植物源性天然抗氧化劑的機理及其在食品保鮮中的應用

王穎,杜易潼,薛婉玉,李璇,于潔,邊軍儀,白驥驍,姜子濤,2*

(1.天津商業大學 生物技術與食品科學學院,天津市食品生物技術重點實驗室,天津 300134;2.天津天獅學院 食品工程學院，天津 301700)

隨著科技、社會的不斷進步,人們對于食品的追求已發生改變,即從簡單滿足溫飽向安全、天然、健康的方向轉變。但目前市面上常見的食品抗氧化劑如丁基羥基茴香醚(butylated hydroxy anisole,BHA)、二丁基羥基甲苯(butylated hydroxy toluene,BHT)、沒食子酸丙酯(propyl gallate,PG)都是人工合成的。研究表明,使用人工合成的抗氧化劑具有一定風險,比如過量使用BHA、BHT存在致癌、致畸的可能。但為了提高食品的品質和減少食品浪費,適量、安全的食品添加劑必不可少。從植物中提取的天然抗氧化劑,能夠很好地解決氧化和抗氧化之間的失衡問題。因此,植物源性抗氧化劑是一類具有高清除率、高潛力的抗氧化劑。本文主要針對4類常見的植物源性抗氧化劑(見圖1)及其生物活性進行了綜述,歸類整理了它們在肉類、果蔬、酒類、豆類等食品方面的應用,最后探討了目前它們的優缺點以及該領域亟待解決的問題。

圖1 常見植物源性抗氧化劑概覽圖Fig.1 Overview map of common plant-derived antioxidants

1 植物源性抗氧化劑的種類

1.1 黃酮(flavonids)

1.1.1 黃酮基本介紹

黃酮類化合物中的“黃”源自其最初被發現時呈現黃色或淡黃色[1],是一類廣泛存在于自然界植物和真菌體內的次生代謝產物,是由兩個苯環(A環和B環)及一個三碳鏈連結而成的天然植物成分。根據其化學結構可分為6大類:黃酮醇類化合物、黃烷-3-醇、黃酮化合物、黃烷酮化合物、異黃酮類化合物和花青素[2]。其中槲皮素是眾所周知的一種黃酮類抗氧化劑,此外,杜鵑素、黃酮醇苷也是常見的抗氧化劑[3]。

1.1.2 黃酮生物活性

研究表明,黃酮類化合物生物活性豐富,具備抗氧化、抗心腦血管疾病、抗衰老、鎮痛、抗炎、抗腫瘤、抗病毒等功效,對人體健康起著保護作用[1]。在抗氧化方面,李娜等[4]研究了南瓜果實中黃酮類化合物的抗氧化活性,得出其對常見的3種自由基(DPPH、ABTS、OH)均有很好的清除效果,且清除能力與南瓜黃酮提取物濃度之間存在一定量效關系。閆旭宇等[5]采用超聲輔助乙醇提取優化了黃秋葵嫩果黃酮的提取工藝,發現在最佳提取工藝條件下,相同質量濃度的黃秋葵嫩果黃酮對OH 自由基的清除能力強于Vc,且與濃度呈正相關。在疾病預防和治療方面,賈艷楠[6]研究發現,從薔薇科植物金櫻子中提取的高純度總黃酮對于心腦血管疾病的治療有著極佳的功效。提取自荔枝核的黃酮類化合物可通過抗病毒生物合成的方式明顯抑制腺病毒在人喉癌細胞中的增殖。黃酮類化合物還具備鎮痛、抗炎的功效,李玲等[7]研究了馬蹄黃總黃酮抗炎、鎮痛和止血作用,證明高劑量的馬蹄黃總黃酮有明顯的抗炎作用,中、高劑量的馬蹄黃總黃酮有明顯鎮痛、止血的作用。

1.2 精油(essential oil,EO)

1.2.1 精油基本介紹

精油是典型的一類小分子揮發性物質,一般分子量在幾十到幾百之間,是具有揮發性、抗水解、易分解、較強折光性等特點的芳香物質[8]。精油存在于芳香植物的不同部位,不同部位的出油率存在差異,是一種從自然界中提取的天然化合物[9]。不同植物依據其品種、生長緯度、氣候帶的不同,提取精油的成分也不盡相同。只有含有香脂腺的植物才能通過蒸餾、吸附、萃取或壓榨等提取方法提取出精油。精油的分子結構和成分都很復雜,一種植物精油中通常包含多種有機化合物,比如烯萜類、酚類、酮類等化合物[8]。

1.2.2 精油的生物活性

提取自植物的精油具有高純度、純天然、低毒性等特點,符合人們對健康的追求,其抗氧化性、抑菌性、抗炎性、促生長性等生物活性被廣泛應用于食品、藥品及化妝品行業中。植物精油的抗氧化活性主要由直接清除DPPH、OH 等自由基和間接消耗容易生成自由基的物質這兩種途徑來實現[10-11]。精油及天然殺菌劑可以對抗多種病原微生物,其抗菌活性與植物合成的次生代謝產物的存在有關,可抑制細菌、真菌病害并減少真菌毒素積累[12-13]。精油可以通過減少炎性細胞因子分泌達到抗炎的目的,Saxer等[14]發現茶樹精油(TTO)在水中的可溶性成分對于腫瘤壞死因子(TNF)、白細胞介素-1(IL-1)等炎癥因子能起到抑制作用。精油的促生長活性表現為長時間添加中、高劑量植物精油可以顯著提高血清免疫蛋白含量，提高免疫力，實現保護機體健康的目的[15]。

1.3 多酚(polyphenol, PP)

1.3.1 多酚基本介紹

多酚又稱植物單寧、鞣質,通常分子量在600 Da以上,以C6-C3-C6 為骨架,通過連結一個或者多個酚羥基構成不同類型多酚[16]。廣泛存在于果蔬、谷物中,尤其是在茶葉、紅酒、咖啡、姜和辣椒中含量豐富。按照化學結構可以將多酚類化合物分為由多元醇通過酯鍵形成的酸及其衍生物和葡萄糖生成的水解單寧和通過黃烷類單體縮合而成的寡聚物或多聚物,在C6-C3-C6 的骨架基礎上,其結構表現為一個三碳鏈(C-2、C-3、C-4)連接兩個芳香環(A 環、B環)的縮合單寧[17]。

1.3.2 多酚的生物活性

多酚類物質對于清除自由基、預防癌癥、緩解肥胖等多種問題均有良好的療效[18]。由于多酚對于體內自由基的結合能力極強,阻斷了自由基進一步與機體內的脂類和其他生物分子的結合,因此多酚有著很強的自由基清除能力,例如生姜多酚[19]、黑洋蔥多酚[20]均體現出良好的抗氧化活性;多酚可以通過影響腫瘤細胞信息傳導、誘導腫瘤細胞分化與凋亡、抑制腫瘤細胞增殖等多種途徑抗腫瘤;還具有降血脂的特性,目前發現石榴多酚、茶多酚和蘋果多酚等具有降血脂作用,很大程度上減緩了老年疾病;多酚抗肥胖亦是研究熱點,主要通過調節機體酶活性代謝、激發產熱、調節生理信號和調整腸道中微生物菌落等途徑抗肥胖;多酚還可以通過抑制促炎細胞因子、膜表面糖蛋白、氧自由基的表達,影響NF-κB及MAPK 通路介導一氧化氮、COX-2的表達等發揮抗炎作用[21];此外,多酚也具有抗菌作用,通過改變細菌細胞膜的通透性、抑制細菌DNA 旋轉酶的活性、影響細菌能量代謝等方式抑制細菌的生長和繁殖。

1.4 植酸(phytic acid)

1.4.1 植酸基本介紹

植酸又名肌醇六磷酸酯,主要存在形式為鈣鎂的復鹽,不存在完全的游離態[22]。植物種子、胚芽、麩皮、米糠中含有豐富的植酸,最新研究發現,植酸也存在于哺乳動物細胞和原核細胞中[23]。植酸易溶于水、95%乙醇和甘油,具有耐高溫、抗靜電和無毒等特性,是P元素最穩定的化合物[24]。植酸的結構是含有1個肌醇環和6個磷酸基團的精確對稱環狀,由于其磷酸基團上具有可取代的質子,能與正價離子及蛋白質結合,因此具有良好的螯合金屬離子的性能[25]。植酸的應用十分廣泛,在食品、醫療、化工等行業均有涉及。

1.4.2 植酸的生物活性

由于其特殊的結構組成,植酸呈現出多種生物學活性,如抗氧化性、抑制酶活性、抑癌性等[26-27]。植酸能夠誘導肉制品的鐵離子,抑制脂質過氧化,其肌醇環上的磷酸基團能與水結合,達到進一步抗氧化的目的。由于植酸在植物體內通常以磷酸鹽的形式存在,因此極易與金屬離子螯合,進而影響蛋白質的消化和吸收,有研究表明這種螯合反應也會抑制淀粉酶、胰蛋白酶等的活性。植酸的主要生物活性是基于其對金屬離子的螯合特性,從而起到抑制果蔬褐變、清除酒中雜質、改善肉制品加工中的不良風味的作用。此外,植酸不僅能夠增加自然殺傷(NK)細胞的活性及抗氧化性,而且能夠阻止多種癌細胞的增殖,更重要的是植酸具有區別于其他抑癌物質的優點,即植酸不會對正常細胞造成傷害[25]。

2 植物源性抗氧化劑作用機理

目前研究認為,植物源性天然抗氧化劑的作用機理可以總結為4個方面:通過提供質子和電子并直接與自由基相結合的方式來清除、抑制自由基;通過抑制與自由基相關的氧化酶活性或提高抗氧化酶活性的方式來緩解氧化損傷;與金屬離子發生絡合反應,破壞自由基生成的條件,阻斷自由基的產生;具有抗氧化活性的成分之間相互促進,增強抗氧化能力[28]。

其中,黃酮類植物源性抗氧化劑的抗氧化機理一般通過苯環上羥基的還原性來實現,即酚羥基與自由基結合生成穩定的半醌式結構;此外,還可以通過阻止或阻礙生物大分子或細胞中的脂質氧化,最終達到降低氧化鏈傳遞速度的目的,保護生物大分子和細胞的完整[29]。并且黃酮類化合物氧化活性由于環上取代基的性質和位置的不同,可導致一定程度的氧化能力的差異。即羥基的數目以及所在的位置,特別是羥基在環上的位置對抗氧化活性有重要影響。研究表明,由于B環上的鄰二酚羥基易形成分子內氫鍵,使分子呈現半醌式結構,穩定自由基,具有此類結構的黃酮類化合物的抗氧化活性更強[30]。

精油類植物源性抗氧化劑的抗氧化機理有兩種方式:直接抗氧化與間接抗氧化。直接抗氧化是通過抗氧化劑的直接作用,抑制或者切斷氧化鏈反應傳遞。一般直接抗氧化有直接清除自由基和與金屬離子螯合兩種方式,例如精油中酚類物質的酚羥基中的氫離子能與過氧自由基產生反應,將氫離子傳遞給自由基,生成穩定、低活性的苯氧自由基,進而阻止氧化。此外,由于一些活潑金屬如鎂、銅等不僅具有極強的催化能力且金屬離子還有極高的還原性,這些因素都可作為引起直接氧化的重要原因,例如精油中的酚羥基能夠與金屬離子螯合,直接阻止氧化。間接氧化包括通過抑制脂質過氧化以及調節抗氧化酶水平間接阻止自由基的反應。例如,植物精油中的酚羥基可以替代過氧化羥基的生成,阻止脂質過氧化鏈式反應,達到保護脂類不被過氧化的目的。此外,有研究表明某些植物精油例如川穹精油中的特定物質能與細胞表面受體結合,發生信號傳達,促進機體分泌抗氧化酶,從而間接調控機體氧化水平[11]。

多酚類植物源性抗氧化劑的抗氧化機理是提供氫原子并與脂質自動氧化所產生的自由基相結合,生成相對穩定的結構,不生成新的不穩定的游離基,亦不會因為鏈式反應而被氧化。多酚的抗氧化機理可以認為是多酚分子通過其氫原子轉移和單電子轉移機制淬滅自由基,氫原子轉移機理即抗氧化劑和自由基反應從而實現氫原子的轉移;單電子轉移機理即假設氧化劑為抗氧化劑分子提供電子。這兩種機制反應產物包括無害物質RH、氧化自由基ArO·、陽離子自由基ArOH+和R的能量穩定形式。利用自由基鏈式反應的形式將多酚抗氧化機制表達為ArOH+R→ArO+RH;ArOH+R→ArOH++R-[31]。

植酸類的植物源性抗氧化劑作用機理基于其獨特的結構和所含基團的特性,植酸含有眾多磷酸基團故呈酸性,氫離子易與游離的脂肪酸或某些堿性物質結合,破壞氧化過程中所產生的過氧化物,從而阻止或者中斷油脂氧化過程中的連續鏈式反應,最終起到阻止或者緩解氧化反應的效果。此外，植酸中的磷酸鹽具有很強的螯合能力,能夠抑制或者延緩酶促反應,減緩氧化反應速率,進而達到抗氧化的目的[24]。

圖2 植物源性抗氧化劑作用機理Fig.2 Mechanism of plant-derived antioxidants

3 植物源性抗氧化劑在食品保鮮領域的應用

3.1 在肉制品中的應用

肉類是國民攝入蛋白質、油脂脂肪的重要來源,對于不同種類的肉制品,其脂肪、蛋白質、水分、碳水化合物含量存在差異,因此,在保證肉制品感官和風味的同時延長保質期是目前需要解決的問題之一。龔濤[32]使用溶劑浸取法提純分離宣木瓜中的黃酮化合物,在此基礎上探究不同濃度的黃酮添加物對動物肉質的抗氧化作用,發現黃酮化合物對動物脂肪氧化有抑制作用,進而得出黃酮化合物對肉制品有保鮮作用。

3.2 在果蔬中的應用

果蔬工業中經常出現保質期過短的問題,這是由于果蔬富含的水分、糖分等為細菌的生存和繁殖提供了良好的條件。薩仁高娃等[34]利用牛至精油制成可食用膜,將其均勻涂抹在鮮切哈密瓜和蘋果的切割表面,發現牛至精油成膜后對病原菌如李斯特菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌以及鼠傷寒沙門氏菌的抑制效果顯著。研究表明,茶多酚溶液可以作為杏鮑菇、蘋果、圣女果、冬棗、獼猴桃等果蔬的保鮮劑和穩定劑,使用噴灑、涂抹、浸泡等物理方式處理后均可達到減緩呼吸速率、降低細菌繁殖、增加抗氧化能力的效果,從而延長果蔬類產品的保質期[35]。

3.3 在酒類中的應用

在釀酒工業中,如何解決釀造過程中沉淀的產生、儲藏過程中發生的非酶褐變及防止酒中營養物質的氧化等問題都是保證酒品質量的關鍵。植酸的抗氧化特性體現在它可以和金屬離子產生極強的結合,促進鐵、鎂等金屬離子因鰲合失去活性,并釋放氫,破壞過氧化物的完整性,進而使其不能繼續形成醛、酮等產物。植酸及植酸鹽利用其配位螯合性極易將酒中的金屬離子除去,進一步阻止其與蛋白質、高級脂肪酸等結合從而抑制非酶褐變的產生,有利于除濁及保持酒類的爽口風味和良好色澤。啤酒風味老化的主要原因之一是儲藏過程中羥基的出現,同時酒中的金屬離子作為催化劑,不僅可以催化羥基的形成,而且會加快氧化進程[36]。因此，植酸類、酚類、黃酮類等天然抗氧化劑在釀酒工業中起著重要的作用。

3.4 在豆制品中的應用

我國具有悠久的豆制品食用歷史,但傳統豆制品存在保質期過短、豆腥味過重等問題。崔海英等[37]對丁香精油的抗菌活性及其在豆制品中的應用進行研究,在豆制品的應用實驗中,丁香精油作用于24 h嫩豆腐、老豆腐、內酯豆腐、鹽鹵豆腐4種豆腐中,細菌致死率均達99.9%以上,結果表明添加丁香精油對4種豆腐有較好的保鮮作用。

4 植物源性抗氧化劑的特點及亟待解決的問題

4.1 植物源性抗氧化劑的特點

植物源性抗氧化劑相較于人工合成抗氧化劑有著無法比擬的優勢,人工合成抗氧化劑存在很多缺點并且安全性不能很好地得到保障。如BHA、BHT、PG和特丁基對苯二酚(tertiary butylhydroquinone,TBHQ)的熱穩定性差,在80 ℃以上的熱油中極易揮發失效;常用的BHA、BHT 具有較大的毒副作用,易損壞人體肝、脾、肺等器官[29]。人工合成抗氧化劑也存在抗氧化能力差、抑菌效果不佳且應用范圍狹窄等眾多局限[30]。而植物源性天然抗氧化劑作為天然源保鮮劑的重要來源,相對于其他保鮮食品的方法,具有安全健康、綠色無毒、抗氧化能力強、無副作用的特點,其抗氧化功效可以與化學合成抗氧化添加劑相媲美。相比之下,典型的天然植物抗氧化物質更符合人們的需要,并且某些具有顯著抗氧化作用的物質如茶多酚、槲皮素在一定程度上促進了某些免疫因子的分泌,實現了提高機體免疫力的目標[37]。從植物中提取的多酚是一種天然的抗氧化劑,不僅對多種疾病如糖尿病、高血脂有預防及治療的效果,而且天然抗氧化劑還具有易得、成本相對較低的優點,對于具有豐富多樣的植物資源的中國來說,開發植物源食品抗氧化劑的潛力巨大。

4.2 植物源性抗氧化劑的缺點及亟待解決的問題

雖然,天然植物源性抗氧化劑具有安全、天然、健康等眾多優點,但仍有些缺點:天然植物源性抗氧化劑的提取方法眾多,如需應用,還需對提純工藝及方法進行實踐;市面上缺少一種普適性高的植物源性抗氧化劑,且對于復配的抗氧化劑,它們之間的協同關系亦有待發掘,如在一定濃度范圍內,南瓜果實黃酮[4]、黃秋葵嫩果黃酮[5]表現出對羥自由基有很好的清除作用,茶多酚[35]、生姜多酚[9]對DPPH 自由基有很好的清除作用,單一抗氧化劑對特定的自由基有很好的效果,若多種植物源性抗氧化劑協同,能否提升其綜合的抗氧化能力;在食品加工和儲存過程中天然植物源性抗氧化劑的低溶解度、低穩定性、缺乏標準化、不良的感官等問題,在食品工業中的應用受限。如初步發現迷迭香復合抗氧化劑性價比優于BHT、BHA、VE,在高溫的狀態下抗氧化效果優于TBHQ,但在常溫狀態下的抗氧化效果還與TBHQ 有一定的差距[38];植物源性抗氧化劑除了具有抗氧化作用外,還會對細胞的免疫系統、炎癥反應以及細胞凋亡過程產生影響,涉及到的內部信號通路且信號傳導過程十分復雜,因此毒理性實驗不可或缺[39]。

就目前植物源性天然抗氧化劑的發展情況,作出以下展望:根據每一種植物源性天然抗氧化劑的特性進行研究,找到更快速高效提取有效成分的方法和工藝指標;通過對植物源性天然抗氧化劑作用機理的研究,包括對食品的影響以及機理之間相互協同、排斥等結論,根據優勢互補原則找到普適性最高的成分并逐漸優化其穩定性,找到適合每一種食品大類保鮮的植物源性天然抗氧化劑;通過微米或納米微膠囊封裝、活性包裝、可食用涂層和薄膜可以克服植物源性抗氧化劑穩定性差、精油類抗氧化劑易揮發等弊端所引起的在食品工業中的應用限制[40]。運用生物技術以及新型食品科技,從不同的需求、不同角度出發,實現植物源性天然抗氧化劑在食品加工領域的安全、高效、經濟的利用。

5 結語

21世紀,不僅是高質量發展的世紀,更是注重食品健康、關注可持續發展、追求高水平生活的綠色世紀。植物源性天然抗氧化劑相較于目前市面上已有的抗氧化劑,具有獨特優越性,如綠色、安全、高效等。目前已有大量研究表明,植物源性抗氧化劑中的黃酮類、精油類、多酚類、植酸類對疾病的預防與治療、食品保鮮、清除自由基等具有顯著作用。植物源性天然抗氧化劑對于如何研發具有特定功能的創新性食品型抗氧化劑提供了良好的思路,但在提取工藝、利用效率等方面存在不足。因此,安全、高效、廉價、普適的植物源性天然抗氧化劑仍會成為未來研究的重點且具有廣闊的市場前景。