甜菜根中生物活性物質及其在食品加工業中的應用

孫青華，魯佩玉

(青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042)

甜菜根屬藜科，發源于亞洲和歐洲，在全球，藜科共約130個屬1500余種[1]。它是一種二年生的開花植物，顏色多為紅色和黃色[2]。甜菜根一年四季都可以種植，并且耐高溫，低溫有利于促進甜菜根深紅色色素的形成[3]。甜菜根的含糖量取決于氮元素的利用率，所以一般在甜菜生長的早期施氮，收獲的產量取決于施肥、氣候、病蟲害和作物品種[4]。

甜菜根也是一種含有類胡蘿卜素、硝酸鹽、類黃酮、維生素、礦物質如鉀、鈉、磷、鈣、鎂、銅、鐵、鋅、錳和水溶性色素如甜菜紅素(紅紫色)和甜菜黃素(黃橙色)的根系蔬菜，因此甜菜根具有很高的營養價值[5]，其含有的多酚、類胡蘿卜素和維生素具有抗氧化、抗炎、抗癌和護肝的作用，同時還具有抗糖尿病、降低心血管疾病、降壓和促進傷口愈合的功效。因此，在不同的食品中添加甜菜根的活性成分對人體的健康十分有利，同時也為開發不同的功能性食品添加劑提供了可能。

1 甜菜根中的生物活性物質

甜菜根中含有高活性色素、甜菜苷色素、抗壞血酸、類胡蘿卜素、多酚、類黃酮、皂苷和高含量的硝酸鹽等營養元素[6]，這些營養元素對醫療保健以及功能性食品具有重要的意義。

1.1 酚類化合物

酚類化合物是一類植物次生代謝物，對植物類食品的品質具有重要意義。甜菜根含有大量的酚類化合物、黃酮類化合物、皂苷類等。有研究表明在甜菜中總酚含量為50～60 μmol/g[7]。Vasconcellos等比較了甜菜根汁、片、粉和熟甜菜根的總酚含量，發現根部一般含酚類化合物最少[8]。據報道，甜菜根汁(3.67 GAE mg/g)和煮熟的甜菜根(2.79 GAE mg/g)的總酚含量高于甜菜根片(0.75 GAE mg/g)和粉末(0.51 GAE mg/g)的總酚含量，這可能是因為在干燥過程中酚類化合物有所損失。

1.1.1 黃酮類化合物

黃酮類化合物具有良好的抗氧化活性和清除自由基的能力。脂質過氧化是一個復雜的過程，黃酮類化合物可通過直接和間接清除自由基2種機制來影響該過程。Vulic等報道了甜菜根中類黃酮的主要種類是甜菜二氫黃酮、嗜黃素A和雙氫異鼠李糖胺[9]，它在植物的生長、發育、開花、結果以及抗菌防病等方面起著重要的作用。

1.1.2 皂苷

皂苷是植物對抗病原體和食草動物產生的生物活性化合物。隨著研究人員的深入研究，皂苷的藥用價值越來越明顯，同時皂苷在食品添加劑、制藥等方面也具有不可忽視的作用。早期研究鑒定了白藜蘆醇中的11種三萜皂苷，所有皂苷均含有齊墩果酸衍生物。Mikolajczyk-Bator等在甜菜根中鑒定出26種三萜皂苷，其中7種三萜皂苷被鑒定為新化合物[10]，這些研究發現為皂苷的研究人員提供了新的研究方向。

1.2 甜菜苷色素

甜菜苷色素是水溶性的含氮植物色素，以甜菜紅素(紅色顏料)和甜菜黃素(黃色顏料)2種化合物組成。甜菜根是甜菜苷色素最豐富的來源之一。甜菜根的品種和紅色的深度取決于甜菜紅素和甜菜黃素的比例[11]。甜菜黃素可進一步分為仙人掌黃質Ⅰ、Ⅱ兩類[12]。甜菜苷色素可以作為天然食物色素來使用，既能代替傳統的合成食用色素，降低合成色素對人體的毒性；同時也可作為抗氧化劑來使用，既降低了應用多種食品添加劑帶來的高成本，也避免了使用多種食品添加劑對加工食品質量的不利影響。

1.3 類胡蘿卜素

類胡蘿卜素是一種植物化學物質，對不同顏色的水果和蔬菜具有重要的保護作用。甜菜根中的類胡蘿卜素具有抗氧化、抗癌和增強免疫的作用。廣泛分布在甜菜根中的類胡蘿卜素是有效的抗氧化劑。據報道，它們具有誘變抑制活性，可以降低患癌癥的風險。甜菜葉含有β-類胡蘿卜素和葉黃素等含氧衍生物。Rebecca等報道了每100 g甜菜根含有1.9 mg的類胡蘿卜素[13]。甜菜根中高含量的類胡蘿卜素使其成為天然類胡蘿卜素的又一重要來源，同時以甜菜根作為膳食補充劑添加到加工食品中也受到越來越多消費者的歡迎。

2 甜菜根在食品加工中的應用

2015年，全球功能食品飲料市場價值為1293.9億美元，年復合增長率約為8.6%[14]。甜菜根在食品中的應用已經被許多研究者和食品行業所研究，甜菜根的顏色、味道以及其含有的豐富的營養物質使其成為一種受歡迎的食品。世界各地都在食用甜菜根，在東歐，甜菜根湯是一種很受歡迎的食物，而腌甜菜是南美的傳統食物。目前，在我國，甜菜在生產泡菜、功能型飲料、食用色素等方面具有廣闊的商業用途。

將甜菜根作為合成色素的替代品，可以成為食品行業很有力的營銷手段，因為綠色消費理念使得越來越多的消費者傾向于使用更少的合成食品添加劑[15]。天然著色劑被認為是可以安全食用的，因此，天然著色劑比合成著色劑更有望作為食品添加劑來使用。合成色素對人體健康有著眾多的負面影響，長時間食用會引起過敏反應，有的甚至可能致癌。同時天然色素的水溶性很好，有助于它們融入水溶性的食物系統中，如飲料、冰淇淋等。與此同時，天然的食用色素在改善視力方面也具有吸引力，特別是如今青少年近視率越來越高，使得天然食用色素在功能性食品等方面更加受歡迎。

甜菜根主要以兩種形式存在于食品和飲料中，一種是磨碎的脫水甜菜根，另一種是甜菜汁。脫水甜菜根為粉末狀，甜菜汁也可通過噴霧干燥成粉末狀。新鮮的甜菜根、甜菜根粉或提取的色素都可以用來提亮西紅柿糊、湯、醬汁、甜點、果醬、果凍、糖果冰淇淋和早餐麥片的色澤[16]。甜菜根汁被用來給各種食物上色，比如乳制品、酸奶、加工奶酪和糖果，是一種很受生產者和消費者喜愛的天然色素。由于甜菜根汁在熱處理時會改變顏色，所以只在冰淇淋、糖果等低溫或者常溫處理的食物中使用。它也可以在蛋黃醬配方中使用，無論是液體還是凍干的甜菜根汁都可代替合成的食品添加劑[17]。甜菜根汁作為膳食補充劑增強了人們對高強度運動和體育活動的耐受性[18]。并且甜菜根色素沒有致敏等其他副作用，同時價格低廉。因此，甜菜根常被用于制造不同的食品來滿足消費者不同的膳食需求。

甜菜根同時也是制糖的主要原料，甜菜制糖過程中得到的主要產品是糖、糖蜜和甜菜渣[19]。其中副產品糖蜜可以用來生產酒精等酵母產品，甜菜渣可以用來做顆粒粕飼料。當甜菜根種植在畜牧業生產地區，植物的綠色葉子也可以用作飼料。

3 加工過程對生物活性物質的影響

甜菜根的加工方法對其含有的植物化學物質的抗氧化活性和生物利用度有顯著的影響。甜菜根的真空-微波干燥、發酵和輻照等處理提高了它的抗氧化能力和色素的穩定性，而熱風干燥降低了它的顏色保持度[20]。影響抗氧化劑或甜菜苷色素在加工和儲存過程中穩定性的因素有pH值、溫度、光照、水活度、氧、金屬等。

3.1 pH值

pH值在3～7的范圍內，甜菜苷色素具有最佳的穩定性，表明在不同的食物配方中甜菜根最適合添加到酸性食物中。pH值為5時，甜菜苷色素在提取物中較為穩定；但pH值為3以下時，甜菜苷色素的顏色會趨向于紫色；pH值為7以上時，甜菜苷色素的顏色會趨向于藍色。與此同時，在熒光條件下，甜菜苷色素的降解速率是pH值為3時的3倍。結果表明，在有氧條件下，甜菜苷色素在pH值為5.5～5.8之間較為穩定；在厭氧條件下，甜菜苷色素在pH值為4～5時較為穩定[21]。

3.2 水活度

水活度通過控制醛亞胺鍵的水依賴性水解反應來影響甜菜苷色素的穩定性。在噴霧干燥和濃縮等不同處理過程中，水活度降低(低于0.63)，提高了甜菜苷色素的穩定性。當水活度從0.32提高到0.75時，甜菜苷色素的降解率會大幅度提升[22]。由此可知，水活度的波動對甜菜苷色素的穩定性影響較大，這為以甜菜根為原料的食品加工業提供了有利的理論依據。

3.3 溫度

熱加工通常用于生產不同的加工產品。溫度影響著甜菜苷色素的穩定性，溫度升高會導致甜菜苷色素的降解以及多酚氧化酶的失活。然而，熱降解也受溫度范圍、加熱程度、氧存在和顏料濃度的影響[23]。所以，在甜菜根的加工過程中，溫度是影響食品質量的一個重要因素。

3.4 光照

在光照條件下，色素會被氧化和降解。在2200～4400 lux范圍內的光強與甜菜苷色素的穩定性之間存在反向關系。在紫外光和可見光范圍內，會使甜菜苷色素發色團的電子處于一種高能量的狀態，引發分子更高的反應活性或更低的活化能。然而，光效應在厭氧條件下是可以忽略不計的[24]。在甜菜根儲存和加工過程中需要注意光照的影響，避免光照加速甜菜苷色素的氧化降解。

3.5 金屬

有研究發現一些加速甜菜苷色素降解的金屬陽離子，如鐵、銅、錫和鋁等。早期研究表明，在金屬絡合劑的存在下，甜菜根汁對金屬離子的敏感性較低。有報道稱，螯合劑(檸檬酸和EDTA)能夠使甜菜苷色素的穩定性增強，并且可以抵抗金屬的催化降解[25]。該項研究結果為甜菜苷色素作為食品添加劑的使用提供了理論指導，避免了金屬離子的存在導致產品變色的問題。

上述因素的影響為甜菜根在食品加工過程中的應用提供了充分的理論依據，避免了因操作不當、溫度過高、pH值過低或者過高、水活度過高等因素降低甜菜根加工食品的品質，同時也可以通過分析這些原因提高食品的品質來滿足消費者的不同需求。

4 結論

甜菜根因其良好的營養價值和藥用價值受到越來越多的消費者的喜愛。近幾年來，甜菜根在食品添加劑(食用色素、抗氧化劑、膳食纖維)、飼料等方面發展迅速，甜菜根中的很多成分已經被應用到食品加工行業來代替傳統的合成色素、合成抗氧化劑等食品添加劑，可以看到甜菜根在食品添加劑、調味品等食品行業具有很大的應用前景。下一步我們需要深入研究和利用它的抗氧化活性以及在預防疾病、促進健康等方面的生理活性，以促進其在醫藥、保健、食品等方面的全面發展。