姜黃素的提取、生理特性及其在肉制品與鮮肉中的應用研究進展

郭熒輝,李洪軍,2,3,邢根安,謝兆華,韓薇,張文振,史佳龍,賀稚非,2,3*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,重慶,400715) 3(重慶市特色食品工程技術研究中心,重慶,400715)

肉類中含有蛋白質、必需氨基酸、鐵、鋅等多種人體必需的營養物質,但是肉類容易發生脂質氧化以及受到微生物污染,導致其腐敗變質,造成巨大的經濟損失[1]。目前,一些研究將姜黃素、花青素等具有抗氧化、抑菌功能的天然活性成分用于肉類中,抑制脂質氧化和微生物生長,以延長其保質期;同時還發現姜黃素、花青素、葉綠素等對pH敏感的色素可用于監控肉的品質變化[2]。

姜黃是傳統的香料植物,常用于食品加工中,姜黃中的主要生物活性成分是姜黃素,在姜黃根莖中約有2%～9%的姜黃素[3]。姜黃素是一種黃色的多酚類物質,由2個苯環構成,苯環上連接著甲氧基和羥基,中間由β-二酮與碳鏈相連,并且還有酮-烯醇式互變結構[3],如圖1所示。姜黃素味辛辣,不溶于水,易溶于乙醇、丙酮、堿液等溶劑中[3-6],其對pH敏感,還具有抗氧化、抑菌、抗炎、抗癌等多種生物活性[2, 7]。目前,食用姜黃素來自于姜黃根莖,但不同的提取方法會對姜黃素得率有影響,同時國內外論文對姜黃素在肉類中的應用沒有系統性總結。因此,本文重點綜述了姜黃素的提取方法、生理特性以及在肉制品和鮮肉領域中的應用進展,以期為姜黃素的應用提供理論參考。

圖1 姜黃素結構式Fig.1 The structure of curcumin

1 姜黃素的提取方法

1.1 浸漬提取法

浸漬提取法是獲得天然活性成分常用的方法,其利用有機溶液、水溶液等提取試劑從植物中溶出目標物質[4]。浸提法的得率主要與溶劑種類、溶劑濃度、提取溫度、提取時間、姜黃粒徑、料液比等因素有關[4-5,8]。姜黃素是一種疏水性物質,常使用有機溶劑提取,一般認為乙醇是最佳的提取溶劑[9],還發現隨著溫度升高會使姜黃素得率提高,但溫度過高會使姜黃素降解,得率降低[5]。PAULUCCI等[8]研究不同條件對姜黃素得率的影響,提取溫度80 ℃、96%(體積分數)乙醇溶液、料液比1∶4、攪拌速率70 r/min、提取24 h,姜黃素得率為1.8%,同時發現乙醇濃度是影響姜黃素得率的重要因素。除了有機溶劑外,還可以使用堿液進行提取,OTHMAN等[6]使用2 mol/L氫氧化鈉溶液浸漬提取姜黃素0.5 h,從每克凍干姜黃粉中共得到了(12.95±1.07) mg的姜黃素,并且發現堿液沒有降低姜黃素的抗氧化活性和抑菌活性。由于傳統試劑具有較大揮發性、高毒性等缺點。目前,一些研究者開發出離子溶液作為綠色溶劑來提取姜黃素,這些離子溶液具有低揮發性、高熱穩定性、黏度可調等特點[10],同時離子液體可以溶解纖維素、破壞姜黃細胞壁,從而提高姜黃素得率[11]。G?KDEMIR等[10]使用1-丁基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰基)亞胺離子液體提取姜黃素,實驗室最高得率為2.94%。

1.2 索氏回流提取

索氏回流提取法是從植物中提取天然活性成分的常用方法,其原理是圓底燒瓶中的溶劑蒸汽與頂針中的姜黃接觸并提取姜黃素,當頂針中的液體達到溢流層時,含姜黃素的液體從虹吸管回到圓底燒瓶中,分離后的溶劑重新進入頂針中反復提取姜黃素,可以減少揮發性試劑的消耗[9,12]。SHIRSATH等[9]在78 ℃、姜黃粒徑0.09 mm、料液比1∶25(g∶mL)、乙醇作為溶劑索氏提取8 h,從每克姜黃粉中得到了12.75 mg的姜黃素,高于分批提取的7.89 mg。與浸漬提取相比,索氏提取得率更高,但需要更長的時間。為了縮短提取的時間,一些研究使用超聲波、微波等技術輔助索氏提取姜黃素[4]。

1.3 加壓液體提取

加壓液體提取法是通過增加壓力來提高溶劑的沸點[13],然后利用高溫、高壓加快溶質與溶劑之間的傳質速率,提高提取能力。加壓液體提取具有提取時間短、得率高、溶劑消耗低等特點[14]。CHAO等[14]通過單因素實驗確定最佳提取條件為:姜黃粒徑0.20～0.30 mm、乙醇為提取溶劑、溫度100 ℃、壓強1 500 psi(約10.34 MPa)、靜態提取5 min、循環為1、沖洗量60%,并用于12種商品姜黃的提取,從每克姜黃樣本中得到了10.16～16.48 mg的姜黃素。當使用水作為提取溶劑時,加壓液體提取又稱為亞臨界水提取,VALIZADEH等[15]在最佳提取條件下:粒徑0.71 mm、溫度140 ℃、壓強1 MPa、提取時間14 min,利用亞臨界水提取,姜黃素得率為3.8%。OSORIO-TOBN等[16]將加壓液體提取法和超臨界CO2流體提取法整合工藝用于姜黃素的提取,即使用超臨界CO2流體法提取姜黃根莖中的姜黃精油,然后再利用加壓液體法從處理的姜黃根莖中提取姜黃素,最終得率達到(4.3±0.2)%。姜黃精油具有辛辣的氣味,會對食品的感官造成一定的影響,而去除姜黃精油的姜黃素在食品的中具有更廣闊的應用前景。

1.4 超聲波輔助提取

超聲波輔助提取是在傳統的提取方法上利用超聲波進行輔助,其原理是超聲波可以使植物細胞壁破裂促進物質釋放,同時由于空化效應產生的湍流和溶液循環可以增強體系的傳質速率,從而加快提取速率[9,12]。超聲頻率、超聲功率是影響得率的重要因素,SHIRSATH等[9]利用超聲波輔助索氏提取,對照組使用索氏提取8 h后,從每克姜黃粉中得到12.75 mg的姜黃素,而在超聲頻率22 kHz、超聲功率250 W、35 ℃,提取時間1 h,其余參數一致時,從每克姜黃粉中得到9.18 mg的姜黃素,發現超聲波輔助大幅度縮減提取時間,減少能量消耗。超聲波輔助提取還能提高姜黃素得率,PATIL等[17]使用超聲波輔助氯化膽堿-乳酸共晶溶劑浸漬提取姜黃素, 20 min從每克干姜黃粉中得到77.13 mg的姜黃素,與僅使用共晶溶劑(75 min)相比時間更短,且得率提高了16.67%。有研究報道,使用探頭超聲波直接處理姜黃粉與水的混合物可以得到納米型姜黃素,增大了姜黃素的水溶性,有利于提高姜黃素的生物活性[18]。

1.5 微波輔助提取

姜黃的細胞壁主要由纖維素組成,微波輻射的熱效應會促進纖維素降解,造成細胞壁的損傷,加快姜黃素的釋放,同時微波處理會增加溶劑擴散速率,從而加快提取速率,微波輔助提取還具有提取時間短、得率高等優點[19]。微波功率、微波處理時間是影響得率的重要因素[20]。WAKTE等[20]先對水浸漬的姜黃粉微波輻照(270 W)預處理7 min后,在60 W微波功率下使用丙酮提取5 min,最大得率為1.9%,而使用丙酮索氏回流提取8 h,得率僅為2.1%,表明微波輔助提取可以顯著縮短提取時間。MANDAL等[21]的研究也表明,與浸漬提取、攪拌提取、索氏回流提取相比,微波輔助提取時間更短、得率更高。隨著微波輔助技術的發展,已經開發出真空微波輔助提取、氮氣保護微波輔助提取、超聲微波輔助提取和動態微波提取等方法[22],提高微波輔助提取能力。

1.6 酶輔助提取

酶輔助提取是利用酶破壞姜黃細胞壁的結構,促進姜黃素釋放[23],從而提高姜黃素得率。酶具有專一性和特異性,故酶的種類是影響得率的重要因素,目前常使用α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶[3]、纖維素酶[11,24]、葡萄糖淀粉酶[23]進行處理。利用酶輔助可以顯著提高姜黃素得率,SAHNE等[3]加入α-淀粉酶和淀粉葡萄糖糖苷酶對姜黃粉進行預處理,然后利用N,N,-二丙基銨-N′,N′-二丙基氨基甲酸酯離子溶液進行提取,與對照組相比,姜黃素得率由3.58%提升至5.73%,且純度達到96%。其次酶用量、酶解時間、酶解pH、酶解溫度對得率也有影響[24]。寧娜等[24]發現纖維素酶輔助微波提取可以提高姜黃素得率,并得到最佳酶處理條件:纖維素酶(10 000 U/g)用量9.8 mg/g(酶∶姜黃)、酶解時間75 min、pH值4.7、溫度43 ℃,最終從每克姜黃中得到了21.96 mg 姜黃素,優于單獨使用微波輔助提取姜黃素。

2 姜黃素的生理特性

2.1 抗氧化活性

姜黃素是從姜黃中提取的多酚類物質,對活性氧、二氧化氮自由基、超氧陰離子自由基、羥自由基和DPPH自由基具有較好的清除能力[25],是一種有效的抗氧化活性物質。其抗氧化的原理是酚羥基和亞甲基位點可以提供H原子并與自由基反應,從而清除自由基[26]。也有研究表明,姜黃素可以抑制脂氧合酶、環加氧酶和黃嘌呤氧化酶的活性,從而抑制活性氧自由基的產生[27]。

姜黃素具有良好的抗氧化活性,NAKSURIYA等[25]比較了不同抗氧化劑對DPPH自由基的清除率,發現姜黃素抗氧化活性顯著高于抗壞血酸和藤黃黃酮,略低于沒食子酸。姜黃素的抗氧化活性隨著其濃度的增加而增強,MA等[26]研究發現加入姜黃素可以大幅度地提升薄膜抗氧化活性,對照組薄膜DPPH自由基清除率僅為1.81%,而隨著姜黃素含量的增加(1%→5%),薄膜的DPPH自由基清除能力也增強(7.81%→35.16%)。姜黃素具有抑制肉類脂質氧化的能力,ABDOU等[28]的研究表明,與對照組相比,加入姜黃素的薄膜可以顯著降低雞肉中的丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量,抑制脂質氧化。因此,姜黃素是一種優良的抗氧化劑,可用于肉類抗氧化和抗氧化活性薄膜中。

2.2 抑菌活性

研究表明姜黃素對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、銅綠假單胞菌[6]、單增李斯特菌、鼠傷寒沙門氏菌[7]、枯草芽孢桿菌[29]等細菌具有良好的抑制作用,并且對白念球菌屬、鐮孢菌屬真菌[6]也有一定抑制作用。目前認為姜黃素的抑菌機制主要有:a)姜黃素可以與細菌分裂所需的絲狀溫度敏感突變體Z(FtsZ)結合,抑制Z環的形成,從而抑制細菌的分裂[29]。b)姜黃素可以破壞細胞膜的完整性,造成細胞質泄漏,從而達到抑制細菌的作用[30]。

姜黃素具有良好的抑菌效果,其抑菌效果與濃度呈正相關。OTHMAN等[6]研究發現,隨著姜黃素濃度的增加,產生的抑菌圈越大。SADIKCI等[7]研究也表明抑菌效果與姜黃素濃度相關,在肉末中接種104CFU/g的細菌,并加入不同濃度姜黃素,培養7 d后,發現加入1%的姜黃素使金黃色葡萄球菌、鼠傷寒沙門氏菌、大腸桿菌O157∶H7和單增李斯特菌的平板計數分別降低(1.84、1.87、2.24、1.48 lgCFU/g),而加入2% 姜黃素使平板計數分別降低(3.15、2.42、2.31、2.91 lgCFU/g)。同時,姜黃素的抑菌效果也與微生物的種類相關,例如:姜黃素對單增李斯特菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度(minimal inhibit concentration,MIC)為125 μg/mL,對鼠傷寒沙門氏菌和大腸桿菌O157∶H7的MIC值為250 μg/mL[7];而10 mg/mL的姜黃素對木霉屬真菌無明顯的抑制作用[6]。姜黃素對食源性致病細菌具有良好的抑制作用,可作為天然抑菌劑用于肉類領域。

2.3 pH指示作用

姜黃素具有指示pH變化的能力,其在不同的pH下表現為不同的顏色,在酸性條件(pH 3.0～7.0)下,姜黃素為黃色,在堿性條件下(pH ≥8.0),顏色則變為橙色或者紅色[31]。姜黃素顏色的變化可能與其結構改變有關,在酸性條件下姜黃素以β-二酮結構為主,而堿性條件下則為酮-烯醇式結構[32]。同時有研究認為,堿性環境會使姜黃素兩端的羥基發生電子云偏離的共軛效應,故顏色從橙黃變為紅色[33]。XIAO等[34]在智能薄膜中加入姜黃素,并將其浸入不同pH值(3.0、5.0、7.0、9.0、11.0)的磷酸鹽緩沖液中,發現在pH 3.0～7.0時,薄膜顏色為淺黃色,隨著pH值不斷升高,薄膜顏色發生顯著改變,pH值為9.0時,顏色為橙色,pH值上升至11.0,顏色也變為紅色,同時發現姜黃素智能薄膜顏色變化趨勢與姜黃素溶液一致,說明薄膜并不會影響姜黃素的pH指示作用。因此姜黃素可用于智能包裝中指示pH的變化。

3 姜黃素在肉制品與鮮肉中的應用

3.1 姜黃素在肉制品中的應用

高蛋白肉制品在高溫加工過程中會產生雜環芳胺,有一定致癌風險[39]。姜黃素能降低肉制品中雜環胺的含量,WANG等[39]發現姜黃素能降低紅燒肉中Norharman和Harman雜環芳胺的含量,其作用機制是抑制雜環芳胺的前體羰基化合物和1,2,3,4-四氫-β-咔啉-3-羧酸的形成,同時還可以直接清除雜環芳胺,保障食品健康安全。

3.2 姜黃素活性薄膜在鮮肉中的應用

肉在貯藏和銷售的過程中,受到微生物和酶的作用會發生蛋白質降解、脂質氧化等,產生異味或惡臭味,降低肉的品質,對肉類行業造成巨大的經濟損失。生物可降解薄膜是一種新型的包裝材料,不同于傳統的塑料包裝,其最大的特點是可降解、能減少對環境的污染[40],并廣泛地應用在鮮肉保鮮中。在薄膜中加入姜黃素可以延長鮮肉的貨架期,因為姜黃素具有抗氧化和抑菌作用,同時薄膜的物理隔離也可以減少鮮肉與外界環境的接觸。許多研究表明,將姜黃素活性薄膜用于羊肉[1]、雞肉[28,41]、豬肉[40,42]、魚肉[43]的貯藏中,可以延緩其腐敗變質,延長保質期。XIE等[40]發現在含細菌纖維素的馬鈴薯薄膜中加入姜黃素,可以提高薄膜的抗氧化能力,并用于豬肉貯藏[(4±1) ℃],與空白對照組相比,使用含姜黃素的薄膜覆蓋豬肉可以顯著降低MDA的含量,豬肉氧化程度最低。但姜黃素在水中的溶解度較低,可能會影響其抗氧化和抑菌活性。目前有一些研究制備出姜黃素納米顆粒、姜黃素納米乳液來提高姜黃素的水溶性及其生物活性。SHEN等[42]采用離子交聯技術制備姜黃素納米顆粒,其水溶性大幅度提高(0.017 μg/mL→ 35.92 μg/mL),并加入至羥甲基纖維素鈉薄膜中用于豬肉的貯藏保鮮[(4±1) ℃],發現相同濃度的姜黃素,納米顆粒具有更優良的抗氧化活性,第15天的MDA含量為0.248 mg/kg,顯著低于普通姜黃素薄膜組。KHAN等[41]在食用明膠復合薄膜中加入姜黃素納米乳液,薄膜對DPPH自由基的清除率可以達到60.51%,并對大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌等食源性病原菌也具有良好的抑制作用,可以使雞肉的貯藏(4 ℃)時間延長至17 d,優于傳統的塑料包裝。ABDOU等[28]研究還發現姜黃素納米乳液-果膠涂層不僅可以延長雞肉的貯藏期,還能更好地保留雞肉的品質,與對照組相比實驗組的雞肉具有更好的持水力和肌肉質地,可能是姜黃素能抑制腐敗微生物的生長,從而抑制雞肉蛋白質的降解。因此,含姜黃素的薄膜在鮮肉的貯藏保鮮中具有較大的潛力。

3.3 姜黃素智能薄膜在指示鮮肉品質中的應用

近年來智能包裝廣泛地用于監控鮮肉貯藏過程中的品質變化,其最大的特點是可通過指示劑顏色的變化來反映食品品質的變化,而無需進行檢測,可以將產品的質量直接傳達給消費者[44]。植物天然色素姜黃素、花青素、甜菜堿、葉綠素等常作為智能包裝的指示劑[2]。姜黃素是從姜黃中提取的天然色素,對pH表現出顏色敏感性,這使其成為智能包裝的合適指示劑。總揮發性鹽基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)是肉在貯藏過程中受到微生物作用,肉中的蛋白質分解產生的氨或胺等堿性含氮物質的總稱,產生的TVBN會使環境的pH值上升[45],故可以通過姜黃素顏色的變化來反映鮮肉的品質。目前,姜黃素智能薄膜已用于監測蝦肉[31-34]、雞肉[32]、豬肉[45,46]、牛肉[47]、魚肉[48]等鮮肉中。LIU等[45]在羥甲基纖維素鈉薄膜中加入殼聚糖包裹的姜黃素微膠囊,并用于監測豬肉冷藏(4 ℃)過程中品質的變化,貯藏第2天后,豬肉中的TVB-N含量為15.12 mg/100 g、pH值為6.25,豬肉從新鮮變為不新鮮,薄膜的顏色從淺黃色變為深黃色,說明姜黃素智能薄膜具有指示豬肉新鮮程度的功能。蝦類等水產品在貯藏過程中極易發生腐敗變質,故需要對其新鮮度進行監測。ZHANG等[31]在聚乙烯醇中加入姜黃素和瓊脂制備pH指示薄膜,用于蝦肉冷藏(4 ℃)研究中,結果表明在36 h蝦肉已經腐敗變質,薄膜顏色變為橘色,60 h蝦肉中TVB-N含量高達56.8 mg/100 g,已經嚴重腐敗,薄膜顏色變為橘紅色。隨著鮮肉腐敗的發生,姜黃素薄膜的顏色也發生明顯變化,且與TVB-N含量呈正相關關系,薄膜可以有效地監測鮮肉貯藏過程中品質的變化。

4 結論

姜黃素具有抗氧化、抑菌的生物活性和pH指示能力。大量研究表明(表1),姜黃素可以有效地抑制脂質氧化、微生物生長,從而延長肉和肉制品的保質期,減少食物浪費;同時姜黃素智能薄膜能無損地反映肉的新鮮度和腐敗程度,并將其直觀地傳達給消費者,因此在肉類領域具有廣泛的應用前景。但仍需對以下幾個方面進行深入研究:a)傳統姜黃素提取方法需要大量的有機溶劑、且所需時間長,故可以采用更加高效、綠色、便宜的方法制備姜黃素,并實現大規模生產姜黃素。b)姜黃素具有一定的辛辣味,使得姜黃素的應用受到一定的限制,故有必要對姜黃素的去味、掩蓋進行研究。c)姜黃素的抗氧化、抑菌活性在肉制品和肉的應用中有著巨大的貢獻,可以增加姜黃素的水溶性來增強生物活性,或者研究與其他活性成分的協同增效能力。d)姜黃素活性薄膜和智能薄膜在肉的保鮮和腐敗指示中有應用潛力,仍需研究其在不同肉類的影響,以拓寬應用范圍。

表1 姜黃素在不同肉制品與鮮肉中的應用Table 1 The application of curcumin in different meat products and fresh meat