蒸汽爆破对从植物中提取的多酚含量及抗氧化活性影响的研究进展

夏智慧 崔文玉 丰程凤 罗凯云 程安玮

摘要：  蒸汽爆破是一种新兴的原料预处理技术，通过高温高压和蒸汽瞬间释压作用于生物基质，可实现物料在组分水平、组织水平和细胞水平上的分级分离。本文简要介绍了蒸汽爆破过程中原料所发生的主要的物理、化学变化，阐述了蒸汽爆破技术对粮油、果蔬和其他原料中提取的植物多酚含量以及体外和细胞内抗氧化活性的影响，并对蒸汽爆破的研究前景进行了展望，以期进一步拓展该技术在食品加工行业的应用范围。

关键词：  蒸汽爆破; 植物多酚; 抗氧化活性

中图分类号：  TS201.1    文献标识码： A    文章编号：  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结构具有多个羟基的次生代谢物，被称为第七大营养素，多酚的结构和结合方式复杂，种类繁多，主要包括酚类、羟基苯甲酸和肉桂酸衍生物、类黄酮、花青素、香豆素和单宁等  [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。

蒸汽爆破技术可通过高温高压和瞬间释压过程来实现对质地坚硬的原料中组分的分离和结构的改变，具有类酸性水解、热降解、类机械断裂、氢键破坏以及结构重排等多种作用，是一项新近发展起来的农产品原料预处理技术，其过程示意图见图1。该技术因具有无污染、缩短原料预处理时间、提高活性物质的提取率，降低能量消耗和加工成本，适应工业化等优点，逐渐成为从植物性原料中提取生物活性物质提高综合附加值的重要手段之一  [2-3] 。本文全面阐述了蒸汽爆破处理对原料中提取的植物多酚含量以及抗氧化活性等方面的影响，为蒸汽爆破加工适用于不同种类物质活性成分的提取及应用提供理论指导。

1 蒸汽爆破过程中主要的物理化学变化

蒸汽爆破主要通过热蒸汽被迅速汽化，使得原料细胞瞬间受到较大的压力差，细胞内部压力过大，体积急剧膨胀，远超细胞承受范围，发生类机械断裂，进一步促进氢键、无定形区和部分结晶的分解，并进行结构重组  [4-5] 。Li等  [6] 和Kobayashi等  [7] 分别用蒸汽爆破处理甘薯淀粉、马铃薯淀粉，发现其可以降低分子链聚合度，导致淀粉降解。另有研究结果表明蒸汽爆破能引起果胶分子数减少和分子质量的降低  [8] 。蒸汽爆破处理富含纤维的苦荞麦麸皮后可使其纤维素、半纤维素部分降解，木质素发生一定程度水解，分子键断裂，颗粒变小，水不溶性膳食纤维中长链膳食纤维含量减少，短链膳食纤维增多  [5] 。这与蒸汽爆破处理橡子壳  [9] 、菠萝皮渣  [10] 、小麦秸秆  [11] 和麻黄草  [12] 的研究结果相类似。进一步研究发现，蒸汽爆破也可使木质素和半纤维素部分降解为低分子酚类物质和水溶性糖，而蒸汽爆破处理压力过高时间过长时，又会使酚类物质发生降解或聚合。蒸汽爆破过程中也可发生糊化和美拉德反应，蛋白质与糖类发生共价结合，且美拉德反应的程度与蒸汽爆破强度有关  [13] ，对籽粒苋籽实蒸汽爆破处理也有相似的结论  [14] 。

从微观结构来看，蒸汽爆破会破坏物质结构，使其由光滑致密变为皱褶疏松  [15] 。蒸汽爆破处理西番莲后，其果皮出现了一定程度的皱褶，表面还产生大量的小坑洞，增加了表面积  [16] 。麦胚经蒸汽爆破处理后多糖的片状结构出现破碎，有多处气孔和少量的丝状分支  [17] 。蒸汽爆破处理后牦牛股骨表面由光滑变得疏松、多孔，股骨头结构明显遭到破坏  [18] ，也可使羽毛呈现海绵状，出现许多裂缝和孔洞  [19] 。这些微观结构的变化，一定程度上有利于萃取溶剂的渗透和可触及性，提高活性物质的析出和溶解。

2 蒸汽爆破对植物多酚的影响

2.1 蒸汽爆破对粮油原料中提取的植物多酚含量的影响

粮油原料中酚类物质含量丰富，种类繁多，根据结构不同分为酚酸、类黄酮、原花青素等;根据其结合方式的不同，分为游离酚和结合酚，其中结合酚又分为蛋白结合态多酚、糖苷键结合态多酚、酯键结合态多酚等  [20] 。谷物麸皮中大部分酚类物质以结合态形式与细胞壁结合，常规溶剂萃取提取率较低，利用蒸汽爆破处理可以有效破坏麸皮结构，水解醚键和酯键，促进多酚释放  [21-22] 。小麦麸皮在2.5 MPa、30 s爆破条件下，游离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达到最大，分别为对照的36倍和11倍  [23] ;结合态糖醛酸、香豆酸、阿魏酸的含量也在此时达到峰值，其中阿魏酸含量最高，比对照高出近25倍，总酚含量为28  mg/g ，比未处理组提高近9倍  [23] 。Li等  [24] 和Gong等  [25] 用蒸汽爆破处理谷物麸皮也得到了相似结论。用高于 7.4× 10  5  Pa的蒸汽爆破压力处理鹰嘴豆时，会导致细胞膜和细胞壁的损伤，从而有利于结合酚从细胞壁上游离出来，补偿了游离酚在该过程中热降解的损失  26] 。Chen等  [27] 发现蒸汽爆破处理也可提高大豆种皮中提取的酚类物质含量。此外，豆渣中提取的大豆异黄酮含量也会随着蒸汽爆破强度增加呈上升趋势，在2.0 MPa下30 s时达到最大值  [28] 。由于原料基质的物理结构及性质差异，以及不同的试验目的，选用的爆破条件也会不同，对有效成分的影响趋势也会不同。

适当强度的蒸汽爆破处理可提高原料中多酚类物质的提取率，但强度过高的处理条件会产生相反的效果。麸皮在过高的蒸汽爆破强度（如2.5 MPa、90 s）条件下生物质会降解形成有机酸（如甲酸、乙酸和丙酸），酚类物质很容易发生降解或聚合反应，反而会降低酚类物质的含量  [5] 。籽粒苋籽实经0.6 MPa、60 s蒸汽爆破处理后，提取的总酚含量可高达7.798  mg/g ，是对照的5.3倍，如果继续增大压力或延长爆破时间，总酚含量开始下降，时间为120 s时其总酚含量反而低于对照  [14] 。压力 0.25～ 0.75 MPa蒸汽爆破处理红豆 30～ 90 s，其酚类物质的得率提高，但当压力达到1.0 MPa时，随着时间的延长会导致酚类物质不同程度的降解或聚合，甚至引起原料的碳化  [29] 。易军鹏等  [30] 也发现高强度的蒸汽爆破处理会引起紫苷薯花色苷的分解。此外，Chen等  [31] 、Liu等  [32] 、唐宇等  [33] 和赵鹏成等  [34] 的研究结果证明，蒸汽爆破会对粮油原料中提取的酚类物质含量产生类似的影响。有关的研究结果见表1。

2.2 蒸汽爆破对果蔬原料中提取的植物多酚含量的影响

果蔬原料中也含有丰富的酚类物质，主要为酚酸、花色苷、类黄酮等，蒸汽爆破处理能使果蔬原料完整结构受到破坏，传质阻力变小，有利于多酚类物质的提取。表2列出了蒸汽爆破对从不同果蔬原料中提取的多酚含量的影响。Hu等  [42] 发现用蒸汽爆破处理秋葵籽虽然会引起黄酮类物质的损失，但中高压蒸汽爆破使总酚释放量由2.95  mg/g 增加到6.19  mg/g ，有利于总酚类物质的释放和产生。蒸汽爆破处理柑橘  [43-44] 、柑桔果渣  [45] 、大蒜  [2] 、大蒜皮  [46] 、西番莲  [16] 、漆树果实  [47] 、突尼斯红枣  [48] 、甘蔗渣  [49] 、菠萝皮渣  [10] 和盐肤木果实  [50] 也均得到相似结论，适度的蒸汽爆破有助于果蔬中提取的多酚物质含量的增加。有关的研究结果见表2。

2.3 蒸汽爆破对其他原料中提取的植物多酚含量的影响

表3列出了蒸汽爆破对其他原料中提取的多酚含量的影响。松针经1.5 MPa蒸汽爆破60 s后，提取的黄酮类物质含量达到50.8  mg/g ，是对照的2.54倍，而且在较高的处理条件下 （1.5～ 2.0 MPa、60 s），松针中的类黄酮类物质的含量也不会显著下降，具有一定的稳定性  [51] 。但茶渣  [52] 和橡木  [53] 中提取的酚类物质的含量随着蒸汽爆破处理强度的不断增大，呈现先增多后减少的趋势。无花果叶  [54] 、粉葛  [55] 和银杏叶  [56] 蒸汽爆破处理后总黄酮得率变化也与此一致。提取的酚类物质含量下降可能是由于一部分黄酮发生降解，且细胞内部溶出的黄酮又重新聚合形成不溶性物质所引起的  [51] 。橄榄树枝葉  [57-58] 、杜仲叶  [59] 、虎杖  [60] 、 Sasa palmata  （bean） nakai叶片  [61] 和亮叶杨桐叶片  [62] 等原料也证明蒸汽爆破是提高多酚类物质释放量的有效处理方法。

蒸汽爆破使物质中多酚得率提高的原因主要有两方面，一方面是蒸汽爆破过程中产生了新的多酚，在高温高压的酸性环境下，纤维素、半纤维素和木质素发生热降解产生酚酸和挥发酚类，如愈创木酚、丁香酚、酚醛（香草醛和丁香醛）和酮类（香草酮和丁香酮）等  [63-65] ;另一方面是促进了多酚的释放，蒸汽爆破后物质结构变得更为疏松多孔，增大了提取液与物料的接触面积，使酚类物质溶出率提高;或是蒸汽爆破过程中水解了细胞壁物质（多酚、多糖、木质素等）之间的酯键和/或醚键，使结合态多酚向游离态多酚转化，提高了多酚的溶出率  [20，47] 。

3 蒸汽爆破对提取的植物多酚抗氧化活性的影响

3.1 蒸汽爆破对提取的植物多酚体外抗氧化活性的影响

植物多酚体外抗氧化活性的强弱多采用 DPPH· （1，1-二苯基-2-三硝基苯肼）、ABTS  + （2，2′-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）自由基清除率以及FRAP（铁离子还原能力）等检测指标来表示。表4列出了蒸汽爆破处理对植物多酚体外抗氧化活性的影响。Noda等  [46] 用蒸汽爆破处理大蒜皮，测得 DPPH· 清除活性的 EC   50 值随着压强的增加和时间的延长而急剧下降，在压强3.0 MPa以上达到恒定值，而且抗氧化活性高于黑大蒜。原因可能是，一方面蒸汽爆破促进了细胞内结合酚的释放，另一方面是木质素和半纤维素部分降解为低分子酚类物质和水溶性糖（如5-羟甲基糠醛），进而提高了提取物的抗氧化活性。Chen等  [31] 、Liu等  [32] 和Gong等  [22] 也发现蒸汽爆破处理后谷物麸皮提取物的抗氧化活性得到有效提高。此外，Sui等  [52] 的研究结果表明，蒸汽爆破可提升茶渣提取物的抗氧化能力，FRAP、羟自由基清除活性、超氧化物生成的最高抑制率最大，分别可达到对照（维生素C）的95.2%、76.6%、88.0%，DPPH·清除能力基本达到维生素C的水平，比相同剂量的未处理组高20.0%。类似的，蒸汽爆破处理籽粒苋籽实  [14] 、紫甘薯  [30] 、秋葵籽  [42] 、粉葛  [55] 、 Sasa palmata  （bean） nakai的叶片  [61] 和竹茎  [66] 后，其酚类物质的含量都有所提高，进而提高了提取物的抗氧化活性。漆树果实经蒸汽爆破处理后所含的主要黄酮类物质槲皮苷（槲皮素-3- O -鼠李糖苷）去除糖基变为活性更高的槲皮素，抗氧化活性得到提高  [47] 。

适宜的爆破条件可以提高提取的酚类物质的抗氧化活性，但在高强度的蒸汽爆破条件下，物质的抗氧化活性反而会降低。当蒸汽爆破处理压力过高时间过长时，阿魏酸和对香豆酸会发生脱羧基反应，通过自由基中间体进一步聚合成二聚体，阿魏酸也会发生降解，生成甲基、乙基、乙烯基愈创木酸和香兰素等小分子物质，降低物料的氧化能力  [23，67] 。蒸汽爆破条件为1.5 MPa、90 s时麦麸提取物清除DPPH自由基能力与铁离子还原能力达到最高，继续增加压力和延长时间，抗氧化能力反而呈下降趋势，这表明过高强度的蒸汽爆破处理不利于麦麸抗氧化成分的释放，也可能造成抗氧化成分的损失  [68] 。用蒸汽爆破处理籽粒苋籽实  [14] 、紫甘薯  [57] 和茶渣  [52] 后也得出相似结论，即过高的蒸汽爆破处理强度可能会降低提取的酚类物质的抗氧化活性。蒸汽爆破处理后多酚的抗氧化活性与其含量之间具有明显的相关性。红豆经爆破处理后，多酚浓度与DPPH·、ABTS  + 清除能力和FRAP相关系数分别为0.784、0.937和0.90  [29] 。秋葵籽经蒸汽爆破后其提取物的FRAP、 DPPH· 、O  2    · - （超氧自由基）清除能力与总类黄酮含量呈负相关，相关系数分别为 -0.893 、 -0.960 、 -0.132 ，但与总多酚含量呈正相关，相关系数分别为0.685、0.468、0.951，有可能是蒸汽爆破过程中产生的一些非酚类物质例如还原性糖也具有抗氧化活性  [42] 。

3.2 蒸汽爆破对提取的植物多酚细胞内抗氧化活性的影响

Chen等  [31] 研究发现细胞抗氧化活性在人肝癌（HepG2）细胞未经磷酸盐缓冲液（PBS）冲洗的情况下，蒸汽爆破处理和未蒸汽爆破处理的麦麸提取物的半数效应浓度值（ EC   50 ）分别为 （5 038.70± 318.87）  g/ml 和 （895.78± 22.12）  g/ml ，即蒸汽爆破处理后的提取物显示出比未蒸汽爆破处理的更高的抗氧化活性。張瑞婷  [68] 也证明蒸汽爆破可提高麦麸提取物的细胞抗氧化活性，HepG2细胞经PBS冲洗或未经PBS冲洗，2.5 MPa、30 s处理组提取物的细胞抗氧化值均大于未处理组，且分别是未蒸汽爆破处理组的1.74倍（PBS冲洗）和5.61倍（无PBS冲洗）。这主要是由于蒸汽爆破处理后提取物中可溶性酚含量较高，尤其是可溶性阿魏酸  [69-72] 。苦荞麦麸皮经蒸汽爆破处理后，提取物中游离酚类物质使HepG2细胞的抗氧化活性提高了215%， EC   50 值比未蒸汽爆破处理组高2倍左右，结合酚的 EC   50 值与未蒸汽爆破处理组相比也有显著性差异（ P <0.05）;同时也发现蒸汽爆破处理后酚类提取物对人结肠癌（Caco-2）细胞增殖的抑制作用也显著提高，游离酚组分细胞增殖率由100.00%降至32.59%  [24] 。唐宇等  [33] 在模拟胃肠消化过程中发现未经蒸汽爆破处理的麸皮的肠消化组没有细胞抗氧化活性，而经蒸汽爆破处理的麸皮的肠消化组有细胞抗氧化活性。用蒸汽爆破处理亮叶杨桐叶片也可以显著增强提取物的细胞抗氧化活性，不管HepG2细胞是否用PBS洗涤，蒸汽爆破处理后叶片提取物的 EC   50 值均明显降低  [62] 。

4 展 望

蒸汽爆破作为一种新兴的原料预处理技术，可提高多酚类等活性物质的提取率，影响其抗氧化活性。蒸汽爆破技术主要受物料种类及成分、含水率、预浸泡、化学预处理、粉碎程度、流动性等内因和蒸汽压力（温度）、维压时间等外因影响。因此需要进一步研究：（1）通过体内和体外联合试验分析蒸汽爆破对提取的多酚含量及活性的影响及机制;（2）原料基质特点与蒸汽爆破效果之间的作用关系，通过构建模型确立最佳爆破条件，提高有效成分的提取率;（3）蒸汽爆破对原料基质中活性成分释放机制及迁移转化规律的影响;（4）蒸汽爆破对原料中各种营养成分的影响及它们之间的互作关系变化等。相信随着研究的不断深入，蒸汽爆破技术将在植物活性物质提取和抗氧化活性的提高等领域发挥越来越重要的作用，蒸汽爆破技术在食品加工业的应用范围将被进一步拓展。

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（责任编辑：陈海霞）