桑椹花色苷生理活性及加工稳定性研究进展

李兆路,陈芹芹,毕金峰,吴昕烨,段玉权,司 旭

(中国农业科学院农产品加工研究所/农业部农产品加工重点实验室,北京 100193)



桑椹花色苷生理活性及加工稳定性研究进展

李兆路,陈芹芹,毕金峰*,吴昕烨,段玉权,司 旭

(中国农业科学院农产品加工研究所/农业部农产品加工重点实验室,北京 100193)

花色苷是桑椹所含的重要生理活性物质之一,具有抗氧化、抗癌、神经保护、心脑血管保护和抑制体重增加等功效,但在桑椹加工与贮藏过程中,花色苷对热和光等因素较敏感,易发生不利降解,从而降低其生物活性。本文综述了近年来国内外桑椹花色苷的研究进展,主要涉及桑椹花色苷的生理活性和加工及贮藏过程中的稳定性,旨在为桑椹花色苷资源的高效利用提供理论支撑。

桑椹,花色苷,生理活性,加工,稳定性

桑椹(Mulberry),又名桑枣、桑果等,多年生木本植物桑树的果实。起源于非洲、亚洲、南美洲和北欧的亚热带地区[1],是一种药食两用水果。花色苷(Anthocyanins)是一种可以使桑椹呈色的类黄酮多酚化合物[2]。大量的研究表明桑椹花色苷可以降低心血管病发病几率、改善炎症、抑制化学毒性物质和脑缺血性损伤[3],最近的研究还表明矢车菊素-3-葡萄糖苷具有清除自由基、抑制体重增加和抑制血管内皮功能紊乱的功效[4]。

近年来,饮食的营养与健康逐渐受到消费者的重视。虽然新鲜桑椹中花色苷含量较高(719μg/g)[3]且具有诸多生理活性,但是由于其存在不稳定性,导致在食品加工过程中的降解和损失,这严重制约着以桑椹花色苷作为主要生物活性因子食品的加工与开发。

为此,文章对近年来国内外研究桑椹花色苷主要生理活性及其在食品加工中稳定性的文献进行了系统总结,为进一步研究桑椹花色苷的生理活性机制,以及探究其在加工过程中的变化规律提供信息与思路,旨在使桑椹中的花色苷资源在食品加工中得到有效利用。

1 桑椹花色苷简述

花色苷是花青素与一个或多个葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖等通过糖苷键连接形成的一类化合物,多存在于蓝色、红色和紫色的叶子、花和果实中[5]。桑椹是一种富含花色苷的水果,Liu等[6]和陈亮[7]等研究认为桑椹中的花色苷主要包括矢车菊素-3-O-葡萄糖苷和矢车菊素-3-O-芸香糖苷,其相对含量分别为67.52%和31.29%。Du等[8]用高速逆流色谱法,定量分析出三种新花色苷:矢车菊素-3-O-β-D-吡喃葡萄糖苷、矢车菊素-3-O-β-D-半乳糖苷和矢车菊素-7-O-β-D-吡喃葡萄糖苷,它们的总相对含量约为8%。Wu等[9]采用高效液相色谱-电喷雾串联质谱法又分析出飞燕草素-3-芸香糖苷、飞燕草素-3-(6′丙二酰)-葡萄糖苷和芍药素-3-木糖基鼠李糖苷三种新的花色苷。关于桑椹花色苷成分的研究结果虽然各有不同,但是均显示桑椹花色苷的主要成分是矢车菊素-3-O-芸香糖苷和矢车菊素-3-O-葡萄糖苷。其结构式如图1所示[10]:

图1 矢车菊素-3-O-芸香糖苷(上)和矢车菊素-3-O-糖葡萄苷(下)结构式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与机制也是近年来国内外研究的热点。有研究发现精制浆果花色苷和富含花色苷的提取液对多种癌细胞具有促凋亡能力[15]。Huang等[16]研究证明桑椹花色苷可以通过抑制Ras/PI3K信号通路,降低基质金属蛋白酶MMP2和MMP9的活性,抑制恶性黑色素瘤细胞的转移和侵袭,从而达到抗癌作用。Huang等[17]研究发现无论是在体内还是体外桑椹花色苷都会通过激活p38/jun/Fas/FasL和p38/p53/Bax等信号分子,诱导胃癌细胞凋亡。Chen等[18]观察到一定量的矢车菊素3-葡萄糖苷和矢车菊素3-芸香糖苷不仅对转移活性较高的A549肺癌细胞的转移和侵袭表现出了抑制作用而且能在基因转录水平上对肿瘤细胞产生抑制作用。虽然已有的研究结果表明桑椹花色苷抗癌机理众多,包括抑制癌细胞的转移和侵袭、诱导癌细胞凋亡、在基因转录水平抑制癌细胞增殖、降低金属蛋白酶的活力等。但是,导致桑椹花色苷对不同部位癌细胞的抑制浓度不同的根本原因尚不清楚；桑椹花色苷可以通过多种途径诱导癌细胞凋亡,而这些途径之间的复杂关系也还有待深入研究。

2.3 神经保护作用

桑椹花色苷具有神经保护作用。Kim等[19]对70%乙醇的桑椹提取液进行研究,发现桑椹提取液对帕金森病有预防和治疗作用。Kang等[20]发现桑椹花色苷对接触过氧化氢的大鼠PC12嗜铬细胞瘤细胞具有保护作用,可以抑制由低氧低糖引起的脑缺血性损伤,进一步用瞬态大脑中动脉闭塞脑损伤的小鼠,此研究证明桑椹花色苷在体内具有神经保护作用。Bhuiyan等[21]发现桑椹花色苷通过抑制小鼠初级皮层神经元中的氧糖剥夺和提高诱导细胞死亡的谷氨酸水平来实现神经保护作用。总结前人研究可以发现,大脑神经细胞对自由基极其敏感,易受氧化损伤而导致帕金森病等神经退行性疾病,因此桑椹花色苷清除活性氧簇的能力与其神经保护作用密切相关。

2.4 心脑血管保护作用

关于桑椹花色苷的心脑血管保护作用,也有不少学者进行了深入研究。Yang等[22]用5%或者10%富含花色苷的桑椹冻干粉饲喂小鼠,发现小鼠血清和肝脏中甘油三酯总胆固醇、血清低密度脂蛋白胆固醇水平以及动脉粥样化的指数均有所降低,血液和肝脏抗氧化状态得到改善,此研究结果暗示,桑椹花色苷具有心脑血管保护作用。Chen等[23]研究发现1%的桑椹水提物可以减少53%的胆固醇和66%的低密度脂蛋白胆固醇以及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。以上各项研究结果表明桑椹花色苷对动脉壁中的低密度脂蛋白的抗氧化作用降低了动脉粥样硬化和冠心病的发病率。

2.5 抑制体重增加

桑椹花色苷对体重增加的抑制作用是近几年新兴的一个研究方向。Peng等[24]发现富含花色苷的桑椹水提物可以调节脂肪合成和脂肪分解,从而发挥抗肥胖和降血脂作用。Wu等[25]进一步对桑椹花色苷抑制体重增加的作用进行了深入研究,他将桑椹花色苷加入到小鼠的高脂肪饲料中,并分别对矢车菊素3-葡萄糖苷、矢车菊素3-芸香糖苷和天竺葵素3-葡萄糖苷对体重增加的抑制效果进行了评估。结果表明当桑椹花色苷摄入量超过40mg/kg时,可以抑制小鼠21.4%的体重增加,因此桑椹花色苷作为膳食补充剂可以防止饮食诱导的小鼠肥胖。但是目前关于桑椹花色苷抑制体重增加的研究,仅发现矢车菊素3-葡萄糖苷、矢车菊素3-芸香糖苷可以调节脂肪合成和脂肪分解而抑制体重增加,至于其具体作用机理有待探究。

2.6 其他作用

除了上面的一些生理活性,桑椹花色苷还有抗炎和护肝等作用。Chang等[26]研究发现桑椹花色苷通过磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶、抑制脂类合成和刺激脂类的分解来降低血脂。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]研究发现在糖尿病诱导的氧化应激条件下,桑椹中的矢车菊素-3-葡萄糖苷可以改善小鼠的勃起功能。Tang等[28]研究发现富含花色苷的桑椹水提物可以通过减少脂肪积累和脂质的合成,增加脂肪酸运转和氧化能力,降低氧化应激来抑制酒精引起的肝损伤。生物体多种疾病的发病诱因是脂质的过氧化,尤其是心脏、肝脏微粒体和线粒体中脂质的氧化。而桑椹花色苷对活性氧簇的清除能力奠定了其多种生物活性功能,随着桑椹花色苷提纯及单体分离技术水平的提高,相信人们对桑椹花色苷的功能活性研究势必会进入新的阶段,其更多有用的生物活性也将会被逐一发现。

3 桑椹花色苷在食品加工中的稳定性

3.1 热加工稳定性

在受热条件下桑椹花色苷会发生降解,Kara[29]对桑椹汁中花色苷的热降解动力学进行了研究,并用一级反应动力学模型模拟了桑椹汁中花色苷的热降解过程,发现在加热条件下桑椹中的花色苷比黑莓和樱桃中的花色苷更不稳定,这是由它们花色苷的组成成分不同所致。Aramwit等[13]研究表明花色苷对光和热不稳定,在提取过程中,光和温度对花色苷含量有显著影响。在70℃条件下浸提10h以后,花色苷被极大破坏,损失率高达31.25%。Fazaeli[30]和Hojjatpanah等[31]研究得出桑椹制汁过程中,随着蒸馏压力和温度的增高,果汁花色苷的降解速率加快,而在真空微波条件下所得的果汁花色苷含量高,抗氧化能力强。Aazaeli等[32]发现桑椹喷雾干燥中较高的进风温度、压缩空气流速以及助干剂浓度都会减少花色苷含量。这些研究都表明,桑椹花色苷对热不稳定,在热加工过程中,大量降解,不利于食品加工,因此桑椹在加工过程中要避免过热加工。目前,桑椹热加工领域内的研究多以桑椹花色苷热降解的动力学研究为主,而其具体降解机理不甚明了,仍有待深入探究。

3.2 发酵过程稳定性

在发酵或陈酿过程中,花色苷的含量逐渐降低,和一些小分子中间代谢产物经过一系列生化反应生成一类新型的天然花色苷衍生物,这些衍生花色苷结构更为稳定,且色调丰富,比合成色素营养安全,可作为天然色素以及功能性成分用于酒类、果汁、点心、冷饮、面制品以及功能性食品中[33]。Pérez-Gregorio等[34]研究发现桑椹发酵时所接触的氧气或多酚氧化酶造成了花色苷的降解,降解率达50%,但是桑椹汁液的总黄酮醇含量及抗氧化能力并没有减弱,表明桑椹花色苷分解成了其他具有抗氧化活性的羟基酸。He等[35]研究发现在果酒的发酵过程中,花色苷分解为结构更加稳定的衍生色素和聚合色素,这些色素与酚类成分一起使酒体色泽持久稳定。从以上的研究结果来看,适宜的发酵过程会使花色苷发生有利降解。目前,有关发酵过程中影响衍生花色苷产生的因素和形成机制的研究较少,未来应该加强此方面的研究,为有效改善发酵产品品质提供有力的科技支撑。

3.3 贮藏过程稳定性

在贮藏过程中,不同贮藏条件下桑椹花色苷的稳定性有较大差异。Tsai等[36]测定了贮藏时间为1、3以及12个月的桑椹酒,发现聚合体色素和聚合体花色苷的含量分别从0%和16.63%变为了20.93%和30.44%,而单体花色苷从83.37%降到了48.63%,抗氧化能力也有所减少。这表明在贮藏过程中,单体花色苷转化为了聚合体色素和聚合体花色苷。Furtado等[37]发现储存时受光照也会使花色苷产生降解,但光降解与热降解产物相同途径却不同。桑椹花色苷在贮藏中的降解规律影响着桑椹产品不同时期内的营养价值与货架期,是合理生产、运输、销售、存贮、甚至食用桑椹相关保健食品的依据之一,对其研究不该只停留在表象上,更要研究不同贮藏环境下桑椹花色苷成分的变化趋势和变化机理,以客观科学的指导生产实践。

3.4 其他

Engmann等[10]研究了食品超高压加工对桑椹汁中花色苷组成成分和含量的影响,发现未经超高压处理时桑椹花色苷的组成成分为55.56%的矢车菊素-3-O-葡萄糖苷和44.44%的矢车菊素-3-O-芸香糖苷,而经200MPa超高压处理20min后又发现了天竺葵素-3-O-芸香糖苷(0.46%)和飞燕草素-3-O-芸香糖苷(5.8%)两种新的花色苷；400MPa处理20min时,却只发现了飞燕草素-3-O-芸香糖苷(5.38%)。这说明,不同的机械力作用强度和时间会影响桑椹花色苷的化学组分。在食品加工过程中食品基质、辅料以及食品添加剂等都会对桑椹花色苷的含量以及存在形式造成一定影响。Tsai等[38]研究90℃下不同蔗糖浓度(20%、40%、60%)及pH(2～4)对桑椹花色苷抗氧化能力的影响。发现低pH、高蔗糖浓度的溶液在受热时单体花色苷减少而聚合花色苷增加,溶液的抗氧化能力增强。Qin等[39]研究发现桑椹花色苷在强酸和弱碱环境下稳定性较好,随着温度的升高桑椹花色苷的降解程度加剧。虽然,目前已知的花色苷降解机理可能有三种[40]:花色苷与水发生加成反应最终形成香豆素类衍生物；花色苷与水发生加成反应最终降解为苯甲酸类衍生物；花色苷水解脱葡萄糖最终生成醛和苯甲酸衍生物。但是,每种加工贮藏方式具体对应着哪种降解机理且降解过程是否有利于食品生产均不清楚,有待深入研究。

4 总结与展望

桑椹因其具有抗氧化、抗癌、保护神经系统、保护心脑血管、控制体重等重要的生理活性而得到了消费者的青睐,但其各项生理活性具体作用机制有待进一步研究。目前,国外对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,而国内对桑椹花色苷的研究则较多样化,除了对其抗氧化和抗癌生理活性的研究,还对其心脑血管保护和神经保护以及抑制体重增加等功效进行了深入研究。Hall等[41]认为未来对桑椹花色苷的研究应该继续在细胞和分子水平上进行。Stewart等[42]建议未来多从临床医学的角度对桑椹的生物学功能进行评价。另一方面,在食品加工过程中由于桑椹花色苷的热不稳定性,导致采用热加工工艺的桑椹汁以及喷雾干燥的桑椹粉中花色苷大量损失,而桑椹酒在发酵过程中,花色苷多被微生物降解,得到的产品色泽虽好但抗氧化能力有可能会减弱。因此,开展超高压、脉冲电场等非热加工,以及真空冷冻干燥、真空微波干燥等低温干燥技术的研究尤为迫切,此外研究桑椹花色苷在微生物中的代谢途径也尤为重要,以期能够调控桑椹酒发酵过程中微生物对花色苷的利用途径,使花色苷的降解向有利于食品加工的方向进行。同时,桑椹干制品的研究与开发也应受到重视,只要能够控制桑椹干燥过程中花色苷的损失,干制品易于贮藏的特性将成为其最大的优势。总之,作为一种药食兼用的水果,如何降低其加工过程中花色苷的损失,开发出具有一定生物活性功能的桑椹食品,将成为这一领域内研究者的重要课题。

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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,硕士,研究方向:食品科学。

*通讯作者:毕金峰(1970-),男,博士,研究员,研究方向:果蔬精深加工与副产物综合利用技术。

公益性行业(农业)科研专项经费资助(201303073)；新疆生产建设兵团科技支疆计划(2013AB020)资助。

TS255.1

A

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

10.13386/j.issn1002-0306.2015.09.077