植物食品中结合态酚酸的研究进展

孙玉敬,张红娟,郭精桐

(浙江工业大学 食品科学与工程学院,浙江 杭州 310014)

酚酸是植物源食品中天然存在的酚类化合物的一种,在水果、蔬菜、咖啡、茶叶、葡萄酒、啤酒及橄榄油中含量较高[1]。游离态酚酸参与很多植物和动物的生理过程,如形成木质素、抗氧化、清除自由基、刺激反应和毒素活性反应等[2]。酚酸可延缓机体衰老、预防心血管疾病,具有抗炎、防癌、抗肿瘤和抗溃疡等生理功效[3],这使得酚酸可以应用在医药保健中。然而酚酸在植物中大多数以结合态形式存在,如核桃仁中结合态酚酸约占总酚酸质量的50%[4],在小麦面粉中结合态酚酸约占总酚酸质量的77%[5]。酚酸结构的多样性在很大程度上影响了其生物利用率,单体酚酸很容易通过肠道屏障被机体吸收,而大分子则很难被吸收[6],结合态酚酸降低了其生物利用率,因此结合态酚酸的释放是酚酸能被有效利用的关键。笔者在前人研究的基础上对结合态酚酸的存在形式、生物利用率和生物活性进行介绍,重点对国内外结合态酚酸的释放方法进行综述,以期为开发结合态酚酸释放新方法提供参考。

1 酚酸的种类及存在形式

酚酸属于酚类化合物,以C1-C6和C3-C6为主干,从结构上来看可分为两大类:苯甲酸和肉桂酸衍生物[7](图1,2)。酚酸有游离态和结合态两种存在形式,其中以结合态形式为主[5]。苯甲酸及其衍生物和肉桂酸及其衍生物的结构[8]分别如图1,2所示。

R1=R2=R3=H,苯甲酸;R1=R2=R3=OH,没食子酸;R1=R2=OH,R3=H,原儿茶酸;R1=R3=H,R2=OH,对-羟基苯甲酸;R1=OCH3,R2=OH,R3=H,香草酸。图1 苯甲酸和普通羟基苯甲酸结构Fig.1 Structure of benzoic acid and common hydroxybenzoic acid

R1=R2=R3=H,肉桂酸;R1=R2=OH,R3=H,咖啡酸;R1=R3=H,R2=OH,对-香豆酸;R1=OCH3,R2=OH,R3=H,阿魏酸;R1=R3=OCH3,R2=OH,芥子酸。图2 肉桂酸和普通羟基肉桂酸结构Fig.2 Structure of cinnamic acidand common hydroxycinnamic acid

游离态酚酸能溶于水和极性溶剂,结合态酚酸又被称为不溶性键合态酚酸,其通过醚键、酯键和C—C共价键与结构蛋白、纤维素和果胶等大分子物质结合形成结合态酚酸,可在酸、碱或相关酶的作用下解离出单体酚酸成分[9]。

在不同的植物性食品中酚酸种类、含量及其存在形式是不同的。在鲜枣中检出没食子酸、原儿茶酸、对羟基苯甲酸、绿原酸、香草酸、对香豆酸、阿魏酸、鞣花酸和肉桂酸等9种游离态酚酸,结合态酚酸中的可溶酯化酚酸有对香豆酸和阿魏酸[10]。柑橘中的酚酸类化合物主要为肉桂酸型,少数为苯甲酸型,主要以酰胺、酯或糖苷的结合形式存在,很少以游离形式存在[11]。目前已从咖啡中分离得到对羟基苯甲酸、香草酸、对香豆酸、阿魏酸、绿原酸、咖啡酸、咖啡酰奎宁酸等酚酸类及咖啡酸衍生物,其中绿原酸是主要的酚酸类化合物[12],碱性水解释放出结合态酚酸后,检测到阿魏酸、对香豆酸和高浓度的咖啡酸[13]。

2 结合态酚酸的生物利用率

生物利用率是食物中营养物质或某物质被消化、吸收和代谢的比例。酚酸必须在消化过程中从谷物细胞壁中释放出来[14]才能够被人体消化、吸收和利用。自由形式的酚酸相对于结合态酚酸具有更高的生物利用率,结合态酚酸一旦到达结肠,就会被肠道菌群代谢,从而能够从结合的复合物中释放游离态酚酸[15],利用过程如图3所示。Hemery等[16]利用超细粉碎和静电分离麦麸来释放结合态酚酸,从而提高其生物利用率。Anson等[17]发现结合在麸皮基质中的阿魏酸生物利用率极低,为了提高麸皮面包中酚类化合物的生物利用率,开发了不同的生物处理技术,包括发酵处理和酶处理。

图3 结合态酚酸在胃肠道中的利用Fig.3 Utilization of bound phenolic acids in the gastrointestinal tract

3 结合态酚酸的生物活性

胃肠道消化可能会影响结合态酚酸的释放类型和速率,从而决定其在胃肠道系统中的生物利用率,如无论饼干中显示的抗氧化化合物的类型和数量如何,在经肠道消化后,其体外抗氧化能力都会增加[18]。对羟基肉桂酸衍生物是谷物中主要的结合态酚酸,包括阿魏酸、对香豆酸、二阿魏酸、芥子酸、绿原酸和咖啡酸,占总酚质量的96.4%～100.0%,在胃肠道消化中不能被消化吸收的结合态酚酸将到达结肠,并显示出健康益处,如预防结肠癌、其他消化系统癌症、乳腺癌和前列腺癌[19]。

被释放的结合态酚酸在人体中可发挥重要的生理活性作用,具有抗氧化、抑制肥胖、抑菌以及抑制结肠癌、乳腺癌等癌症的功能[20],研究发现被释放的结合态酚酸的抗氧化活性不低于甚至高于游离态酚酸。例如,小麦、玉米、燕麦和大米全谷物的抗氧化能力主要取决于它们被释放的结合态酚酸[20-21]。以色列研究学者利用海藻中酚酸杀灭蚊虫幼虫,结果表明海藻中释放不溶性结合态酚酸和可溶性结合态酚酸的组分对埃及蚊有较好的抑制作用[22]。Piazzon等[23]用铁还原抗氧化能力测定法对啤酒中的抗氧化活性进行测定,发现啤酒中结合态酚酸保留了抗氧化活性,并且对啤酒的铁还原抗氧化活性贡献最大。Kim[24]测定了6种浆果的抗氧化能力和总酚酸含量,发现游离态酚酸和结合态酚酸成分的含量和抗氧化能力有很大的差异,6种浆果的不溶性结合态酚酸是天然抗氧化剂的良好来源。释放的结合态酚酸是天然的抗氧化剂,并且效果远远高于游离态酚酸,所以对结合态酚酸进行释放并利用,可将其用于保健类食品,预防与氧化应激相关的疾病。

4 结合态酚酸的释放方法

4.1 酸碱水解释放

酸碱水解法是释放结合态酚酸的传统方法,其主要原理是酸、碱可以破坏共价键,使得与酯、糖苷和细胞壁结合的酚酸释放出来。酸碱水解释放法一般先用甲醇去除游离态酚酸,然后用酸、碱或将酸碱联合应用进行结合态酚酸的释放,近年来陆续有学者以此为基础进行改进来释放结合态酚酸。研究人员探讨了不溶性膳食纤维结合的酚类化合物在碱水解前后的结构变化,经红外光谱分析证实,碱水解后不溶性膳食纤维的C—O键发生断裂[25]。另有学者发现碱性介质不仅可以破坏类黑色素与酚类化合物之间的共价键,而且可以破坏绿原酸的内键,还发现强酸可以破坏共价键[26]。表1是部分用酸碱水解释放结合态酚酸的研究。

酸碱水解法具有操作简单、成本投入较低等优势,但该方法耗时长,约2～10 h。其中应用到盐酸、氢氧化钠,对环境不友好,在释放过程中酸碱会破坏部分酚酸的结构。

4.2 酶解释放

释放结合态多酚的酶主要有淀粉酶、纤维素酶和蛋白酶,其主要原理是这些酶分别能够水解与结合态酚酸结合的多糖、蛋白质和纤维素[36],因此可以添加酶类或用菌类发酵产生酶来释放结合态酚酸。碳水化合物水解酶,例如果胶酶、纤维素酶、淀粉酶、半纤维素酶和葡聚糖酶已被有效地用于释放多酚,这些酶起到分解植物细胞壁基质的作用,从而促进多酚的提取[37]。在细菌发酵过程中可通过内源性和细菌酶的作用来修饰谷物成分,包括酯酶、木聚糖酶和酚氧化酶,从而影响它们的结构[38],释放结合态酚酸。Moore等[39]利用固态酶反应系统来释放麦麸中存在的酚酸,发现固态酶反应系统比水相反应系统更适用于食品成分的改性和生产,因为在酶失活后不需要额外的步骤来去除水分或分离最终产品,此外固态酶法不会产生废物,也不需要特殊设备。表2是部分由酶解释放结合态酚酸的研究。

表2 部分由酶解释放结合态酚酸的研究

酶解释放结合态酚酸对环境友好,不产生多余的废料,绿色环保。该方法虽然具有特异性、高效性等优点,但是价格昂贵,不适合商业生产。

4.3 加工释放

很多食品加工的过程也可以改变游离态和结合态酚酸的含量,De Paula等[45]发现谷物的加工可能会对酚类化合物的含量产生积极或消极的影响,从而可能影响其生物活性。大多数加工方法会破坏结合态酚酸与大分子物质之间的化学键,从而使结合态酚酸释放。目前有文献报道释放结合态酚酸的加工方法有挤压工艺、远红外辐射、脉冲电场、电子束辐射和蒸汽爆炸等。

挤压工艺是在短时间内将材料暴露在高温、压力和剪切力下的热机械过程,这一过程会导致许多结构和化学转变,例如淀粉的糊化、蛋白质的变性和挤压材料中淀粉、脂类和蛋白质复合物的形成,并且挤压还会增加可溶性膳食纤维[46]。Hu等[47]通过挤压黑米发现较高的温度和较强的挤压剪切力可以破坏部分酚类物质与细胞壁或纤维素、木质素和蛋白质等复杂结构组分之间的酯键,因此一些结合态酚酸被释放。Mora-Rochin等[48]研究表明挤压蒸煮促进了阿魏酸由结合形式向游离形式的转化,但影响程度较小。挤压工艺不使用化学品,绿色环保,主要适用于谷物,在其他原料上的应用还有待研究。

远红外辐射射线被定义为波长大于4 μm但短于微波(λ>0.1 cm)的电磁波,红外线具有生物活性,其将热量均匀地传递到材料的中心,而不会降解材料表面的分子,然而远红外辐射射线可能会裂解共价键,并从重复的聚合物中释放抗氧化剂化合物[49]。同时远红外辐射还是一种干燥技术,具有高效、经济的特点,可以大大缩短干燥的时间[50]。Ratseewo等[51]研究发现:远红外辐射会导致“色素大米”酚酸含量增加,因为远红外辐射射线可能会打破共价键,从聚合物中释放更多结合的或更小的多酚分子,如酚酸等,从而产生更强的抗氧化活性。远红外辐射技术不使用化学品,对环境友好,主要应用在米、面中,然而辐射射线可能会破坏其他的物质结构,且成本相对较高。

脉冲电场的原理是破坏细胞膜结构以提高生物活性物质的提取率[52]。长时间的高强度脉冲电场处理往往会导致果实中酚类化合物的降解[53]。Lohani等[54]用脉冲电场处理的苹果渣含有较高浓度的原儿茶酸、绿原酸和水杨酸,而高粱面粉含有较高浓度的水杨酸、阿魏酸、对羟基苯甲酸和咖啡酸。从微观结构分析来看,发酵和电穿孔导致更多的细胞崩溃和细胞破坏,酚类物质从结合结构中释放出来。脉冲电场虽然具有处理温度低、时间短、能耗低、污染小、能更好地保持食品品质及营养特性等优点[55],但是其成本相对较高。

电子束辐射可以打破化学键,去除电子,并诱导水辐射分解,然而所使用的辐射类型可能会改变处理结果,并且电离辐射通过诱导活组织中的活性氧物种影响细胞抗氧化状态。这种氧化应激会对水果和蔬菜等食物的营养成分产生影响[56]。Kim等[57]发现辐射处理可以通过破坏咖啡豆的糖苷键释放酚酸,咖啡豆中活性香气成分增加。经过辐射处理的大豆也显示出更强的抗氧化能力。该方法可能会改变材料中其他成分的结构,因此在实际生活中应用较少。

蒸汽爆破是一种有效的粉碎材料以提高其质量的技术[58],其原理是在高温和高压下使用蒸汽水解,然后突然降低压力对产品进行物理处理,以产生低分子量物质[59]。蒸汽爆破可形成较大的空腔和胞间空间,有利于多酚类物质的释放[60]。Liu等[61]发现蒸汽爆破法能有效释放麸皮中的结合态酚酸。蒸汽爆破成本较低,效果较好,值得进一步研究。

5 结 论

酚酸大多以结合态形式存在于植物中,结合态酚酸被释放后其生物活性一般高于游离态酚酸,结合态酚酸的有效利用有利于人类的健康。此外,通过回收利用植物废弃物并释放结合态酚酸也可以减少资源浪费。由于结合态酚酸结构相对复杂,释放结合态酚酸的方法还停留在实验室阶段,因此还需进一步研究。研究发现:结合态酚酸因受到热、酶、菌类发酵、压力和辐射等的影响,会以游离态形式释放出来,从而提高其生物利用率。传统释放方法虽然在逐步完善,但仍存在水解不彻底、流程相对繁琐、对环境产生影响、应用较多化学药品、成本较大以及会降解部分单体酚酸等问题。而菌类发酵要求很高,且应用的菌种比较单一,一旦泄漏会对环境和人体产生影响。酶类释放虽然相对环保,但成本较高,而且效果并不理想。超声波、微波和蒸汽爆破技术作为成本低、节约能源、绿色环保和安全的加工新技术,在释放结合态酚酸方面有一定的应用前景,然而还需要对其释放规律和机制进行深入研究。