大蒜含硫化合物及在加工中的变化机理研究进展

刘肖，周才琼,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715) 2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

大蒜是百合科葱属植物蒜(AlliumsatirumL.)的地下鳞茎，为1～2年生草本植物，性温，味辛。作为药食两用食物资源，大蒜不仅被广泛用作香料和调味品，还被用作传统的抗多种人类疾病的药物。目前的研究报道显示大蒜具有免疫调节[1]和改善心血管功能作用[2]；具有抗氧化、抗肿瘤、抗菌抗炎、改善肥胖等生物活性[3]；以及具有提高认知功能，改善老年痴呆症状等作用[4]。这些生物和医学功能主要归功于大蒜高含量的有机硫化合物(organic sulfur compounds, OSCs)。

除生食外，大蒜多需要进行各种加工处理，制成品种各异的风味食品，如糖蒜、蒜泥、脱水蒜片(粉)和黑蒜等[5-6]。目前大蒜含硫化合物的研究更多关注于药理功效及加工工艺，而加工技术不同会使大蒜深加工产品中含硫化合物种类和数量发生不同程度的变化，了解并深究其变化以及变化机理，可为大蒜深加工产品的功能化开发及合理利用加工技术提供理论基础。因此，本文综述了不同食品加工技术对大蒜含硫化合物的影响及机理，为生产更加营养、美味的大蒜相关制品提供参考。

1 大蒜主要含硫化合物及特点

大蒜含硫化合物主要包括L-半胱氨酸及其衍生物、亚砜、硫代磺酸酯和有机硫挥发性物质，不仅是大蒜主要的生物活性物质，也是大蒜作为食药两用资源的基础。由于含硫化合物组成及特性受不同加工条件的影响，因此，不同加工处理对大蒜含硫化合物种类的影响以及不同含硫化合物功能作用备受关注。大蒜主要含硫化合物及特点如表1所示。

表1 大蒜含硫化合物及特性Table 1 Sulfur compounds and properties of garlic

2 大蒜含硫化合物变化机理

植物源有机硫化合物在人类饮食中占有重要地位，有机硫化合物合成转化过程中所涉及的化学物质以及主要的作用机制近年来才逐渐被揭晓[17]。大蒜在健康领域的地位主要依靠于含硫化合物的存在，而大蒜产品的主要风味物质和质量特点是由含硫化合物复杂的生化反应引起的。比如，大蒜最具特色的挥发性有机硫化合物大蒜素是在细胞膜破裂后，风味前体物质蒜氨酸受位于液泡的蒜氨酸酶作用产生的。大蒜的各种加工及保藏方式均可导致大蒜中含硫化合物种类及含量发生变化，归纳其变化机理，大蒜是通过生物化学和物理化学途径产生有机硫化物及随后转换成各种含硫化合物[18]。机理分述如下：

2.1 大蒜含硫化合物生物化学途径变化机理

如图1所示，完整无损的大蒜中有机硫化物的来源是根部吸收土壤中的硫酸盐，其内含有S-氨基酸，包括半胱氨酸和微量的甲硫氨酸，以及谷氨酰基肽和蒜氨酸类物质(ACSOs)，此时大蒜无刺激性气味，因为风味前体物质(CSOs)和蒜氨酸酶各自稳定存在于细胞质和液泡2个不同的细胞器中，即大蒜中最初的含硫成分是γ-谷氨酰半胱氨酸，而后经过2种途径合成大蒜含硫生物活性物质。其中，蒜氨酸酶和半胱氨酸酶在含硫化合物的合成途径中发挥着重要作用[19]。

2.1.1 途径一

HUGHES等[20]提出了2条蒜氨酸生物合成路线：(1)以丝氨酸和丙烯硫醇原料合成;(2)谷胱甘肽和烯丙基通过γ-谷酰基缩氨酸合成。但后者得到更多认可(图1)，即当大蒜水解或氧化时，初始成分γ-谷氨酰基-S-烷(烯)基-L-半胱氨酸转化为风味前体物质，其中蒜氨酸含量最高，约占85%。蒜氨酸与异蒜氨酸(S-丙烯基-L半胱氨酸亚砜，PeCSO)、甲基蒜氨酸(S-甲基-L半胱氨酸亚砜MCSO)和丙基蒜氨酸(S-丙基-L半胱氨酸亚砜，PCSO)都属于大蒜风味的前体物质，无色无味，与葡萄糖混合后加热，可产生牛奶气味的物质[21]。此外，蒜氨酸除经生化途径被蒜氨酸酶催化生成大蒜素之外，还能够经物理化学途径直接加热生成水溶性含硫化合物。

图1 大蒜含硫化合物生物化学合成途径Fig.1 Biochemical synthesis pathway of garlic sulfur compounds

2.1.2 途径二

大蒜最初含硫化合物γ-谷氨酰半胱氨酸不仅可以转变为ACSOs，而且可以通过酶的作用发生转化，即在γ-谷氨酰转肽酶作用下生成S-烯丙基-L-半胱氨酸(SAC)，再进一步转化为S-烯丙基巯基-L-半胱氨酸(SAMC)。SAC、SAMC都属于水溶性有机硫化物[22]。

2.2 大蒜含硫化合物物理化学途径变化机理

大蒜含硫化合物的种类和含量除了受自身因素调控之外，外界环境因素也不容忽视，大致可以将含硫化合物产生及变化机理分为2种途径，如图2所示。

图2 大蒜含硫化合物物理化学合成途径Fig.2 Physical and chemical synthesis pathway of garlic sulfur compounds

2.2.1 途径一

大蒜活性成分主要前体物质ACSOs，存在于细胞质中，如若发生物理破碎则会使大蒜的完整性遭到破坏，即大蒜细胞膜破裂，细胞质中的蒜氨酸被液泡中的蒜氨酸酶催化水解生成2-烯丙基次磺酸和丙酮酸酯，其中2-烯丙基次磺酸不稳定，迅速发生自身聚合反应生成硫代亚磺酸酯类(thiosulfinates)——一类具有强烈辛辣味的挥发性物质。其中大蒜素是硫代亚磺酸酯类的主要成分，大约占70%，这类物质生物活性较强，但不稳定，可在不同温度、pH值和溶剂条件下进行多次变换，降解为阿霍烯、乙烯基二硫杂苯类化合物(vinyldithiins)或脂溶挥发性含硫化合物(volatile sulfurs determination)，包括DAS、DADS、DATS等。

2.2.2 途径二

胡兴鹏等[23]最近报道了蒜氨酸还可通过热分解方式产生挥发性含硫化合物，可能是由于蒜氨酸在高于100 ℃条件下，会直接发生水解或自由基重排反应，转化生成一系列挥发性含硫物质，并且，蒜氨酸加热后产生的水溶性含硫化合物的抗氧化活性更强。此外，黄雪松等[24]实验表明了加热蒜氨酸可形成多种有机硫化物，也证明了该途径是不需要酶的情况下直接生成SAC的新途径。推断蒜氨酸的热分解及转化极有可能是亚砜键重排产生次磺酸，然后生成烯丙基醇和半胱氨酸等，再进一步与均裂途径产生的自由基发生链反应生成其他含硫化合物。

3 加工技术对大蒜含硫化合物的影响

作为重要的香辛料及药食两用资源，大蒜及深加工产品深受欢迎。我国大蒜的种植面积和产量位居全球首位，是世界最大的大蒜生产国，同时也是世界最大的大蒜出口国，近5年的出口量保持在 150万t左右，但我国出口大蒜主要以鲜蒜及初加工产品为主，大蒜精深加工产品亟待开发[25]。传统加工方式生产的大蒜制品主要包括干燥蒜、腌制蒜、大蒜片(粉)等，采用现代食品加工技术的深加工产品有大蒜素、大蒜精油、大蒜功能性饮品、黑蒜及其附属产品等。不同加工处理技术使大蒜含硫化合物种类和数量发生不同的变化，给大蒜深加工产品风味及功能特性带来差异。比如未经处理的鲜蒜中含蒜氨酸、SAC、阿霍烯、乙烯基二硫杂苯类；破碎后的鲜蒜含SAC、大蒜素、阿霍烯、乙烯基二硫杂苯类；陈蒜含蒜氨酸、SAC、阿霍烯；煮熟大蒜含SAC、大蒜素、阿霍烯、多聚硫化物、乙烯基二硫杂苯类；蒸馏的大蒜含蒜氨酸、SAC、多聚硫化物、阿霍烯、乙烯基二硫杂苯类；大蒜油含多聚硫化物、阿霍烯和乙烯基二硫杂苯类[18]等。

3.1 热加工和冷处理技术

3.1.1 热加工处理

大蒜常用热加工方式有慢煮、沸腾、爆炒或油炸。经热加工处理后，大蒜几乎无辛辣味，可能是由于大蒜素受高温和非极性溶剂(食用油)影响分解成其他含硫化合物。以水为媒介的短时间热加工处理会使蒜氨酸受热分解转化，能丰富大蒜含硫化合物种类，比如DADS、DATS，二烯丙基四硫醚和SAC的含量明显上升，并且不含蒜氨酸和DAS[26]。LOCATELLI D A等[27]报道称以油为媒介热加工时阿霍烯、乙烯基二硫杂苯类含量较高，而水煮条件下未检测到此类含硫化合物。热加工会使蒜氨酸中不稳定的亚砜物质被显著降解，从而破坏大蒜的生物活性及营养成分，鉴于此，PABLO F C等[28]建议为了更好地保持大蒜抗癌等生物活性，食用时应该生吃亦或是破碎后用油烹饪，煮沸最好不要超过20 min。

3.1.2 低温冷冻技术

低温是一种比较好的保存食品及生物样品的方式，包括冷藏、微冻结和冻藏。有研究报道大蒜冷藏中蒜素含量呈先升后降再上升的趋势，微冻结处理大蒜含硫化合物含量几乎不变[29]，可能是较低温度使大蒜细胞膜遭到破坏，从而释放出大蒜素。而速冻蒜米可保留较高的生物活性成分[30]，因此，速冻大蒜是我国出口大蒜产品的一大类。

3.2 发酵技术

发酵是利用有益微生物在适当条件下完成生长、繁殖及其代谢的过程。由于湿热作用及微生物生长繁殖，构成了发酵食品特有的风味。大蒜发酵方式包括腌制、控温控湿及接种等，相关产品有腊八蒜、糖蒜和黑蒜等。

3.2.1 糖或醋腌制发酵技术

传统腌制大蒜主要指腊八蒜和糖蒜。腊八蒜通常是腊八时节将大蒜在醋里浸泡1周以上，呈酸辣味，而糖蒜是将用盐水浸泡后的大蒜沥出放入糖水中浸泡发酵而成。TAO D等[31]研究发现腊八蒜绿变和含硫化合物变化与蒜氨酸、蒜酶活性及细胞结构之间存在密不可分的联系。可能是腌制时CO2使大蒜细胞结构发生改变，释放出蒜酶，与蒜氨酸反应生成大蒜素。王皓等[32]研究发现在腌制糖蒜时会产生较多含硫化合物，如二烯丙基硫醚、正辛基丙基硫醚、烯丙基甲基二硫醚、2,4-二甲基噻吩等。腌制过程中蒜臭味物质3-乙烯基-1,2-二硫环己烯类等含量下降甚至消失，并且，醋酸和糖液渗入大蒜细胞内，酸甜味上升，然而该环境对大蒜素有一定的破坏作用。

3.2.2 控温控湿发酵技术

黑蒜是鲜蒜在一定湿热条件下发酵制备的一类新型大蒜加工食品。发酵过程中大蒜素含量呈先升后降趋势，黑蒜成品中几乎无大蒜素；同时由于谷氨酰半胱氨酸的氧化作用，黑蒜不含刺激性和辛辣的水溶性含硫化合物，脂溶性含硫化合物因高温等原因引起裂解和挥发而减少；再者，由于烯丙基硫醚类含硫化合物不稳定，易于形成噻吩、呋喃等新的含硫化合物，使大蒜香甜味增加[33]，赋予黑蒜酸甜软糯的口感，并且无蒜臭味。黑蒜具有抗氧化、抗肿瘤、改善肠道、调节血糖、保护肝脏、提高免疫力等多项功能作用[34-37]，因此，黑蒜及其附属产品在国际市场备受关注。

3.2.3 其他技术

TOCMO R等[38]报道了用一种新型乳酸菌直接发酵大蒜，不但可以长时间保存大蒜，而且不会对大蒜生物活性的有机硫化物产生负面影响。发酵过程中通过减少大蒜素及其降解产物来改变有机硫化合物的种类，但具体转化情况还有待进一步研究。EBRAHIMI PURE A等[39]报道用红葡萄醋和康普茶(由红茶菌发酵而来)醋发酵大蒜，其有机硫化物含量从54.92%分别降至7.65%和24.1%，这2种发酵大蒜都独具特点，就含硫化合物的生物活性上讲，康普茶醋比红葡萄醋更适合发酵大蒜。此外，KIM S等[40]在发酵的大蒜中检测到γ-谷氨酰半胱氨酸含量显著下降，而SAC和SAMC含量显著增加，有机硫化合物含量也相应增多。显而易见，发酵大蒜中含硫化合物的种类和含量与发酵条件密切相关，研究并控制好发酵条件可开发具有不同风味和功能作用的大蒜发酵产品。

3.3 新食品加工技术

为提升大蒜加工产品营养及功能作用，以及在大蒜深加工中保留适当的含硫化合物种类和含量，将现代食品加工新技术运用于大蒜深加工备受重视。

3.3.1 超高压技术

超高压(ultra-high pressure, UHP)技术是纯物理的冷加工技术，却有热加工的优点。超高压对共价键的影响较小，特别是小分子物质，如色素、氨基酸、维生素等，能极大程度保留食品的原始风味、色泽、脆感和韧性。研究表明，随着压力的增加，大蒜的辛辣味下降，并发现UHP技术是通过改变蒜氨酸酶的活性引起大蒜素含量变化和风味差异，即相对较低的压力会激活某些酶，而较高的压力使酶失活，但蒜氨酸酶在酸性条件下采用UHP处理的稳定性高于碱性条件[41]。孙思成等[42]报道大蒜经UHP处理后，大蒜素含量上升，而主要风味物质硫醚化合物相对含量普遍下降，尤其是DADS含量下降显著。

3.3.2 超声波处理技术

超声波是一种频率超过人类听觉范围的机械波(>16 kHz)，可通过在介质中传播时产生的强大压力和剪切力改变食品物料理化特性，如活化酶、辅助提取等。超声波处理技术由于其操作简便、处理效率高、可控性好、成本低等优点而被广泛应用于食品加工领域。HUANG L等[43]研究了用超声技术对不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber, IDF)进行改性处理，改变了大蒜的IDF微结构，使网状结构和亲水性基团增加。目前有较多报道称超声技术可用于大蒜和黑蒜中大蒜素的辅助提取[44]，近年也有研究将超声技术用于发酵黑蒜制品的预处理以缩短大蒜熟化时间。

3.3.3 微波处理技术

微波是波长1～103mm的电磁波，是快速发展的电磁加热技术，是利用微波产生高频磁场来对食品进行加热、干燥、膨化和灭菌保鲜等加工处理的技术。目前报道的微波技术用于大蒜加工的包括微波辅助技术提取大蒜素[45]、微波处理钝化蒜氨酸酶活性生产脱臭大蒜[46]，并发现微波处理大蒜的大蒜素含量高于其他加热方式(如油炸、蒸制和水煮)。推测这可能是微波技术处理大蒜时产生的热效应可在极短的时间内钝化蒜氨酸酶以及不需要水作为介质的原因。

3.3.4 其他技术

辐照处理一方面可以诱变大蒜育种，另一方面也被用于抑制大蒜细胞呼吸达到保鲜目的，但辐照会使含硫化合物降解，改变大蒜挥发性风味成分[47]，这种变化可能是由于电离辐射在蒜体内部产生了有用的自由基使得不稳定的亚砜成分发生反应而引起的。变温压差膨化干燥技术也被用于大蒜处理[48]，发现可保留大蒜大部分的风味和硫代亚磺酸酯活性成分。此外，可采用马铃薯淀粉包埋技术脱除蒜臭味并保留含硫化合物的活性[49]，还有少量关于超微粉碎技术应用于制备大蒜粉，微胶囊技术应用于大蒜脱臭，高压脉冲应用于激活蒜氨酸酶等的报道。

4 结语与展望

食品加工处理是为了改善制品的感官品质和提高产品营养品质，中国作为一个食品生产大国和消费大国，食品需求日趋多样，推动产业转型升级。大蒜含硫化合物的功能特性促进了各种大蒜产品的研发，以大蒜为原料制备而成的调味品、保健品、医用品、化妆品、农用品以及工业用品日益增多，备受国内外消费者的青睐。而今，国际上应用不同加工技术呈现出大量创新型大蒜制品，比如蒜素保健酒、大蒜饮料、大蒜香肠、大蒜调味品、大蒜口服液、大蒜糖浆、大蒜面包(蛋糕)、黑蒜及其附属产品等，不仅能提高大蒜附加价值，还能拓宽大蒜市场。

食用大蒜有促进健康的作用，大蒜被认为是达到长寿目的最重要的中草药之一。由于大蒜本身具备较高的生物活性和独特的风味特点，以及大蒜含硫化合物在不同加工中的变化及可能带来的功能特性的差异，使大蒜精深加工中含硫化合物组成和含量以及功能作用成为目前关注的焦点。因此，明确大蒜含硫化合物在加工中的变化及机理对今后开发大蒜相关制品、最大限度地保留大蒜生物活性成分及促进人体健康具有重要的现实意义。现阶段，关于大蒜含硫化合物在加工中的变化及机理还存在较多的推测判断，而具体清晰的机理还有待进一步研究论证。利用不同食品加工技术开发营养全面、种类丰富的大蒜深加工产品，加快大蒜相关制品工业化生产也是未来的发展方向。