葵花籽生物活性物质及熟制后风味化合物研究进展

胡航伟,林祥娜,汤晓娟,林祥生,王 亮,刘云国,*

(1.新疆大学生命科学与技术学院,新疆乌鲁木齐 830002; 2.临沂大学生命科学学院,山东临沂 276000; 3.山东小炒旺食品有限公司,山东临沂 276000)

中国作为农业大国,可食用油料作物资源丰富,2017年中国植物油料产量达3732万t,比起去年增产了2.8%[1]。在我国的油料作物中,葵花籽产量仅次于油菜籽、大豆、花生和棉籽,是发展前景很好的世界五大可食用油料之一。向日葵归于菊科向日葵属,为一年生草本植物,素有“葵花”、“太阳花”等美名。葵花籽是向日葵的果实,既可作为休闲零食,也可用于制作糕点的辅料,同时是重要的榨油原料和高档油脂的来源。其中,用于榨油的葵花籽占总产量的50%～55%[2]。我国葵花籽的种植区域广泛,主要集中在内蒙古、新疆、宁夏、吉林和黑龙江等省份,其中以内蒙古的产量最多,约占全国的40%。目前,我国每年食用油的消费量突破3500万t,但是供不应求。为此,国家出台相关政策,鼓励发展国产油料,使得葵花籽产业更有开发潜力[3]。葵花籽中富含多种生物活性物质,如绿原酸、亚油酸、甾醇、维生素、微量元素等。研究还发现,这些活性物质具有抗氧化、促进肠道蠕动、增强免疫力、抑制胆固醇合成的作用[4]。葵花籽作为休闲类瓜子的基本原料,其可添加辅料或者不添加辅料,经过炒制、干燥或其他熟制后,赋予该产品应有的风味,这得益于一系列的化学反应和风味化合物的产生,其食用方便、老少皆宜、营养味美,广受消费者喜爱。

当前,葵花籽的利用,多半作为烹调膳食的植物油和经过炒制等热加工制得的休闲食品。而在大规模、自动化的可食加工过程中,受生产成本、技术条件等多方面限制,剩余的籽粕和籽壳资源将视为废物直接丢弃或者作为廉价的饲料来使用,其中所富含的功能性成分不能得以高效利用。对此,本文综述了葵花籽中典型的生物活性物质,并概括其提取技术的研究情况,同时说明了葵花籽熟制后风味化合物的种类,对关键风味物质吡嗪类和醛酮类做详细说明,这有助于为后续学者在葵花籽活性物质及风味方面的深入研究提供理论指导,有望开发出适应市场需要、具有保健功能的新型葵花籽类产品,真正实现葵花籽产业复兴的美好愿景。

1 葵花籽生物活性物质及提取研究

1.1 绿原酸

绿原酸也叫咖啡鞣酸,是植物在有氧呼吸过程中形成的一种苯丙素类物质,实质是由咖啡酸与奎尼酸缩合而成[5],分子式为C16H18O9。绿原酸是一种重要的植物次生代谢产物,表现出缓解关节炎[6]、促进发热[7]、抗肿瘤[8]、清除自由基和兴奋中枢神经系统等生理功能。绿原酸在杜仲叶、金银花、向日葵中含量居多,其中葵花籽中绿原酸含量达1.5%～3.3%[9],它主要分布在葵花籽仁的糊粉层中、细胞的蛋白质颗粒内。徐丹丹[10]测试葵花籽仁中多酚种类和总量,结果显示,绿原酸(5-dicaffeoylquinic acids,5-CQA)是葵花籽仁中主要多酚类物质,存在形式多为游离态,实验所用葵花籽仁的总绿原酸含量达(13.87±0.02) mg/g葵仁。

目前,绿原酸常用的提取方法有水提法、超声波辅助醇法、酶提取法、混合辅助提取法、超临界CO2提取法等。阳元娥[11]采用超声强化超临界CO2流体萃取技术,考察萃取温度、流体流量等5个因素对葵花籽粕中绿原酸得率的影响。该实验最优条件下,绿原酸的萃取率达4.71%。陈永胜等[12]通过研究酶解时间、加酶量对葵花籽粕中绿原酸提取率的影响。结果发现,纤维素酶和蛋白酶的协同作用能显著提高绿原酸的提取量,收率可达1.90%。袁粉粉等[13]将微波技术应用于葵花籽粕中绿原酸的提取,结果在乙醇体积分数60%、微波时间4 min、微波功率300 W、微波温度60 ℃、料液比1∶18 g/mL的水平下,实验用葵花籽粕中绿原酸的得率最佳,达到4.925%。绿原酸较好的生物活性,在临床上的应用也很普遍。但是植物中绿原酸存在的异构体较多,加大分离纯化的难度。现有的提取技术,多数以其抗氧化能力作为含量的测定指标,在产物组分方面的研究报道较少,不能很好保证产品的纯度,存在一定的安全风险。同时绿原酸含有多元酚、不饱和双键等不稳定结构,容易导致其活性大幅降低,而在酸性条件下稳定性好,根据这一特性,今后可在提取工艺中加以改善。

1.2 亚油酸

葵花籽的含油量高,籽仁含油平均高达50%,其味道芳香可口;并且含有近90%的不饱和脂肪酸,以油酸和亚油酸含量最多[14],其中亚油酸占60%以上(因产地或品种不同,脂肪酸含量存在差异性),董煚等[15]已有相关研究报道,如表1。Franca等[16]研究发现摄食亚油酸具有降低心血管疾病发病率的生理功效。对于油料作物,传统的植物油提取技术有物理压榨法、溶剂浸出法及压榨与浸出相结合的方法。其中,物理压榨法是将原料经过清理、烘干、脱壳、破碎等预处理后进行压榨提取油脂[17]。压榨法取油工艺的配套设备少,生产灵活度高,风味自然而纯正[18]。溶剂浸出法是利用有机溶剂相似相溶原理,萃取并分离而得到浸出毛油[19]。

表1 三种葵花籽中不同脂肪酸的含量(%)Table 1 Contents of different fatty acidsin three varieties of sunflower seeds(%)

目前,亚油酸的获取方法有超声提取法、超临界CO2萃取法、水酶法等,其中以水酶法最温和、更常用。Latif等[20]研究五种酶制剂对葵花籽中油提取的影响,结果表明,使用酶制剂Viscozyme L时获得的产量最高,占原料中总油的87.25%。刘媛媛等[21]采用水酶法对葵花籽油提取效果进行研究,选定的最佳工艺条件为葵花籽原料粉碎至平均粒径19.68 μm,料液比为1∶5 (w/v),碱性蛋白酶添加量1.5%,反应时间2 h,游离油得率达92.48%。任健[22]在热处理技术上,通过单因素和响应面法分析,确定实验条件下葵花籽油的得率最高为89.8%。油料中的油脂存在于细胞内部,通常是与蛋白质、多糖等大分子结合而形成复合体。在细胞外面有一层细胞壁,结构牢固,这增加油脂提取的难度[19]。水酶法提取技术一方面作用油料作物的细胞壁,使油脂可以顺利流出;另一方面降解脂多糖、脂蛋白等复合体,使油脂释放出来,增加其流动性,进而提高作物的出油率。酶制剂除了降解油料作物的细胞壁、脂类衍生复合体外,还能破坏油料在磨浆过程中产生的包裹在油滴表面的脂蛋白膜,降低乳状液的稳定性,提高产品收率,更有应用潜力。

1.3 膳食纤维

膳食纤维与传统的六大营养素并列,其为“第七类营养素”,又称作“清道夫”。按溶解性不同,膳食纤维分成水溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)和水不溶性膳食纤维两大类。与水不溶性膳食纤维相比,SDF具有特殊的生理活性,能在结肠中几乎被彻底水解成短链脂肪酸,从而在预防结肠癌中发挥有利效用[23],并且能够降低血清胆固醇。葵花籽粕中富含膳食纤维,主要是SDF。近年来,有关植物中膳食纤维的研究主要集中在亚麻籽、大豆、燕麦,而涉及葵花籽中膳食纤维特性及提取技术的报道并不多[4]。

目前,膳食纤维的提取方法有化学法、膜分离法、超声辅助法等[24]。褚盼盼等[25]以葵花粕为实验原料,采用水提醇沉法来研究SDF的最佳提取工艺及产物的理化性质。在选取的最佳条件下,SDF得率达29.40%,产物经过验证后表现出一定的持水性、溶胀性、乳化能力。朱洪梅等[26]通过单因素实验和响应面优化设计分析,结果证明该模型的拟合程度良好,在实验规定范围内,可用于预测瓜子皮SDF得率。臧延青等[27]以葵花籽壳为原料,从提取液浓度、浸提温度等4个因素研究SDF提取效果,并对SDF的体外抗氧化性做了进一步研究。籽壳中膳食纤维的再利用,有助于提高葵花籽的附加值,拓宽应用范围,进而实现大规模化生产,对现有技术工作条件进行优化,提供一种绿色生产模式,最大限度获得低成本、产量高的优质产品。

1.4 活性多肽

葵花籽榨取油脂后的籽粕含有丰富的优质蛋白,含量为29%～43%[28]。其籽粕蛋白的氨基酸种类丰富、无抗营养因子,且生物利用率高,视为一种理想的植物蛋白资源[29]。受到生产条件的约束,通常其籽粕被作为动物饲料、果树肥料等低值产品利用,造成原料的大量浪费,甚至导致环境的污染。近年来,国内外许多学者对其蛋白活性进一步开发,以便获得机体吸收性好、可利用率高、生物活性稳定的多肽,这在一定程度上提高了籽粕中营养物质的附加值。

与蛋白相比,多肽具有黏度低、溶解性高、吸水性强等优越的理化特性[30],研究还发现籽粕多肽在抗氧化、增强免疫及降血脂等方面表现出较高的生物活性。现在对于油料籽粕多肽制备方法主要有化学水解法、微生物发酵法和酶解法。郭婷婷等[31]对葵花籽粕原料进行湿热预处理,分析出影响实验提取效果因素的主次顺序为pH>过筛目数>料液比>处理时间。郭婷婷等[32]选用葵花籽粕为实验原料,以酶解过程中酶解物氮收率为评价指标,对比研究不同蛋白酶的酶解效果,进而筛选出适宜的蛋白酶制剂。董聪[33]通过单因素和响应面法来探讨3种不同提取方法各自最佳的提取条件,结果微波法获得的葵花籽粕多肽液,对羟基自由基(·OH)清除率最高,可达54.13%。微生物发酵具有条件温和、菌种繁多、适应性强等优势;而酶制剂的专一性,可有针对性的作用在特定位点,达到初步破坏生物大分子空间结构的效果。采用多种提取手段相结合,通常能够达到较为理想的协同效果,这可为葵花籽粕中优质蛋白的高效利用提供新的研究思路。

1.5 甾醇

目前,已知天然植物甾醇的种类高达200多种。甾醇类型可分为4-甲基甾醇、2-甲基甾醇和无甲基甾醇,其区别在于烷烃基上甲基的数量及位置[34]。植物甾醇是植物中天然存在的一类化合物,其结构通常包含有4个特征性不饱和环、3β-羟基(3β-OH)基团和位于碳17(C17)位置的脂肪族支链[35],并对细胞膜稳定性起重要作用[36]。这类化合物对于人类健康展现出的各种功能特性,同样倍受关注。据报道,植物甾醇能够达到降低疾病风险的效果,包括抗癌特性[37-38]、预防心脏病[39]、抗炎[40]和降低血液中低密度脂蛋白及胆固醇[41-43]。这些生理益处一定程度上激发人们对含有植物甾醇食品相关研究的兴趣。同时,甾醇含量已被用作植物油的鉴定、新鲜度评估及油品假冒检测的重要指标[44]。葵花籽和葵花籽油均含有一定的植物甾醇,其中葵花籽油中以β-谷甾醇为主,约占总甾醇含量的57%,其次是菜油甾醇和豆甾醇[45]。植物甾醇含量的分析,通常采用气相-质谱联用法[46]、高效液相色谱法[47]、分光光度计法或多种技术联用来测定。孙佳等[48]将马鲁拉油与市售的6种植物油料中甾醇含量进行对比,发现选购的葵花籽油中β-甾醇达218.10 mg/100 g,且含量明显高于马鲁拉油。

1.6 其他活性物质

除上述外,葵花籽中还含有维生素、黄酮类物质、萜类化合物及微量元素等。葵花籽中含有的维生素包括维生素E和B族维生素(维生素B1和叶酸等)。维生素E存在4种同分异构体,即为α型、β型、γ型和δ型。以α型活性最高,其在葵花籽中含量不仅仅高于其他3种同分异构体,还显著高于其他维生素E来源作物的含量,例如大豆、核桃等。王豪等[49]挑选市售的7种常食用的坚果,对比后发现葵花籽中总黄酮含量最高,达到(35.16±0.07) mg/g,而总三萜也含有(1.45±0.07) mg/g。葵花籽中还富含多种微量元素,如Fe、Zn、Se等。

2 葵花籽熟制后风味化合物

图1 食品中风味物质提取、鉴定的一般步骤Fig.1 General steps for extraction and identification of food flavor substances

除了质地和色泽外,风味是食品的重要特性。由风味化合物引起的整体感官印象强烈地影响消费者对产品的接受度,对风味化合物的定性定量分析和改善食品风味质量的研究更为热门,目前,风味物质的提取及鉴定方法有溶剂辅助风味蒸发(solvent-assisted flavor evaporation,SAFE)、超临界萃取、固相微萃取、香气提取物稀释分析(aroma extraction dilution analysis,AEDA)、气相-离子迁移色谱、气相嗅觉法(gas chromatography-olfactometry,GC-O)等,这在混合体系的组分分析中应用广泛。图1提供了研究食品中风味物质的一般思路,清晰的说明了各个步骤下的要点,可为后续学者在食品风味化学方面的研究给予帮助。葵花籽中风味化合物种类很多,如烯类、烷烃、杂环类等,经烘烤后的葵花籽香酥可口,是理想的休闲方便食品,其特征风味主要由醛酮类化合物和吡嗪类化合物组成的[50]。

2.1 萜烯类化合物

萜烯类物质是广泛存在于植物体内的天然来源碳氢化合物,分子式多为异戊二烯整数倍,且存在同分异构体,多数具有一个环和两个双键或者是两个环和一个双键,其中α-萜烯和β-萜烯的特征香气是松香,属于植物固有的清香。陈洁等[51]研究微波焙炒对压榨葵花籽油挥发性物质的影响,结果发现,不同参数下公有的萜烯类物质6种,分别是(1S)-(+)-α蒎烯、莰烯、β-苧烯崖柏烯、双戊烯、萜品烯和白菖烯,相对含量高达9.37%～40.30%。微波加热时间短,辐射强度大,与传统焙炒工艺比,节约能耗,受热均匀,且微波焙炒所得葵花籽油品质优于传统工艺下的压榨油,这为葵花籽制油新工艺的开发提供很好的理论基础。

2.2 醛酮类化合物

醛酮类化合物通常具有一般食品的香气特征。葵花籽含有大量不饱和脂肪酸(如亚油酸、油酸等),容易氧化生成过氧化物,而过氧化物性质极不稳定,容易裂解生成醛、酮等小分子物质。研究表明,葵花籽中醛类化合物以壬醛、龙脑烯醛、反-2-癸烯醛、2,4-癸二烯醛、2-十一烯醛居多。周萍萍等[52]对烘烤压榨制得的葵花籽油进行挥发性物质分析,测定出挥发性化合物80种,其中醛类化合物种类高达13种。Meng等[53]其采用顶空-气相色谱-质谱-嗅觉测定法研究熟制葵花籽中含有的酸败成分,得出引起臭味的主要原因是壬醛、2,4-壬二烯醛和庚醛等含量的增加。食品中醛酮化合物的相对含量对风味影响较大,较低浓度下利于改善风味,反之亦然。醛类中含量较高的己醛和2,4-癸二烯醛已被鉴定为亚油酸一级氧化产物[50]。对食品原料预处理后,测定其中己醛和2,4-癸二烯醛的含量,进而推断该原料品质的优劣程度,从而保障产品投放在市场前的安全性。通过深度分离残次物、控制水分含量和贮藏温度等方式,可延缓产品在货架期内的变质。

2.3 吡嗪类化合物

吡嗪类化合物是许多烘烤制品的主要风味物质,如炒花生、烤面包,许多模拟反应系统已证明其主要是由美拉德(Maillard)反应产生,位于吡嗪环上的碳主要来自于糖类,而氨则来自于氨基酸[54]。吡嗪类化合物作为食物中重要的一类呈香呈味物质,受到人们越来越多的关注,该物质作为葵花籽熟制后关键致香成分[50],也得到业内很多学者的认同。俞俊等[55]研究焦香味煮制葵花籽中挥发性香气物质,发现其主要发香成分是3-乙基-2,5-二甲基吡嗪等,约占香气物质总量的52%。Guo等[56]评估温度和时间对葵花籽风味的影响,鉴定出114种挥发物,其中吡嗪类化合物对风味起主要作用。洪振童等[57]采用顶空固相微萃取-气质联用法对不同处理条件下葵花籽油中挥发性物质进行分析。结果表明,随着炒籽温度的升高,热榨葵花籽油中以清香为主要香气特征的萜烯类物质逐渐减少,而以烤食香味为主的杂环类物质(多是吡嗪类化合物)和小分子醛、酮物质明显增加。由此,推测葵花籽熟制前后的风味物质变化与之研究有相似趋势。熟制后的葵花籽,产生大量的吡嗪类化合物,赋予产品独特的风味。

3 总结与展望

葵花籽是我国重要的油料作物,易于栽培,种植区域广泛,产量呈逐年递增趋势。随着人们生活水平的提高和消费理念的改善,产品的品质和饮食的健康被更加注视,而葵花籽本身含有丰富的活性成分,如绿原酸、甾醇、维生素E等。同时,摄食一定量的葵花籽能够起到抗衰老、提高免疫力等有益功效,这对葵花籽产业未来的发展颇有意义。目前,葵花籽的应用主要集中在炒制后的休闲零食、榨取食用植物油,这不可避免的产生大量籽粕和籽壳废料。现有技术的短板,工业化程度的不均衡,加上昂贵的生产成本,导致实际对葵花籽废料的处理更为粗糙、简便。此外,废料中含有的某些成分对环境影响比较敏感,增加其活性成分分离提纯的难度,对于获取技术的要求更高。烘烤后葵花籽表现出诱人味道,市场需求量高,但市面上销售的葵花籽产品品牌,如恰恰、三胖蛋、金鸽等,口味种类较少,行业竞争加剧。

脱脂葵花籽粉是葵花籽油提取物的升级版副产品,富含蛋白质、粗纤维和抗氧化剂。Grasso等[58]研究评估了18%和36%脱脂葵花籽粉替代小麦粉后饼干的感官质量,为天然食品添加剂和葵花籽粕资源开发提供新的思路。目前,葵花籽中活性成分的提取物多为粗提混合物,单体化学成分的分析鉴定技术有待进一步创新。同时对这些活性成分在植物体内合成途径和调节过程还需要深入研究,这可为基因工程、遗传育种等技术手段来提高葵花籽的生物利用提供重要支撑。另外,食品风味研究方法的不断改进,如溶剂辅助风味蒸发、超临界CO2萃取等高效提取技术和电子鼻、气相离子迁移谱等鉴定手段,明显提高了研究结果的可靠性,关于葵花籽系列产品在制造过程中形成风味的前体以及新化合物形成的反应机制需要进一步解释,可研究空间很大。提高葵花籽中活性物质的稳定性,建立高效简易的提取工艺,可以减少资源不必要的浪费,拓宽应用范围;阐明风味物质形成的机制,可以丰富食品风味化学的理论体系，这些领域的研究与探索,将为葵花籽产业快速发展提供积极的推动作用。