花椒精油的提取及應用研究進展

舒娟,張雪研,宋爽,范江平

(云南農業大學 食品科學技術學院,昆明 650201)

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)素有秦椒、蜀椒、山椒等別稱,為蕓香科,屬灌木或小喬木,是兼具調味、藥用、生態價值為一體的經濟樹種,具有極高的實用和經濟價值[1]。花椒具有溫中散寒、抗炎、抗腫瘤、抑菌、殺蟲等功效,可用于治療咳嗽氣逆、風寒濕痹、抗潰瘍、抗痢疾等病癥[2-3]。我國作為花椒生產大國,其栽培面積和地域分布十分廣泛,花椒在我國20多個省份均有栽培。近年來,全國花椒產業迅猛發展,已形成陜西韓城、鳳縣,山東泰安、萊蕪,四川金陽、漢源、茂縣,重慶江津,云南昭通,貴州等最地道的花椒著名產業帶[4]。

花椒精油,又稱花椒揮發油(Zanthoxylumbungeanumessential oil,ZBEO),是提取于花椒的一類具有芳香氣味、極易揮發、可隨水蒸氣蒸餾且與水不相混溶的油狀液體的總稱,其顏色以無色、淺黃色或黃綠色為主,是花椒的原次生代謝產物[5]。ZBEO兼具多種特性,如抗菌消炎、殺蟲、抗氧化和抑制腫瘤細胞活性等,在食品添加劑、化妝品、醫藥、農藥等領域得到廣泛應用。ZBEO的成分與含量受品種、環境條件、收獲時間、提取方法等諸多因素的影響,其活性成分也較復雜,根據文獻報道提取到的活性成分主要有烯烴類、醇類、酮類以及酯類化合物。

近些年,對ZBEO的提取、成分分析、生物活性的研究方面取得了長足的進步,但對精油發揮生物活性作用的具體靶向因子的研究不夠全面和深入,且精油在發揮生物活性作用過程中是具體某一成分占主導還是各成分協同作用沒有得到明確的解答。目前制約ZBEO開發應用的主要原因還是其不穩定性(水溶性低、揮發性高、易氧化分解)。不少學者針對ZBEO不穩定從而限制其廣泛應用的問題進行了研究,已初見成效。

1 花椒精油的提取方法

目前,在ZBEO的提取上發展較成熟,主要有水蒸氣蒸餾、溶劑浸提等傳統提取方法,也有現代新發展和改進的一些方法,如同時蒸餾萃取法、超臨界CO2萃取法、外加電場及酶法輔助提取法等。用上述方法提取的ZBEO,盡管其主要成分基本一致,但由于提取工藝和原料的不同,其提取效率、化學成分及含量也存在著一定的差別。不同提取方法的優點與局限見表1。

表1 不同提取方法的優點與局限Table 1 Advantages and limitations of different extraction methods

1.1 傳統提取方法

ZBEO傳統的提取方法主要有溶劑提取法、水蒸氣蒸餾法。溶劑種類的不同對ZBEO的浸出率有一定的影響。溶劑提取法中使用的溶劑主要有無水乙醇、乙醚、石油醚、正己烷、水及丙酮,其中無水乙醇和乙醚提取效果較優曾有報道。此方法通常選用對所需組分溶解性高、對不需要溶解組分溶解度較低的溶劑來實現對目標組分的分離提取。羅凱等[6]采用溶劑浸提法,提取出的ZBEO得率可達8.37%,總的揮發油損耗較小,但僅有17個品種,此工藝對ZBEO的種類損失較大。宋蓉等[7]用4種不同的溶劑從花椒中分離出ZBEO,不同溶劑萃取的精油在各方面存在一定差異,且對受試菌的抑制程度也不同,其中以乙醚萃取的精油對7種不同的細菌抑制效果明顯。采用溶劑萃取可以增加ZBEO的得率,也可以實現選用最佳溶劑進行最有效的萃取,但溶劑殘留量過大會對ZBEO的香氣及組成造成一定的影響,且后續需要進行分離純化。水蒸氣蒸餾法是一種將含揮發性組分的植物原料同水共蒸,同時將揮發性組分和水蒸氣一起餾出,再通過濃縮分離出揮發性組分的一種分離方法。適用于從水中萃取具有揮發性、能隨水蒸氣蒸餾而不被破壞、在水中穩定、不易溶解或不溶解的植物活性組分。水蒸氣蒸餾法是目前應用最廣泛的一種提取植物性天然香料的工藝,其工藝、設備和操作均較成熟。羅怡華等[8]通過工藝優化得到水蒸氣蒸餾的最佳提取工藝:花椒粉碎粒度為40目,料液比為1∶10 (mg/mL),提取時間為3.0 h。王娟等[9]通過水蒸氣蒸餾法提取漢源、金陽兩地青花椒,同時提取漢源和武都兩地紅花椒的揮發油作對比,發現水蒸氣蒸餾法提取的青花椒出油率約為5.08%～5.47%,紅花椒出油率約為1.14%～1.52%。

1.2 現代提取方法

ZBEO現代的提取方法主要有超臨界CO2萃取法、超高壓萃取法、同時蒸餾萃取法及微波輔助提取法等。利用CO2的超臨界流體萃取方法已開始廣泛應用于植物精油的提取和分離,與傳統提取方法相比,它能夠提高提取效率、縮短提取時間且揮發性化合物不會因熱處理而發生變化,但設備投資大、能耗高等缺陷限制了其在實際生產中的應用,它更多地用于科學研究和生產高附加值產品。吳靜[3]利用超臨界CO2萃取法提取ZBEO,得到優化的提取工藝為壓力26.3 MPa、時間2.53 h、溫度50 ℃、CO2流量21 L/h、粉碎目數60目,此時ZBEO得率為11.15%。劉琳琪等[10]研究發現,在42 ℃、30 MPa下,經超臨界CO2萃取180 min,其得率可達12.70%,比水蒸氣蒸餾法高2.27倍。馬鈐等[11]選用亞臨界提取技術提取ZBEO,最終得到的最佳萃取工藝為萃取3次、萃取溫度40 ℃、萃取時間40 min、料液比1∶2 (g/mL),此時ZBEO得率為15.11%,為水蒸氣蒸餾萃取精油得率的3.7倍。

超高壓萃取法是一種在常溫下進行的萃取過程,通過給予100～1 000 MPa高壓實現萃取劑在萃取過程中始終保持高壓,然后在萃取后釋放壓力,從而獲得精油產品。超高壓萃取技術是目前最常用的低溶點、熱敏性物質的提取方法,在食品工業中得到了廣泛的應用。賈春曉等[12]以河南花椒為原料,無水乙醇(分析純)作為萃取劑,工藝優化結果表明,超高壓浸出工藝以壓力300 MPa、料液比1∶40、保壓時間3 min為條件,萃取率可達到24.16%。

同時蒸餾萃取法將水蒸氣蒸餾和溶劑萃取兩步相結合,相比于傳統的水蒸氣蒸餾法,提高了提取效率。羅凱等[13]優化提取工藝后,發現選擇乙醚作提取溶劑,提取率可達到8.2%,色譜峰信息較多且溶劑毒性較小;原料粉碎至40目時,揮發油得率可達到9.4%;提取時間為3 h時,揮發油的提取率接近9.5%;以超聲波輔助處理5 min,提取率接近12%,色譜峰信息也較多。龍園園等[14]采用同時蒸餾萃取法,當加水量為5.5倍、提取時間為3.5 h、乙醚用量為41 mL、粉碎粒度為80目時,揮發油的提取率為3.59%。

通過外加電場(超聲、微波)或酶處理可以有效提高ZBEO的得率,外加電場輔助萃取已被廣泛應用于植物中生物活性成分的提取,并引起國內外研究和開發領域的廣泛關注。高經梁等[15]采用微波輔助提取技術萃取花椒精油,結果表明,微波提取ZBEO以料液比1∶10、功率600 W、溫度50 ℃、萃取時間2 min為條件,精油得率達到18.56%,產率比溶劑法高9.96%。黃志遠等[16]通過響應面優化得到最佳的提取工藝條件:液料比10.3∶1、微波功率502 W、微波處理時間6 min、提取溫度60 ℃,此時精油提取率為8.01%。

魏姜勉[17]以花椒籽為原料,超聲波輔助提取花椒籽揮發油,結果表明,較優工藝參數為料液比1∶26 (mg/mL)、超聲功率166 W、超聲時間13 min,在此條件下,花椒籽揮發油得率可達3.29%。

采用表面活性劑輔助酶解法從花椒中提取風味化合物,該方法在食品工業中應用較少。Zhang等[18]采用表面活性劑輔助酶法從花椒中提取風味化合物,優化條件后得出:將花椒粉碎至粒徑小于60目,纖維素酶添加量0.5%(質量比),中性蛋白酶添加量0.3%(質量比),硬脂酰乳酸鈣添加量0.7%(質量比),料液比1∶6 (g/mL),酶解溫度45 ℃,酶解3 h的條件下檸檬烯、芳樟醇和烷基酰胺的含量可分別由1.02%、16.5%、27.4%提高至7.51%、48.39%、37.74%。

以上不同提取方法各有利弊,如何針對現有技術存在的優勢與不足,將不同技術結合起來,爭取未來開發出一種簡單有效,并能夠使品質和產量都有保障的提取花椒中風味物質的方法,實現花椒效益的最大化仍是我們努力的方向。

2 花椒精油產品的開發及應用

ZBEO具有高度揮發性,對環境壓力(溫度、氧、光、低pH值等)很敏感,因而在加工和儲存過程中造成了風味和生物活性的大量損失。ZBEO的高揮發性和不穩定性限制了其應用,降低了其經濟價值,研究學者針對此問題進行了不斷的探索和嘗試,其成果也猶如雨后春筍般破土而出。

2.1 花椒調味油

ZBEO主要采用有機溶劑和超臨界CO2萃取法提取,一般不能直接食用,必須與食用植物油進行一定的稀釋后才能用作調味品。將花椒與植物油的多種營養物質相結合,能使香氣更加濃郁,其生產方式大多選用熱植物油浸提法。林洪斌等[19]用植物油浸提法制備花椒調味油,工藝優化后制得的花椒調味油具有香味濃郁、透明度好、麻味明顯等特性。彭彰智等[20]優化生產棕櫚油基花椒調味油的工藝條件,結果表明,當料液比為1∶8.5、花椒粉碎粒度為56目、熬制溫度為91 ℃時,測得的花椒調味油感官評分良好,在40 ℃下加速貯藏90 d,貯藏期內棕櫚油基花椒調味油香氣濃郁,無異味,麻味較強烈。孫小嵐等[21]將核桃油與紫蘇油等原料油調配成脂肪酸構成合理的調和油,再加入花椒精油、姜精油進行風味調配,經過正交實驗優化核桃油的配方,得到的調味油呈現出天然的棕黃色,色澤晶瑩,各項理化指標都達到了一級壓榨油的要求,口感怡人,同時具有花椒的清香和生姜的辛辣味道。

2.2 花椒精油微膠囊產品

微膠囊通過將液體材料包裹在聚合物外殼中以獲得固體或自由流動的粉末,有利于保護不穩定的敏感化合物免受環境因素的影響,并掩蓋芯材中不可接受的味道。該方法具有良好的保持芯材生理活性的穩定性、掩蓋食品中的不良風味、改善其釋放性能、提高其生物利用率等優點,在食品、醫藥等領域得到了廣泛應用。利用高分子、聚合物薄膜等進行包埋,可防止受到生產中環境因素的影響。當在適宜的條件下,通過控制其時間、速率、溫度等條件又將其從薄膜中緩慢釋放出來,能夠使其功能發揮到最佳水平。微膠囊化技術被廣泛認為是一種有效解決這一問題的方式,并被廣泛地用于食品添加劑、調味品、乳制品、肉制品、糖果、生物酶、營養強化劑等食品領域中。

目前,常用的微膠囊化方法有噴霧干燥、復合凝聚、分子包埋以及冷凍干燥。張倩等[22]選用羥丙基-β-環糊精與大豆分離蛋白的復配物為微膠囊壁材,采用冷凍干燥法制備ZBEO微膠囊,制得的微膠囊包埋率為(96.35±0.94)%。袁路陽等[23]利用噴霧干燥法,以ZBEO為芯材,制備的微膠囊包埋效果良好,精油保留率為89.0%,損失11.0%的ZBEO,并通過感官評價對比ZBEO及其微膠囊在油炸酥肉中的應用,得出ZBEO微膠囊的綜合評價優于等含量的ZBEO。Meng等[24]選用多糖和蛋白質作復合壁材包埋ZBEO,通過微膠囊化有效地保護了花椒中麻味物質的降解。Meng等[25]將實驗制得的ZBEO微膠囊應用在中式香腸中,有效地抑制了香腸中脂質的氧化,保護了羥基-α-山椒素和典型揮發物在香腸貯藏過程中的揮發降解。

2.3 膜材料的制備

近年來,植物精油由于其天然、綠色和安全等特性,有望成為一種具有抗菌性和抗氧化性的新型抗菌劑和抗氧化劑,已引起人們的廣泛重視。活性包裝又名AP包裝,具有釋放抗菌劑和抗氧化劑、清除氧氣、控制水分、保留風味物質和消除氣味等特點,有利于更好地保存功能性成分,延長食品的保質期,滿足這些需求的關鍵是將功能性物質封裝到包裝中。

Zhang等[26]制備了含有ZBEO的抗真菌靜電紡絲納米纖維膜,用于草莓和甜櫻桃的保鮮,草莓和櫻桃在涂抹ZBEO薄膜后,可以在10 d內保持新鮮,而其他處理的草莓和櫻桃發霉嚴重,且ZBEO薄膜處理過的水果感官得分最高。Wang等[27]制備的ZBEO改性玉米淀粉基復合薄膜具有良好的物理性能和抗菌性能,是一種很有前途的功能性包裝材料。王東芹[28]制備了ZBEO殼聚糖復合膜,并將其應用到生鮮豬肉的保鮮研究中,精油復合膜能抑制丙二醛、高鐵肌紅蛋白及揮發性鹽基氮含量的增加,同時延緩紅度值的降低,使豬肉樣品保持良好的色澤,質構特性表明,精油復合膜具有良好的保鮮作用。

精油可作為活性食品包裝,如可食用膜、生物可降解薄膜和涂層將的添加劑,天然存在的生物活性化合物作為抗菌/抗氧化特性的來源,具有無毒、無害、無污染等特性,相比于傳統塑料,它的發展前景十分廣闊,但如何進一步提高其在工業中的應用,如提高其物理性能,消除精油色澤對感官品質的影響,并保證食用過程的安全性,仍然是一個迫切需要解決的問題。基于天然活性物質進行食品包裝(如肉、魚、水果、蔬菜)的開發,已經得到了特別的關注。將生物活性物質與包埋材料進行包合提高穩定性,以及與納米技術相結合,為天然化合物進行活性包裝的工業制造打開了大門,相信這些技術未來幾年將在包裝行業的發展中獲得廣闊空間。

2.4 納米乳液的制備

納米乳液是一種透明或半透明的體系,主要以表面活性劑作為穩定劑分散兩種不相容相。納米乳液是一種新型的“近熱力學穩定系統”,它可以很好地解決各種疏水化合物“水溶性差”的問題。Liu等[29]將ZBEO與微乳液組合,不僅能增強微乳液的滲透效果,而且能降低ZBEO的刺激性。史亞濛[30]進行了花椒精油納米乳液的研究,結果發現通過高壓均質法制備的納米乳液可以提高ZBEO的生物活性,將納米乳液添加到調味醋中,兩者具有較好的相容性,且在ZBEO納米乳液加入量為1.0%時,不僅保留了醋的原有香味,而且呈現出較好的花椒香味。靳若寧等[31]對青花椒精油納米乳制備的最佳配方進行優化,研究其理化性質及體外抗菌性能,發現青花椒精油納米乳整體澄清透明,流動性與穩定性均良好,且抑菌效果優于青花椒精油。ZBEO中含有豐富的芳樟醇、檸檬烯、桉油醇、檜烯等活性化合物,在食品工業中可作為抗真菌劑、抗氧化劑和特種調味劑等廣泛應用,盡管ZBEO作用十分有效,但由于缺乏更好的配方,其應用始終受到阻礙。納米乳液的緩釋、靶向作用及對藥物的保護機制,以及ZBEO本身具有的多重生物活性(如抗炎、抗腫瘤、鎮痛、局部麻醉等),兩者相結合有利于藥物載體的研究與制備。

3 結語

目前,我國以ZBEO為主要成分開發的產品尚處于起步階段,種類寥寥可數,ZBEO相關產品在市場上占據的份額小,未能實現將已有的花椒資源物盡其用,造成了極大的浪費。市場上的花椒產品及應用主要包括以下幾個方面:花椒調味產品,主要有保鮮花椒、花椒調味油、花椒精油、花椒精、花椒麻精、花椒油、花椒調味醬等,還被用作鮮榨果汁風味增強劑來提高風味接受度以及在高級菜肴如餡餅和冰淇淋等甜味劑中用作調料;花椒日化品開發,包括洗浴用品、護發素、香水、護理牙膏、香皂、洗面奶、面霜等;花椒養生系列,例如泡腳包、鞋墊、暖宮貼、花椒布鞋等;花椒食品的制作,諸如花椒黑酸奶、花椒啤酒、花椒鍋巴、花椒夾心QQ糖、沖泡花椒及姜棗茶、花椒水、花椒芽菜等。

花椒已成為我國南北多個省份的主要經濟樹種,現階段其主要用途還是用作調味料,眾多研究表明,ZBEO具有多重生物活性,若要推動花椒產業從單一模式向全產業鏈發展,需要加大對其新產品(如精油)的開發力度,加大科技投入,以增加其經濟效益,豐富其品種。此外,研究多選擇果皮進行利用,對于花椒籽、枝、葉、嫩芽等的研究較少,隨著花椒市場需求的增大,其種植面積也必將迅速擴大,修剪、采摘、食用等過程將產生大量的枝干、葉、籽等副產物,堆積過程不僅造成資源浪費,而且造成一定的環境污染,花椒果皮在提取有效成分后,未能對加工副產物實現有效利用,副產品中含有豐富的蛋白質、脂肪、膳食纖維、黑色素、抗菌肽、多酚、酰胺等,面對全球資源日益短缺的形勢,各行業應共同努力,創新產品,擴大花椒生產過程中副產物的綜合開發與利用,將其變廢為寶迫在眉睫。我國擁有豐富的花椒資源,應該充分發揮自身的優勢,對其進行深入的研究,以改善其利用不充分、揮發性高和生物利用度低的問題,為今后推動花椒產業全方位高效發展,進一步擴大其在醫療、保健、日化、油料等領域的應用與發展奠定基礎。