蒸汽爆破对植物多酚及抗氧化活性的影响研究进展

丰程凤，崔文玉，夏智慧，罗凯云，程安玮

（湖南农业大学食品科学技术学院，湖南省菜籽油营养健康与深度开发工程技术研究中心，湖南长沙 410128）

植物多酚（plant polyphenols）是一类存在于植物体内多羟基酚类化合物的总称，主要包括黄酮类、单宁类、花色苷类、酚酸类等，具有清除自由基、抗氧化、抗衰老等多种生物活性。酚类物质在植物中主要以游离态和结合态存在，游离酚是指不与其他大分子发生物理、化学相互作用的酚类化合物[1]；结合酚是经由共价键与食品基质（如细胞壁物质）相结合的多酚[2]，需要通过化学或酶处理方法将多酚从细胞壁上分离出来。

蒸汽爆破技术最早是在1926年由梅森发明，主要用于木材加工业[3]。它具有类酸性水解、热降解、类机械断裂、氢键破坏以及结构重排等多种作用，集高温和高压的双重效果，使植物组织的细胞破裂及结构破坏，是一种物理化学预处理手段[4-5]。该技术集作用时间短、耗能低、高效无污染及适应工业化等优点，被认为是生物质资源转换最具发展前景的预处理方法[6-10]。

近年来，蒸汽爆破技术逐渐被应用到植物及加工副产物中生物活性成分提取预处理中，展现出极好的效果[4,11-13]。本文综述了近些年来国内外蒸汽爆破技术对植物多酚及抗氧化活性的影响研究，为爆破加工适用于不同种类生物质及有效成分的提取提供理论指导，拓展爆破加工技术在食品加工行业的利用范围。

1 蒸汽爆破对植物中多酚的影响

1.1 总多酚

酚类作为食源性植物原料中重要的活性成分，组成种类繁多、结构复杂，易受加工方式的影响。适宜的蒸汽爆破预处理条件能显著促进植物原料中多酚类物质的释放，主要原理是蒸汽爆破处理破坏了原料的细胞结构，从而有利于萃取溶剂的可触及性。过高的蒸汽爆破强度则会使多酚类物质发生降解从而导致多酚提取量降低。表1总结了不同植物原料在不同蒸汽爆破条件下酚类物质的变化及其作用机制。可以看出，多酚物质变化因原料品种和处理条件不同而存在差异，但经蒸汽爆破处理后多酚的提取率均增加。此外，蒸汽爆破可用于柑橘皮渣[14-15]、草莓挤压物[16]、红白葡萄柚汁加工残留物[17]等农产品加工副产物中黄酮类等活性物质的提取及利用。

表1 蒸汽爆破过程中酚类物质的变化及作用机制Table 1 Changes and mechanism of phenols during steam explosion

1.2 游离酚（可溶性多酚）

蒸汽爆破技术通过高温高压作用破坏物料结构，可将结合在细胞壁上的多酚游离出来，显著提高了游离酚的提取率。Gong等[4]报道大麦麸中总可溶性酚含量均随蒸汽爆破强度的增加而增加，在220 ℃蒸汽爆破处理120 s后，总可溶性酚产率提高了近9倍，阿魏酸和对香豆酸的产量急剧增加，其中阿魏酸的游离型和共轭型的产率分别提高了59和9倍。Liu等[30]也以大麦麸皮为原料得出相似的结果，但其中可溶性游离酚酸和可溶性共轭酚酸的含量只比未处理组增加了39和7倍。同样地，蒸汽爆破也显著提高麸皮总可溶性酚含量，特别是游离阿魏酸和共轭阿魏酸的含量增加明显[31]。Conde等[32]发现在240 ℃蒸汽爆破条件下橄榄枝的酚类提取率比200 ℃下约高2倍。爆破温度从180 ℃升高到250 ℃，Sasa palmata中的酚类物质含量呈逐渐增加的趋势，最高可为未处理组的52倍，但当温度高于260 ℃时，酚类物质提取率开始降低[33]。

高效液相色谱法（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）测定苦荞麸皮中含有没食子酸、焦性没食子酸、原儿茶酸、羟基苯甲酸、儿茶素、咖啡酸、绿原酸、荭草苷、芦丁、金丝桃苷、白藜芦醇、木犀草素、槲皮素、山奈酚、阿魏酸15种成分，这15种成分在蒸汽爆破处理前均存在于游离部位中，蒸汽爆破后咖啡酸和阿魏酸消失。在结合酚中，除焦性没食子酸、原儿茶酸和咖啡酸3种外，其余12种酚类物质在蒸汽爆破处理前均检测出；相反，经蒸汽爆破后这3种成分能检测到，而木犀草素消失[12]。苯甲酸和咖啡酸在加热条件下可分别生成奎宁酸和儿茶酚[34]，热处理也有助于咖啡酸和奎尼酸转化为绿原酸[35]。Cheng等[36]选用0.25～1.0 MPa压力范围分别对红豆爆破30和90 s，结果证实0.25～0.75 MPa范围内随着压力的上升和时间的延长，游离酚的含量呈上升的趋势；压力提高到1.0 MPa，长时间的维压反而降低其游离酚的含量。随着爆破压力的增强和时间的延长，游离酚中的儿茶素、儿茶素、表儿茶素和香豆酸含量明显上升，阿魏酸含量明显下降，芦丁和异槲皮苷的含量先增加后又降低。

Arrieta-Baez等[37]指出加热条件下，阿魏酸和对香豆酸的脱羧作用可使其相应的自由基中间体形成二聚产物，阿魏酸和对香豆酸的游离和共轭形式对蒸汽爆破更为敏感[36]。在过度汽爆处理过程中，阿魏酸可能会分解成4-甲基、4-乙基和4-乙烯基愈创木酚和香兰素等化学物质[38]。适当的蒸汽爆破处理可水解半纤维素或纤维素中的糖苷键和木质素中的β-O-4醚键，还可有效地水解酚类物质、木质素和碳水化合物之间的酯键和/或醚键，从而提高酚类物质的释放率。蒸汽爆破预处理有助于显著提高可溶性多酚的提取率，然而高温和长时间的汽爆处理会导致酚类物质降解或聚合，由于芳基环取代基类型和取向存在差异性，这使得热处理会导致酚类化合物发生不同程度的降解。

1.3 结合酚（不溶性多酚）

植物中具有不同的结合态的多酚，许多实验表明结合态的含量远远高于游离酚，如玉米中的结合酚含量达87.4%～95.6%[39]，藜麦种子中结合酚占了80%[40]，6种小扁豆含有9.94%～63.11%的不可提取多酚[41]。结合酚通常与植物不溶性大分子如纤维素或半纤维素共价结合[42]，不能直接用有机溶剂萃取得到。

蒸汽爆破可通过直接破坏细胞壁基质或水解细胞壁中酚和多糖之间的酯键，从细胞液泡中释放被束缚的酚类物质[4,29]。红豆经蒸汽爆破（压力0.25～1.0 MPa，维压时间30～90 s）预处理后，结合酚含量呈现先增加后降低的趋势，HPLC结果表明结合酚主要成分是原儿茶素，而咖啡酸只存在于结合酚中[36]。由于蒸汽爆破过程中物理和化学作用的协同作用，酚酸的形成和降解是共存的过程，需要达到一个平衡状态，因此随着蒸汽爆破程度的增加，趋势表现为先增加后减少[29,43]。蒸汽爆破产生的类机械作用也可导致结合酚酸的释放；另外，木质素的解聚也可增加酚类物质的产率。不同的加热过程可使原料中游离酚增加而结合酚下降[4]。Yeo等[44]研究指出扁豆经热处理后，结合态与游离酚的比率均有所下降，加热能使不溶于水的酚醛共价键解离，导致它们从种子基质中解放出来，转化为游离酚。蒸汽爆破处理也可导致豆渣中的膳食纤维发生降解和断裂，使一些原来与这些大分子物质结合的大豆异黄酮转变为游离态[25]。HPLC测定蒸汽爆破后的松针中黄酮苷元含量比未经处理组高3.17倍，而糖苷含量降低了57%[28]。类黄酮作为一类重要的多酚类物质，可分为游离、可溶的酯类或共轭物和不可溶的结合形式[4]。

食品加工过程中的酸水解、碱水解、酶水解、热降解和机械化作用等可使多酚与细胞壁物质之间的共价作用或非共价作用解除，而导致结合态多酚向游离态多酚转化。蒸汽爆破是一个自水解过程，具有类酸性作用，可形成小分子的有机酸，可溶性结合物（黄酮苷）可在有机酸的作用下水解并转化为游离苷元，也可导致羧基和酚羟基的增加以及β-O-4结构的显著降低[45-46]。蒸汽爆破产生的高温、高压对不稳定化学键（如糖苷键）的破坏，导致预处理过程中发生化学变化，细胞内结合态的黄酮转化为游离态，且木质素、纤维素类物质发生降解[26]。从微观结构上看，蒸汽爆破可导致生物质内部结构分解和颗粒尺寸减小，另外肽链中的一些共价键被破坏，然后在聚合物链内重新结合形成新的键，从而改变聚合物的最终结构[47]。

1.4 影响蒸汽爆破效果的主要因素

处理强度指饱和蒸汽温度和维压时间的协同效应，它对预处理的效果有直接影响[48]，能够增大固相物的内孔面积，使大部分半纤维素发生自水解，这些都有助于提高多酚的提取率。在较低压力条件下（1.0 MPa），随着维压时间的延长，粉葛总黄酮提取量增加；在2.0 MPa处理条件下，随着维压时间的持续增加，黄酮量先增加后降低[26]。在200 ℃、5 min的蒸汽爆破条件下，漆树果黄酮类物质的转化率最高[29]。但过高的处理强度会导致酚类物质不同程度的降解或聚合，甚至会导致植物生物质的炭化[34]。Mrad等[49]研究也指出高处理强度会导致结合酚变性。适当的蒸汽爆破处理强度可以有效地提高植物中多酚的提取率，强度过低时提取率下降是因为蒸汽爆破是自水解过程，作用时间短则反应不充分，当汽爆强度过高时，小颗粒发生聚集，导致提取率下降。

蒸汽爆破处理对植物原料组分分离和超分子结构的影响与原料的孔径有密切关系。纤维原料的形态结构和超分子结构变化程度取决于原料的孔隙度，通常情况下孔隙度较大的有利于爆破处理，所需强度弱一些，孔隙度小的爆破条件强一些。Sui等[50]研究结果表明，平均孔径与提取参数相关性最大。蒸汽爆破后的黄芪，大孔面积百分比（100～100000 nm）由8.25%增大到91.57%，是提取性能提高的主要原因。

蒸汽爆破前的预浸泡处理是影响蒸汽爆破的重要过程[51-52]。预浸泡处理的主要目的是实现纤维软化与膨胀，使纤维分离免受机械损伤。此外，纤维膨胀有助于增加水蒸气的渗透强度和水化作用，从而提高处理效果。常用的预浸处理试剂为碱液、水及稀酸溶液，橄榄种壳用硫酸预浸后，在200 ℃下汽爆处理2 min后戊糖产率为63%；而不加硫酸预浸时，即使将处理强度提高到215 ℃，戊糖产率也只有39%[53]。松针用水预浸1.5 h后，在1.2 MPa、60 s条件下进行汽爆处理，黄酮类物质的提取率最高为49.5 mg/g；而未预浸处理组在相同汽爆条件下提取率只有21.0 mg/g[28]。适当的预浸处理会使原料纤维膨胀，增加水蒸气的渗透强度和水化作用，从而提高蒸汽爆破处理效果。

影响蒸汽爆破的因素还有原料的蛋白质含量、pH、水分含量等本身特性[54]。蛋白质颗粒表明带有很多极性基团，如羟基、羧基等和水有高度亲和性。蒸汽爆破过程中蛋白质与水蒸气相遇时很容易在蛋白质颗粒表面形成一层水膜，影响汽爆效果。另外，具有细胞结构的植物原料在高温高压介质下汽相蒸煮，可形成小分子的有机酸，易使半纤维素降解成可溶性糖，而原料本身pH较低则会促进这一过程。

2 蒸汽爆破对植物多酚抗氧化活性的影响

2.1 体外抗氧化活性

植物多酚的一个重要功效是具有很强的抗氧化活性，以上论述了蒸汽爆破对原料中多酚的存在形态、结合方式、含量及组成的影响，相应的对其抗氧化活性也会产生明显的影响。Chen等[18]在0.5～2.5 MPa压力下对大豆皮爆破处理30～150 s，发现其酚类提取物的抗氧化活性明显提升，在1.0 MPa、50 s和2.0 MPa、90 s条件下清除DPPH·能力最强，两组之间没有明显差异。沙棘果渣经蒸汽爆破处理后，与未爆破组相比DPPH·和·OH的IC50（半数抑制浓度）值分别下降44%和78%[55]。同样，随着爆破强度（0.2～1.0 MPa）的增加，茶渣提取物的FRAP还原能力和清除能力明显增加，最大抑制效果分别在logR0=2.83和logR0=2.55[21]。苦荞麸皮结合酚提取物的体外氧自由基吸收能力在1.5 MPa、60 s蒸汽爆破条件下提高了270%[12]。唐宇等[22]也对苦荞麸皮进行了研究，通过模拟胃肠消化全阶段显示，经蒸蒸汽爆破破处理后苦荞麸皮的ORAC值均高于未蒸汽爆破组，这可能是由于蒸汽爆破处理促进黄酮糖苷去糖苷化生成生物活性更优的苷元。以上研究结果表明蒸汽爆破预处理能提高植物原料的抗氧化活性。

Noda等[43]研究指出，大蒜在蒸汽压力为15 atm，时间为1、3、5 min，提取物的自由基清除活性EC50（半最大效应浓度）值分别为7.444、0.538和0.202 g/L，说明在一定压力下作用时间越长，抗氧化活性越高。在蒸汽压力为30和45 atm时，在1～10 min的蒸汽时间内DPPH·的EC50值从0.3降至0.14 g/L，说明大蒜中的部分酚类物质是低分子的，经蒸蒸汽爆破破后快速减压至常压后，以低分子酚类物质的形式溶解于水中，同时多糖也被降解。蒸汽爆破后大蒜提取物具有较高的抗氧化活性，而在30 atm下处理5 min，其酚类物质含量（93.7 mg/g）最高，而抗氧化活性最高值在45 atm下处理5 min，是因为在30和45 atm的蒸汽压力下产生了糠醛和5-羟甲基糠醛等热解产物，蛋白质、脂肪和其他物质也会发生降解，这些产物也有助于提高抗氧化活性。

适当的蒸汽爆破能显著提高物料的抗氧化活性，而高强度蒸汽爆破处理有可能造成抗氧化成分的损失[56]。籽粒苋籽实经0.6 MPa、60 s蒸汽爆破处理后DPPH·清除率最高达到76.62%±2.98%，是未蒸汽爆破组的4.6倍，但压力上升到1.5 MPa时DPPH·清除率会降低[57]。张瑞婷[58]研究发现蒸汽爆破条件1.5 MPa、90 s时，麦麸提取液清除DPPH·最高，持续提高压力和时间，反而呈下降趋势，与籽粒苋籽实结果相似。Cheng等[36]详细研究了蒸汽爆破对红豆中游离酚和结合酚的抗氧化活性影响，结果表明游离酚和结合酚的FRAP、DPPH·、ABTS+·的清除能力随着爆破压力的增强和维压时间的延长，都表现出先上升后下降的趋势，相比较，结合酚的抗氧化活性高于游离酚；且多酚含量与DPPH、FRAP、ABTS之间具有显著的相关性，决定系数R2值分别为0.784、0.909、0.937。Chen等[18]采用双变量相关分析也表明经爆破处理后大豆种皮总酚类物质含量、总黄酮含量与DPPH值、ABTS值呈显著相关（P＜0.01），且DPPH值与ABTS值也呈正相关，表明酚类和黄酮类物质是发挥抗氧化活性的主要成分。同样，经蒸汽爆破后紫甘薯花色苷的DPPH·清除能力和·OH清除能力有一定的提高[59]，可能由于花色苷组分相对含量发生了变化，或蒸汽爆破导致花色苷糖苷键的断裂，使其分子结构中的活性基团（酚羟基）暴露出来，从而提高了抗氧化活性。Gong等[4]研究也表明，大麦麸中总抗氧化能力随蒸汽爆破强度的增加而增加，与总可溶性酚含量呈高度正相关，表明蒸汽爆破后大麦麸皮提取物总抗氧化能力的增加至少部分是由于可溶性酚含量的增加。

适宜的蒸汽爆破预处理使多酚降解成低分子形式，从而提高抗氧化活性，蛋白质、脂肪和其他物质发生降解，其降解产物也有助于提高抗氧化活性，并且多酚物质含量与抗氧化活性值呈显著正相关。对椰枣[60]、大蒜皮[61]、柑橘皮渣[14]、秋葵籽[62]、青稞[63]、麦麸粉[64]、油茶籽油[65]、竹材[51]等原料进行蒸汽爆破预处理，也证实了蒸汽爆破能有效促进多酚物质的释放，同时提高抗氧化能力。

2.2 细胞内抗氧化活性

多酚物质在细胞水平上的抗氧化活性，将有助于开发利用其作为防癌剂、心血管保护剂、神经退化抑制剂等潜在药用价值。苦参叶在0.5 MPa的蒸汽压力下，120 s内山茶素A可脱糖转化为芹菜素，转化率达94%以上，芹菜素的形成能显著提高提取物的细胞抗氧化活性。DSC（示差扫描量热仪）分析显示，山茶素A在160 ℃开始出现明显的吸热峰，随后出现放热峰，芹菜素从350 ℃开始出现一个尖锐的吸热峰，为其结晶形态的熔点，这表明山茶素A在较高温度下可转化为芹菜素[66]。蒸汽爆破前苦荞麸皮中游离酚细胞抗氧化能力的EC50值为77.61 mg/mL，蒸汽爆破后的游离酚EC50值显著下降到36.01 mg/mL[12]，而结合酚没有显示细胞抗氧化活性，说明蒸汽爆破能显著提高游离酚的含量，并提高了细胞抗氧化能力[67]。同样地，玉米、大米、小麦、燕麦、大麦和荞麦等全谷物中的不溶性结合酚类物质没有细胞抗氧化活性[68]。与山奈酚、木犀草素和槲皮素相比，咖啡酸和阿魏酸的细胞抗氧化活性较低[69-70]，推测蒸汽爆破处理后咖啡酸和阿魏酸的降解可能导致游离态的山奈酚、木犀草素和槲皮素的组成比例发生变化，从而增强游离酚的细胞抗氧化活性。木犀草素和槲皮素具有良好的亲脂性，相反，芦丁和咖啡酸等较亲水的酚类物质，其细胞抗氧化活性较低或没有[70]，蒸汽爆破处理导致结合态咖啡酸的产生，细胞内抗氧化活性较低。

3 结语

蒸汽爆破技术可适用于各种生物质物料，预处理条件易于调节控制，可实现物料在组分水平、组织水平和细胞水平上的分级分离。近年来的研究主要用于食品原料的预处理以及功效成分的提取，但需要注意的是较高的温度或者长时间的维压会引起食品的糊化、焦化等变质现象。蒸汽爆破技术作为食品加工行业中的一项新技术，还需要深入探究：a.食品原料基质的组成特点与蒸汽爆破效果之间的关系；b.蒸汽爆破对食品原料中活性成分的释放机制还没完全清楚，例如蒸汽爆破强化活性成分的提取传质机理及多孔结构变化的规律；c.构建蒸汽爆破过程多阶段质量传递模型；d.如何进一步控制好原料处理的强度和均匀度，避免造成有效成分的降解和美拉德反应；e.联合多种预处理方法，进一步提高有效成分的提取率；f.在蒸汽爆破过程中是否对食品营养价值及安全性产生影响；g.目前通过动物模型研究蒸汽爆破对植物多酚体内抗氧化活性的研究没有检索到相关文献，应该进一步通过体内和体外联合实验研究其抗氧化等活性。随着研究的深入，会进一步拓展爆破技术在食品加工行业的利用范围。