大蒜中主要功效成分分析研究进展

刘平香 邱 静 翁 瑞 许彦阳 钱永忠

（1.中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，农业农村部农产品质量安全重点实验室，北京100081； 2.山东省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，山东省食品质量安全检测技术重点实验室，济南250100）

大蒜 （Allium sativumL.）是百合科葱属植物中能够形成鳞茎的一个种，是一种世界广泛种植的蔬菜作物。我国是全球最大的大蒜生产国、消费国和出口国[1～2]。根据联合国粮食及农业组织统计，2018年我国大蒜种植面积和产量分别高达79.3 万hm2和2233.4 万t，分别占世界总种植面积和总产量的51.3%和78.8%[1]。大蒜鳞茎中含有多种功效成分，具有抗炎杀菌、防癌抗癌、预防和治疗糖尿病、抗氧化等医疗保健功能[3]。最新研究还发现，大蒜消费量与全因死亡率的降低具有一定相关性[4]。因此，大蒜不仅能作为调味品，还具有较高的药用价值，应用前景广阔。目前，大蒜除了直接食用外，还被加工为各种深加工产品，深受消费者喜爱。本文对大蒜及其制品中含硫化合物等主要功效成分检测技术和生产及加工过程中变化趋势等方面的最新研究进展进行了综述，以期为大蒜中功效成分的相关研究提供参考。

一、主要功效成分

（一）含硫化合物大蒜中的含硫化合物包括大蒜细胞破碎前的风味前体物质以及细胞破碎后的风味成分等[5]。大蒜中的风味前体物质主要包括γ－谷氨酰基－S－烷 （烯）基半胱氨酸、S－烷 （烯）基－L－半胱氨酸和S－烷 （烯）基－L－半胱氨酸亚砜等3 大类。其中，γ－谷氨酰基－S－烷（烯）基半胱氨酸主要包括γ－L－谷氨酰－S－甲基－L－半胱氨酸 （GSMC）、γ－L－谷氨酰－S－烯丙基－L－半胱氨酸 （GSAC）和γ－L－谷氨酰－S－ （反－1－丙烯 基）－L － 半 胱 氨 酸 （GSPC）等。此 外，NAKAMOTO 等[6]还从老化大蒜提取物中分离鉴定出2 种新的γ－谷氨酰三肽类化合物，分别为γ－谷氨酰基－γ－谷氨酰基－S－烯丙基半胱氨酸（GGSAC）和γ－谷氨酰基－γ－谷氨酰基－S－1－丙烯半胱氨酸 （GGS1PC），该类物质主要是大蒜老化过程中由γ－谷氨酰转肽酶 （GTP）催化生成。MATSUTOMO 等[7]首次在老化大蒜提取液中鉴定出 γ － 谷 氨 酰－S － 烯 丙 基 巯 基 半 胱 氨 酸（GSAMC）。S－烷 （烯）基－L－半胱氨酸类物质主要包括S－甲基－L－半胱氨酸 （SMC）、S－烯丙基－L－半胱氨酸（SAC）和S－（反－1－丙烯基）－L－半胱氨酸 （SPC）； 老化大蒜提取液中还存在cis－SPC，主 要 由trans－SPC 异 构 化 得 到[7]。S－烷（烯）基－L－半胱氨酸亚砜主要包括甲基蒜氨酸（Methiin）、蒜氨酸 （Alliin）、异蒜氨酸 （Isoalliin）和环蒜氨酸（Cycloalliin）等。

大蒜细胞破碎后，细胞质中的Methiin、Alliin和Isoalliin 会与液泡中的蒜氨酸酶接触，发生酶促反应，生成大蒜素 （Allicin）等硫代亚磺酸酯类化合物。Allicin 能够与细菌生长所必需的半胱氨酸的巯基相结合，从而破坏细菌正常的蛋白质代谢过程，具有较强的抗菌、抗病毒以及消炎作用。因此，大蒜被誉为 “天然广谱抗生素”[8]。最新研究表明，Allicin 在体外可抑制DNA 回旋酶的活性，该酶是临床中抗生素作用的重要靶点，有被开发成为DNA 回旋酶抑制剂的潜力[9]。硫代亚磺酸酯类物质不稳定，易进一步发生分解、聚合等反应，生成二烯丙基一硫化物 （DAS）、二烯丙基二硫化物（DADS）和二烯丙基三硫化物 （DATS）等烯丙基硫醚以及阿霍烯（Ajoene）等化合物，形成大蒜独特的辛辣气味。BLOCK 等[10]还从大蒜浸渍物中分离鉴定出一种新的3，4－二甲基硫杂环戊烷类化合物，为5－（2－烯丙基亚磺酰基）－3，4－二甲基硫杂环戊烷－2－醇的立体异构体，并命名为Ajothiolanes （C9H16O2S2）。大蒜被人体食用后，含硫化合物会被分解代谢为烯丙基甲基硫 （AMS）、烯丙基甲基亚砜 （AMSO）和烯丙基甲基砜 （AMSO2）等代谢物，并出现在人的乳汁和尿液中[11～12]。

（二）多酚类化合物大蒜的抗氧化活性与酚酸、黄酮、黄酮醇以及黄烷酮等多种酚类化合物密切相关，包括没食子酸、绿原酸、阿魏酸、对香豆酸、槲皮素、柚皮素等[13～14]。除常见酚类化合物外，胡斌等[15]从大蒜地上部分的正丁醇萃取物中鉴定出一个新的酚苷类化合物，即2－甲氧基－苯酚－1－O－α－L－吡喃阿拉伯糖基－（1→6）－β－D－吡喃葡萄糖苷，并命名为大蒜新苷J。

（三）多糖类化合物大蒜多糖是大蒜药效的物质基础之一，含量在70%以上，相对分子质量9～10 k Da，属于小分子杂多糖，具有护肝、调节免疫、抗氧化、抗凝血、保护心肌、抗病毒、降血脂、调节肠道菌群平衡等生理活性[16]。硫酸化、磷酸化、羧甲基化等化学修饰可以改变大蒜多糖的抗氧化等生物活性，从而扩大大蒜多糖在食品领域的应用。其中，GAO 等[17]比较了羧甲基化大蒜多糖与Allicin 清除自由基的能力，发现其浓度低于1.0 mg/mL 时，清 除 能 力 低 于Allicin，当 高 于1.0 mg/mL 时清除能力显著提高； CHEN 等[18]以大蒜多糖和三氯化铁为原料合成的多糖铁复合物在高浓度下抑制脂质过氧化的作用显著提高。

二、检测技术

（一）对含硫化合物的检测对大蒜中风味前体物质传统的检测方法主要为高效液相色谱－串联紫外光谱 （HPLC－UV）法，该方法操作简单，仪器设备成本相对较低，但Alliin 等风味前体物质极性较大，很难达到所需的分离效果，基质效应较大，且该类化合物紫外吸收能力相对较弱。液相色谱串联质谱 （LC－MS/MS）的多重反应监测模式能极大地避免基质对目标物的干扰，且不需进行衍生化等繁琐的前处理过程。基于LC－MS/MS 平台，ZHU 等[19]建立了同时测定大蒜中Alliin、SAC、GSAC 和Allicin 的方法； KIM 等[20]建立了同时检测大蒜发酵液中GSMC、GSAC、GSPC、γ－谷氨酰基－苯丙氨酸 （γ GPA）、SMC、SAC、SPC、Alliin、Isoalliin、Methiin 和Cycloalliin 的定量方法。大蒜中的谷氨酸、半胱氨酸等游离氨基酸是风味前体物质合成的基础，LIU 等[21]建立了同时检测大蒜中7 种风味前体物质 （GSMC、GSAC、SMC、SAC、SPC、Alliin 和Methiin）和21 种游离氨基酸的UHPLC－MS/MS 方法，前处理方法简单、绿色环保、准确可靠，为大蒜中功效成分的相关代谢研究奠定了基础。但目前缺乏SPC、GSMC、GSPC、Isoalliin、Methiin 和Cycloalliin 等风味前体物质商业化的标准品，使检测方法的推广和普及受到一定限制。此外，大蒜鳞芽包含保护叶、储藏叶、内芽等多个组织区域，不同区域中代谢物可能存在一定差异，在研究中可能需要对代谢物的位置、含量等进行精准的定位及定量。目前，LUCAS－TORRE 等[22]建立了基于高分辨率魔角旋转核磁共振的代谢组学技术，可实现μg 级大蒜样品的代谢组学分析，从而实现对大蒜鳞芽皮、储藏叶、内表皮和内芽共4 个不同区域的研究分析。MISIOREK 等[23]将发芽大蒜横断面上的化合物通过印迹转移到纳米金增强靶上，然后对印迹进行质谱成像研究，通过Alliin 等小分子代谢物可视化等新方法可对发芽蒜瓣内代谢物的空间分布进行研究。

大蒜细胞破碎后酶解产生的风味物质稳定性较差，如Allicin、DADS 等，不耐高温，采用气相色谱（GC）法检测时会发生降解，因此，GC 及其质谱串联技术不适用于该类物质的检测[24～25]。目前HPLC 技术及其质谱串联技术应用较为广泛。WANG 等[26]建立了大蒜中Allicin 的超高效液相色谱（UPLC）方法，即采用预冷水提取，C18柱等度洗脱3 min，较为快捷、简便。RAMIREZ 等[27]建立了熟蒜及血浆、消化液等生物样品基质中Allicin、Ajoene、2－乙烯基－4H－1，2－二噻烯 （2－VD）、DAS 和DADS 的HPLC－UV 检测方法，采用分散液液微萃取作为前处理方法，乙腈作为分散剂，600 μL 氯仿作为提取溶剂。该方法可靠、精确，适用于多种基质中风味成分的检测。此外，采用傅立叶变换拉曼光谱技术可对大蒜中DADS 等多种含硫化合物进行简单、快速的无损检测[28]。

（二）对多酚类化合物的检测对多酚类化合物的检测主要采用液相色谱 （LC）及其串联质谱技术，YANG 等[29]采用LC－ESI－QTOF/MS 对大蒜中的酚类化合物进行了分析，共定性得到28 种酚类化合物，包括花青素、黄酮、黄酮醇等，其中，槲皮素含量高达1016.33±7.83 μg/g，显著高于洋葱、生姜等其他辛辣类蔬菜。此外，超临界流体技术对极性较小的化合物具有良好的提取效果，且具有萃取效率高、绿色环保等优点。LIU 等[14]采用超临界流体萃取技术结合超临界流体色谱串联质谱技术 （SFE－SFC－MS/MS）对大蒜中的11 种酚类化合物进行了定量分析，发现阿魏酸在苍山、金乡、邳州和大理的大蒜中均有检出。

（三）对多糖类化合物的检测对大蒜中多糖类化合物的分析一般需要经过提取、分离纯化及检测等步骤。提取方法主要包括水提取法、酶提取法、酸碱提取、超声提取、微波提取等； 分离纯化中脱蛋白是一个很重要的步骤，常用的方法有Sevag 法、三氟三氯乙烷法和三氯乙酸法等； 分离纯化后获得的大蒜多糖可用HPLC、3，5－二硝基水杨酸法、蒽酮－硫酸法和苯酚－硫酸法等测定其分子量[30]。此外，采用基质辅助激光解析电离飞行时间质谱（MALDI－TOF－MS）法[31]、凝胶渗透色谱法（GPC）[32]也可对大蒜多糖分子质量的分布进行测定。

三、生产、贮藏及加工过程中的变化趋势

（一）含硫化合物的变化

1.生产及贮藏过程中的变化规律。大蒜植株作为一个有机生命体，含硫化合物等功效成分在大蒜种植及贮藏等生产过程中会发生物质的累积、转运与分解合成等代谢反应，并最终对大蒜的质量品质产生重要影响。在大蒜鳞茎发育初期，Alliin 等风味前体物质主要在叶片中合成。当大蒜叶片开始萎凋后，大量Alliin 从叶片转移至大蒜鳞茎中进行储藏[33]。KOVÁ 等[34]研究发现，除大蒜鳞茎外，大蒜其他器官 （叶片、假茎和根）中S－烷（烯）基－L－半胱氨酸亚砜（ACSOs）总含量在生长过程中呈下降趋势。此外，γ－谷氨酰基－S－烷（烯）基－L－半胱氨酸也是大蒜鳞茎中氮和硫等物质的重要储藏方式，大 蒜 鳞 芽 中GSMC、GSAC 和GSPC 等 含“γ－谷氨酰基－” 的含硫化合物在生长过程中变化规律一致，均发生上调[35]。LIU 等[35]研究发现，S－烷（烯）基－L－半胱氨酸和S－烷 （烯）基－L－半胱氨酸亚砜类化合物的累积模式在不同产地大蒜间存在差异，其中，SMC、SAC 和SPC 在山东3 个不同品种大蒜 （金蒜3号、金蒜4号和金乡白皮）中均呈下降趋势，而在黑龙江的阿城紫皮蒜中始终保持较低的水平； Mehtiin 和Alliin 等S－烷 （烯）基－L－半胱氨酸亚砜类化合物在山东大蒜中呈先下降后上升趋势，而在阿城紫皮中呈一直上升趋势。采收时间会对大蒜品质产生重要影响，鳞茎中的Allicin 在大蒜生长过程中均呈上升趋势，适当延迟采收有助于Allicin 的进一步累积[35]。大蒜油在大蒜生长过程中也会发生较大变化。在大蒜膨大初期，大蒜油中的成分以酯类、烷类及醇类为主，随着生长期的延长，硫醚类化合物的种类及相对含量逐渐增加，在大蒜成熟时占定性物质总数比例的40%以上[36]，这与大蒜中Alliin 等风味前体物质的累积具有一定相关性。大蒜生长过程中不同的大蒜田间管理方式，包括灌溉条件、施肥状况以及农药使用情况等，也会对大蒜中的功效成分产生一定的影响。BLOEM 等[37]研究显示，硫肥对大蒜叶片和鳞茎中半胱氨酸、还原型谷胱甘肽和Alliin 含量具有显著影响，而氮肥影响较小。此外，硫肥用量对大蒜根中含硫化合物的种类影响较小，但与根中含硫化合物总含量呈正相关，且硫肥用量对根的影响大于鳞茎[38]。还有研究报道，在种植过程中低硫低硒 （S2Se3）与高硫高硒 （S4Se6）施肥处理能使大蒜中Allicin 分别增加11.2%和11.4%[39]。

在大蒜的贮藏过程中，大蒜鳞茎中的化学成分及抗氧化能力均会发生一定改变，且贮藏温度和时间是影响物质转化最重要的两个因素。MAKOTO等[40]研究表明，大蒜在贮藏过程中，GSAC 和GSPC 会相应转化为Alliin 和Isoalliin，Isoalliin 会进一步转化为Cycloalliin，且在高温 （23℃）条件下的转化程度大于低温 （－3℃和4℃）。HUGHES等[41]的研究显示，在4℃贮藏条件下，大蒜中的Alliin 含量没有显著变化，但Isoalliin 含量在6 个月的贮藏过程中含量显著升高。大蒜深加工产品中风味前体物质等功效成分在贮藏过程中也会发生变化，研究表明，黑蒜在室温或4℃下贮藏180 d 后，SAC 含量约下降40%[42]。

2.加工过程中的变化规律。发酵、干燥及烹饪等过程均会影响大蒜中功效成分的含量水平。在黑蒜发酵过程中，含硫挥发性成分降低，但与甜味和烧烤味相关的成分显著升高，尤其是糠醛及其衍生物[43]，使黑蒜越来越受到消费者的欢迎。YANG等[44]采用GC－O－MS 和GC－TOFMS 并结合感官审评对黑蒜中的香气成分进行了分析，发现发酵黑蒜中的挥发性成分不仅包括烯丙基甲基三硫化物（MATS）等硫醚类化合物，还含有5－庚基二氢－2（3H）－呋喃酮等杂环化合物。此外，S－烷 （烯）基－L－半胱氨酸在刚收获的大蒜中含量较低，但在发酵等加工过程会使其含量大幅升高。其中，SAC 是大蒜中具有生物活性的重要功效成分之一，大蒜深加工产品中SAC 等的增加主要来源于GSAC 在GTP 作用下的酶解转化[45]。因此，能够促使底物与酶接触或者增强GTP 酶活性的因素均能提高SAC 等的含量水平。CHEN 等[46]研究发现，在大蒜老化过程中，300 MPa 高静水压下处理15 min 能够使GTP 活性提高45%，并破坏细胞内部微孔结构，从而使老化大蒜中SAC 含量水平由0.51±0.01 mg/g dw 升高至5.60±0.22 mg/g dw。CHEN 等[47]研究发现，超声波预处理和冷冻预处理均能在大蒜热处理过程中显著提高SAC 的含量水平，且冷冻处理优于超声处理，主要原因为冷冻处理过程中冰晶对大蒜细胞结构破坏作用较大，而超声处理仅破坏了液泡等细胞器，没有对细胞结构造成明显损伤。SPC 为SAC 的立体异构体。SPC 在体外和体内均表现出免疫调节作用，并具有降血压的功能。SPC 同SAC 一样，在大蒜中含量较低，但在黑蒜加工过程中会大幅增加[48]。

在干燥工艺方面，CHEN 等[49]比较了超声波辅助真空干燥、真空干燥、超声波干燥和对流干燥对蒜片品质的影响，发现超声波辅助真空干燥不仅省时，还具有较高的Allicin 保留率。FENG 等[50]研究发现，相对于热水漂烫技术，催化红外干燥漂烫技术可使Allicin 保留量增加10.63%～33.31%。CONDURSO 等[51]研究表明，相较于热风干燥，微波干燥不仅能节省时间，还能增加样品中生物活性化合物的含量，且消费者对微波干燥样品的喜爱程度较高。大蒜在烹饪过程中会产生Allicin 等硫代亚磺酸酯类物质，该类物质在高温等加工过程中会进一步转化为其他功效成分。YANG 等[52]的研究表明，在慢煮、快煮和炒共3 种烹饪方式下，Allicin会转化为Ajoene、2－VD、DAS、DADS 和DATS等物质，且在蒜末、蒜片及整个蒜瓣3 种预处理方式中，炒蒜末中Allicin 全部被转化，大部分转化为2－VD，含量高达20.55±0.42 μmol/g。大蒜经烹饪后，依旧具有较强的抗氧化能力，主要因为烹饪过程中高温形成的Ajoenes 和2－VD 等物质具有较强的抗氧化活性[53]。与新鲜大蒜相比，炸蒜油中的3－乙烯基－4H－1，2－二噻烯、2－乙烯基－4H－1，3－二噻烯、1，2－二硫杂－3－环戊烯和二烯丙基二硫醚含量下降，导致蒜辛辣味、生蒜味减弱，并生成反－2，4－癸二烯醛，产生大蒜的油炸味[54]。

（二）多酚类化合物的变化不同的生长阶段、田间管理措施等因素均会影响大蒜中酚类化合物的含量水平。BOZIN 等[55]研究发现，成熟大蒜中总酚和黄酮类化合物含量显著低于未成熟大蒜，可能主要与大蒜中含硫化合物和萜类化合物的含量升高相关。大蒜生长期间喷施金属硫酸盐、枯草芽孢杆菌、腐殖酸为基础的生物刺激素能够显著提高叶片中多酚的含量水平及抗氧化活性[56]。大蒜不同器官中功效成分也存在差异，PHAN 等[57]研究发现，尽管大蒜皮中的含硫化合物含量低于大蒜鳞芽，但其中的总酚含量水平显著高于大蒜鳞芽； 还有研究表明，大蒜鳞芽中总酚和黄酮类化合物等抗氧化成分含量高于叶片，但叶片的抗氧化能力高于鳞芽[58]。贮藏过程中（20±2℃），大蒜中总多酚类化合物在大蒜贮存至第6 周时含量达到最高水平，在第8 周时大蒜提取液抗氧化能力最强[59]。大蒜发酵过程中适当的高温可使大分子化合物降解时释放出较多的酚羟基，从而使黑蒜的总酚含量相对提高，发酵至25 d 时黑蒜中总酚含量较鲜蒜可增加6.7 倍[60]。

（三）多糖类化合物的变化在大蒜生长过程中，叶片合成的果聚糖通过植物组织向鳞茎转移，鳞茎质量的增加伴随着鳞茎体积的变化和果聚糖的累积，且抽薹期是叶片生长发育和果聚糖代谢的关键时期，大蒜可通过叶绿素的合成以及蔗糖∶蔗糖1－果糖基转移酶和果聚糖外切酶共同调控的差异表达进一步影响鳞茎果聚糖的累积[61]。YUAN 等[62]对黑蒜发酵过程中的中间代谢产物进行研究，发现在发酵过程中，果聚糖含量降低了84.79%，果糖含量升高了508.11%，此反应为黑蒜甜味的主要来源。

四、展望

大蒜全身都是宝，其植株中含有丰富的含硫化合物、酚类化合物、活性多糖等功效成分，不仅可作为日常烹饪的调味品，还具有重要的保健功能和药用价值，是我国重要的出口蔬菜之一，对地方经济的发展具有重要作用。为了进一步促进大蒜的科学生产及大蒜产业的发展，一方面，要通过建立大蒜中功效成分高通量、准确、快速的检测方法，充分了解掌握大蒜在生产及贮运过程中功效成分的累积代谢规律及含量水平，从而为大蒜的品种选育、深加工产品原料的选择等提供理论依据，并为大蒜皮、茎叶等副产物的综合开发利用提供基础数据；另一方面，在加工过程中，大蒜内含物会发生较大变化，且不同加工条件会对大蒜产品中功效成分最终的种类及含量产生重要影响，因此，要加强大蒜深加工产品新技术的研发，通过开发新型的大蒜深加工产品等方式，提高消费者对大蒜深加工产品的接受度，提高大蒜附加值，从而促进大蒜产业的进一步发展。