從農(nóng)田到餐桌到營養(yǎng):食物組分化學(xué)結(jié)構(gòu)變化對健康效益的影響

肖 航, 王彥淇, 趙成英, 韓彥慧, 鄭金鎧,4,*

(1.馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校 食品科學(xué)系,美國 馬薩諸塞州 阿默斯特 01003;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,北京 100193;3.陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院,陜西 西安 710119;4.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266109)

近年來,人口老齡化、慢性病高發(fā)等社會(huì)問題日益突出,國民健康面臨著巨大的威脅和挑戰(zhàn),“健康中國”上升為重要國家戰(zhàn)略[1]。伴隨科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,我國居民對于食物的需求逐漸從“吃得飽”向“吃得好”、“吃得健康”轉(zhuǎn)變,食品產(chǎn)業(yè)成為保障國民營養(yǎng)健康的重要產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)食品由于其營養(yǎng)與功能組分種類相對單調(diào)、存在形式不穩(wěn)定,往往難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的、復(fù)雜的營養(yǎng)和健康需求。越來越多的研究表明,不同人群的營養(yǎng)和健康需求顯著不同[2-3],開發(fā)特定功能食品尤其是個(gè)性化營養(yǎng)食品,已成為現(xiàn)代營養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢。從農(nóng)田到餐桌到人體,食物經(jīng)歷加工制造、消化吸收等多個(gè)過程,期間食物組分往往發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能的變化,這對功能食品的靶向設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)制造具有至關(guān)重要的意義。

食品加工是食品從農(nóng)田走向餐桌的重要途徑。加工方法多種多樣,包括物理破碎、加熱、冷卻、干燥、高壓、酸堿處理、發(fā)酵等[4]。研究表明,加工會(huì)顯著影響食物組分的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)(化學(xué)結(jié)構(gòu)和多尺度結(jié)構(gòu))及其相互作用,從而影響其營養(yǎng)和健康效益[5-6]。在加工過程中,食物既有可能產(chǎn)生新的有益成分,也有可能產(chǎn)生有害成分。比如,橘皮在干燥過程中,多甲氧基黃酮會(huì)被轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)和健康效益更強(qiáng)的羥基化多甲氧基黃酮,從而顯著提高橘皮的營養(yǎng)和藥用價(jià)值[7];而在肉類的某些加工過程(燒烤等)中,則會(huì)產(chǎn)生雜環(huán)胺等對機(jī)體有害的化學(xué)組分[8]。食品加工過程對食物組分及其健康效益影響等方面的研究受到越來越多的關(guān)注。

從餐桌到人體,我們攝入的食物還將發(fā)生復(fù)雜的代謝過程[9]。在口腔咀嚼和胃部蠕動(dòng)作用下,食物組分從基質(zhì)中釋放,部分營養(yǎng)與功能組分需經(jīng)消化酶降解,以便于小腸吸收。被吸收的部分經(jīng)門靜脈進(jìn)入肝臟,在不同酶系作用下發(fā)生廣泛的I相代謝(氧化、還原、羥基化、氫化、甲基化等)和II相代謝(硫酸酯化、葡萄糖醛酸化等),生成多種化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的代謝產(chǎn)物;化學(xué)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化,往往引起健康效益的不同[10-11]。食物中不能被小腸吸收的部分,會(huì)直接進(jìn)入大腸。腸道,尤其是結(jié)腸中存在大量的腸道菌群,具有功能強(qiáng)大的復(fù)雜酶系統(tǒng)。腸道菌群的酶可能比宿主自身的酶,如蛋白酶、脂肪酶等,具有更強(qiáng)和獨(dú)特的催化能力,可以將食物組分轉(zhuǎn)化為具有不同功能和性質(zhì)的各種代謝產(chǎn)物,進(jìn)一步影響宿主的機(jī)體健康[12]。

食物組分的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)在體外加工和體內(nèi)代謝過程中發(fā)生著顯著的變化,繼而影響其健康效益的發(fā)揮。本文重點(diǎn)關(guān)注食品營養(yǎng)組分從農(nóng)田到餐桌到人體等關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的變化,確定影響營養(yǎng)與功能組分積累的控制點(diǎn),并據(jù)此提出多維戰(zhàn)略,希望為功能食品的靶向設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)制造提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 加工制造過程中食品組分的變化

食物加工過程中的多個(gè)因素,包括加工方法、工藝參數(shù)以及食品基質(zhì)本身都會(huì)影響食品營養(yǎng)與功能組分的結(jié)構(gòu)和組成,繼而影響其營養(yǎng)與健康功能的發(fā)揮。因此,探討加工過程中食品營養(yǎng)與功能組分的變化規(guī)律和機(jī)制,對設(shè)計(jì)與制造具有特定品質(zhì)和功能的食品具有重要的指導(dǎo)意義。

1.1 食物加工過程中營養(yǎng)與功能組分含量的變化

食物加工方式與食物營養(yǎng)組分的釋放機(jī)理見圖1。食物加工主要有機(jī)械破碎、熱加工、非熱加工等手段[13],其中機(jī)械破碎是果蔬等植物型食物的常用前處理方式,可將果蔬制品處理成汁或漿等中間產(chǎn)品。熱加工是食物加工中常用的殺菌手段,通過將食品加熱至70～120 ℃,并維持?jǐn)?shù)秒或數(shù)分鐘,從而達(dá)到殺菌、鈍酶、延長貨架期并產(chǎn)生獨(dú)特香氣等效果[14-15]。熱加工處理不可避免地會(huì)對食品中熱敏性營養(yǎng)與功能組分產(chǎn)生影響,導(dǎo)致其含量的變化。巴氏殺菌(90 ℃,1 min)處理胡蘿卜汁后,β-胡蘿卜素和葉黃素含量顯著上升,分別從12.98 μg/mL和5.03 μg/mL提升至46.79 μg/mL和9.99 μg/mL[16]。但大部分情況下,熱加工處理后,食品營養(yǎng)與功能組分會(huì)出現(xiàn)含量下降的現(xiàn)象,如巴氏殺菌(100 ℃、32 min)處理后,百香果汁中的玉米黃質(zhì)、β-隱黃質(zhì)和β-胡蘿卜素含量分別下降了22.8%、25.4%和31.8%[17]。巴氏殺菌(80 ℃、2.5 min)處理后,西瓜汁和芒果汁中的維生素C含量分別下降了10.2%和1.63%[18]。娃娃菜、芥藍(lán)和芥菜經(jīng)微波(1 000 W、1 min)處理后,β-胡蘿卜素含量降低36%～40%[19]。灌裝熱殺菌(100 ℃、30 min)處理刺梨后,刺梨中總酚含量下降81.3%,維生素C含量下降42.0%[20]。適度的破碎和熱加工能夠提高食品營養(yǎng)與功能組分含量(這里指的是可被檢測的,同時(shí)可為人體吸收的含量),而極端或過度的熱加工會(huì)導(dǎo)致其含量的降低。

圖1 食物加工方式及食品營養(yǎng)與功能組分的釋放機(jī)理

非熱加工能夠替代熱加工起到殺菌作用,也能夠減少對食物營養(yǎng)與功能組分的破壞和損失。非熱加工主要有高壓均質(zhì)、超高壓、超臨界二氧化碳、脈沖電場、超聲波、冷等離子體等技術(shù)[21-23]。在高壓均質(zhì)處理(20 MPa、2次,15 min)后,番茄汁中總類胡蘿卜素含量和β-胡蘿卜素含量分別提高了19.03%和18.52%[24]。類似地,超高壓處理(500 MPa、5 min)的枸杞汁中,總類胡蘿卜素含量由24.59 mg/100 mL提高至26.58 mg/100 mL[25]。采用高壓脈沖電場(30 kV/cm、500 μs)處理胡蘿卜汁,可以將其中的總類胡蘿卜素含量提高55.66%[26]。巴西莓汁經(jīng)高壓(450 MPa、5 min)處理后,酚類物質(zhì)花青素含量為5.5 mg/g,相比于普通熱加工(85 ℃、1 min)提高了21.1%[27]。綜合來看,非熱加工對食品營養(yǎng)組分的提升和保護(hù)效果均優(yōu)于熱加工。除了加工方式,在加工過程中加入的其他組分如油,會(huì)提高食品中可檢測的油溶性食品營養(yǎng)組分含量。這是因?yàn)?適當(dāng)?shù)挠湍軌蛱岣哂腿苄允称窢I養(yǎng)組分的溶解度,幫助其從細(xì)胞中釋放出來。

1.2 食物加工中營養(yǎng)與功能組分含量變化的機(jī)制

在食物加工處理后,部分食品中的營養(yǎng)與功能組分的含量會(huì)上升,部分下降。為了使加工方式在食物加工過程中對食品營養(yǎng)與功能組分的提高發(fā)揮最大作用,有必要對加工過程中營養(yǎng)與功能組分的變化機(jī)制進(jìn)行分析,從而指導(dǎo)食物加工方法和條件的選擇。加工對食品細(xì)胞的適度破壞,是導(dǎo)致食品中營養(yǎng)與功能組分釋放并能被人體吸收的主要原因。營養(yǎng)與功能組分在動(dòng)植物的生長發(fā)育階段,主要在其細(xì)胞中合成。如類胡蘿卜素主要合成和貯藏在植物細(xì)胞的色質(zhì)體中,與多種大分子物質(zhì)如蛋白或脂質(zhì)相連接。因此,食物中的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和細(xì)胞器膜等是限制食品營養(yǎng)組分釋放并發(fā)揮健康功效的第一道屏障。不同的食物加工方法能通過不同的機(jī)制來破壞屏障,起到釋放食品營養(yǎng)組分的作用。熱加工通過促進(jìn)果膠的β-消除降解反應(yīng),不僅能夠軟化細(xì)胞壁促進(jìn)類胡蘿卜素的釋放,還能夠使蛋白變性,促進(jìn)類胡蘿卜素與其脫離連接而提高含量[28]。超高壓處理導(dǎo)致的食品體積壓縮能夠破壞細(xì)胞和蛋白質(zhì),起到與熱加工類似的作用[29]。脈沖電場對細(xì)胞的電穿孔作用、超聲處理的沖洗波作用,均能夠破壞細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和蛋白復(fù)合物,促進(jìn)營養(yǎng)組分的釋放和吸收[30-31]。

雖然加工可以通過促進(jìn)食品中營養(yǎng)與功能組分的釋放而提高加工食品中的有效營養(yǎng)素含量,但食品中營養(yǎng)與功能組分通常對光、熱等敏感,過度的加工條件會(huì)降解和氧化營養(yǎng)與功能組分,從而導(dǎo)致其含量的下降。食物加工過程中營養(yǎng)組分的主要變化途徑見圖2。類胡蘿卜素的化學(xué)降解途徑主要包括可逆的異構(gòu)變化和不可逆的氧化反應(yīng),多酚類物質(zhì)中的羥基被氧化產(chǎn)生醛基、酮基或羧基,生成相應(yīng)的不同氧化產(chǎn)物[圖2(a)]。自然狀態(tài)下,類胡蘿卜素以全反式存在于植物細(xì)胞中,在加工中的熱、酸、光等處理后,容易出現(xiàn)順式構(gòu)象,導(dǎo)致其含量的降低[32]。以類胡蘿卜素中的β-胡蘿卜素為例,主要有4種順式構(gòu)象,包括9-順式-β-胡蘿卜素、13-順式-β-胡蘿卜素、15-順式-β-胡蘿卜素和13,15′-順式-β-胡蘿卜素,類胡蘿卜素的順反式構(gòu)象之間的變化是可逆的[33]。相比之下,過度的加工處理帶來的氧化降解是不可逆的反應(yīng),包括自動(dòng)氧化、熱氧化和酶促氧化等,會(huì)顯著降低食品中營養(yǎng)與功能組分的含量。以類胡蘿卜素為例,氧化過程會(huì)先產(chǎn)生一級(jí)氧化產(chǎn)物環(huán)氧化合物等,進(jìn)而產(chǎn)生多種二級(jí)降解產(chǎn)物[34-35]。維生素類物質(zhì)如維生素C(抗壞血酸)氧化轉(zhuǎn)化成脫氫抗壞血酸,進(jìn)而水解生成2,3-二酮古洛糖酸和L-木酮糖[圖2(b)][36];而多酚類物質(zhì)如兒茶素會(huì)被氧化成多種茶黃素,喪失部分生理活性[圖2(c)][37-38]。在加工過程中,氧化、降解等會(huì)導(dǎo)致食品中營養(yǎng)與功能組分的損失,因此降低食物組分的氧化降解率,保持其結(jié)構(gòu)的完整,是提高加工食品營養(yǎng)與功能的主要途徑。不同的加工溫度、加工強(qiáng)度等會(huì)導(dǎo)致食品營養(yǎng)與功能組分產(chǎn)生不同程度的降解,這是其含量下降的主要原因。

圖2 食物加工過程中營養(yǎng)與功能組分的主要變化途徑

1.3 食物加工中營養(yǎng)與功能組分含量變化的影響因素

食物加工中加工方法與食品基質(zhì)的相互作用導(dǎo)致了營養(yǎng)與功能組分的變化,其中加工方法和條件是主要影響因素,被加工的食品原始狀態(tài)是次要影響因素。首先,通過分析不同加工處理后食品中營養(yǎng)與功能組分的變化,可以發(fā)現(xiàn)熱加工的處理?xiàng)l件相對激烈,如巴氏殺菌較長的處理時(shí)間等,通常會(huì)導(dǎo)致營養(yǎng)與功能組分含量的下降;而高溫短時(shí)殺菌的較短處理時(shí)間、非熱加工的較低處理溫度都比較溫和,通常能夠促進(jìn)營養(yǎng)與功能組分含量的上升[39]。另外,傳統(tǒng)干燥處理會(huì)導(dǎo)致食品中營養(yǎng)與功能組分的下降,而真空冷凍干燥由于杜絕了加熱和氧氣,能夠有效減少營養(yǎng)與功能組分的降解和含量下降[40]。

加工參數(shù)包括加工時(shí)間、溫度、壓力、電場強(qiáng)度、超聲功率等,是影響食品加工效果的主要因素。以高壓脈沖電場處理胡蘿卜為例,在固定脈沖數(shù)為5時(shí),通過提高電場強(qiáng)度至0.8、2.0、3.5 kV/cm,胡蘿卜中可檢測的總類胡蘿卜素含量分別提升了36.07%、60.66%和80.33%[41]。適當(dāng)提高加工壓力也有利于活性成分的釋放,以0.1～400 MPa的壓力處理綠茶,隨著壓力的增加,酚類物質(zhì)表兒茶素的含量分別增加了35%和61%[42]。然而過度加工會(huì)起到相反的效果,在150 MPa條件下高壓微射流處理沙棘汁后,重復(fù)進(jìn)行2次和3次處理分別使類胡蘿卜素含量下降5.05%和8.69%[43]。巴氏殺菌80 ℃處理芒果汁和西瓜汁,隨著加熱時(shí)間的增加,維生素C含量下降量逐漸增加,分別為10.2%～64.4%和1.6%～27.0%[44]。因此,根據(jù)所選加工對象,在適當(dāng)范圍內(nèi)提高加工強(qiáng)度有利于提高營養(yǎng)與功能組分含量;相反,過高的加工強(qiáng)度會(huì)引起營養(yǎng)與功能組分含量的下降。另外,在較低溫度、氧濃度、光照強(qiáng)度條件下貯藏食品,也有利于營養(yǎng)與功能組分的保持。草莓汁在高糖環(huán)境中貯藏時(shí),由于高糖濃度減少了溶解氧的濃度,維生素C的保留率明顯提高[45]。

食品在加工前存在多種狀態(tài),包括新鮮采摘的完整果蔬、機(jī)械粗破碎的果粒、粗榨的果粒果汁混合物、精制的果汁等。食品營養(yǎng)與功能組分的釋放程度,主要受食品原始狀態(tài),即食品基質(zhì)的完整度的影響。新鮮的果蔬中植物細(xì)胞完整,富含大量未被釋放和破壞的營養(yǎng)與功能組分。經(jīng)過食物加工后食品細(xì)胞基質(zhì)被破壞,能夠大量地釋放營養(yǎng)與功能組分,使得可檢測營養(yǎng)與功能組分的含量上升[46];而果蔬汁、果蔬醬等食品基質(zhì)的完整度較低,由于已有部分營養(yǎng)與功能組分釋放,加工會(huì)造成已釋放組分的氧化降解,從而導(dǎo)致營養(yǎng)與功能組分含量的下降。因此,根據(jù)食品的初始狀態(tài)選擇適合的加工方法和加工參數(shù),對食品基質(zhì)完整度高的食品適當(dāng)提高加工強(qiáng)度,對食品基質(zhì)完整度低的食品盡量降低加工強(qiáng)度,可以有效地保護(hù)和提升加工后食品的營養(yǎng)與功能組分含量。

2 消化吸收過程中食物組分的變化

人體特殊的生理環(huán)境使得攝入其中的食物及其組分發(fā)生復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂胁煌瘜W(xué)結(jié)構(gòu)和健康功能的代謝產(chǎn)物。因此,明確食物組分的消化吸收過程對特定功能食品的設(shè)計(jì)與構(gòu)建乃至個(gè)性化營養(yǎng)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

2.1 食品中營養(yǎng)與功能組分在體內(nèi)的消化和吸收

在人體食用食品后,食品中營養(yǎng)與功能組分會(huì)產(chǎn)生一系列動(dòng)態(tài)變化。食品中的營養(yǎng)與功能組分在消化道中是逐漸釋放的,經(jīng)過口腔咀嚼、腸胃蠕動(dòng)后,食物體積減小;消化道中的多種蛋白酶、脂肪酶促進(jìn)了與營養(yǎng)與功能組分相結(jié)合的蛋白、脂質(zhì)的降解,共同促進(jìn)營養(yǎng)與功能組分的降解[47]。脂溶性食品營養(yǎng)組分的消化吸收,主要包括消化道中的消化和吸收、淋巴轉(zhuǎn)運(yùn)、肝中生物轉(zhuǎn)化、血液循環(huán)和組織代謝等[48];水溶性食品營養(yǎng)組分則主要是在消化道中被消化吸收,進(jìn)而進(jìn)入血液循環(huán)的,如圖3。在消化道中,脂溶性成分通過進(jìn)入乳化的油滴中進(jìn)而形成膠束被小腸上皮細(xì)胞吸收。在吸收階段,人體中主要有腸細(xì)胞的頂端攝取、細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸和基底外側(cè)分泌三個(gè)階段[49]。借助被動(dòng)運(yùn)輸,大部分的營養(yǎng)與功能組分會(huì)進(jìn)入小腸細(xì)胞,另外腸上皮的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也會(huì)幫助主動(dòng)運(yùn)輸部分營養(yǎng)與功能組分,這些蛋白的選擇性是造成不同營養(yǎng)與功能組分吸收效率差異的主要原因。以類胡蘿卜素為例,在被上皮細(xì)胞攝取后會(huì)被運(yùn)輸?shù)礁郀柣w,從而結(jié)合形成乳糜微粒[50]。由于類胡蘿卜素的疏水性,需要借助轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白實(shí)現(xiàn)在腸細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和分泌。之后大部分的類胡蘿卜素通過淋巴進(jìn)入血液,再被運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)組織和器官。肝臟是類胡蘿卜素的主要貯存器官,會(huì)對類胡蘿卜素進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化和利用,并重新排泄到血液中在全身進(jìn)行分配[51]。

圖3 食品營養(yǎng)與功能組分在體內(nèi)的消化、吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過程示意圖

除了在消化道被吸收的水溶性營養(yǎng)與功能組分,大部分脂溶性功能組分在小腸內(nèi)部分吸收后,剩余的部分會(huì)進(jìn)入結(jié)腸,進(jìn)而被部分降解或與腸道菌群相互作用,起到調(diào)節(jié)腸道菌群的潛在健康效應(yīng)。如胡蘿卜素可能促進(jìn)了黏膜和腸道屏障間的緊密連接,同時(shí)產(chǎn)生類似益生元的作用,導(dǎo)致腸道菌群產(chǎn)生健康效益[52]。益生元效應(yīng)的機(jī)理主要是通過充當(dāng)益生菌的營養(yǎng)物質(zhì),防止生態(tài)失調(diào),從而將腸道菌群的組成朝著有利于人體健康的方向轉(zhuǎn)變,從而改善宿主的健康和生理狀況[53]。例如,乳酸菌和雙歧桿菌發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸可以防止有害細(xì)菌的過度生長,產(chǎn)生的短鏈脂肪酸又具有抗炎作用等[54]。又如,向胃部腫瘤中添加富含β-胡蘿卜素的油可以降低醋酸鹽含量從而提高丙酸鹽的含量,提高機(jī)體的抗炎活性[55]。因此,除了在小腸被吸收的部分類胡蘿卜素,在結(jié)腸與腸道菌群相互作用的類胡蘿卜素產(chǎn)生的健康效益也不容忽視。

2.2 食品中營養(yǎng)與功能組分在體內(nèi)的結(jié)構(gòu)變化機(jī)制

營養(yǎng)與功能組分的營養(yǎng)功效與其在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化密切相關(guān),因此有必要深入了解其在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化路徑,從而有目的地調(diào)控以實(shí)現(xiàn)其健康功效。以類胡蘿卜素為例,其生物轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在組織細(xì)胞中。食品中營養(yǎng)與功能組分的主要健康功效之一是抗氧化,大部分營養(yǎng)與功能組分在體內(nèi)表現(xiàn)了高水平的抗氧化活性,通過自身氧化來清除自由基,起到抑制機(jī)體內(nèi)氧化代謝的健康功效[56]。具體來說,不同的營養(yǎng)與功能組分通過抗氧化作用發(fā)揮多種健康功效,如β-胡蘿卜素能夠有效預(yù)防乳腺癌和前列腺癌[57-58],番茄紅素能夠預(yù)防心血管疾病[59],葉黃素和玉米黃質(zhì)的攝入與預(yù)防年齡相關(guān)性黃斑病變有關(guān)[60]。食品營養(yǎng)與功能組分發(fā)揮健康功效的抗氧化機(jī)制較為復(fù)雜,尚未完全闡明。食品營養(yǎng)與功能組分在人體內(nèi)的化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑見圖4。葉黃素的氧化機(jī)制開始于羥基脫氫和雙鍵遷移,生成的酮類物質(zhì)進(jìn)一步生成二酮。在體內(nèi)這些氧化反應(yīng)發(fā)生迅速,能夠快速清除體內(nèi)的活性氧等,起到了對多種疾病的預(yù)防和控制效果[61]。類胡蘿卜素的另一特殊生物功能是可以作為維生素A原,為人體提供必要的營養(yǎng)補(bǔ)充,這類類胡蘿卜素又稱維A原類胡蘿卜素。具有維A原活性的類胡蘿卜素需要滿足含有至少一個(gè)未被取代的β-環(huán)和一個(gè)C11多烯鏈。自然界中具有維A原活性的類胡蘿卜素有β-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素、β-隱黃質(zhì)等[62]。以β-胡蘿卜素為例,圖4(a)是產(chǎn)生維生素A的主要途徑。每一分子的β-胡蘿卜可以在15,15′-位斷裂,生成兩分子視黃醛,視黃醛可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為視黃醇、視黃酸等[63]。β-胡蘿卜素也可以在10′-位斷裂,每分子生成1分子的β-紫羅酮和1分子的β-阿樸-10′-胡蘿卜素,β-阿樸-10′-胡蘿卜素可以進(jìn)一步生成視黃醛,從而轉(zhuǎn)化為視黃醇、視黃酸等[64]。由于人體不能合成維生素A,所以富含維A原類胡蘿卜素的胡蘿卜等食品是人體補(bǔ)充維生素A的優(yōu)良食物來源。

圖4 食品營養(yǎng)與功能組分在人體內(nèi)的代謝途徑

如圖4(b)所示,番茄紅素從1,2-和5,6-位開始氧化,形成1,2-環(huán)氧番茄紅素和5,6-環(huán)氧番茄紅素,隨后會(huì)生成一系列的環(huán)氧化物[65]。

維生素是維持人體細(xì)胞正常生理活動(dòng)所必需的功能組分,按照生物功能可劃分為6類,分別是具有抗氧化功能的維生素E(α-生育酚)和維生素C(抗壞血酸),具有激素功能的維生素A(視黃醇)和維生素D(鈣化醇),促進(jìn)細(xì)胞增殖的維生素B9(葉酸)和B12(鈷胺素),參與凝血的維生素K和作為輔酶的B1(硫胺素)、B2(核黃素)、B3(煙酸)、B5(泛酸)、B6(吡哆醇)和B7(生物素)。由圖4(c)可知,維生素E(α-生育酚)的氧化機(jī)理主要包括,首先氧化成自由基狀態(tài),之后發(fā)生碳鏈斷裂、羥基被氧化成酮基等一系列反應(yīng),生成對應(yīng)的多種氧化物[66]。

2.3 食品中營養(yǎng)與功能組分在體內(nèi)消化吸收的影響因素

食物被人體攝入后,營養(yǎng)與功能組分的代謝過程受到多種因素的影響,主要包括食物種類、食物基質(zhì)的性質(zhì)和人體健康狀態(tài)等。食物的種類決定了營養(yǎng)與功能組分的含量和種類,如呈現(xiàn)彩色的食物中多富含花色苷、胡蘿卜素、葉黃素、番茄紅素等。綠色蔬菜,包括菠菜、西蘭花、油菜等的葉綠體中含有大量的類胡蘿卜素。不同的食物中富含的營養(yǎng)與功能組分種類不同,營養(yǎng)與功能組分的種類和化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了其在體內(nèi)的吸收過程和健康功效。以類胡蘿卜素為例,其主要有4種形式:全反式類胡蘿卜素、全反式酯化類胡蘿卜素、順式類胡蘿卜素和順式酯化類胡蘿卜素[67]。自然狀態(tài)的食物中含有的類胡蘿卜素以全反式為主,加工中的溫度、酸性等條件會(huì)誘導(dǎo)其產(chǎn)生部分順式異構(gòu),這些化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起類胡蘿卜素吸收效率的變化。通常來講,順式異構(gòu)體的類胡蘿卜素比反式異構(gòu)體在體內(nèi)更容易進(jìn)入膠束,從而具有更高的生物利用度。類似地,葉黃素在加工后產(chǎn)生的酯化葉黃素更容易被吸收[68]。

食物基質(zhì)的性質(zhì)包括天然食物的結(jié)構(gòu)、食物種類和組成,以及食物基質(zhì)的完整性等。食物的天然結(jié)構(gòu)是其營養(yǎng)與功能組分釋放的物理屏障,如細(xì)胞壁、細(xì)胞器膜等。除食物的種類外,食物中其他組分的含量也會(huì)通過相互作用影響營養(yǎng)與功能組分的吸收和利用。如食物中的油可以促進(jìn)脂溶性營養(yǎng)與功能組分的釋放和體內(nèi)吸收[69],食物中的膳食纖維會(huì)通過抑制脂溶性營養(yǎng)與功能組分的釋放和擴(kuò)散而抑制其吸收[70]。此外,食物基質(zhì)的類型,如天然的、加工后的、熟制的等人為造成的差異也會(huì)影響營養(yǎng)與功能組分的釋放和吸收。通常,適度加工后的食物中具有更多可為人體吸收而發(fā)揮健康功效的營養(yǎng)與功能組分。人體的狀態(tài),包括胃腸道健康、性別、年齡,都會(huì)直接或間接地影響營養(yǎng)與功能組分的吸收、代謝和功效[71]。

3 結(jié)論與展望——基于農(nóng)田到餐桌到人體的營養(yǎng)與功能強(qiáng)化策略

在“從農(nóng)田到餐桌”的過程中,食物組分經(jīng)歷了體外加工、體內(nèi)消化吸收等一系列過程,其化學(xué)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)以及健康功效也隨之發(fā)生了復(fù)雜的變化,如圖5。不同個(gè)體對相同的食物及其組分的反應(yīng)可能也會(huì)存在顯著差異,精準(zhǔn)營養(yǎng)被視為維護(hù)人類健康和預(yù)防疾病的一種有前景的策略。明確加工和膳食過程中食物及其組分的復(fù)雜變化,并以此為指導(dǎo),可通過調(diào)節(jié)加工過程,實(shí)現(xiàn)對食物的定向調(diào)控,助推精準(zhǔn)營養(yǎng)的實(shí)現(xiàn)[72-73]。恰當(dāng)?shù)募庸せ蛏攀辰Y(jié)構(gòu)是食品健康效益保持甚至提升的有力保障,而不恰當(dāng)?shù)募庸せ蛏攀硶?huì)造成食品健康效益的減弱甚至消失[74]?；诩庸ぶ圃旌拖者^程中食品組分的化學(xué)變化規(guī)律和機(jī)制,選擇或構(gòu)建合適的策略從而實(shí)現(xiàn)食品營養(yǎng)與功能的強(qiáng)化,成為未來食品領(lǐng)域研究新的關(guān)注點(diǎn)。

圖5 食品營養(yǎng)與功能組分從農(nóng)田到餐桌的轉(zhuǎn)化途徑

3.1 基于食物加工制造的營養(yǎng)與功能強(qiáng)化策略

3.1.1合適的加工方法

加工方法對食品中營養(yǎng)與功能組分的含量變化起著決定性的作用,選擇合適的加工方法能夠促進(jìn)食品中營養(yǎng)與功能組分的釋放,并有效抑制其降解[75]。如在食品的殺菌處理時(shí)盡量選擇非熱加工,能夠避免熱加工的過度處理導(dǎo)致的營養(yǎng)與功能組分氧化降解[76];在食品干燥過程中選擇真空和冷凍干燥處理,能夠有效避免干燥過程中的氧化降解和熱降解。目前也有研究發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)臒峒庸づc非熱加工聯(lián)合處理,能起到較好的釋放營養(yǎng)與功能組分與抑制組分降解的效果[77]。如,輻射處理(紫外線強(qiáng)度75 μW/cm2)聯(lián)合熱處理(50 ℃,10～30 min)后,橙汁中的類胡蘿卜素含量提高了0.20%～46.12%[78]。

3.1.2優(yōu)化的加工參數(shù)

根據(jù)加工目的和食品基質(zhì)的狀態(tài),選擇合適的加工參數(shù),有利于對加工處理效果揚(yáng)長避短。如在非熱加工處理中,根據(jù)食品的特點(diǎn)適當(dāng)提高加工強(qiáng)度(處理壓力、超聲功率等),能提高營養(yǎng)與功能組分的釋放效率。在貯藏時(shí),盡量選擇低溫、低氧、避光環(huán)境,對提高食品中類胡蘿卜素的含量有較好的效果。

3.1.3多樣的食物形式

食品類型可用于指導(dǎo)食物加工方法和參數(shù)的選擇,對于完整的食物,選擇較高強(qiáng)度的加工方法有利于充分釋放營養(yǎng)與功能組分,從而利于人體吸收;對于已經(jīng)過一次加工的果蔬汁等,溫和的加工方式能在達(dá)到殺菌目的等的同時(shí)減少營養(yǎng)與功能組分的損失。

3.2 基于食品消化吸收的營養(yǎng)功能強(qiáng)化策略

3.2.1合理的膳食選擇

為了攝入足量的營養(yǎng)與功能組分滿足身體需要,果蔬等是很好的膳食來源,特別是彩色蔬菜如胡蘿卜、柑橘、辣椒等。多種基因工程食品也是良好的營養(yǎng)與功能組分富集食品,如“黃金大米”、“黃金土豆”等,作為β-胡蘿卜素的生物強(qiáng)化作物,在部分發(fā)展中國家中為人們補(bǔ)充類胡蘿卜素發(fā)揮了重要的作用[79-80]。

3.2.2恰當(dāng)?shù)呐腼兎椒?/p>

在家庭烹飪過程中,選擇適當(dāng)?shù)募庸し椒ㄌ幚硎澄?有利于對營養(yǎng)與功能組分的吸收和利用。如在烹飪食材時(shí)加入適當(dāng)?shù)挠?有利于脂溶性組分的溶解和釋放,以及被人體吸收[81]。

3.2.3營養(yǎng)與功能組分遞送系統(tǒng)

目前針對脂溶性組分不易被人體吸收的現(xiàn)狀,已有多種遞送體系應(yīng)用于脂溶性物質(zhì)的吸收,包括納米顆粒、納米乳劑、納米水凝膠、納米脂質(zhì)體等[82-85]。選擇合適的食用體系可以在食物消化過程中降低營養(yǎng)與功能組分的降解損失,在體內(nèi)抵抗消化道的胃酸和酶的應(yīng)力,同時(shí)有利于營養(yǎng)與功能組分在小腸的吸收,并到達(dá)全身各處器官組織,發(fā)揮健康功效。