甘草汽爆處理對甘草酸轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)物提取的影響

隋文杰,周夢佳,高灝杰,呂曉玲

(天津科技大學(xué)食品營養(yǎng)與安全國家重點實驗室,天津科技大學(xué)食品營養(yǎng) 與安全教育部重點實驗室,天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津 300457)

甘草酸(Glycyrrhizic acid,GL)是從甘草屬(GlycyrrhizaLinn.)植物中提取獲得,由一分子糖苷配基與兩分子葡萄糖醛酸構(gòu)成的天然高倍甜味劑。高純度甘草酸及其鹽的甜度約為蔗糖200～30倍,表現(xiàn)出抗炎、抑菌、解毒等多種生理活性[1-2]。單葡萄糖醛酸甘草次酸(Glycyrrhetinic acid 3-O-mono-β-D-glucuronide,GAMG)是由甘草酸脫去一分子葡萄糖醛酸形成。與GL相比,GAMG甜度更高,約為蔗糖的941倍;且GAMG安全性優(yōu)于GL,無致畸變作用,生物利用度高[1-2]。因此,GAMG被認(rèn)為是一種集高甜性、安全性及天然性于一體的新型功能性高倍甜味劑。甘草次酸(18β-glycyrrhetinic acid,GA)是GL進一步脫掉兩分子葡萄糖醛酸的產(chǎn)物,即其糖苷配基部分,其雖喪失了甜度,但因具有更高的抗癌等藥用價值而受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[3]。

通過化學(xué)催化和生物轉(zhuǎn)化等方法以GL為底物制備GAMG和GA,是甘草酸開發(fā)利用的重點和研究熱點。其中,化學(xué)催化主要是采用高溫酸化裂解的方法直接催化GL轉(zhuǎn)化為GA,這種方法催化條件較為苛刻,主要包括:加酸濃度高,加熱溫度高,設(shè)備腐蝕大,且轉(zhuǎn)化率非常低。目前關(guān)于GAMG和GA的轉(zhuǎn)化制備普遍采用生物轉(zhuǎn)化途徑[4-6],其實質(zhì)是通過β-D-葡萄糖醛酸苷酶(β-GUS)催化GL發(fā)生脫糖苷作用生成GAMG和GA。但由于轉(zhuǎn)化過程中存在諸多菌種和技術(shù)等方面問題而限制了該類方法的規(guī)?；瘧?yīng)用,主要包括:酶的來源受限,對化學(xué)鍵選擇性不強,副產(chǎn)物多[4];基因修飾增加成本且操作復(fù)雜,成功率不高[5];離子液體等非水相酶體系可提高酶穩(wěn)定性,但其合成過程繁瑣復(fù)雜且成本高[6]。因此,有待于尋找一種綠色、高效的甘草酸高值轉(zhuǎn)化利用途徑,促進甘草酸及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物提取利用。

汽爆技術(shù)作為一種新型綠色食品加工技術(shù),憑借原料適用性強、短時高效、無污染和已實現(xiàn)工業(yè)放大等優(yōu)勢,近年來在食品領(lǐng)域的研究和應(yīng)用上受到廣泛關(guān)注[7-9]。它是將原料在一定壓力和溫度的飽和水蒸氣下蒸煮一段時間后,驟然減壓使原料結(jié)構(gòu)變化和組分分離的過程。對藥食纖維原料汽爆加工過程若干研究和應(yīng)用表明:汽爆的物理爆破作用能夠打破植物多尺度抗提取屏障結(jié)構(gòu),促進活性成分溶解擴散[10-11];汽爆的熱化學(xué)作用促進植物結(jié)構(gòu)組分和活性成分發(fā)生水解反應(yīng),對某些糖苷類活性成分具有脫糖苷作用,從而促進高活性苷元成分的有效利用[11-12]。

因此,本文引入汽爆技術(shù)處理甘草,促進其GL高值轉(zhuǎn)化及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物提取利用。采用不同汽爆強度處理甘草,表征其表觀形貌結(jié)構(gòu)、主要化學(xué)組分與官能團結(jié)構(gòu)變化,測定汽爆對GL轉(zhuǎn)化及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物提取過程的影響,對甘草糖苷類功能性高倍甜味劑的高效制備、產(chǎn)品開發(fā)和功能強化提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)飲片 北京仟草中藥飲片有限公司;甘草酸、18β-甘草次酸、單葡萄糖醛酸甘草次酸、葡萄糖、木糖和阿拉伯糖 均為標(biāo)準(zhǔn)品,純度≥98%,天津鼎國生物技術(shù)有限責(zé)任公司;乙腈標(biāo)準(zhǔn)品(≥98%) sigma公司;磷酸、乙醇等 (分析純),國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

QBS-200B汽爆試驗臺(反應(yīng)罐體積為5 L) 鶴壁正道生物能源有限公司;KQ-500DE數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;CR-400色差計 日本東京柯尼卡美能達;SPD-M20A超高效液相色譜儀 美國安捷倫科技有限公司;SU1510掃描電子顯微鏡 長沙科美分析儀器有限公司;Nicolet iS50傅立葉變換紅外光譜儀 上海力晶科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 汽爆甘草制備 取500 g(干重)甘草飲片(直徑1～2 cm、厚度2～3 mm、單個重量0.2～1 g的圓形薄片)按照料水比1∶1 (w/w)進行復(fù)水處理12 h,使其含水率達到50%,將復(fù)水后甘草置于汽爆罐內(nèi),通入飽和水蒸汽至一定壓力,在該壓力下維持一定時間后,迅速打開卸料閥放料,收集汽爆甘草,自然風(fēng)干后保存待用[10]。表1列出了實驗中所采用的不同汽爆條件及其對應(yīng)汽爆強度(lgR0)，以研究汽爆程度對甘草酸轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)物提取的影響。

表1 甘草汽爆處理條件與汽爆強度Table 1 Experimental condition of steam explosion and the severity factor lgR0

式(1)

式中:t為維壓時間,min;T為汽爆溫度,℃。

1.2.2 汽爆甘草表觀(形貎)和色差分析 將干燥甘草原料和經(jīng)過汽爆后的甘草采用佳能(Canon)IXUS 285 HS數(shù)碼照相機拍攝光學(xué)照片，分析汽爆前后甘草表觀形貌變化。將干燥甘草原料和經(jīng)過汽爆后的甘草粉碎過40目篩,用色差計測量樣品粉末色差數(shù)據(jù)L*(黑白偏差量)、a*(紅綠偏差量)和b*(黃藍偏差量)值,ΔE為色差綜合偏差量[13],計算公式如下:

式(2)

式中:R表示原料甘草,S表示汽爆甘草。

1.2.3 汽爆甘草微觀結(jié)構(gòu)表征 將甘草原料和經(jīng)過汽爆后的甘草置于105 ℃烘箱中干燥6 h后,用刀片沿飲片徑向切取楔形薄片作為待測樣品,用金濺射鍍膜后,使用掃描電子顯微鏡于真空、5.0 kV的加速電壓環(huán)境下進行微觀結(jié)構(gòu)觀察[11]。

1.2.4 汽爆甘草化學(xué)組分分析 按照美國可再生能源實驗室(NREL)的標(biāo)準(zhǔn)分析方法[10],測定汽爆前后甘草中水溶物、醇溶物、纖維素(以葡萄糖計)、半纖維素(以木糖和阿拉伯糖計)、酸溶性木質(zhì)素、酸不溶性木質(zhì)素和灰分含量。糖濃度(葡萄糖、木糖和阿拉伯糖)測定采用高效液相色譜法,外標(biāo)法測定。色譜條件為:Aminex HPX-87H色譜柱(300×7.8 mm,9 μm,聚苯乙烯二乙烯苯樹脂填裝),流動相為0.005 mol/L H2SO4,流速0.6 mL/min,柱溫65 ℃,進樣體積20 μL,示差折光檢測器。

1.2.5 汽爆甘草紅外光譜表征 將干燥甘草樣品研磨后進行紅外吸收光譜分析[10]。使用溴化鉀混合壓片制片,掃描范圍:4000～400 cm-1,分辨率1.5 cm-1,掃描40次進行光譜累加,環(huán)境氣氛為空氣。

1.2.6 甘草酸及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物提取 精密稱取未粉碎的汽爆甘草樣品25 g,按液固比20∶1 (mL/g)加入70%乙醇500 mL,在室溫下進行超聲輔助提取(功率250 W,頻率40 kHz)18 h,每隔0.5 h超聲處理0.5 h,分別在0.25、0.5、1、2、4、6、8、11、14、18 h搖勻取樣,用于測定GL及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物含量。表達式如下：

GL、GAMG或GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/g)=(GL、GAMG或GA提取質(zhì)量)/甘草質(zhì)量×100

式(3)

1.2.7 甘草酸及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物含量測定 將GL、GAMG和GA標(biāo)準(zhǔn)品溶于70%乙醇溶液中,分別稀釋配制成0.1616～0.808 mg/mL、0.006～0.3 mg/mL和0.0082～0.32 mg/mL范圍的溶液,通過高效液相色譜利用外標(biāo)法制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。GL標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=107x+52126(R2=0.9990),GAMG標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=3×107x-7379(R2=0.9991),GA標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=2×106x+7770(R2=0.9994)。色譜條件參考[14]調(diào)整為:ZORBAX SB-C18(4.6×250 mm,5 μm)色譜柱;流動相為0.1%磷酸水A-乙腈B,梯度洗脫(0～3 min,38%～50% B;3～10 min,50%～52% B;10～20 min,52%～85% B;20～30 min,85～90% B;30～35 min,90%～38% B;35～41 min,38% B);流速為1 mL/min;進樣量20 μL,柱溫30 ℃,紫外檢測波長為254 nm。

GL轉(zhuǎn)化率、GAMG生成率和GA生成率表達式如下:

式(4)

式(5)

式(6)

其中:CGL→GAMG為0.786[1],代表1 g GL全部轉(zhuǎn)化生成GAMG量為0.786 g,CGL→GA為0.574[1],代表1 g GL完全生成GA量為0.574 g;[GL]R、[GAMG]R和[GA]R分別代表原料甘草中的GL、GAMG和GA含量(mg/g),[GL]S、[GAMG]S和[GA]S分別代表汽爆甘草中的GL、GAMG和GA含量(mg/g)。

理論GL含量為轉(zhuǎn)化成GAMG和GA的GL理論含量與提取液中實際測得GL含量之和,即在不計轉(zhuǎn)化的前提下汽爆后甘草GL的理論提取量,計算方式如下:

理論GL含量(mg/g)=[GL]S

式(7)

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實驗均重復(fù)3次,OriginPro 2017軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù),計算標(biāo)準(zhǔn)誤差并制圖;應(yīng)用SPSS 24.0軟件進行ANOVA方差分析,p<0.05表示有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 汽爆甘草物性變化

2.1.1 表觀形貌和顏色變化 圖1顯示不同汽爆強度處理下甘草的表觀形貌和色度差異。如圖所示,實驗用甘草飲片呈圓薄片狀,質(zhì)堅實,表面纖維性,黃白色,略顯粉性,形成層環(huán)明顯,射線放射狀,有裂隙[15]。汽爆后甘草致密結(jié)構(gòu)被破壞,粒徑隨汽爆強度增強而降低。在較強汽爆條件下甘草結(jié)構(gòu)被破裂成纖維束狀并纏繞在一起,在較低汽爆條件下甘草韌皮部與木質(zhì)部分離脫落明顯。這主要是在汽爆瞬時爆破過程中,高溫液態(tài)水閃蒸和蒸汽絕熱膨脹所致的物理撕裂作用和物料間碰撞作用共同導(dǎo)致[10]。

圖1 不同汽爆條件處理甘草飲片表觀形貌Fig.1 Apparent morphology analysis of Glycyrrhiza uralensis Fisch. treated by steam explosion under various conditions

汽爆后甘草顏色發(fā)生顯著變化,隨汽爆強度增加,其色差綜合偏差量ΔE值和紅綠偏差量a*值(p<0.05)顯著增加,黑白偏差量L*值(p<0.05)和黃藍偏差量b*值(p<0.05)顯著下降,表明汽爆后甘草飲片顏色由原料的淺黃白色逐漸加深變暗,向深棕色或紅褐色轉(zhuǎn)變,且隨汽爆條件增強變化愈加明顯。引起甘草顏色加深的原因可能是,糖類物質(zhì)和氨基化合物(氨基酸和蛋白質(zhì))在汽爆高溫高壓下,通過焦糖化等美拉德反應(yīng)生成褐色大分子物質(zhì),這些糖類物質(zhì)來源于甘草多糖及汽爆熱化學(xué)作用降解半纖維素形成的可溶性還原糖[9,16]。此外,在汽爆過程熱酸性氣氛下,一部分半纖維素和纖維素會生成酸不溶性物質(zhì),即假木質(zhì)素,以球狀形式附著于纖維表面,也可能是造成顏色變化的原因之一[17]。

圖2 不同汽爆條件處理甘草顏色分析Fig.2 Color analysis of Glycyrrhiza uralensis Fisch. treated by steam explosion under various conditions.注:圖中不同字母表示同一指標(biāo)間差異顯著(p<0.05)。

2.1.2 微觀結(jié)構(gòu) 圖3為甘草汽爆前后的掃描電子顯微鏡圖。圖3a所示為甘草原料次生木質(zhì)部部分,包括導(dǎo)管、管胞和木薄壁細胞,并有狹長裂隙;其導(dǎo)管較多,口徑細小,呈類圓形。圖3b中薄壁細胞及周圍致密組織結(jié)構(gòu)上附著有淀粉粒和草酸鈣晶體。汽爆后(圖3d,3e,3f),甘草微觀結(jié)構(gòu)明顯被破壞:孔隙和裂隙增多、變大,呈束纖維部分分離和剝落,且維管束雜亂排布;結(jié)構(gòu)表面呈近似融化狀態(tài),可能是由淀粉或結(jié)構(gòu)性多糖在熱酸性環(huán)境下發(fā)生糊化、降解所致;整體無序性增強。上述微觀變化是由甘草汽爆過程熱化學(xué)反應(yīng)與閃蒸爆破耦合作用的結(jié)果[18]。結(jié)合2.1.1對甘草汽爆前后宏觀結(jié)構(gòu)變化的分析,表明汽爆能夠顯著破壞甘草細胞和組織水平的多孔結(jié)構(gòu)[10]。汽爆后甘草多尺度孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成將有利于甘草胞內(nèi)活性成分的溶解與擴散。

圖3 甘草原料和汽爆甘草(lgR0=4.63)掃描電子顯微鏡圖Fig.3 SEM image of untreated and steam exploded Glycyrrhiza uralensis Fisch. at lgR0=4.63注:a、b、c為甘草原料;d、e、f為汽爆甘草;1:導(dǎo)管,2:管胞,3:狹長裂隙,4:薄壁細胞,5:淀粉粒,6:纖維束。

2.1.3 化學(xué)組分 表2列出了汽爆前后甘草主要組分的含量變化。由表2可知,甘草中半纖維素含量隨汽爆強度增加呈顯著降低趨勢(p<0.05),這表明汽爆具有強烈的半纖維素脫除作用。一般認(rèn)為,汽爆過程中半纖維素發(fā)生部分自水解作用轉(zhuǎn)化成單糖和低聚物,高溫條件下,半纖維素鏈上水解下來的乙?；梢宜?又加劇了半纖維素糖苷鍵和木質(zhì)素芳基醚鍵的水解,導(dǎo)致單糖進一步降解生成糠醛和5-羥甲基糠醛[9]。甘草中酸溶性木質(zhì)素含量在汽爆后降低,但隨著汽爆強度增強變化不明顯,而酸不溶性木質(zhì)素呈增加趨勢,與原料相比最高增加1.59倍。許多學(xué)者將酸不溶性木質(zhì)素含量的增加歸因于木質(zhì)素自身的縮合反應(yīng),通常是與碳水化合物降解產(chǎn)物進行縮合形成“假木質(zhì)素”[17]。而甘草中纖維素由于其非結(jié)晶區(qū)在高溫高壓條件下易被破壞[19],所以其含量隨汽爆強度增加而相對降低,最低下降了24.32%。

表2 汽爆前后甘草主要化學(xué)組分含量Table 2 Chemical compositions of Glycyrrhiza uralensis Fisch. before and after steam explosion

甘草原料中水溶性物質(zhì)含量高,占干重質(zhì)量分?jǐn)?shù)的41.48%±1.05%,對比文獻[20]可知,其主要為甘草多糖、氨基酸、有機酸和核苷等活性物質(zhì);醇溶性物質(zhì)含量相對較少,占干重質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5.43%±0.55%,主要為皂苷、黃酮和香豆素類物質(zhì)。實驗表明汽爆處理能夠促進甘草水溶性與醇溶性物質(zhì)的溶出;隨汽爆強度的增加,水溶物含量呈先增加后降低趨勢,在汽爆強度lgR0=3.41條件下與原料相比最高增加31.29%;醇溶物在汽爆強度最高時亦達到最大值,相對原料增加56.72%。二者的增加一方面是由于汽爆對甘草宏、微觀組織結(jié)構(gòu)的破壞,促進了其胞內(nèi)活性物質(zhì)的大量溶出;另一方面則是由于汽爆水熱作用使甘草木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)降解,生成易溶于水或醇的糖類、酚類等小分子物質(zhì)。而水溶物含量在較高汽爆強度下轉(zhuǎn)為下降,則可能是由汽爆促進了連接半纖維素的乙?；鶊F水解,產(chǎn)生的乙酸又進一步催化分解半纖維素降解的可溶性糖,使其生成甲酸和糠醛等揮發(fā)性成分所致;或者是水溶性成分縮合成腐殖酸類大分子物質(zhì)等多重復(fù)雜因素導(dǎo)致[10]。

2.1.4 紅外光譜表征 進一步利用近紅外光譜表征并分析汽爆甘草細胞壁組分官能團結(jié)構(gòu)變化。由圖4可知,1737 cm-1處峰為半纖維素的特征吸收峰,該峰隨著汽爆強度增加而趨于消失,表明大量的半纖維素發(fā)生脫乙?；饔?形成有機酸[9]。在酸性條件下,半纖維素的非晶態(tài)和低聚合度使其易受到破壞,形成了自體水解作用。1459 cm-1和1382 cm-1處的吸收峰是纖維素和木質(zhì)素C-H彎曲振動特征吸收峰,其吸收值在汽爆后降低,表明汽爆能夠破壞纖維素與木質(zhì)素間連接作用[19]。1225 cm-1處是木質(zhì)素愈創(chuàng)木基芳香核C-O特征峰,其吸收值在汽爆后降低,表明汽爆后木質(zhì)素基團結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[10]。1149 cm-1和1111 cm-1處的峰來源于纖維素和半纖維的C-O反式伸縮振動,1050 cm-1處是纖維素和半纖維素上C-O-C伸縮振動中C-OH骨架振動特征峰。

圖4 不同汽爆條件下甘草的紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra of Glycyrrhiza uralensis Fisch. treated by steam explosion under various conditions

這些峰的吸收值在汽爆后發(fā)生明顯變化,表明汽爆破壞了甘草木質(zhì)素和結(jié)構(gòu)多糖之間起到重要連接作用的酯鍵,并且降低了愈創(chuàng)木基木質(zhì)素單元和半纖維素的相對含量,這與2.1.3中化學(xué)組分測定結(jié)果和相關(guān)報道結(jié)論一致[10,21]。結(jié)果表明汽爆具有顯著的破壁作用,能夠破壞甘草細胞壁水平組成結(jié)構(gòu),從而強化其胞內(nèi)活性成分的溶解與釋放。

2.2 甘草汽爆過程甘草酸水熱轉(zhuǎn)化

表3為甘草原料與汽爆甘草提取液中GL、GAMG、GA含量及由此計算出的GL轉(zhuǎn)化率和GAMG、GA生成率。由表可知,按照藥典方法[15]提取測定甘草原料中GL含量為(34.85±1.30) mg/g,采用1.2.7中方法測定甘草原料中GAMG與GA含量,未檢出。汽爆后,甘草提取液中均檢出GAMG與GA,且隨汽爆強度提高,GL含量降低,GL轉(zhuǎn)化率在lgR0=4.63條件下最高達到24.23%±0.82%;GAMG和GA含量增多,二者生成率最高分別達到6.58%±0.18%和31.55%±0.74%;兩種變化趨勢導(dǎo)致GL及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物之和先減小后增大。上述表明汽爆促使甘草中部分GL發(fā)生脫糖苷作用轉(zhuǎn)化為GAMG和GA,且轉(zhuǎn)化產(chǎn)物以GA為主;隨汽爆條件劇烈程度增強,GAMG和GA轉(zhuǎn)化效果愈強。進一步通過GAMG和GA生成率反推汽爆甘草中理論GL含量,發(fā)現(xiàn)汽爆后理論GL含量大于實測GL含量,且與甘草原料相比最高提高13.60%。其主要歸因于汽爆處理協(xié)同促進GL轉(zhuǎn)化及其溶解釋放,這與汽爆甘草物性變化密切相關(guān)。

表3 不同汽爆條件下甘草中GL及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物含量與GL轉(zhuǎn)化率、GAMG和GA生成率Table 3 Extraction yield and conversion ratio of GL、GAMG and GA from Glycyrrhiza uralensis Fisch. treated by steam explosion under various conditions

GL是由酚羥基與糖縮合而成的β-D-葡萄糖苷,在汽爆過程的高壓熱酸性環(huán)境中,GL發(fā)生水解反應(yīng)而使糖苷鍵裂解得到GAMG、GA和葡萄糖配基。其存在的水解途徑主要分為:①:GL→GAMG;②:GL→GA;③:GL→GAMG→GA。其可能的水解機制則主要是通過攻擊從水中解離出來的質(zhì)子離子而發(fā)生[1]。汽爆高溫蒸煮過程的熱酸性環(huán)境主要來源于水分的pKw值隨溫度增加而降低產(chǎn)生的酸性水,以及甘草結(jié)構(gòu)水解而釋放出的乙酸等有機酸[9]。這種熱酸性環(huán)境導(dǎo)致一系列自水解反應(yīng)的發(fā)生,甘草中半纖維素發(fā)生部分自水解作用轉(zhuǎn)化成單糖及其低聚物,木質(zhì)素則降解成酚類低聚物。同時,甘草中GL糖苷鍵中的氧原子發(fā)生質(zhì)子化,糖苷鍵斷裂,形成糖基正離子形式或半椅形結(jié)構(gòu)的中間體,然后通過鍵合羥基形成葡萄糖醛酸。主要水解反應(yīng)過程大致可以分為三步進行:糖苷鍵中的氧原子被H+所攻擊,導(dǎo)致其快速質(zhì)子化;將正電荷轉(zhuǎn)移到葡萄糖醛酸的C1位上,然后由于C-O鍵的斷裂而形成碳正離子,并且將羥基提供給另一葡萄糖醛酸的C2位或五環(huán)三萜的C3位上;水輸送OH-給碳正離子,形成葡糖醛酸殘基,釋放H+[1]。因此,GL糖苷鍵的水解本質(zhì)是水熱酸性條件催化水解,其關(guān)鍵是O-苷基的苷質(zhì)子化程度。汽爆高溫蒸煮過程使得GL在水熱酸性條件下O-苷基受質(zhì)子進攻使糖苷鍵迅速水解,從而加速釋放出GAMG和GA。

2.3 甘草酸及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物提取強化

圖5為不同汽爆條件下甘草中GL、GAMG和GA的提取動力學(xué)曲線。由圖5a可知,汽爆處理強化了甘草中GL的提取傳質(zhì)行為,且隨汽爆條件增強,GL提取平衡時間縮短、提取效率增高。在較高汽爆強度下(lgR0≥3.41)GL在2 h左右達到提取平衡,而從原料中GL提取18 h后才接近平衡,故汽爆后甘草GL提取平衡時間縮短了80%以上。由圖5b、5c可知,汽爆甘草中GAMG和GA均在提取進程2 h以內(nèi)達到最大平衡量,且提取平衡時間隨汽爆強度增大而呈縮短趨勢。這表明汽爆處理顯著促進了GL及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的溶解與釋放。

圖5 不同汽爆條件下甘草中GL、GAMG和GA的提取動力學(xué)曲線Fig.5 Extraction kinetics of GL,GAMG and GA from Glycyrrhiza uralensis Fisch. treated by steam explosion under various conditions.注:a:GL;b:GAMG;c:GA。

通過Bernardini的理論可以較好地解釋GL及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的提取傳質(zhì)行為[11]:溶劑萃取包括溶解和擴散兩個過程,溶解很快僅需數(shù)分鐘,而擴散需要克服細胞壁和細胞膜的阻力,這個過程耗時較長。甘草原料細胞未破壁,而汽爆后甘草組織、細胞和細胞壁水平多尺度結(jié)構(gòu)均遭到破壞,故前者的萃取過程以擴散為主,而后者以溶解為主。因此,汽爆后甘草中活性成分提取進程很快達到平衡,提取效率遠高于未處理的甘草原料。由2.1中汽爆甘草物性表征結(jié)果與分析可知,汽爆高溫蒸煮過程對甘草微觀細胞壁組分的熱化學(xué)降解作用,和瞬時爆破過程對甘草宏微觀多孔結(jié)構(gòu)的破解作用,均對甘草酸及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的提取傳質(zhì)過程有促進作用。作者相關(guān)研究表明,汽爆通過改變植物孔隙結(jié)構(gòu)增加了GL及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在提取過程的溶劑-溶質(zhì)可及性,改善其內(nèi)部傳質(zhì)通路,是強化植物胞內(nèi)活性成分提取傳質(zhì)的根本原因[10]。此外,已有許多文獻報道證實了汽爆對植物中多糖類、皂苷類、黃酮類等多種胞內(nèi)活性成分均具有強化提取傳質(zhì)的作用[10,12,22-23]。

3 結(jié)論

在汽爆過程熱酸性環(huán)境下,甘草中GL自體水解發(fā)生去糖苷化作用,使其苷元與糖基分離而向GAMG和GA轉(zhuǎn)化,GL轉(zhuǎn)化率達到24.23%,GAMG和GA生成率分別為6.58%和31.55%。GL在高溫高壓酸性條件下,其糖苷鍵中O-苷基受質(zhì)子進攻,而使糖苷鍵迅速水解釋放糖分子,可能是甘草汽爆過程存在的糖苷鍵水解轉(zhuǎn)化機理。同時,在汽爆過程水、熱、力改性的協(xié)同作用下,甘草細胞壁主要組分被降解,其中半纖維素部分脫除、溶出,酸不溶性木質(zhì)素含量增加。甘草組織-細胞-細胞壁水平多尺度孔隙結(jié)構(gòu)被打破,表明汽爆成功破解甘草致密抗提取屏障結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致汽爆后GL及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的提取平衡時間降低至原料的20%以內(nèi),顯著增強提取效率。研究表明通過引入汽爆技術(shù),有效促進甘草酸高值轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)物提取利用,對甘草糖苷類功能性高倍甜味劑的高效制備、產(chǎn)品開發(fā)和功能強化有積極意義。