均降低。Ahmed等[18]選用10，20，30 min 3個加熱時間點，結果顯示蒸制能降低葫蘆果酚類物質的含量與抗氧化活性，且兩者均隨加熱時間增加而降低。另外，有學者[19-20]蒸制處理了草莓、櫻桃、杏、無花果、蘋果和橘子，結果發現這6種水果的總酚含量和抗氧化活性同樣都下降了。綜上，在進行蒸煮處理時，加熱過長時間會導致酚類物質等活性成分發生降解。

圖4 黑米中花青素-3-葡萄糖苷的熱降解示意圖[11]Figure 4 Schematic of the thermal degradation of cyanidin-3-glucoside in black rice[11]

相反，也有蒸煮可以使植物多酚含量和抗氧化活性有所提高的報道。因為蒸煮處理可能會促進酚類物質分子間的相互作用，從而促進游離酚或結合酚的釋放，進而使多酚含量或抗氧化活性提高。有學者[21]發現在大氣壓蒸制條件下，藜麥中總酚含量及抗氧化活性均有所上升。Bamidele等[22]選取0，5，10，15 min 4個熱燙時間處理5種蔬菜，結果表明熱燙5 min 使蔬菜總酚含量和抗氧化活性均顯著增加。除此之外，多酚含量和抗氧化活性的提高還可能和植物本身性質等有關系，不同的植物受蒸煮處理的影響效果可能有很大差異。

由此可以看出，蒸煮過程中多酚含量及其抗氧化活性能有一定程度的提高或降低。推測可能的原因：① 酚類物質在蒸煮過程當中，發生熱分解、自聚合和氧化；② 大分子多酚的解離；③ 酚類物質在水中自溶；④ 蛋白質等大分子與酚類物質產生交聯結構等?？傊糁筇幚韺Ψ宇愇镔|及其抗氧化活性的影響效果不同，這和植物的種類、生長環境以及蒸煮條件等相關。

2.2 焙烤處理

焙烤也是日常生活中較為常用的熱處理方式，加工程序通過激活抗營養因子，可以提高食品的風味和適口性，提高其營養的生物利用率，從而深受人們的喜愛。但是，焙烤過程也會影響食品中酚類物質的品質。

2.2.1 焙烤處理對植物酚類物質結構的影響 有研究[23]運用氣相-質譜聯用技術(GC-MS)發現鐵觀音茶在焙烤過程中，主要的兒茶素衍生物和黃酮醇苷都被分解[圖5(a)]，而沒食子酸和沒食子兒茶素-3-O-沒食子酸酯[圖5(b)]明顯積累，分析可能是用相對較高的溫度處理，伴隨著重復烘焙，揮發性成分發生分解和新產物的轉化。同樣，Kuo等[24]也發現烏龍茶在焙烤過程中，一些直鏈烷烴和酚酸同樣被分解，并伴隨一些含氮雜環化合物，如吡咯衍生物的產生，同樣可能是發生了新的分解轉化(圖6、7)。

綜上所述，在目前的研究中，烘焙處理對酚類物質結構的改變方面并沒有太多很清晰的報道；相對而言，更多文獻報道偏向于研究焙烤有很大的潛力能夠釋放相關的酚類化合物，可能與多酚的熱降解效應導致酚羥基基團的斷裂和美拉德反應產物的形成相關[25]，今后需對該方面進行更深度的分析。

CA. 3-對香豆酰奎寧酸 ECG. 表兒茶素沒食子酸酯 EGC. 表沒食子兒茶素 EC. 表兒茶素 EGCG. 表沒食子兒茶素沒食子酸酯 K3G. 山奈酚-3-O-葡糖基三楊基葡糖苷

(a) 含量降低的主要酚類物質

GA. 沒食子酸 GCG. 沒食子兒茶素-3-O-沒食子酸酯(b) 含量升高的主要酚類物質圖5 鐵觀音酚類化合物的化學結構[24]Figure 5 Chemical structure of Tieguanyin phenolic compounds[24]

圖6 新鮮和經過焙烤后烏龍茶酚類物質的GC/MS色譜圖[25]Figure 6 GC/MS chromatogram of fresh and baked Oolong tea phenolics[25]

2,5-二甲基對二氮雜苯乙酸丙酸3,7-二甲基-1,5,7-辛三烯-3-醇乙基乙酰胺甲酰乙胺呋喃甲醇2-(2-丁氧基乙氧基)正乙酸苯甲醇苯乙醇2,6-二甲基-3,7-辛二烯)-2,6-二醇2-甲基-3-硝基吡啶2-乙?；量┻量┘兹?-甲基-1,3-環己二酮1-甲基吡咯-2-甲醛1,5-二甲基-2-丙乙酸乙酸酯2,6-二甲氧基苯酚2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮甲基-6-0-1,4,5,6-四氫-3-丙二酸2-甲基-3,5-雙羥基吡咯酮4,4,47a-三甲基-5,6,7,7a-四氫二苯并呋喃-2(4h)-1羥基吡啶2H-1-苯并吡喃-2-15-羥甲基-2-糠醛4-羥基-3-甲氧苯甲醛

圖7 新鮮和經過焙烤后烏龍茶中所含不同化合物的化學結構[25]
Figure 7 Chemical structure of different compounds contained in fresh and baked Oolong tea[25]

2.2.2 焙烤處理對植物酚類物質含量及抗氧化活性的影響

正如Thanonkaew等[16]研究焙烤(150 ℃±2 ℃，10 min)對泰國大米米糠酚類物質含量及抗氧化活性的影響，結果顯示焙烤提高了米糠游離酚酸含量，并釋放出更多衍生物，從而導致抗氧化活性的增加。Segev等[26]也得出類似的結果，發現焙烤能提高鷹嘴豆種子游離酚含量及其抗氧化活性，可能是焙烤使酚類物質進行選擇性分解和轉化，部分結合酚轉變為游離酚[27]。同樣有學者[28]以白米焙烤面包為對照組，發現添加蕎麥、大麥、燕麥以后所制作的面包多酚含量與抗氧化活性均有所提高。另外，酚類物質在焙烤過程中可能選擇性地組成新物質，促進了抗氧化活性的提高。有報道[29]稱小麥和高粱的總多酚含量在烘焙時分別增加了49%和20%，抗氧化活性也都有不同程度的提升。

但也有學者卻得出相反的結論，如Hihat等[30]研究焙烤法對香菜葉酚類物質含量和抗氧化性的影響，結果顯示干燥過程降低了香菜葉總酚含量及其抗氧化活性，可能是焙烤抑制了香菜中不溶性黃酮類化合物的釋放[31]。另外，焙烤處理使杏仁核的酚類成分(總酚類、類黃酮、濃縮丹寧酸和酚酸)在初始階段明顯下降，之后隨烘烤溫度和持續時間的逐漸增加，抗氧化活性(DPPH、ABTS自由基清除能力和鐵離子還原能力)也明顯下降，且美拉德反應產物隨烘烤溫度和持續時間的增加而增加[32]。

由以上報道可知，焙烤處理能增加或降低酚類物質含量及其抗氧化活性，烘烤對酚類物質的影響依賴多種因素，包括酚類物質、烘烤配方和加熱條件等。焙烤導致游離型酚的明顯增加可能是由于共軛或結合酚類物質的釋放，從而導致被束縛酚酸的減少。一般來說，烘焙是改善產品中酚酸生物可利用性的好方法，因為有限的酚酸生物可利用性太低，而任何游離型酚類物質的增加都會增加它們的生物活性。

2.3 微波處理

微波加熱是一種較為溫和的熱空氣加工方式，對多酚及抗氧化活性的影響與植物活性物質種類、微波條件等密切相關。微波過程中熱空氣被散發，使其滲入內部，增大分子孔徑，促進酚類分子的揮發，分子的碰撞運動使分子鍵斷裂，使多酚結構和組成發生一定的改變，改變抗氧化活性。

2.3.1 微波處理對植物酚類物質結構的影響 研究[33]結果

表明，較溫和的微波加熱條件(高溫短時間處理)有利于提高植物酚類物質的利用效果，可能與微波短時處理發生熱降解和美拉德效應，促進多酚分子間的劇烈碰撞運動，打斷酚羥基，使得分子結構產生重排和聚合效應有關，從而使其獲得較高含量的酚類物質。

有報道[34]發現微波加熱能使大豆多酚發生熱降解，并減小丙烯酰胺等污染物的危害。同樣，Fazaeli等[35]利用LC-MS技術鑒定發現經微波處理后的石榴多酚提取物中主要的酚類物質[花青素3，5-二葡萄糖苷(Cy3，5)、飛燕草素 3-葡萄糖苷(Dp3)、天竺葵素3，5-二葡萄糖苷(Pg3，5)、花青素3-葡萄糖苷(Cy3)、天竺葵素3-葡萄糖苷(Pg3)和鞣花酸(Ea)]發生降解；但與傳統加熱方式處理相比，降解程度較低(圖8、表3)，這可能是微波高溫處理使得分子結構發生裂解，該試驗結論說明用微波代替傳統的加熱方法可以減少花青素的降解，更好地保留對機體有益的酚類物質。

2.3.2 微波處理對植物酚類物質含量及抗氧化活性的影響

有研究[21,29,36]報道,微波加熱苦瓜、小麥、高粱和蕎麥能使總多酚含量和抗氧化活性顯著降低。但也有學者[16]提出不同觀點，認為微波加熱大米米糠，促進酚類物質與其他內部分子間的相互協同作用，顯著提高米糠總酚含量及其抗氧化活性，而Hihat等[30]對香菜葉進行微波干燥，發現微波干燥葉片總酚和總黃酮含量均降低，但采用ABTS和DPPH分光光度法評價自由基清除活性觀察抗氧化活性，發現使用微波技術時，能增加其抗氧化活性。

圖8 石榴提取物的離子色譜圖[36]Figure 8 Extracted ion chromatograms of the analytesin pomegranate[36]表3 高效液相色譜法測定石榴花青素含量[36]Table 3 Total anthocyanin content of pomegranate, from both HPLC systems[36]

方法壓力/kPa花青素/(10-2 mg·L-1)飛燕草素3-葡萄糖苷花青素3,5-二葡萄糖苷花青素3-葡萄糖苷天竺葵素3,5-二葡萄糖苷天竺葵素3-葡萄糖苷總酚/(mg·L-1)鞣酸/(10-2 mg·L-1)7.34.88±0.025.08±0.012.87±0.011.37±0.020.51±0.00314.71±0.320.30±0.001傳統加熱38.54.69±0.034.59±0.022.24±0.011.21±0.010.32±0.00213.06±0.280.24±0.002100.03.78±0.024.33±0.021.80±0.030.64±0.010.31±0.00410.87±0.410.21±0.0017.36.18±0.048.55±0.034.15±0.012.03±0.020.64±0.00321.55±0.510.38±0.001微波 38.55.22±0.028.02±0.044.73±0.021.34±0.030.52±0.00519.83±0.450.39±0.002100.05.13±0.037.41±0.023.27±0.011.19±0.010.47±0.00217.47±0.420.31±0.001

大部分現有研究主要集中于微波處理對植物酚類物質中抗氧化活性物質含量及其利用率，但對多酚結構影響的報道較少，不同種類間受微波影響的程度也有所不同，且微波處理較為單一化，可結合其他加工方式進行更深層次的研究。

2.4 擠壓膨化處理

螺桿擠壓膨化是一種將加熱蒸煮與擠壓成型兩種作用有機地結合起來的新技術，短時高溫高壓會使食品質構發生轉變，也會改變食品成分，甚至會促進食品成分間的相互作用。除此以外，擠壓膨化處理也能影響植物多酚及其抗氧化活性。

2.4.1 擠壓膨化處理對植物酚類物質結構的影響 擠壓膨化過程使酚類物質受熱和機械運動的影響，可能會導致多酚發生氧化降解和分子結構斷裂。有研究[37]采用LC-MS技術發現在某些擠壓蕎麥樣品中，檢測到了一些未經過擠壓前樣品中所沒有的酚類物質，如4-羥基苯甲酸、高香草酸，此結果可能表明擠壓過程促使酚類物質分子發生重排和轉換，從而形成新物質。Brennan等[38]提出高溫擠壓過程使大麥粉—紅豆混合物酚類物質分子結構發生分解，從而導致活性降低或因某種程度的聚合作用導致可提取性降低。Khanal等[39]研究發現擠壓是一種很有前途的加工工具，可以使原本不易被吸收的大分子量花青素降解，提高藍莓中重要的單體和低含量的寡聚物含量，增強生物活性。如圖9所示，HPLC-ESI-MS/MS結果顯示擠壓加工使得藍莓花青素解聚，產生花青素的單體、二聚體、三聚體、四聚體物質。

2.4.2 擠壓膨化處理對植物酚類物質含量與抗氧化活性的影響 擠壓膨化技術可以使植物酚類物質含量和抗氧化活性降低或增加。有報道[37，40-42]研究表明擠壓膨化過程降低了大麥、蕎麥、小米、高梁和發芽糙米的總酚含量和抗氧化活性，并且在擠壓膨化蕎麥中，檢測到4-羥基苯甲酸、香草酸、兒茶素、阿魏酸、金絲桃苷等酚類化合物。Sarawong等[43]也發現香蕉樣品經擠壓后游離型和結合型酚類物質中的總酚含量和抗氧化活性均下降。分析可能是擠壓過程中的高溫會導致酚類物質分子結構的分解或改變，從而導致化學反應活性降低或可提取性降低等。但也有學者[44]發現擠壓加工能使大米—黑豆混合面團總酚含量從29.80 mg GAE /100 g提高至77.3 mg GAE /100 g，抗氧化活性從4.72 mg GAE /100 g提高到11.39 mg GAE /100 g?？偡雍康娘@著增加，可能是擠出的剪切作用導致結合型酚類物質的釋放，而擠出對長聚多酚鏈也產生了解聚作用，從而提高了抗氧化活性。

由以上研究可知，擠壓加工過程可能會顯著提升植物酚類物質含量和抗氧化活性，可能與擠壓膨化造成多酚羥基斷裂、分子重排、促進與其他蛋白質和脂質分子間的相互作用等多種因素有關。但多酚含量與抗氧化活性之間不一定都呈正相關，這與原料品種、擠壓條件或檢測方式也有關系[45]。

圖9 藍莓中單粒和某些寡聚物花青素的復合質譜圖[16]Figure 9 Compound mass spectra of monomeric and certain oligomeric procyanidins in blueberry[16]

3 展望

近年來，植物酚類物質受到越來越多的重視和開發，而研究熱加工過程對酚類物質的影響作用更是一大熱點方向，但依舊存在問題需要解決：

(1) 目前針對大多數多酚的研究主要集中在體外試驗，而未對其進行相關體內抗氧化試驗的探究，進行相關動物試驗具有重要意義，包括酚類物質具體的代謝機制、代謝產物的鑒定、代謝產物的優缺點以及和腸道微生物的相互作用等，這部分內容日后還需進一步深入探究。

(2) 目前大多研究僅停留在熱加工對多酚含量及性質的層次，以后可深入了解研究在加工過程中，酚類物質結構性質的變化，以及多酚對生物細胞及基因表達的影響機理。還可綜合利用基因組學、蛋白質組學、營養遺傳組學、代謝組學等新型手段對植物酚類物質體內抗氧化、糖脂調控、腸道保健機制和代謝進行研究。

(3) 在熱加工過程中，應盡可能避免因蒸煮時間過長而導致酚類物質發生更多損失。在一定的試驗條件下，烘焙、微波和擠壓方式是改善植物酚類物質生物可利用性的有效方法，可以使產品更好地保留對機體有益的酚類物質。