桑椹花色苷生理活性及加工穩(wěn)定性研究進(jìn)展

李兆路,陳芹芹,畢金峰,吳昕燁,段玉權(quán),司 旭

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

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桑椹花色苷生理活性及加工穩(wěn)定性研究進(jìn)展

李兆路,陳芹芹,畢金峰*,吳昕燁,段玉權(quán),司 旭

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

花色苷是桑椹所含的重要生理活性物質(zhì)之一,具有抗氧化、抗癌、神經(jīng)保護(hù)、心腦血管保護(hù)和抑制體重增加等功效,但在桑椹加工與貯藏過(guò)程中,花色苷對(duì)熱和光等因素較敏感,易發(fā)生不利降解,從而降低其生物活性。本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外桑椹花色苷的研究進(jìn)展,主要涉及桑椹花色苷的生理活性和加工及貯藏過(guò)程中的穩(wěn)定性,旨在為桑椹花色苷資源的高效利用提供理論支撐。

桑椹,花色苷,生理活性,加工,穩(wěn)定性

桑椹(Mulberry),又名桑棗、桑果等,多年生木本植物桑樹(shù)的果實(shí)。起源于非洲、亞洲、南美洲和北歐的亞熱帶地區(qū)[1],是一種藥食兩用水果。花色苷(Anthocyanins)是一種可以使桑椹呈色的類(lèi)黃酮多酚化合物[2]。大量的研究表明桑椹花色苷可以降低心血管病發(fā)病幾率、改善炎癥、抑制化學(xué)毒性物質(zhì)和腦缺血性損傷[3],最近的研究還表明矢車(chē)菊素-3-葡萄糖苷具有清除自由基、抑制體重增加和抑制血管內(nèi)皮功能紊亂的功效[4]。

近年來(lái),飲食的營(yíng)養(yǎng)與健康逐漸受到消費(fèi)者的重視。雖然新鮮桑椹中花色苷含量較高(719μg/g)[3]且具有諸多生理活性,但是由于其存在不穩(wěn)定性,導(dǎo)致在食品加工過(guò)程中的降解和損失,這嚴(yán)重制約著以桑椹花色苷作為主要生物活性因子食品的加工與開(kāi)發(fā)。

為此,文章對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究桑椹花色苷主要生理活性及其在食品加工中穩(wěn)定性的文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié),為進(jìn)一步研究桑椹花色苷的生理活性機(jī)制,以及探究其在加工過(guò)程中的變化規(guī)律提供信息與思路,旨在使桑椹中的花色苷資源在食品加工中得到有效利用。

1 桑椹花色苷簡(jiǎn)述

花色苷是花青素與一個(gè)或多個(gè)葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖等通過(guò)糖苷鍵連接形成的一類(lèi)化合物,多存在于藍(lán)色、紅色和紫色的葉子、花和果實(shí)中[5]。桑椹是一種富含花色苷的水果,Liu等[6]和陳亮[7]等研究認(rèn)為桑椹中的花色苷主要包括矢車(chē)菊素-3-O-葡萄糖苷和矢車(chē)菊素-3-O-蕓香糖苷,其相對(duì)含量分別為67.52%和31.29%。Du等[8]用高速逆流色譜法,定量分析出三種新花色苷:矢車(chē)菊素-3-O-β-D-吡喃葡萄糖苷、矢車(chē)菊素-3-O-β-D-半乳糖苷和矢車(chē)菊素-7-O-β-D-吡喃葡萄糖苷,它們的總相對(duì)含量約為8%。Wu等[9]采用高效液相色譜-電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜法又分析出飛燕草素-3-蕓香糖苷、飛燕草素-3-(6′丙二酰)-葡萄糖苷和芍藥素-3-木糖基鼠李糖苷三種新的花色苷。關(guān)于桑椹花色苷成分的研究結(jié)果雖然各有不同,但是均顯示桑椹花色苷的主要成分是矢車(chē)菊素-3-O-蕓香糖苷和矢車(chē)菊素-3-O-葡萄糖苷。其結(jié)構(gòu)式如圖1所示[10]:

圖1 矢車(chē)菊素-3-O-蕓香糖苷(上)和矢車(chē)菊素-3-O-糖葡萄苷(下)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structure of cyanidin-3-O-rutinoside(up) and cyanidin-3-O-glucoside(down)

2 桑椹花色苷的主要生理活性

2.1 抗氧化作用

2.2 抗癌作用

桑椹花色苷的抗癌活性與機(jī)制也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)精制漿果花色苷和富含花色苷的提取液對(duì)多種癌細(xì)胞具有促凋亡能力[15]。Huang等[16]研究證明桑椹花色苷可以通過(guò)抑制Ras/PI3K信號(hào)通路,降低基質(zhì)金屬蛋白酶MMP2和MMP9的活性,抑制惡性黑色素瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲,從而達(dá)到抗癌作用。Huang等[17]研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在體內(nèi)還是體外桑椹花色苷都會(huì)通過(guò)激活p38/jun/Fas/FasL和p38/p53/Bax等信號(hào)分子,誘導(dǎo)胃癌細(xì)胞凋亡。Chen等[18]觀(guān)察到一定量的矢車(chē)菊素3-葡萄糖苷和矢車(chē)菊素3-蕓香糖苷不僅對(duì)轉(zhuǎn)移活性較高的A549肺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲表現(xiàn)出了抑制作用而且能在基因轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用。雖然已有的研究結(jié)果表明桑椹花色苷抗癌機(jī)理眾多,包括抑制癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲、誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡、在基因轉(zhuǎn)錄水平抑制癌細(xì)胞增殖、降低金屬蛋白酶的活力等。但是,導(dǎo)致桑椹花色苷對(duì)不同部位癌細(xì)胞的抑制濃度不同的根本原因尚不清楚；桑椹花色苷可以通過(guò)多種途徑誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡,而這些途徑之間的復(fù)雜關(guān)系也還有待深入研究。

2.3 神經(jīng)保護(hù)作用

桑椹花色苷具有神經(jīng)保護(hù)作用。Kim等[19]對(duì)70%乙醇的桑椹提取液進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)桑椹提取液對(duì)帕金森病有預(yù)防和治療作用。Kang等[20]發(fā)現(xiàn)桑椹花色苷對(duì)接觸過(guò)氧化氫的大鼠PC12嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞具有保護(hù)作用,可以抑制由低氧低糖引起的腦缺血性損傷,進(jìn)一步用瞬態(tài)大腦中動(dòng)脈閉塞腦損傷的小鼠,此研究證明桑椹花色苷在體內(nèi)具有神經(jīng)保護(hù)作用。Bhuiyan等[21]發(fā)現(xiàn)桑椹花色苷通過(guò)抑制小鼠初級(jí)皮層神經(jīng)元中的氧糖剝奪和提高誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的谷氨酸水平來(lái)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)保護(hù)作用?？偨Y(jié)前人研究可以發(fā)現(xiàn),大腦神經(jīng)細(xì)胞對(duì)自由基極其敏感,易受氧化損傷而導(dǎo)致帕金森病等神經(jīng)退行性疾病,因此桑椹花色苷清除活性氧簇的能力與其神經(jīng)保護(hù)作用密切相關(guān)。

2.4 心腦血管保護(hù)作用

關(guān)于桑椹花色苷的心腦血管保護(hù)作用,也有不少學(xué)者進(jìn)行了深入研究。Yang等[22]用5%或者10%富含花色苷的桑椹凍干粉飼喂小鼠,發(fā)現(xiàn)小鼠血清和肝臟中甘油三酯總膽固醇、血清低密度脂蛋白膽固醇水平以及動(dòng)脈粥樣化的指數(shù)均有所降低,血液和肝臟抗氧化狀態(tài)得到改善,此研究結(jié)果暗示,桑椹花色苷具有心腦血管保護(hù)作用。Chen等[23]研究發(fā)現(xiàn)1%的桑椹水提物可以減少53%的膽固醇和66%的低密度脂蛋白膽固醇以及56%的甘油三酸酯,而桑椹花色苷抑制低密度脂蛋白氧化的能力是桑椹水提物(包含2.5%的花色苷)的10倍。以上各項(xiàng)研究結(jié)果表明桑椹花色苷對(duì)動(dòng)脈壁中的低密度脂蛋白的抗氧化作用降低了動(dòng)脈粥樣硬化和冠心病的發(fā)病率。

2.5 抑制體重增加

桑椹花色苷對(duì)體重增加的抑制作用是近幾年新興的一個(gè)研究方向。Peng等[24]發(fā)現(xiàn)富含花色苷的桑椹水提物可以調(diào)節(jié)脂肪合成和脂肪分解,從而發(fā)揮抗肥胖和降血脂作用。Wu等[25]進(jìn)一步對(duì)桑椹花色苷抑制體重增加的作用進(jìn)行了深入研究,他將桑椹花色苷加入到小鼠的高脂肪飼料中,并分別對(duì)矢車(chē)菊素3-葡萄糖苷、矢車(chē)菊素3-蕓香糖苷和天竺葵素3-葡萄糖苷對(duì)體重增加的抑制效果進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明當(dāng)桑椹花色苷攝入量超過(guò)40mg/kg時(shí),可以抑制小鼠21.4%的體重增加,因此桑椹花色苷作為膳食補(bǔ)充劑可以防止飲食誘導(dǎo)的小鼠肥胖。但是目前關(guān)于桑椹花色苷抑制體重增加的研究,僅發(fā)現(xiàn)矢車(chē)菊素3-葡萄糖苷、矢車(chē)菊素3-蕓香糖苷可以調(diào)節(jié)脂肪合成和脂肪分解而抑制體重增加,至于其具體作用機(jī)理有待探究。

2.6 其他作用

除了上面的一些生理活性,桑椹花色苷還有抗炎和護(hù)肝等作用。Chang等[26]研究發(fā)現(xiàn)桑椹花色苷通過(guò)磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶、抑制脂類(lèi)合成和刺激脂類(lèi)的分解來(lái)降低血脂。因此桑椹花色苷可以有效的遏制非酒精性脂肪肝炎。Ha等[27]研究發(fā)現(xiàn)在糖尿病誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激條件下,桑椹中的矢車(chē)菊素-3-葡萄糖苷可以改善小鼠的勃起功能。Tang等[28]研究發(fā)現(xiàn)富含花色苷的桑椹水提物可以通過(guò)減少脂肪積累和脂質(zhì)的合成,增加脂肪酸運(yùn)轉(zhuǎn)和氧化能力,降低氧化應(yīng)激來(lái)抑制酒精引起的肝損傷。生物體多種疾病的發(fā)病誘因是脂質(zhì)的過(guò)氧化,尤其是心臟、肝臟微粒體和線(xiàn)粒體中脂質(zhì)的氧化。而桑椹花色苷對(duì)活性氧簇的清除能力奠定了其多種生物活性功能,隨著桑椹花色苷提純及單體分離技術(shù)水平的提高,相信人們對(duì)桑椹花色苷的功能活性研究勢(shì)必會(huì)進(jìn)入新的階段,其更多有用的生物活性也將會(huì)被逐一發(fā)現(xiàn)。

3 桑椹花色苷在食品加工中的穩(wěn)定性

3.1 熱加工穩(wěn)定性

在受熱條件下桑椹花色苷會(huì)發(fā)生降解,Kara[29]對(duì)桑椹汁中花色苷的熱降解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究,并用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型模擬了桑椹汁中花色苷的熱降解過(guò)程,發(fā)現(xiàn)在加熱條件下桑椹中的花色苷比黑莓和櫻桃中的花色苷更不穩(wěn)定,這是由它們花色苷的組成成分不同所致。Aramwit等[13]研究表明花色苷對(duì)光和熱不穩(wěn)定,在提取過(guò)程中,光和溫度對(duì)花色苷含量有顯著影響。在70℃條件下浸提10h以后,花色苷被極大破壞,損失率高達(dá)31.25%。Fazaeli[30]和Hojjatpanah等[31]研究得出桑椹制汁過(guò)程中,隨著蒸餾壓力和溫度的增高,果汁花色苷的降解速率加快,而在真空微波條件下所得的果汁花色苷含量高,抗氧化能力強(qiáng)。Aazaeli等[32]發(fā)現(xiàn)桑椹噴霧干燥中較高的進(jìn)風(fēng)溫度、壓縮空氣流速以及助干劑濃度都會(huì)減少花色苷含量。這些研究都表明,桑椹花色苷對(duì)熱不穩(wěn)定,在熱加工過(guò)程中,大量降解,不利于食品加工,因此桑椹在加工過(guò)程中要避免過(guò)熱加工。目前,桑椹熱加工領(lǐng)域內(nèi)的研究多以桑椹花色苷熱降解的動(dòng)力學(xué)研究為主,而其具體降解機(jī)理不甚明了,仍有待深入探究。

3.2 發(fā)酵過(guò)程穩(wěn)定性

在發(fā)酵或陳釀過(guò)程中,花色苷的含量逐漸降低,和一些小分子中間代謝產(chǎn)物經(jīng)過(guò)一系列生化反應(yīng)生成一類(lèi)新型的天然花色苷衍生物,這些衍生花色苷結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定,且色調(diào)豐富,比合成色素營(yíng)養(yǎng)安全,可作為天然色素以及功能性成分用于酒類(lèi)、果汁、點(diǎn)心、冷飲、面制品以及功能性食品中[33]。Pérez-Gregorio等[34]研究發(fā)現(xiàn)桑椹發(fā)酵時(shí)所接觸的氧氣或多酚氧化酶造成了花色苷的降解,降解率達(dá)50%,但是桑椹汁液的總黃酮醇含量及抗氧化能力并沒(méi)有減弱,表明桑椹花色苷分解成了其他具有抗氧化活性的羥基酸。He等[35]研究發(fā)現(xiàn)在果酒的發(fā)酵過(guò)程中,花色苷分解為結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的衍生色素和聚合色素,這些色素與酚類(lèi)成分一起使酒體色澤持久穩(wěn)定。從以上的研究結(jié)果來(lái)看,適宜的發(fā)酵過(guò)程會(huì)使花色苷發(fā)生有利降解。目前,有關(guān)發(fā)酵過(guò)程中影響衍生花色苷產(chǎn)生的因素和形成機(jī)制的研究較少,未來(lái)應(yīng)該加強(qiáng)此方面的研究,為有效改善發(fā)酵產(chǎn)品品質(zhì)提供有力的科技支撐。

3.3 貯藏過(guò)程穩(wěn)定性

在貯藏過(guò)程中,不同貯藏條件下桑椹花色苷的穩(wěn)定性有較大差異。Tsai等[36]測(cè)定了貯藏時(shí)間為1、3以及12個(gè)月的桑椹酒,發(fā)現(xiàn)聚合體色素和聚合體花色苷的含量分別從0%和16.63%變?yōu)榱?0.93%和30.44%,而單體花色苷從83.37%降到了48.63%,抗氧化能力也有所減少。這表明在貯藏過(guò)程中,單體花色苷轉(zhuǎn)化為了聚合體色素和聚合體花色苷。Furtado等[37]發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)存時(shí)受光照也會(huì)使花色苷產(chǎn)生降解,但光降解與熱降解產(chǎn)物相同途徑卻不同。桑椹花色苷在貯藏中的降解規(guī)律影響著桑椹產(chǎn)品不同時(shí)期內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與貨架期,是合理生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷(xiāo)售、存貯、甚至食用桑椹相關(guān)保健食品的依據(jù)之一,對(duì)其研究不該只停留在表象上,更要研究不同貯藏環(huán)境下桑椹花色苷成分的變化趨勢(shì)和變化機(jī)理,以客觀(guān)科學(xué)的指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

3.4 其他

Engmann等[10]研究了食品超高壓加工對(duì)桑椹汁中花色苷組成成分和含量的影響,發(fā)現(xiàn)未經(jīng)超高壓處理時(shí)桑椹花色苷的組成成分為55.56%的矢車(chē)菊素-3-O-葡萄糖苷和44.44%的矢車(chē)菊素-3-O-蕓香糖苷,而經(jīng)200MPa超高壓處理20min后又發(fā)現(xiàn)了天竺葵素-3-O-蕓香糖苷(0.46%)和飛燕草素-3-O-蕓香糖苷(5.8%)兩種新的花色苷；400MPa處理20min時(shí),卻只發(fā)現(xiàn)了飛燕草素-3-O-蕓香糖苷(5.38%)。這說(shuō)明,不同的機(jī)械力作用強(qiáng)度和時(shí)間會(huì)影響桑椹花色苷的化學(xué)組分。在食品加工過(guò)程中食品基質(zhì)、輔料以及食品添加劑等都會(huì)對(duì)桑椹花色苷的含量以及存在形式造成一定影響。Tsai等[38]研究90℃下不同蔗糖濃度(20%、40%、60%)及pH(2～4)對(duì)桑椹花色苷抗氧化能力的影響。發(fā)現(xiàn)低pH、高蔗糖濃度的溶液在受熱時(shí)單體花色苷減少而聚合花色苷增加,溶液的抗氧化能力增強(qiáng)。Qin等[39]研究發(fā)現(xiàn)桑椹花色苷在強(qiáng)酸和弱堿環(huán)境下穩(wěn)定性較好,隨著溫度的升高桑椹花色苷的降解程度加劇。雖然,目前已知的花色苷降解機(jī)理可能有三種[40]:花色苷與水發(fā)生加成反應(yīng)最終形成香豆素類(lèi)衍生物；花色苷與水發(fā)生加成反應(yīng)最終降解為苯甲酸類(lèi)衍生物；花色苷水解脫葡萄糖最終生成醛和苯甲酸衍生物。但是,每種加工貯藏方式具體對(duì)應(yīng)著哪種降解機(jī)理且降解過(guò)程是否有利于食品生產(chǎn)均不清楚,有待深入研究。

4 總結(jié)與展望

桑椹因其具有抗氧化、抗癌、保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)、保護(hù)心腦血管、控制體重等重要的生理活性而得到了消費(fèi)者的青睞,但其各項(xiàng)生理活性具體作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。目前,國(guó)外對(duì)桑椹花色苷生理活性的研究主要集中在抗氧化和抗癌方面的研究,而國(guó)內(nèi)對(duì)桑椹花色苷的研究則較多樣化,除了對(duì)其抗氧化和抗癌生理活性的研究,還對(duì)其心腦血管保護(hù)和神經(jīng)保護(hù)以及抑制體重增加等功效進(jìn)行了深入研究。Hall等[41]認(rèn)為未來(lái)對(duì)桑椹花色苷的研究應(yīng)該繼續(xù)在細(xì)胞和分子水平上進(jìn)行。Stewart等[42]建議未來(lái)多從臨床醫(yī)學(xué)的角度對(duì)桑椹的生物學(xué)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。另一方面,在食品加工過(guò)程中由于桑椹花色苷的熱不穩(wěn)定性,導(dǎo)致采用熱加工工藝的桑椹汁以及噴霧干燥的桑椹粉中花色苷大量損失,而桑椹酒在發(fā)酵過(guò)程中,花色苷多被微生物降解,得到的產(chǎn)品色澤雖好但抗氧化能力有可能會(huì)減弱。因此,開(kāi)展超高壓、脈沖電場(chǎng)等非熱加工,以及真空冷凍干燥、真空微波干燥等低溫干燥技術(shù)的研究尤為迫切,此外研究桑椹花色苷在微生物中的代謝途徑也尤為重要,以期能夠調(diào)控桑椹酒發(fā)酵過(guò)程中微生物對(duì)花色苷的利用途徑,使花色苷的降解向有利于食品加工的方向進(jìn)行。同時(shí),桑椹干制品的研究與開(kāi)發(fā)也應(yīng)受到重視,只要能夠控制桑椹干燥過(guò)程中花色苷的損失,干制品易于貯藏的特性將成為其最大的優(yōu)勢(shì)?？傊?作為一種藥食兼用的水果,如何降低其加工過(guò)程中花色苷的損失,開(kāi)發(fā)出具有一定生物活性功能的桑椹食品,將成為這一領(lǐng)域內(nèi)研究者的重要課題。

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Review on biological activity and processing stability of anthocyanin in mulberry fruit

LI Zhao-lu,CHEN Qin-qin,BI Jin-feng*,WU Xin-ye,DUAN Yu-quan,SI Xu

(Institute of Agro-products Processing Science and Technology,Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-products Processing,Ministry of Agriculture,Beijing 100193,China)

Anthocyanins are a kind of the most important bioactive compounds contained in mulberry fruit,which related to the functions of antioxidant,anticancer,neuroprotective,cardiovascular protection and anti-obesity effects,etc. However,the anthocyanins are unsTableunder the conditions of heat and light,which result in the degradation during processing and storage. This review presents an overview on biological activity,processing and storage stability of anthocyanins in mulberry fruit based on the researches in recent years,aiming to provide theoretical supports for the efficient utilization of anthocyanins in mulberry fruit.

mulberry fruit;anthocyanins;biological activity;process;stability

2014-07-11

李兆路(1987-),女,碩士,研究方向:食品科學(xué)。

*通訊作者:畢金峰(1970-),男,博士,研究員,研究方向:果蔬精深加工與副產(chǎn)物綜合利用技術(shù)。

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(201303073)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)科技支疆計(jì)劃(2013AB020)資助。

TS255.1

A

:1002-0306(2015)09-0395-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.09.077