花椒精油的提取及應(yīng)用研究進(jìn)展

舒娟,張雪研,宋爽,范江平

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,昆明 650201)

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)素有秦椒、蜀椒、山椒等別稱,為蕓香科,屬灌木或小喬木,是兼具調(diào)味、藥用、生態(tài)價(jià)值為一體的經(jīng)濟(jì)樹種,具有極高的實(shí)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]?；ń肪哂袦刂猩⒑⒖寡?、抗腫瘤、抑菌、殺蟲等功效,可用于治療咳嗽氣逆、風(fēng)寒濕痹、抗?jié)?、抗痢疾等病癥[2-3]。我國(guó)作為花椒生產(chǎn)大國(guó),其栽培面積和地域分布十分廣泛,花椒在我國(guó)20多個(gè)省份均有栽培。近年來,全國(guó)花椒產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,已形成陜西韓城、鳳縣,山東泰安、萊蕪,四川金陽、漢源、茂縣,重慶江津,云南昭通,貴州等最地道的花椒著名產(chǎn)業(yè)帶[4]。

花椒精油,又稱花椒揮發(fā)油(Zanthoxylumbungeanumessential oil,ZBEO),是提取于花椒的一類具有芳香氣味、極易揮發(fā)、可隨水蒸氣蒸餾且與水不相混溶的油狀液體的總稱,其顏色以無色、淺黃色或黃綠色為主,是花椒的原次生代謝產(chǎn)物[5]。ZBEO兼具多種特性,如抗菌消炎、殺蟲、抗氧化和抑制腫瘤細(xì)胞活性等,在食品添加劑、化妝品、醫(yī)藥、農(nóng)藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。ZBEO的成分與含量受品種、環(huán)境條件、收獲時(shí)間、提取方法等諸多因素的影響,其活性成分也較復(fù)雜,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道提取到的活性成分主要有烯烴類、醇類、酮類以及酯類化合物。

近些年,對(duì)ZBEO的提取、成分分析、生物活性的研究方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但對(duì)精油發(fā)揮生物活性作用的具體靶向因子的研究不夠全面和深入,且精油在發(fā)揮生物活性作用過程中是具體某一成分占主導(dǎo)還是各成分協(xié)同作用沒有得到明確的解答。目前制約ZBEO開發(fā)應(yīng)用的主要原因還是其不穩(wěn)定性(水溶性低、揮發(fā)性高、易氧化分解)。不少學(xué)者針對(duì)ZBEO不穩(wěn)定從而限制其廣泛應(yīng)用的問題進(jìn)行了研究,已初見成效。

1 花椒精油的提取方法

目前,在ZBEO的提取上發(fā)展較成熟,主要有水蒸氣蒸餾、溶劑浸提等傳統(tǒng)提取方法,也有現(xiàn)代新發(fā)展和改進(jìn)的一些方法,如同時(shí)蒸餾萃取法、超臨界CO2萃取法、外加電場(chǎng)及酶法輔助提取法等。用上述方法提取的ZBEO,盡管其主要成分基本一致,但由于提取工藝和原料的不同,其提取效率、化學(xué)成分及含量也存在著一定的差別。不同提取方法的優(yōu)點(diǎn)與局限見表1。

表1 不同提取方法的優(yōu)點(diǎn)與局限Table 1 Advantages and limitations of different extraction methods

1.1 傳統(tǒng)提取方法

ZBEO傳統(tǒng)的提取方法主要有溶劑提取法、水蒸氣蒸餾法。溶劑種類的不同對(duì)ZBEO的浸出率有一定的影響。溶劑提取法中使用的溶劑主要有無水乙醇、乙醚、石油醚、正己烷、水及丙酮,其中無水乙醇和乙醚提取效果較優(yōu)曾有報(bào)道。此方法通常選用對(duì)所需組分溶解性高、對(duì)不需要溶解組分溶解度較低的溶劑來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)組分的分離提取。羅凱等[6]采用溶劑浸提法,提取出的ZBEO得率可達(dá)8.37%,總的揮發(fā)油損耗較小,但僅有17個(gè)品種,此工藝對(duì)ZBEO的種類損失較大。宋蓉等[7]用4種不同的溶劑從花椒中分離出ZBEO,不同溶劑萃取的精油在各方面存在一定差異,且對(duì)受試菌的抑制程度也不同,其中以乙醚萃取的精油對(duì)7種不同的細(xì)菌抑制效果明顯。采用溶劑萃取可以增加ZBEO的得率,也可以實(shí)現(xiàn)選用最佳溶劑進(jìn)行最有效的萃取,但溶劑殘留量過大會(huì)對(duì)ZBEO的香氣及組成造成一定的影響,且后續(xù)需要進(jìn)行分離純化。水蒸氣蒸餾法是一種將含揮發(fā)性組分的植物原料同水共蒸,同時(shí)將揮發(fā)性組分和水蒸氣一起餾出,再通過濃縮分離出揮發(fā)性組分的一種分離方法。適用于從水中萃取具有揮發(fā)性、能隨水蒸氣蒸餾而不被破壞、在水中穩(wěn)定、不易溶解或不溶解的植物活性組分。水蒸氣蒸餾法是目前應(yīng)用最廣泛的一種提取植物性天然香料的工藝,其工藝、設(shè)備和操作均較成熟。羅怡華等[8]通過工藝優(yōu)化得到水蒸氣蒸餾的最佳提取工藝:花椒粉碎粒度為40目,料液比為1∶10 (mg/mL),提取時(shí)間為3.0 h。王娟等[9]通過水蒸氣蒸餾法提取漢源、金陽兩地青花椒,同時(shí)提取漢源和武都兩地紅花椒的揮發(fā)油作對(duì)比,發(fā)現(xiàn)水蒸氣蒸餾法提取的青花椒出油率約為5.08%～5.47%,紅花椒出油率約為1.14%～1.52%。

1.2 現(xiàn)代提取方法

ZBEO現(xiàn)代的提取方法主要有超臨界CO2萃取法、超高壓萃取法、同時(shí)蒸餾萃取法及微波輔助提取法等。利用CO2的超臨界流體萃取方法已開始廣泛應(yīng)用于植物精油的提取和分離,與傳統(tǒng)提取方法相比,它能夠提高提取效率、縮短提取時(shí)間且揮發(fā)性化合物不會(huì)因熱處理而發(fā)生變化,但設(shè)備投資大、能耗高等缺陷限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用,它更多地用于科學(xué)研究和生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。吳靜[3]利用超臨界CO2萃取法提取ZBEO,得到優(yōu)化的提取工藝為壓力26.3 MPa、時(shí)間2.53 h、溫度50 ℃、CO2流量21 L/h、粉碎目數(shù)60目,此時(shí)ZBEO得率為11.15%。劉琳琪等[10]研究發(fā)現(xiàn),在42 ℃、30 MPa下,經(jīng)超臨界CO2萃取180 min,其得率可達(dá)12.70%,比水蒸氣蒸餾法高2.27倍。馬鈐等[11]選用亞臨界提取技術(shù)提取ZBEO,最終得到的最佳萃取工藝為萃取3次、萃取溫度40 ℃、萃取時(shí)間40 min、料液比1∶2 (g/mL),此時(shí)ZBEO得率為15.11%,為水蒸氣蒸餾萃取精油得率的3.7倍。

超高壓萃取法是一種在常溫下進(jìn)行的萃取過程,通過給予100～1 000 MPa高壓實(shí)現(xiàn)萃取劑在萃取過程中始終保持高壓,然后在萃取后釋放壓力,從而獲得精油產(chǎn)品。超高壓萃取技術(shù)是目前最常用的低溶點(diǎn)、熱敏性物質(zhì)的提取方法,在食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。賈春曉等[12]以河南花椒為原料,無水乙醇(分析純)作為萃取劑,工藝優(yōu)化結(jié)果表明,超高壓浸出工藝以壓力300 MPa、料液比1∶40、保壓時(shí)間3 min為條件,萃取率可達(dá)到24.16%。

同時(shí)蒸餾萃取法將水蒸氣蒸餾和溶劑萃取兩步相結(jié)合,相比于傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法,提高了提取效率。羅凱等[13]優(yōu)化提取工藝后,發(fā)現(xiàn)選擇乙醚作提取溶劑,提取率可達(dá)到8.2%,色譜峰信息較多且溶劑毒性較小;原料粉碎至40目時(shí),揮發(fā)油得率可達(dá)到9.4%;提取時(shí)間為3 h時(shí),揮發(fā)油的提取率接近9.5%;以超聲波輔助處理5 min,提取率接近12%,色譜峰信息也較多。龍園園等[14]采用同時(shí)蒸餾萃取法,當(dāng)加水量為5.5倍、提取時(shí)間為3.5 h、乙醚用量為41 mL、粉碎粒度為80目時(shí),揮發(fā)油的提取率為3.59%。

通過外加電場(chǎng)(超聲、微波)或酶處理可以有效提高ZBEO的得率,外加電場(chǎng)輔助萃取已被廣泛應(yīng)用于植物中生物活性成分的提取,并引起國(guó)內(nèi)外研究和開發(fā)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。高經(jīng)梁等[15]采用微波輔助提取技術(shù)萃取花椒精油,結(jié)果表明,微波提取ZBEO以料液比1∶10、功率600 W、溫度50 ℃、萃取時(shí)間2 min為條件,精油得率達(dá)到18.56%,產(chǎn)率比溶劑法高9.96%。黃志遠(yuǎn)等[16]通過響應(yīng)面優(yōu)化得到最佳的提取工藝條件:液料比10.3∶1、微波功率502 W、微波處理時(shí)間6 min、提取溫度60 ℃,此時(shí)精油提取率為8.01%。

魏姜勉[17]以花椒籽為原料,超聲波輔助提取花椒籽揮發(fā)油,結(jié)果表明,較優(yōu)工藝參數(shù)為料液比1∶26 (mg/mL)、超聲功率166 W、超聲時(shí)間13 min,在此條件下,花椒籽揮發(fā)油得率可達(dá)3.29%。

采用表面活性劑輔助酶解法從花椒中提取風(fēng)味化合物,該方法在食品工業(yè)中應(yīng)用較少。Zhang等[18]采用表面活性劑輔助酶法從花椒中提取風(fēng)味化合物,優(yōu)化條件后得出:將花椒粉碎至粒徑小于60目,纖維素酶添加量0.5%(質(zhì)量比),中性蛋白酶添加量0.3%(質(zhì)量比),硬脂酰乳酸鈣添加量0.7%(質(zhì)量比),料液比1∶6 (g/mL),酶解溫度45 ℃,酶解3 h的條件下檸檬烯、芳樟醇和烷基酰胺的含量可分別由1.02%、16.5%、27.4%提高至7.51%、48.39%、37.74%。

以上不同提取方法各有利弊,如何針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的優(yōu)勢(shì)與不足,將不同技術(shù)結(jié)合起來,爭(zhēng)取未來開發(fā)出一種簡(jiǎn)單有效,并能夠使品質(zhì)和產(chǎn)量都有保障的提取花椒中風(fēng)味物質(zhì)的方法,實(shí)現(xiàn)花椒效益的最大化仍是我們努力的方向。

2 花椒精油產(chǎn)品的開發(fā)及應(yīng)用

ZBEO具有高度揮發(fā)性,對(duì)環(huán)境壓力(溫度、氧、光、低pH值等)很敏感,因而在加工和儲(chǔ)存過程中造成了風(fēng)味和生物活性的大量損失。ZBEO的高揮發(fā)性和不穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用,降低了其經(jīng)濟(jì)價(jià)值,研究學(xué)者針對(duì)此問題進(jìn)行了不斷的探索和嘗試,其成果也猶如雨后春筍般破土而出。

2.1 花椒調(diào)味油

ZBEO主要采用有機(jī)溶劑和超臨界CO2萃取法提取,一般不能直接食用,必須與食用植物油進(jìn)行一定的稀釋后才能用作調(diào)味品。將花椒與植物油的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相結(jié)合,能使香氣更加濃郁,其生產(chǎn)方式大多選用熱植物油浸提法。林洪斌等[19]用植物油浸提法制備花椒調(diào)味油,工藝優(yōu)化后制得的花椒調(diào)味油具有香味濃郁、透明度好、麻味明顯等特性。彭彰智等[20]優(yōu)化生產(chǎn)棕櫚油基花椒調(diào)味油的工藝條件,結(jié)果表明,當(dāng)料液比為1∶8.5、花椒粉碎粒度為56目、熬制溫度為91 ℃時(shí),測(cè)得的花椒調(diào)味油感官評(píng)分良好,在40 ℃下加速貯藏90 d,貯藏期內(nèi)棕櫚油基花椒調(diào)味油香氣濃郁,無異味,麻味較強(qiáng)烈。孫小嵐等[21]將核桃油與紫蘇油等原料油調(diào)配成脂肪酸構(gòu)成合理的調(diào)和油,再加入花椒精油、姜精油進(jìn)行風(fēng)味調(diào)配,經(jīng)過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化核桃油的配方,得到的調(diào)味油呈現(xiàn)出天然的棕黃色,色澤晶瑩,各項(xiàng)理化指標(biāo)都達(dá)到了一級(jí)壓榨油的要求,口感怡人,同時(shí)具有花椒的清香和生姜的辛辣味道。

2.2 花椒精油微膠囊產(chǎn)品

微膠囊通過將液體材料包裹在聚合物外殼中以獲得固體或自由流動(dòng)的粉末,有利于保護(hù)不穩(wěn)定的敏感化合物免受環(huán)境因素的影響,并掩蓋芯材中不可接受的味道。該方法具有良好的保持芯材生理活性的穩(wěn)定性、掩蓋食品中的不良風(fēng)味、改善其釋放性能、提高其生物利用率等優(yōu)點(diǎn),在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用高分子、聚合物薄膜等進(jìn)行包埋,可防止受到生產(chǎn)中環(huán)境因素的影響。當(dāng)在適宜的條件下,通過控制其時(shí)間、速率、溫度等條件又將其從薄膜中緩慢釋放出來,能夠使其功能發(fā)揮到最佳水平。微膠囊化技術(shù)被廣泛認(rèn)為是一種有效解決這一問題的方式,并被廣泛地用于食品添加劑、調(diào)味品、乳制品、肉制品、糖果、生物酶、營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑等食品領(lǐng)域中。

目前,常用的微膠囊化方法有噴霧干燥、復(fù)合凝聚、分子包埋以及冷凍干燥。張倩等[22]選用羥丙基-β-環(huán)糊精與大豆分離蛋白的復(fù)配物為微膠囊壁材,采用冷凍干燥法制備ZBEO微膠囊,制得的微膠囊包埋率為(96.35±0.94)%。袁路陽等[23]利用噴霧干燥法,以ZBEO為芯材,制備的微膠囊包埋效果良好,精油保留率為89.0%,損失11.0%的ZBEO,并通過感官評(píng)價(jià)對(duì)比ZBEO及其微膠囊在油炸酥肉中的應(yīng)用,得出ZBEO微膠囊的綜合評(píng)價(jià)優(yōu)于等含量的ZBEO。Meng等[24]選用多糖和蛋白質(zhì)作復(fù)合壁材包埋ZBEO,通過微膠囊化有效地保護(hù)了花椒中麻味物質(zhì)的降解。Meng等[25]將實(shí)驗(yàn)制得的ZBEO微膠囊應(yīng)用在中式香腸中,有效地抑制了香腸中脂質(zhì)的氧化,保護(hù)了羥基-α-山椒素和典型揮發(fā)物在香腸貯藏過程中的揮發(fā)降解。

2.3 膜材料的制備

近年來,植物精油由于其天然、綠色和安全等特性,有望成為一種具有抗菌性和抗氧化性的新型抗菌劑和抗氧化劑,已引起人們的廣泛重視。活性包裝又名AP包裝,具有釋放抗菌劑和抗氧化劑、清除氧氣、控制水分、保留風(fēng)味物質(zhì)和消除氣味等特點(diǎn),有利于更好地保存功能性成分,延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期,滿足這些需求的關(guān)鍵是將功能性物質(zhì)封裝到包裝中。

Zhang等[26]制備了含有ZBEO的抗真菌靜電紡絲納米纖維膜,用于草莓和甜櫻桃的保鮮,草莓和櫻桃在涂抹ZBEO薄膜后,可以在10 d內(nèi)保持新鮮,而其他處理的草莓和櫻桃發(fā)霉嚴(yán)重,且ZBEO薄膜處理過的水果感官得分最高。Wang等[27]制備的ZBEO改性玉米淀粉基復(fù)合薄膜具有良好的物理性能和抗菌性能,是一種很有前途的功能性包裝材料。王東芹[28]制備了ZBEO殼聚糖復(fù)合膜,并將其應(yīng)用到生鮮豬肉的保鮮研究中,精油復(fù)合膜能抑制丙二醛、高鐵肌紅蛋白及揮發(fā)性鹽基氮含量的增加,同時(shí)延緩紅度值的降低,使豬肉樣品保持良好的色澤,質(zhì)構(gòu)特性表明,精油復(fù)合膜具有良好的保鮮作用。

精油可作為活性食品包裝,如可食用膜、生物可降解薄膜和涂層將的添加劑,天然存在的生物活性化合物作為抗菌/抗氧化特性的來源,具有無毒、無害、無污染等特性,相比于傳統(tǒng)塑料,它的發(fā)展前景十分廣闊,但如何進(jìn)一步提高其在工業(yè)中的應(yīng)用,如提高其物理性能,消除精油色澤對(duì)感官品質(zhì)的影響,并保證食用過程的安全性,仍然是一個(gè)迫切需要解決的問題。基于天然活性物質(zhì)進(jìn)行食品包裝(如肉、魚、水果、蔬菜)的開發(fā),已經(jīng)得到了特別的關(guān)注。將生物活性物質(zhì)與包埋材料進(jìn)行包合提高穩(wěn)定性,以及與納米技術(shù)相結(jié)合,為天然化合物進(jìn)行活性包裝的工業(yè)制造打開了大門,相信這些技術(shù)未來幾年將在包裝行業(yè)的發(fā)展中獲得廣闊空間。

2.4 納米乳液的制備

納米乳液是一種透明或半透明的體系,主要以表面活性劑作為穩(wěn)定劑分散兩種不相容相。納米乳液是一種新型的“近熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)”,它可以很好地解決各種疏水化合物“水溶性差”的問題。Liu等[29]將ZBEO與微乳液組合,不僅能增強(qiáng)微乳液的滲透效果,而且能降低ZBEO的刺激性。史亞濛[30]進(jìn)行了花椒精油納米乳液的研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過高壓均質(zhì)法制備的納米乳液可以提高ZBEO的生物活性,將納米乳液添加到調(diào)味醋中,兩者具有較好的相容性,且在ZBEO納米乳液加入量為1.0%時(shí),不僅保留了醋的原有香味,而且呈現(xiàn)出較好的花椒香味。靳若寧等[31]對(duì)青花椒精油納米乳制備的最佳配方進(jìn)行優(yōu)化,研究其理化性質(zhì)及體外抗菌性能,發(fā)現(xiàn)青花椒精油納米乳整體澄清透明,流動(dòng)性與穩(wěn)定性均良好,且抑菌效果優(yōu)于青花椒精油。ZBEO中含有豐富的芳樟醇、檸檬烯、桉油醇、檜烯等活性化合物,在食品工業(yè)中可作為抗真菌劑、抗氧化劑和特種調(diào)味劑等廣泛應(yīng)用,盡管ZBEO作用十分有效,但由于缺乏更好的配方,其應(yīng)用始終受到阻礙。納米乳液的緩釋、靶向作用及對(duì)藥物的保護(hù)機(jī)制,以及ZBEO本身具有的多重生物活性(如抗炎、抗腫瘤、鎮(zhèn)痛、局部麻醉等),兩者相結(jié)合有利于藥物載體的研究與制備。

3 結(jié)語

目前,我國(guó)以ZBEO為主要成分開發(fā)的產(chǎn)品尚處于起步階段,種類寥寥可數(shù),ZBEO相關(guān)產(chǎn)品在市場(chǎng)上占據(jù)的份額小,未能實(shí)現(xiàn)將已有的花椒資源物盡其用,造成了極大的浪費(fèi)。市場(chǎng)上的花椒產(chǎn)品及應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面:花椒調(diào)味產(chǎn)品,主要有保鮮花椒、花椒調(diào)味油、花椒精油、花椒精、花椒麻精、花椒油、花椒調(diào)味醬等,還被用作鮮榨果汁風(fēng)味增強(qiáng)劑來提高風(fēng)味接受度以及在高級(jí)菜肴如餡餅和冰淇淋等甜味劑中用作調(diào)料;花椒日化品開發(fā),包括洗浴用品、護(hù)發(fā)素、香水、護(hù)理牙膏、香皂、洗面奶、面霜等;花椒養(yǎng)生系列,例如泡腳包、鞋墊、暖宮貼、花椒布鞋等;花椒食品的制作,諸如花椒黑酸奶、花椒啤酒、花椒鍋巴、花椒夾心QQ糖、沖泡花椒及姜棗茶、花椒水、花椒芽菜等。

花椒已成為我國(guó)南北多個(gè)省份的主要經(jīng)濟(jì)樹種,現(xiàn)階段其主要用途還是用作調(diào)味料,眾多研究表明,ZBEO具有多重生物活性,若要推動(dòng)花椒產(chǎn)業(yè)從單一模式向全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,需要加大對(duì)其新產(chǎn)品(如精油)的開發(fā)力度,加大科技投入,以增加其經(jīng)濟(jì)效益,豐富其品種。此外,研究多選擇果皮進(jìn)行利用,對(duì)于花椒籽、枝、葉、嫩芽等的研究較少,隨著花椒市場(chǎng)需求的增大,其種植面積也必將迅速擴(kuò)大,修剪、采摘、食用等過程將產(chǎn)生大量的枝干、葉、籽等副產(chǎn)物,堆積過程不僅造成資源浪費(fèi),而且造成一定的環(huán)境污染,花椒果皮在提取有效成分后,未能對(duì)加工副產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)有效利用,副產(chǎn)品中含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、黑色素、抗菌肽、多酚、酰胺等,面對(duì)全球資源日益短缺的形勢(shì),各行業(yè)應(yīng)共同努力,創(chuàng)新產(chǎn)品,擴(kuò)大花椒生產(chǎn)過程中副產(chǎn)物的綜合開發(fā)與利用,將其變廢為寶迫在眉睫。我國(guó)擁有豐富的花椒資源,應(yīng)該充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì),對(duì)其進(jìn)行深入的研究,以改善其利用不充分、揮發(fā)性高和生物利用度低的問題,為今后推動(dòng)花椒產(chǎn)業(yè)全方位高效發(fā)展,進(jìn)一步擴(kuò)大其在醫(yī)療、保健、日化、油料等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展奠定基礎(chǔ)。