大蒜含硫化合物及在加工中的變化機理研究進展

劉肖，周才瓊,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶，400715)

大蒜是百合科蔥屬植物蒜(AlliumsatirumL.)的地下鱗莖，為1～2年生草本植物，性溫，味辛。作為藥食兩用食物資源，大蒜不僅被廣泛用作香料和調味品，還被用作傳統(tǒng)的抗多種人類疾病的藥物。目前的研究報道顯示大蒜具有免疫調節(jié)[1]和改善心血管功能作用[2]；具有抗氧化、抗腫瘤、抗菌抗炎、改善肥胖等生物活性[3]；以及具有提高認知功能，改善老年癡呆癥狀等作用[4]。這些生物和醫(yī)學功能主要歸功于大蒜高含量的有機硫化合物(organic sulfur compounds, OSCs)。

除生食外，大蒜多需要進行各種加工處理，制成品種各異的風味食品，如糖蒜、蒜泥、脫水蒜片(粉)和黑蒜等[5-6]。目前大蒜含硫化合物的研究更多關注于藥理功效及加工工藝，而加工技術不同會使大蒜深加工產品中含硫化合物種類和數(shù)量發(fā)生不同程度的變化，了解并深究其變化以及變化機理，可為大蒜深加工產品的功能化開發(fā)及合理利用加工技術提供理論基礎。因此，本文綜述了不同食品加工技術對大蒜含硫化合物的影響及機理，為生產更加營養(yǎng)、美味的大蒜相關制品提供參考。

1 大蒜主要含硫化合物及特點

大蒜含硫化合物主要包括L-半胱氨酸及其衍生物、亞砜、硫代磺酸酯和有機硫揮發(fā)性物質，不僅是大蒜主要的生物活性物質，也是大蒜作為食藥兩用資源的基礎。由于含硫化合物組成及特性受不同加工條件的影響，因此，不同加工處理對大蒜含硫化合物種類的影響以及不同含硫化合物功能作用備受關注。大蒜主要含硫化合物及特點如表1所示。

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

2 大蒜含硫化合物變化機理

植物源有機硫化合物在人類飲食中占有重要地位，有機硫化合物合成轉化過程中所涉及的化學物質以及主要的作用機制近年來才逐漸被揭曉[17]。大蒜在健康領域的地位主要依靠于含硫化合物的存在，而大蒜產品的主要風味物質和質量特點是由含硫化合物復雜的生化反應引起的。比如，大蒜最具特色的揮發(fā)性有機硫化合物大蒜素是在細胞膜破裂后，風味前體物質蒜氨酸受位于液泡的蒜氨酸酶作用產生的。大蒜的各種加工及保藏方式均可導致大蒜中含硫化合物種類及含量發(fā)生變化，歸納其變化機理，大蒜是通過生物化學和物理化學途徑產生有機硫化物及隨后轉換成各種含硫化合物[18]。機理分述如下：

2.1 大蒜含硫化合物生物化學途徑變化機理

如圖1所示，完整無損的大蒜中有機硫化物的來源是根部吸收土壤中的硫酸鹽，其內含有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類物質(ACSOs)，此時大蒜無刺激性氣味，因為風味前體物質(CSOs)和蒜氨酸酶各自穩(wěn)定存在于細胞質和液泡2個不同的細胞器中，即大蒜中最初的含硫成分是γ-谷氨酰半胱氨酸，而后經過2種途徑合成大蒜含硫生物活性物質。其中，蒜氨酸酶和半胱氨酸酶在含硫化合物的合成途徑中發(fā)揮著重要作用[19]。

2.1.1 途徑一

HUGHES等[20]提出了2條蒜氨酸生物合成路線：(1)以絲氨酸和丙烯硫醇原料合成;(2)谷胱甘肽和烯丙基通過γ-谷?；s氨酸合成。但后者得到更多認可(圖1)，即當大蒜水解或氧化時，初始成分γ-谷氨?；?S-烷(烯)基-L-半胱氨酸轉化為風味前體物質，其中蒜氨酸含量最高，約占85%。蒜氨酸與異蒜氨酸(S-丙烯基-L半胱氨酸亞砜，PeCSO)、甲基蒜氨酸(S-甲基-L半胱氨酸亞砜MCSO)和丙基蒜氨酸(S-丙基-L半胱氨酸亞砜，PCSO)都屬于大蒜風味的前體物質，無色無味，與葡萄糖混合后加熱，可產生牛奶氣味的物質[21]。此外，蒜氨酸除經生化途徑被蒜氨酸酶催化生成大蒜素之外，還能夠經物理化學途徑直接加熱生成水溶性含硫化合物。

圖1 大蒜含硫化合物生物化學合成途徑Fig.1 Biochemical synthesis pathway of garlic sulfur compounds

2.1.2 途徑二

大蒜最初含硫化合物γ-谷氨酰半胱氨酸不僅可以轉變?yōu)锳CSOs，而且可以通過酶的作用發(fā)生轉化，即在γ-谷氨酰轉肽酶作用下生成S-烯丙基-L-半胱氨酸(SAC)，再進一步轉化為S-烯丙基巰基-L-半胱氨酸(SAMC)。SAC、SAMC都屬于水溶性有機硫化物[22]。

2.2 大蒜含硫化合物物理化學途徑變化機理

大蒜含硫化合物的種類和含量除了受自身因素調控之外，外界環(huán)境因素也不容忽視，大致可以將含硫化合物產生及變化機理分為2種途徑，如圖2所示。

圖2 大蒜含硫化合物物理化學合成途徑Fig.2 Physical and chemical synthesis pathway of garlic sulfur compounds

2.2.1 途徑一

大蒜活性成分主要前體物質ACSOs，存在于細胞質中，如若發(fā)生物理破碎則會使大蒜的完整性遭到破壞，即大蒜細胞膜破裂，細胞質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-烯丙基次磺酸不穩(wěn)定，迅速發(fā)生自身聚合反應生成硫代亞磺酸酯類(thiosulfinates)——一類具有強烈辛辣味的揮發(fā)性物質。其中大蒜素是硫代亞磺酸酯類的主要成分，大約占70%，這類物質生物活性較強，但不穩(wěn)定，可在不同溫度、pH值和溶劑條件下進行多次變換，降解為阿霍烯、乙烯基二硫雜苯類化合物(vinyldithiins)或脂溶揮發(fā)性含硫化合物(volatile sulfurs determination)，包括DAS、DADS、DATS等。

2.2.2 途徑二

胡興鵬等[23]最近報道了蒜氨酸還可通過熱分解方式產生揮發(fā)性含硫化合物，可能是由于蒜氨酸在高于100 ℃條件下，會直接發(fā)生水解或自由基重排反應，轉化生成一系列揮發(fā)性含硫物質，并且，蒜氨酸加熱后產生的水溶性含硫化合物的抗氧化活性更強。此外，黃雪松等[24]實驗表明了加熱蒜氨酸可形成多種有機硫化物，也證明了該途徑是不需要酶的情況下直接生成SAC的新途徑。推斷蒜氨酸的熱分解及轉化極有可能是亞砜鍵重排產生次磺酸，然后生成烯丙基醇和半胱氨酸等，再進一步與均裂途徑產生的自由基發(fā)生鏈反應生成其他含硫化合物。

3 加工技術對大蒜含硫化合物的影響

作為重要的香辛料及藥食兩用資源，大蒜及深加工產品深受歡迎。我國大蒜的種植面積和產量位居全球首位，是世界最大的大蒜生產國，同時也是世界最大的大蒜出口國，近5年的出口量保持在 150萬t左右，但我國出口大蒜主要以鮮蒜及初加工產品為主，大蒜精深加工產品亟待開發(fā)[25]。傳統(tǒng)加工方式生產的大蒜制品主要包括干燥蒜、腌制蒜、大蒜片(粉)等，采用現(xiàn)代食品加工技術的深加工產品有大蒜素、大蒜精油、大蒜功能性飲品、黑蒜及其附屬產品等。不同加工處理技術使大蒜含硫化合物種類和數(shù)量發(fā)生不同的變化，給大蒜深加工產品風味及功能特性帶來差異。比如未經處理的鮮蒜中含蒜氨酸、SAC、阿霍烯、乙烯基二硫雜苯類；破碎后的鮮蒜含SAC、大蒜素、阿霍烯、乙烯基二硫雜苯類；陳蒜含蒜氨酸、SAC、阿霍烯；煮熟大蒜含SAC、大蒜素、阿霍烯、多聚硫化物、乙烯基二硫雜苯類；蒸餾的大蒜含蒜氨酸、SAC、多聚硫化物、阿霍烯、乙烯基二硫雜苯類；大蒜油含多聚硫化物、阿霍烯和乙烯基二硫雜苯類[18]等。

3.1 熱加工和冷處理技術

3.1.1 熱加工處理

大蒜常用熱加工方式有慢煮、沸騰、爆炒或油炸。經熱加工處理后，大蒜幾乎無辛辣味，可能是由于大蒜素受高溫和非極性溶劑(食用油)影響分解成其他含硫化合物。以水為媒介的短時間熱加工處理會使蒜氨酸受熱分解轉化，能豐富大蒜含硫化合物種類，比如DADS、DATS，二烯丙基四硫醚和SAC的含量明顯上升，并且不含蒜氨酸和DAS[26]。LOCATELLI D A等[27]報道稱以油為媒介熱加工時阿霍烯、乙烯基二硫雜苯類含量較高，而水煮條件下未檢測到此類含硫化合物。熱加工會使蒜氨酸中不穩(wěn)定的亞砜物質被顯著降解，從而破壞大蒜的生物活性及營養(yǎng)成分，鑒于此，PABLO F C等[28]建議為了更好地保持大蒜抗癌等生物活性，食用時應該生吃亦或是破碎后用油烹飪，煮沸最好不要超過20 min。

3.1.2 低溫冷凍技術

低溫是一種比較好的保存食品及生物樣品的方式，包括冷藏、微凍結和凍藏。有研究報道大蒜冷藏中蒜素含量呈先升后降再上升的趨勢，微凍結處理大蒜含硫化合物含量幾乎不變[29]，可能是較低溫度使大蒜細胞膜遭到破壞，從而釋放出大蒜素。而速凍蒜米可保留較高的生物活性成分[30]，因此，速凍大蒜是我國出口大蒜產品的一大類。

3.2 發(fā)酵技術

發(fā)酵是利用有益微生物在適當條件下完成生長、繁殖及其代謝的過程。由于濕熱作用及微生物生長繁殖，構成了發(fā)酵食品特有的風味。大蒜發(fā)酵方式包括腌制、控溫控濕及接種等，相關產品有臘八蒜、糖蒜和黑蒜等。

3.2.1 糖或醋腌制發(fā)酵技術

傳統(tǒng)腌制大蒜主要指臘八蒜和糖蒜。臘八蒜通常是臘八時節(jié)將大蒜在醋里浸泡1周以上，呈酸辣味，而糖蒜是將用鹽水浸泡后的大蒜瀝出放入糖水中浸泡發(fā)酵而成。TAO D等[31]研究發(fā)現(xiàn)臘八蒜綠變和含硫化合物變化與蒜氨酸、蒜酶活性及細胞結構之間存在密不可分的聯(lián)系。可能是腌制時CO2使大蒜細胞結構發(fā)生改變，釋放出蒜酶，與蒜氨酸反應生成大蒜素。王皓等[32]研究發(fā)現(xiàn)在腌制糖蒜時會產生較多含硫化合物，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。腌制過程中蒜臭味物質3-乙烯基-1,2-二硫環(huán)己烯類等含量下降甚至消失，并且，醋酸和糖液滲入大蒜細胞內，酸甜味上升，然而該環(huán)境對大蒜素有一定的破壞作用。

3.2.2 控溫控濕發(fā)酵技術

黑蒜是鮮蒜在一定濕熱條件下發(fā)酵制備的一類新型大蒜加工食品。發(fā)酵過程中大蒜素含量呈先升后降趨勢，黑蒜成品中幾乎無大蒜素；同時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溫等原因引起裂解和揮發(fā)而減少；再者，由于烯丙基硫醚類含硫化合物不穩(wěn)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]，賦予黑蒜酸甜軟糯的口感，并且無蒜臭味。黑蒜具有抗氧化、抗腫瘤、改善腸道、調節(jié)血糖、保護肝臟、提高免疫力等多項功能作用[34-37]，因此，黑蒜及其附屬產品在國際市場備受關注。

3.2.3 其他技術

TOCMO R等[38]報道了用一種新型乳酸菌直接發(fā)酵大蒜，不但可以長時間保存大蒜，而且不會對大蒜生物活性的有機硫化物產生負面影響。發(fā)酵過程中通過減少大蒜素及其降解產物來改變有機硫化合物的種類，但具體轉化情況還有待進一步研究。EBRAHIMI PURE A等[39]報道用紅葡萄醋和康普茶(由紅茶菌發(fā)酵而來)醋發(fā)酵大蒜，其有機硫化物含量從54.92%分別降至7.65%和24.1%，這2種發(fā)酵大蒜都獨具特點，就含硫化合物的生物活性上講，康普茶醋比紅葡萄醋更適合發(fā)酵大蒜。此外，KIM S等[40]在發(fā)酵的大蒜中檢測到γ-谷氨酰半胱氨酸含量顯著下降，而SAC和SAMC含量顯著增加，有機硫化合物含量也相應增多。顯而易見，發(fā)酵大蒜中含硫化合物的種類和含量與發(fā)酵條件密切相關，研究并控制好發(fā)酵條件可開發(fā)具有不同風味和功能作用的大蒜發(fā)酵產品。

3.3 新食品加工技術

為提升大蒜加工產品營養(yǎng)及功能作用，以及在大蒜深加工中保留適當?shù)暮蚧衔锓N類和含量，將現(xiàn)代食品加工新技術運用于大蒜深加工備受重視。

3.3.1 超高壓技術

超高壓(ultra-high pressure, UHP)技術是純物理的冷加工技術，卻有熱加工的優(yōu)點。超高壓對共價鍵的影響較小，特別是小分子物質，如色素、氨基酸、維生素等，能極大程度保留食品的原始風味、色澤、脆感和韌性。研究表明，隨著壓力的增加，大蒜的辛辣味下降，并發(fā)現(xiàn)UHP技術是通過改變蒜氨酸酶的活性引起大蒜素含量變化和風味差異，即相對較低的壓力會激活某些酶，而較高的壓力使酶失活，但蒜氨酸酶在酸性條件下采用UHP處理的穩(wěn)定性高于堿性條件[41]。孫思成等[42]報道大蒜經UHP處理后，大蒜素含量上升，而主要風味物質硫醚化合物相對含量普遍下降，尤其是DADS含量下降顯著。

3.3.2 超聲波處理技術

超聲波是一種頻率超過人類聽覺范圍的機械波(>16 kHz)，可通過在介質中傳播時產生的強大壓力和剪切力改變食品物料理化特性，如活化酶、輔助提取等。超聲波處理技術由于其操作簡便、處理效率高、可控性好、成本低等優(yōu)點而被廣泛應用于食品加工領域。HUANG L等[43]研究了用超聲技術對不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber, IDF)進行改性處理，改變了大蒜的IDF微結構，使網(wǎng)狀結構和親水性基團增加。目前有較多報道稱超聲技術可用于大蒜和黑蒜中大蒜素的輔助提取[44]，近年也有研究將超聲技術用于發(fā)酵黑蒜制品的預處理以縮短大蒜熟化時間。

3.3.3 微波處理技術

微波是波長1～103mm的電磁波，是快速發(fā)展的電磁加熱技術，是利用微波產生高頻磁場來對食品進行加熱、干燥、膨化和滅菌保鮮等加工處理的技術。目前報道的微波技術用于大蒜加工的包括微波輔助技術提取大蒜素[45]、微波處理鈍化蒜氨酸酶活性生產脫臭大蒜[46]，并發(fā)現(xiàn)微波處理大蒜的大蒜素含量高于其他加熱方式(如油炸、蒸制和水煮)。推測這可能是微波技術處理大蒜時產生的熱效應可在極短的時間內鈍化蒜氨酸酶以及不需要水作為介質的原因。

3.3.4 其他技術

輻照處理一方面可以誘變大蒜育種，另一方面也被用于抑制大蒜細胞呼吸達到保鮮目的，但輻照會使含硫化合物降解，改變大蒜揮發(fā)性風味成分[47]，這種變化可能是由于電離輻射在蒜體內部產生了有用的自由基使得不穩(wěn)定的亞砜成分發(fā)生反應而引起的。變溫壓差膨化干燥技術也被用于大蒜處理[48]，發(fā)現(xiàn)可保留大蒜大部分的風味和硫代亞磺酸酯活性成分。此外，可采用馬鈴薯淀粉包埋技術脫除蒜臭味并保留含硫化合物的活性[49]，還有少量關于超微粉碎技術應用于制備大蒜粉，微膠囊技術應用于大蒜脫臭，高壓脈沖應用于激活蒜氨酸酶等的報道。

4 結語與展望

食品加工處理是為了改善制品的感官品質和提高產品營養(yǎng)品質，中國作為一個食品生產大國和消費大國，食品需求日趨多樣，推動產業(yè)轉型升級。大蒜含硫化合物的功能特性促進了各種大蒜產品的研發(fā)，以大蒜為原料制備而成的調味品、保健品、醫(yī)用品、化妝品、農用品以及工業(yè)用品日益增多，備受國內外消費者的青睞。而今，國際上應用不同加工技術呈現(xiàn)出大量創(chuàng)新型大蒜制品，比如蒜素保健酒、大蒜飲料、大蒜香腸、大蒜調味品、大蒜口服液、大蒜糖漿、大蒜面包(蛋糕)、黑蒜及其附屬產品等，不僅能提高大蒜附加價值，還能拓寬大蒜市場。

食用大蒜有促進健康的作用，大蒜被認為是達到長壽目的最重要的中草藥之一。由于大蒜本身具備較高的生物活性和獨特的風味特點，以及大蒜含硫化合物在不同加工中的變化及可能帶來的功能特性的差異，使大蒜精深加工中含硫化合物組成和含量以及功能作用成為目前關注的焦點。因此，明確大蒜含硫化合物在加工中的變化及機理對今后開發(fā)大蒜相關制品、最大限度地保留大蒜生物活性成分及促進人體健康具有重要的現(xiàn)實意義?，F(xiàn)階段，關于大蒜含硫化合物在加工中的變化及機理還存在較多的推測判斷，而具體清晰的機理還有待進一步研究論證。利用不同食品加工技術開發(fā)營養(yǎng)全面、種類豐富的大蒜深加工產品，加快大蒜相關制品工業(yè)化生產也是未來的發(fā)展方向。