高靜水壓加工對果蔬酚類化合物的影響研究進展

閆慧明,李葦舟,李富華,2,趙吉春,2,明 建,2,

（1.西南大學食品科學學院,重慶 400715；2.西南大學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、類胡蘿卜素和膳食纖維外,還含有多種生物活性物質,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、風味、香氣等[1]。流行病學研究表明,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險,這與果蔬中含有的酚類化合物密切相關[2-3]。熱處理是果蔬類產品加工中最為普遍的工藝技術,其對酚類化合物的穩定性及活性的發揮構成威脅。蘋果汁中原花青素熱敏性最差,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,在高品質、高營養果蔬制品的生產加工中具有廣闊應用前景。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、結構以及抗氧化、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用

高靜水壓即超高壓技術,是一種以水為介質,在室溫或溫和條件下以100～1000 MPa處理原料的非熱加工技術[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、風味和顏色[6]。高靜水壓能破壞細胞組織、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、質構及風味[8],促進果酒理化和感官特性變化[9]等作用（表1）。該技術作為一項食品保鮮技術,也被用于增強活性成分功能或開發新產品。

1.1 滅菌

與傳統熱處理相比,高靜水壓不改變共價鍵,只影響弱的靜電相互作用和細胞微結構[10],對低分子質量化合物如維生素、色素和其他營養成分影響有限,所以能更好地保持食品的色澤、風味和營養,用于食品微生物滅活,特別適用于熱敏產品。高靜水壓通過影響蛋白質和酶結構,或者改變食品體系的pH值來提高殺菌效率[11],降低微生物細胞的活力。用于食品的高壓設備通常采用室溫下600 MPa處理幾分鐘,殺菌效果接近“冷巴氏殺菌”,不能完全殺菌,因為細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,但高壓可結合70～130 ℃的熱處理滅活細菌孢子[12]。

1.2 活性成分萃取

植物細胞壁中多糖（纖維素、半纖維素和果膠）組分阻礙細胞內生物活性成分（如植物酚類化合物）釋放。高壓破壞膜結構,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的冷萃取方法,壓力水平是萃取過程中最重要的參數之一,其與生物活性成分溶解度直接相關。有研究表明,壓力對細胞器和細胞有直接機械破壞作用[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,高強度壓力還會引起細胞形變、蛋白質變性等變化[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勢。

1.3 調節酶活力

高強度的高靜水壓處理會導致蛋白質變性,許多酶如多酚氧化酶（polyphenol oxidase,PPO）、過氧化物酶（peroxidase,POD）因發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,因為壓力條件下酶的可逆構型有利于酶釋放第二個活性中心或與底物發生相互作用[17]。食品體系中酶的失活程度可能與處理條件和原料有關。高靜水壓也可與其他技術聯用,如與溫和熱處理結合或與二氧化碳聯用促進酶的失活[12,18]。

1.4 提高產品品質

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有關。壓力導致細胞分裂,花青素、色素等滲入細胞間隙,使得果蔬產品顏色加深。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,高壓還可促進紅葡萄酒在貯藏過程中美拉德反應的發生和酚類物質的聚合,利于葡萄酒色澤、風味的形成[9]。因此,高靜水壓在果蔬加工中可用于提高產品品質。

表1 高靜水壓處理在果蔬加工中的應用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/或酯鍵與細胞壁結構組分（纖維素、半纖維素、木質素、果膠、蛋白質）結合,主要功能是提供抵抗紫外線輻射的保護[33]。酚類化合物可以作為天然抗氧化劑、抗菌劑、抗輻射保護劑和細胞壁成分等[34]；然而酚類化合物不能在人或動物機體中合成,只能通過食物攝取,作為抵抗氧化應激的外源抗氧化劑。

2.1 種類和含量

圖1 不同花青素的化學結構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）。蔬菜中不含酰基和只有一兩個單糖結構的簡單花青素占總花青素的16%,水果中相應比例為74%；蔬菜中約70%的花青素含有一個或多個芳香酰基,而水果中只有11%[36]。花青素B環中3,4-二羥基取代基是清除自由基的關鍵,易與羥自由基（·OH）、疊氮自由基（N3·）和過氧自由基（ROO·）等反應[37]。酚酸抗氧化活性主要歸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在因素,如不同屬、種或品種,以及外部因素如果實采收時間、位置、環境因素、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、血小板聚集和紅細胞損傷[40],或者通過減少細胞DNA氧化損傷間接抑制細胞癌變和腫瘤細胞增殖[41]。還可以通過調節氧化應激敏感的核轉錄因子,如核因子κB（nuclear factor kappa B,NF-κB）,減少心腦血管疾病相關動脈粥樣硬化的發生[42]；另一方面,酚類化合物具有抗炎作用,其重要機制是抑制類二十烷類生成酶——脂氧合酶（lipoxygenase,LOX）和環氧合酶（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化產物可能增加許多疾病的風險。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,或者抑制促炎細胞因子來抑制炎癥反應[44]。因此,果蔬酚類化合物通過有效抑制LOX、COX活力,調節相應信號通路或細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果蔬組織氧化應激反應,產生H2O2、誘導與丙二醛形成相關的脂質過氧化,從而影響酚類化合物代謝[10,46]。具體的,100 MPa的壓力可誘導植物組織中氧化應激,激活與次生代謝產物（如酚類化合物）生物合成相關代謝途徑；150～200 MPa處理可引起細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胞組織,促進酚類化合物的釋放。因為高壓能引起帶電基團的去質子化,破壞疏水鍵和鹽橋,導致膜蛋白形態變化和變性,有利于酚類化合物滲透到細胞膜外,從而提高萃取產率[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-蘆丁苷含量較傳統熱處理更為豐富[50],除花青素外,還保留了9 種酚類物質：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]研究發現高靜水壓對龍眼中柯里拉京（corilagin）（一種水溶性鞣質）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定性,并促進酚類化合物釋放。400～600 MPa高壓處理楊梅,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定性。

3.2 對果蔬酚類化合物結構的影響

壓力可能改變酚類物質結構,形成新化合物。研究發現,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,同時高分子質量產物含量增加。花青素降解時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處理條件下,僅生成飛燕草素-3-O-香豆酰葡萄糖苷[24]。由于壓力變化而導致花青素結構差異的主要原因是壓力通過影響非共價鍵,導致羥基和氫氧化物離子在苷元氰化物上發生重排,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[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）化學結構[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,或通過改變果蔬微觀結構而影響酚類物質與蛋白質、多糖相互作用[7],最終利于保護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果,因為該酶參與從非揮發性葡萄糖苷中釋放揮發性苷元過程,從而對水果風味釋放發揮重要作用[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胞結構被破壞,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 語

與傳統熱加工相比,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胞膜結構,促進生物活性物質釋放；降低PPO、POD等酶活性；抑制酚類化合物與其他物質非酶氧化和聚合反應；影響酚類物質與蛋白質、多糖相互作用。高壓處理也會引起花青素、酚酸結構變化,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問題需要揭示[58]。此外,還應進一步探討高壓處理后新物質形成機制,這些物質可能是酚類化合物氧化、分解、縮合和異構化產物,具有一定的生物活性[7]。

雖然高靜水壓非熱加工技術在果蔬加工中優勢明顯,但目前仍受到兩方面的限制：一是導致微生物和酶失活的壓力動力學理論不夠完善,不能保證高壓處理過程可替代傳統加熱過程；二是開發食品連續壓力加工機械仍是一項挑戰,設備投資和維護成本高[7]。因此,高靜水壓非熱加工技術的發展及推廣還需要大量的科學理論和裝備技術作支撐。