蒸汽爆破對從植物中提取的多酚含量及抗氧化活性影響的研究進展

夏智慧 崔文玉 豐程鳳 羅凱云 程安瑋

摘要：? 蒸汽爆破是一種新興的原料預處理技術，通過高溫高壓和蒸汽瞬間釋壓作用于生物基質，可實現物料在組分水平、組織水平和細胞水平上的分級分離。本文簡要介紹了蒸汽爆破過程中原料所發生的主要的物理、化學變化，闡述了蒸汽爆破技術對糧油、果蔬和其他原料中提取的植物多酚含量以及體外和細胞內抗氧化活性的影響，并對蒸汽爆破的研究前景進行了展望，以期進一步拓展該技術在食品加工行業的應用范圍。

關鍵詞：? 蒸汽爆破; 植物多酚; 抗氧化活性

中圖分類號：? TS201.1??? 文獻標識碼： A??? 文章編號：? 1000-4440（2021）05-1352-09

Research progress on the effects of steam explosion on the content and antioxidant activity of polyphenols extracted from plants

XIA Zhi-hui， CUI Wen-yu， FENG Cheng-feng， LUO Kai-yun， CHENG An-wei

（College of Food Science and Technology， Hunan Agricultural University/Hunan Rapeseed Oil Nutrition， Health and Deep Development Engineering Technology Research Center， Changsha 410128， China）

Abstract：? Steam explosion， as a new technology of material pretreatment， can achieve the separation of bioactivity compounds at the component， tissue and cell levels by the instantaneous pressure relief on biomass under the dual action of high temperature and pressure. This paper briefly introduced the main physico-chemical changes of raw materials in the process of steam explosion， expounded the effects of steam explosion on the content of plant polyphenols in grain， oil， fruit and vegetable and other raw materials and their antioxidant activity ?in vitro ?and in cells， and prospected the research of steam explosion， in order to further expand the application scope of steam explosion in food processing industry.

Key words：? steam explosion; plant polyphenols; antioxidant activity

植物多酚是植物體中分子結構具有多個羥基的次生代謝物，被稱為第七大營養素，多酚的結構和結合方式復雜，種類繁多，主要包括酚類、羥基苯甲酸和肉桂酸衍生物、類黃酮、花青素、香豆素和單寧等? [1] 。植物多酚具有抗氧化、清除自由基、抗癌、抑菌、抗病毒等功效。

蒸汽爆破技術可通過高溫高壓和瞬間釋壓過程來實現對質地堅硬的原料中組分的分離和結構的改變，具有類酸性水解、熱降解、類機械斷裂、氫鍵破壞以及結構重排等多種作用，是一項新近發展起來的農產品原料預處理技術，其過程示意圖見圖1。該技術因具有無污染、縮短原料預處理時間、提高活性物質的提取率，降低能量消耗和加工成本，適應工業化等優點，逐漸成為從植物性原料中提取生物活性物質提高綜合附加值的重要手段之一? [2-3] 。本文全面闡述了蒸汽爆破處理對原料中提取的植物多酚含量以及抗氧化活性等方面的影響，為蒸汽爆破加工適用于不同種類物質活性成分的提取及應用提供理論指導。

1 蒸汽爆破過程中主要的物理化學變化

蒸汽爆破主要通過熱蒸汽被迅速汽化，使得原料細胞瞬間受到較大的壓力差，細胞內部壓力過大，體積急劇膨脹，遠超細胞承受范圍，發生類機械斷裂，進一步促進氫鍵、無定形區和部分結晶的分解，并進行結構重組? [4-5] 。Li等? [6] 和Kobayashi等? [7] 分別用蒸汽爆破處理甘薯淀粉、馬鈴薯淀粉，發現其可以降低分子鏈聚合度，導致淀粉降解。另有研究結果表明蒸汽爆破能引起果膠分子數減少和分子質量的降低? [8] 。蒸汽爆破處理富含纖維的苦蕎麥麩皮后可使其纖維素、半纖維素部分降解，木質素發生一定程度水解，分子鍵斷裂，顆粒變小，水不溶性膳食纖維中長鏈膳食纖維含量減少，短鏈膳食纖維增多? [5] 。這與蒸汽爆破處理橡子殼? [9] 、菠蘿皮渣? [10] 、小麥秸稈? [11] 和麻黃草? [12] 的研究結果相類似。進一步研究發現，蒸汽爆破也可使木質素和半纖維素部分降解為低分子酚類物質和水溶性糖，而蒸汽爆破處理壓力過高時間過長時，又會使酚類物質發生降解或聚合。蒸汽爆破過程中也可發生糊化和美拉德反應，蛋白質與糖類發生共價結合，且美拉德反應的程度與蒸汽爆破強度有關? [13] ，對籽粒莧籽實蒸汽爆破處理也有相似的結論? [14] 。

從微觀結構來看，蒸汽爆破會破壞物質結構，使其由光滑致密變為皺褶疏松? [15] 。蒸汽爆破處理西番蓮后，其果皮出現了一定程度的皺褶，表面還產生大量的小坑洞，增加了表面積? [16] 。麥胚經蒸汽爆破處理后多糖的片狀結構出現破碎，有多處氣孔和少量的絲狀分支? [17] 。蒸汽爆破處理后牦牛股骨表面由光滑變得疏松、多孔，股骨頭結構明顯遭到破壞? [18] ，也可使羽毛呈現海綿狀，出現許多裂縫和孔洞? [19] 。這些微觀結構的變化，一定程度上有利于萃取溶劑的滲透和可觸及性，提高活性物質的析出和溶解。

2 蒸汽爆破對植物多酚的影響

2.1 蒸汽爆破對糧油原料中提取的植物多酚含量的影響

糧油原料中酚類物質含量豐富，種類繁多，根據結構不同分為酚酸、類黃酮、原花青素等;根據其結合方式的不同，分為游離酚和結合酚，其中結合酚又分為蛋白結合態多酚、糖苷鍵結合態多酚、酯鍵結合態多酚等? [20] 。谷物麩皮中大部分酚類物質以結合態形式與細胞壁結合，常規溶劑萃取提取率較低，利用蒸汽爆破處理可以有效破壞麩皮結構，水解醚鍵和酯鍵，促進多酚釋放? [21-22] 。小麥麩皮在2.5 MPa、30 s爆破條件下，游離酚酸中香草酸的含量提高了50%左右，香豆酸和阿魏酸含量均達到最大，分別為對照的36倍和11倍? [23] ;結合態糖醛酸、香豆酸、阿魏酸的含量也在此時達到峰值，其中阿魏酸含量最高，比對照高出近25倍，總酚含量為28 ?mg/g ，比未處理組提高近9倍? [23] 。Li等? [24] 和Gong等? [25] 用蒸汽爆破處理谷物麩皮也得到了相似結論。用高于 7.4× 10? 5 ?Pa的蒸汽爆破壓力處理鷹嘴豆時，會導致細胞膜和細胞壁的損傷，從而有利于結合酚從細胞壁上游離出來，補償了游離酚在該過程中熱降解的損失? 26] 。Chen等? [27] 發現蒸汽爆破處理也可提高大豆種皮中提取的酚類物質含量。此外，豆渣中提取的大豆異黃酮含量也會隨著蒸汽爆破強度增加呈上升趨勢，在2.0 MPa下30 s時達到最大值? [28] 。由于原料基質的物理結構及性質差異，以及不同的試驗目的，選用的爆破條件也會不同，對有效成分的影響趨勢也會不同。

適當強度的蒸汽爆破處理可提高原料中多酚類物質的提取率，但強度過高的處理條件會產生相反的效果。麩皮在過高的蒸汽爆破強度（如2.5 MPa、90 s）條件下生物質會降解形成有機酸（如甲酸、乙酸和丙酸），酚類物質很容易發生降解或聚合反應，反而會降低酚類物質的含量? [5] 。籽粒莧籽實經0.6 MPa、60 s蒸汽爆破處理后，提取的總酚含量可高達7.798 ?mg/g ，是對照的5.3倍，如果繼續增大壓力或延長爆破時間，總酚含量開始下降，時間為120 s時其總酚含量反而低于對照? [14] 。壓力 0.25～ 0.75 MPa蒸汽爆破處理紅豆 30～ 90 s，其酚類物質的得率提高，但當壓力達到1.0 MPa時，隨著時間的延長會導致酚類物質不同程度的降解或聚合，甚至引起原料的碳化? [29] 。易軍鵬等? [30] 也發現高強度的蒸汽爆破處理會引起紫苷薯花色苷的分解。此外，Chen等? [31] 、Liu等? [32] 、唐宇等? [33] 和趙鵬成等? [34] 的研究結果證明，蒸汽爆破會對糧油原料中提取的酚類物質含量產生類似的影響。有關的研究結果見表1。

2.2 蒸汽爆破對果蔬原料中提取的植物多酚含量的影響

果蔬原料中也含有豐富的酚類物質，主要為酚酸、花色苷、類黃酮等，蒸汽爆破處理能使果蔬原料完整結構受到破壞，傳質阻力變小，有利于多酚類物質的提取。表2列出了蒸汽爆破對從不同果蔬原料中提取的多酚含量的影響。Hu等? [42] 發現用蒸汽爆破處理秋葵籽雖然會引起黃酮類物質的損失，但中高壓蒸汽爆破使總酚釋放量由2.95 ?mg/g 增加到6.19 ?mg/g ，有利于總酚類物質的釋放和產生。蒸汽爆破處理柑橘? [43-44] 、柑桔果渣? [45] 、大蒜? [2] 、大蒜皮? [46] 、西番蓮? [16] 、漆樹果實? [47] 、突尼斯紅棗? [48] 、甘蔗渣? [49] 、菠蘿皮渣? [10] 和鹽膚木果實? [50] 也均得到相似結論，適度的蒸汽爆破有助于果蔬中提取的多酚物質含量的增加。有關的研究結果見表2。

2.3 蒸汽爆破對其他原料中提取的植物多酚含量的影響

表3列出了蒸汽爆破對其他原料中提取的多酚含量的影響。松針經1.5 MPa蒸汽爆破60 s后，提取的黃酮類物質含量達到50.8 ?mg/g ，是對照的2.54倍，而且在較高的處理條件下 （1.5～ 2.0 MPa、60 s），松針中的類黃酮類物質的含量也不會顯著下降，具有一定的穩定性? [51] 。但茶渣? [52] 和橡木? [53] 中提取的酚類物質的含量隨著蒸汽爆破處理強度的不斷增大，呈現先增多后減少的趨勢。無花果葉? [54] 、粉葛? [55] 和銀杏葉? [56] 蒸汽爆破處理后總黃酮得率變化也與此一致。提取的酚類物質含量下降可能是由于一部分黃酮發生降解，且細胞內部溶出的黃酮又重新聚合形成不溶性物質所引起的? [51] 。橄欖樹枝葉? [57-58] 、杜仲葉? [59] 、虎杖? [60] 、 Sasa palmata ?（bean） nakai葉片? [61] 和亮葉楊桐葉片? [62] 等原料也證明蒸汽爆破是提高多酚類物質釋放量的有效處理方法。

蒸汽爆破使物質中多酚得率提高的原因主要有兩方面，一方面是蒸汽爆破過程中產生了新的多酚，在高溫高壓的酸性環境下，纖維素、半纖維素和木質素發生熱降解產生酚酸和揮發酚類，如愈創木酚、丁香酚、酚醛（香草醛和丁香醛）和酮類（香草酮和丁香酮）等? [63-65] ;另一方面是促進了多酚的釋放，蒸汽爆破后物質結構變得更為疏松多孔，增大了提取液與物料的接觸面積，使酚類物質溶出率提高;或是蒸汽爆破過程中水解了細胞壁物質（多酚、多糖、木質素等）之間的酯鍵和/或醚鍵，使結合態多酚向游離態多酚轉化，提高了多酚的溶出率? [20，47] 。

3 蒸汽爆破對提取的植物多酚抗氧化活性的影響

3.1 蒸汽爆破對提取的植物多酚體外抗氧化活性的影響

植物多酚體外抗氧化活性的強弱多采用 DPPH· （1，1-二苯基-2-三硝基苯肼）、ABTS? + （2，2′-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）自由基清除率以及FRAP（鐵離子還原能力）等檢測指標來表示。表4列出了蒸汽爆破處理對植物多酚體外抗氧化活性的影響。Noda等? [46] 用蒸汽爆破處理大蒜皮，測得 DPPH· 清除活性的 EC?? 50 值隨著壓強的增加和時間的延長而急劇下降，在壓強3.0 MPa以上達到恒定值，而且抗氧化活性高于黑大蒜。原因可能是，一方面蒸汽爆破促進了細胞內結合酚的釋放，另一方面是木質素和半纖維素部分降解為低分子酚類物質和水溶性糖（如5-羥甲基糠醛），進而提高了提取物的抗氧化活性。Chen等? [31] 、Liu等? [32] 和Gong等 ?[22] 也發現蒸汽爆破處理后谷物麩皮提取物的抗氧化活性得到有效提高。此外，Sui等? [52] 的研究結果表明，蒸汽爆破可提升茶渣提取物的抗氧化能力，FRAP、羥自由基清除活性、超氧化物生成的最高抑制率最大，分別可達到對照（維生素C）的95.2%、76.6%、88.0%，DPPH·清除能力基本達到維生素C的水平，比相同劑量的未處理組高20.0%。類似的，蒸汽爆破處理籽粒莧籽實? [14] 、紫甘薯? [30] 、秋葵籽? [42] 、粉葛? [55] 、 Sasa palmata ?（bean） nakai的葉片? [61] 和竹莖? [66] 后，其酚類物質的含量都有所提高，進而提高了提取物的抗氧化活性。漆樹果實經蒸汽爆破處理后所含的主要黃酮類物質槲皮苷（槲皮素-3- O -鼠李糖苷）去除糖基變為活性更高的槲皮素，抗氧化活性得到提高? [47] 。

適宜的爆破條件可以提高提取的酚類物質的抗氧化活性，但在高強度的蒸汽爆破條件下，物質的抗氧化活性反而會降低。當蒸汽爆破處理壓力過高時間過長時，阿魏酸和對香豆酸會發生脫羧基反應，通過自由基中間體進一步聚合成二聚體，阿魏酸也會發生降解，生成甲基、乙基、乙烯基愈創木酸和香蘭素等小分子物質，降低物料的氧化能力? [23，67] 。蒸汽爆破條件為1.5 MPa、90 s時麥麩提取物清除DPPH自由基能力與鐵離子還原能力達到最高，繼續增加壓力和延長時間，抗氧化能力反而呈下降趨勢，這表明過高強度的蒸汽爆破處理不利于麥麩抗氧化成分的釋放，也可能造成抗氧化成分的損失? [68] 。用蒸汽爆破處理籽粒莧籽實? [14] 、紫甘薯? [57] 和茶渣? [52] 后也得出相似結論，即過高的蒸汽爆破處理強度可能會降低提取的酚類物質的抗氧化活性。蒸汽爆破處理后多酚的抗氧化活性與其含量之間具有明顯的相關性。紅豆經爆破處理后，多酚濃度與DPPH·、ABTS? + 清除能力和FRAP相關系數分別為0.784、0.937和0.90? [29] 。秋葵籽經蒸汽爆破后其提取物的FRAP、 DPPH· 、O? 2??? · - （超氧自由基）清除能力與總類黃酮含量呈負相關，相關系數分別為 -0.893 、 -0.960 、 -0.132 ，但與總多酚含量呈正相關，相關系數分別為0.685、0.468、0.951，有可能是蒸汽爆破過程中產生的一些非酚類物質例如還原性糖也具有抗氧化活性? [42] 。

3.2 蒸汽爆破對提取的植物多酚細胞內抗氧化活性的影響

Chen等? [31] 研究發現細胞抗氧化活性在人肝癌（HepG2）細胞未經磷酸鹽緩沖液（PBS）沖洗的情況下，蒸汽爆破處理和未蒸汽爆破處理的麥麩提取物的半數效應濃度值（ EC?? 50 ）分別為 （5 038.70± 318.87） ?g/ml 和 （895.78± 22.12） ?g/ml ，即蒸汽爆破處理后的提取物顯示出比未蒸汽爆破處理的更高的抗氧化活性。張瑞婷? [68] 也證明蒸汽爆破可提高麥麩提取物的細胞抗氧化活性，HepG2細胞經PBS沖洗或未經PBS沖洗，2.5 MPa、30 s處理組提取物的細胞抗氧化值均大于未處理組，且分別是未蒸汽爆破處理組的1.74倍（PBS沖洗）和5.61倍（無PBS沖洗）。這主要是由于蒸汽爆破處理后提取物中可溶性酚含量較高，尤其是可溶性阿魏酸? [69-72] 。苦蕎麥麩皮經蒸汽爆破處理后，提取物中游離酚類物質使HepG2細胞的抗氧化活性提高了215%， EC?? 50 值比未蒸汽爆破處理組高2倍左右，結合酚的 EC?? 50 值與未蒸汽爆破處理組相比也有顯著性差異（ P <0.05）;同時也發現蒸汽爆破處理后酚類提取物對人結腸癌（Caco-2）細胞增殖的抑制作用也顯著提高，游離酚組分細胞增殖率由100.00%降至32.59%? [24] 。唐宇等? [33] 在模擬胃腸消化過程中發現未經蒸汽爆破處理的麩皮的腸消化組沒有細胞抗氧化活性，而經蒸汽爆破處理的麩皮的腸消化組有細胞抗氧化活性。用蒸汽爆破處理亮葉楊桐葉片也可以顯著增強提取物的細胞抗氧化活性，不管HepG2細胞是否用PBS洗滌，蒸汽爆破處理后葉片提取物的 EC?? 50 值均明顯降低? [62] 。

4 展 望

蒸汽爆破作為一種新興的原料預處理技術，可提高多酚類等活性物質的提取率，影響其抗氧化活性。蒸汽爆破技術主要受物料種類及成分、含水率、預浸泡、化學預處理、粉碎程度、流動性等內因和蒸汽壓力（溫度）、維壓時間等外因影響。因此需要進一步研究：（1）通過體內和體外聯合試驗分析蒸汽爆破對提取的多酚含量及活性的影響及機制;（2）原料基質特點與蒸汽爆破效果之間的作用關系，通過構建模型確立最佳爆破條件，提高有效成分的提取率;（3）蒸汽爆破對原料基質中活性成分釋放機制及遷移轉化規律的影響;（4）蒸汽爆破對原料中各種營養成分的影響及它們之間的互作關系變化等。相信隨著研究的不斷深入，蒸汽爆破技術將在植物活性物質提取和抗氧化活性的提高等領域發揮越來越重要的作用，蒸汽爆破技術在食品加工業的應用范圍將被進一步拓展。

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（責任編輯：陳海霞）