采后芦笋多酚类物质变化的研究进展
2022-11-22魏云潇余作龙付长春王石磊刘彩琴金建昌
魏云潇,王 楠,余作龙,付长春,王石磊,刘彩琴,金建昌
(浙江树人大学生物与环境工程学院,浙江 杭州 310015)
芦笋(Asparagus officinalis.L.),学名石刁柏,为百合科天门冬属宿根性多年生草本植物,是一种名贵保健型蔬菜。我国是芦笋的重要产地和市场之一,种植面积已超过10万hm2,产量为7 682.797 t,是名副其实的世界第一芦笋生产大国[1]。芦笋富含丰富的营养成分和多种生物活性物质,具有增强免疫、降低血脂、预防冠心病、抗疲劳、抗癌等功效,备受消费者青睐。研究证明,芦笋中富含的多酚类生物活性物质是判定其品质优劣的依据,也是芦笋抗炎、抗菌、抗癌及抗糖尿病等功能中起重要作用的成分[2]。本文从芦笋的分级、采后多酚类等生物活性物质的变化及差异性3方面进行阐述,为芦笋的精深加工利用提供参考。
1 芦笋的分类分级
采后芦笋在上市销售前需进行商品分级,去除不宜食用部分,其质量特性如外观(形状、大小和颜色)、感官属性(质地、味道、香气、风味和苦味)等因素均对销售有直接或间接影响,是商业分级的主要标准。
芦笋主要有绿色、白色和紫色3种,被誉为“芦笋三姐妹”。白芦笋和绿芦笋的区别在于种植手段不同;紫芦笋是近年来新兴的一种水果型甜芦笋,可以生食,被称为“芦笋之星”。根据欧盟的芦笋商品评级标准[3],按颜色可将芦笋分为4种:白色、紫色、紫/绿色和绿色。白色和紫色的上市长度标准为22 cm,绿色和紫/绿色27 cm。I级白、紫两种芦笋的最小直径(测量茎中点)为12 mm,II级为8~10 mm;I级白芦笋要求笋尖和茎都为白色,绿芦笋必须是全绿的;绿芦笋长矛稍弯,笋尖紧凑,白芦笋有一点淡粉色或绿芦笋有80%以上绿色为II级;茎秆稍弯曲,笋尖紧凑,淡粉色(白色芦笋)或绿色至少80%的绿芦笋被归类为I类。中部直径为20~28 mm的芦笋最受消费者青睐,价格也相对较高。芦笋大小可以由单品质量或直径决定,两者间相关性较强,为0.939 8[4]。其外,市面上还有一种极其少见的特殊级别芦笋:直径约3 mm,外形极好,茎秆笔直,笋尖紧凑。
我国芦笋主要按等级和规格进行划分[5]。按长度可划分为3种规格,长(L):白芦笋长度为17~22 cm,绿芦笋长度为20~30 cm,长度差异不大于2 mm;中(M):白芦笋长度为12~17 cm,绿芦笋长度为15~20 cm,长度差异不大于2 mm;短(S):芦笋长度大于10 cm,长度差异不大于1 mm。按直径划分为3种规格,粗(B):芦笋基部直径大于17 mm,差异不大于6 mm;中(M):芦笋基部直径大于10 mm小于17 mm,差异不大于5 mm;短(S):芦笋基部直径大于3 mm,小于10 mm,差异不大于4 mm。按等级,白芦笋和绿芦笋均分为特级、一级和二级3个等级,主要以色泽、外形、木质化3个指标作为划分依据。特级:外形好且直,不弯曲,无锈斑无损伤,笋头鳞片抱和紧密,无散头,木质化不超过笋体长度5%,仅允许基部表皮轻微木质化,白芦笋要求笋体洁白,笋尖可带有轻微浅粉红色,绿芦笋笋体鲜绿,可带有浅紫色;一级:芦笋形态良好且较直,允许轻微弯曲和轻微锈斑,无损伤,笋头鳞片抱合紧密,无散头,笋体较鲜嫩,木质化不超过笋体长度10%,白芦笋笋头允许带有浅绿色或黄绿色,绿芦笋基部可有轻微乳白色或浅黄色;二级:外形尚可,允许明显弯曲、轻度锈斑和轻微损伤,笋头鳞片尚紧,白芦笋无散头、笋体乳白或黄白色、允许笋尖带有绿色或黄绿色,绿芦笋笋头伸长明显、开散不超过10%、笋体绿色或黄绿色、允许有浅紫色及基部少量乳白色或浅黄色,木质化不超过笋体长度15%。如何判定木质化标准没有明确定性,仅靠感官评定。目前还没有紫色芦笋商品评定标准。
2 芦笋在贮藏中多酚类物质的变化
2.1 花青素
植物中的花青素是由苯丙氨酸通过细胞质中的苯丙氨酸和类黄酮途径合成的,并被转运到液泡中。绿芦笋和白芦笋中含有一定量的紫花青素,花青素含量过多会降低芦笋商品品级,从而影响其销售,但花青素是一种具有抗氧化功能的植物色素,对维持人体的身体健康较为重要,因此芦笋商品分级标准和满足人类健康需求之间存在一定的矛盾。紫色芦笋花青素含量比紫色包心菜和紫茄的花青素含量高,可作为消费者理想的花青素补充剂。芦笋经UV-C处理后,会导致其花青素化合物含量的增加[6]。
花青素的合成需要光诱导,尤其需要紫外光和波长为290~750 nm的远红外光,蓝光辐照被认为是调节花青素生物合成最有效的方法之一。Mastropasqua等[7]研究表明,贮藏过程中,光处理和暗处理芦笋的顶部和底部,其叶绿素a、b及类胡萝卜素含量均下降,类胡萝卜素因自身光氧化反应而含量下降,芦笋顶部类胡萝卜素含量下降开始时间略早于基底部。贮藏0 d时,芦笋顶端花青素含量最高,高于基底部;光处理后,贮藏过程中顶部花青素含量无明显变化,底部的花青素含量显著增加,其中蓝光处理后的增加最大,其次是红光、白光,而黑暗处理没有变化。白芦笋在贮藏过程中,颜色由白色变为红色,这种变化会导致消费者购买意愿降低。采用UV-B处理芦笋会使其黄酮醇和花青素等酚类化合物含量增加[8]。
2.2 酚酸类物质
酚酸类物质是植物体内广泛存在的重要次生代谢产物,具有抗毒素、抗氧化、抗炎、抗癌、抑菌等多种生物活性,对抑制肥胖、提高免疫力、改善情绪、促进人体肠道健康等有一定作用。一些酚酸如水杨酸可以作为信号分子在植物体参与机体的防御反应,诱导植物对生物和非生物胁迫产生抗性[9]。植物酚酸的生物合成途径(见图1)主要通过莽草酸、苯丙烷代谢途径,其中没食子酸是莽草酸代谢途径的中间产物,3-脱氢莽草酸在相关酶的作用下合成,其余大多数的酚酸类物质都是通过苯丙烷代谢途径合成[10]。
Cecilia等[11]检测到芦笋中有15个羟基肉桂酸类化合物,只有1个羟基苯甲酸亚类,羟基肉桂酸类化合物中阿魏酸、咖啡酸等与植物细胞壁密切相关,对细胞壁力学性能产生显著影响。采后芦笋中阿魏酸及其二聚体交联形成多糖-木质素二聚体,参与木质化进程[12]。激活植物防御系统的物理激发子会导致植物组织中抗氧化化合物的增加,如酚酸类化合物及其相应的酶——苯丙氨酸解氨酶(PAL)。酚酸类化合物含量的增加与氮的缺乏呈正比,氮缺乏会通过提高PAL活性来增加酚酸类化合物合成[13]。PAL可催化苯丙氨酸向反式肉桂酸的转化,调控苯丙氨酸途径进入并能对途径中一些关键步骤进行调控[14]。氮缺乏时,植物通过PAL从苯丙氨酸中脱氨,从而释放出铵离子,该过程加速了苯丙氨酸途径的代谢作用。据研究,2 mmol/L硫酸铵处理能降低芦笋木质化和PAL活性,提高总酚含量及1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基清清除能力,贮藏至9 d时,芦笋仍具有较高的营养价值[15]。
芦笋尖端由高度活跃的分生组织组成,最容易受到外界环境影响,也是芦笋采后品质和生理劣变的最先表现部位;采后芦笋基部维管组织木质化加剧,酚酸类物质积累迅速,是尖端组织苯丙烷代谢底物的来源[16]。芦笋经不同光处理后,在采后贮藏过程中,根尖和基底段的相关品质参数受到不同程度的影响,白光主要导致木质素在根尖部分沉积,红光和蓝光对木质素的生物合成有协同作用[7]。芦笋中的黄酮醇槲皮素-4’-O-单葡萄糖苷具有最明显的UV-B反应,因为其含量随UV-B剂量的增加而升高。UV-B剂量的增加会导致芦笋上下两个节段多酚氧化酶(POD)活性升高,但基部PAL活性降低,尖端PAL活性则不受影响。PAL和POD活性主要受贮藏时间的影响,PAL随贮藏时间的延长而下降,POD表现则相反,芦笋抗氧化酶防御系统具有一定的复杂性,协作机制尚不清楚[17]。
2.3 黄酮类化合物
黄酮类化合物是一种酚类化合物,具有广泛的生物活性,包括抗真菌活性。黄酮类化合物的生物合成途径是:由莽草酸途径提供3个丙二酰辅酶A环化形成黄酮A环,1个4-香豆酰辅酶A形成B环,3个丙二酰辅酶A和1个香豆酰辅酶A在查尔酮合酶的作用下生成查尔酮,这是黄酮合成途径的第一步,在异构酶的作用下形成二氢查尔酮,此后在各种酶如聚合酶、经化酶、甲基转移酶、糖基转移酶等修饰酶的催化作用下,形成其他终端黄酮类化合物。和防御相关的黄酮类化合物是在植物组织正常发育过程中合成的天然化合物,或者由植物在物理损伤、感染或应激反应过程中合成的。芦丁是绿芦笋中最为丰富的黄酮类化合物,其他按含量高低依次为:异槲皮素、槲皮素、山奈酚和金丝桃苷[18]。低温(2℃)贮藏24 d,发现芦笋的总酚含量随着贮藏期的延长先减少后增加。经L-精氨酸或胆固醇处理的芦笋总酚含量较高,贮藏30 d时分别达1.133 g/kg和1.116 g/kg,显著高于对照组总酚含量(0.698 g/kg)[19]。经UV-B辐照处理的芦笋,黄酮类化合物特别是其糖苷衍生物含量增加,UV-B辐照能促进黄酮醇糖基化,并启动相应机制将其运输到芦笋相关部位,如芦笋分生组织和发育组织。经UV-B处理后,白芦笋黄酮醇含量增加,其中槲皮素-3,4′-O-二葡萄糖苷随UV-B处理剂量增高而增加。低剂量UV-B处理对芦笋顶部PAL活性没有影响,但能刺激芦笋其他部位PAL活性的升高[17]。
3 影响采后芦笋多酚类物质变化的因素
芦笋含有丰富的酚酸、黄酮等多酚类生物活性物质,其抗氧化能力较强,对人体健康具有极大益处[20-21]。多酚类物质是一类以苯酚为基本骨架,苯环上含有多个羟基的次生代谢产物,在植物中含量丰富,包括简单多酚、单宁、黄酮类、原花青素等,其生物活性受遗传、耕作、环境和采收条件等多种因素的影响[22-24],是目前研究的热点之一。
3.1 遗传、品种和颜色
3.1.1 遗传和品种
遗传、品种及颜色都是影响芦笋功能活性成分构成和含量的因素(采后不同品种和颜色芦笋中生物活性成分见表1),其中遗传因素被认为是影响多酚类物质含量的主要因素。研究表明,芦笋花青素积累的显著差异是遗传多样性所导致,花青素调控基因在4个芦笋品种中表现为差异表达[25]。不同品种紫芦笋检测的花青素种类相同,但含量却存在差异性;不同品种的芦笋花青素生物合成或调控基因表达不同。花青素是细胞质中苯丙氨酸经一系列酶,如肉桂酸4-羟化酶(C4H)、4-香豆酰辅酶A、连接酶(4CL)、查尔酮合酶(CHS)、查尔酮异构酶(CHI)、黄酮3-羟化酶(F3H)、类黄酮3’-羟化酶(F3′H)和黄酮3′-5′-羟化酶(F3′5′H)转化而成无色花青素,由二氢黄酮醇4-还原酶(DFR)转化而成。紫芦笋Passion的DFR合成基因(基因14115)表达比京紫2号和太平洋紫高约50倍,不同品种芦笋在类黄酮代谢途径中发现有12个不同花青素Unigene基因的差异表达,这可能是造成品种间颜色差异的原因[6]。Joanna等[18]研究表明,芦笋抗氧化能力及其黄酮类化合物和酚酸的构成和含量都取决于芦笋品种和光照的不同,也就是芦笋的品种和颜色。芦笋中谷胱甘肽含量约100~460 mg/kg,荷兰品种Grolim中黄酮类化合物和酚酸含量较高,品种Gijnlim相对最低[17]。
3.1.2 颜色
不同颜色的芦笋中生物活性成分差异较大。紫芦笋和绿芦笋VA、VC、蛋白质和矿物质元素含量明显高于白芦笋,而白芦笋VE和粗纤维含量较高;抗自由基和金属螯合试验表明,绿芦笋的抗氧化活性最高,白芦笋最低[27];紫芦笋花青素水平最高,约为22.04 mg/g,比绿、白芦笋具有更高的生物活性,如抗氧化活性;紫色和绿色芦笋中鉴定出16种以上的花色苷,其中大多是芍药素、花青苷及其糖苷衍生物;绿色和紫色芦笋的花青素生物合成基因及5种以上的转录因子表达存在显著性差异,绿芦笋中芍药素和花翠素含量高于紫芦笋[6]。有研究认为,芦笋颜色不同会使其对自由基清除能力产生显著影响,而品种与对自由基清除能力之间没有明显相关性,紫芦笋比绿芦笋的自由基清除能力更强。芦丁和皂甙是芦笋中的独特成分,也是一种重要的防病治病营养元素,紫芦笋的芦丁和皂甙含量最高,绿芦笋次之,白芦笋最少[18]。绿芦笋多酚类含量较高,总酚含量约为450~730 mg/100 g,是绿芦笋抗氧化能力较高的原因,其中芦丁是芦笋多酚的主要成分[27]。原薯蓣皂甙是白芦笋皂苷的主要部分,白芦笋总酚含量约270~430 mg/100 g,芦丁水平很低,黄酮醇较难检出,白芦笋抗氧化能力高可能和所含其他活性物质有关[28]。也有研究表明,绿芦笋抗氧化能力最强,绿芦笋的DPPH自由基清除能力为2.47~5.18 mmol Trolox/g,2,2′氨基-二(3-乙基-苯并噻唑啉磺酸-6)铵盐(ABTS)自由基清除力为1.49~2.41 mmol Trolox/g;紫芦笋的DPPH自由基清除能力为0.41~1.71 mmol Trolox/g,ABTS自由基清除能力为0.28~0.57 mmol Trolox/g;白芦笋DPPH自由基清除能力为0.34~2.02 mmol Trolox/g,ABTS自由基清除能力为0.13~0.83 mmol Trolox/g。同一品种的绿芦笋抗自由基活性比白芦笋高2.2倍,但还原能力相同[29]。紫芦笋抗坏血酸含量、总酚类物质含量、总黄酮含量、铁离子还原力(FRAP)和抗氧化活性均高于白芦笋[28]。
3.2 环境因素
影响采后芦笋生物活性的环境因素包括自然和人为种植两个方面[4]。芦笋是多年生蔬菜,环境因素对其影响的时间较长,可以长达几年。芦笋的质量因受气候、地点、种植年限和种植方法等多种因素的影响导致其差异显著,但各因素之间的相互作用机制尚不清楚。从植物生理角度来看,环境条件,特别是收获时的温度和光照都能影响芦笋碳水化合物的合成,进而影响其质量特性,所以温度和光照是芦笋品质调控的关键性因素。白芦笋与绿芦笋的区别在于种植过程中的需光量不同。而对芦笋功能性成分影响较为明显的环境因素为光照,绿芦笋需光量最多,其次是紫芦笋,白芦笋最少。花青素的生物合成和积累受温度、土壤湿度和光照等多种环境因素调控,其中光是重要的调控因子。芦笋中花青素积累具有光依赖性,在黑暗中花青素生物合成和调节基因会大大下降,因此花青素的积累主要中在芦笋皮中[6]。
温度与绿芦笋的直径和质量呈负相关[35],但在受控环境种植下两者间无相关性[36]。温度对绿芦笋中芦丁含量的影响可能与其对生长速率的影响有关,与阳光照射持续时间有关,低温会降低芦笋的生长速度,延长其生长周期;芦笋光暴露时间的长短是影响芦丁积累的一个关键性因素[29,37-39]。Stoffyn等[40]研究表明:绿芦笋芦丁含量与收获前日平均气温呈负相关;较低的土壤温度会导致白芦笋皂苷含量增加。
环境条件对芦笋黄酮类化合物的多样性和抗氧化能力有明显影响。芦笋种植期间环境的变化也会影响其酚酸和黄酮类化合物,黄酮类化合物的构成和含量取决于种植过程中的光照量。在两个不同地区种植的同一品种芦笋总酚含量、抗自由基活性和还原力差异显著[29]。原产地对芦笋生物活性因子有重要的影响,如韦托塔哈尔(Huetor-Tajar)地区芦笋和其他地区的芦笋相比含有较高酚类和黄酮类化合物,抗氧化能力强;同一产地的不同种植区域芦笋抗氧化能力也有显著性差异。使芦笋产生苦味的主要物质是皂苷,重黏土会加剧芦笋苦味的形成。培土法或薄膜覆盖法种植的绿芦笋酚类化合物含量比白芦笋高1.6~3倍[28,40]。种植温度在18~22℃的白芦笋质量最高,但芦丁含量水平很低,而原薯蓣皂甙含量较高。
3.3 部位和直径
白芦笋直径与总酚类物质、总黄酮含量、FRAP和DPPH自由基清除能力之间没有显著相关性[41]。研究发现,芦笋茎的粗细会影响其笋芦丁含量,直径8 mm的芦丁含量是20 mm的2倍,原因可能和芦丁主要分布在植物体表皮组织相关[42-43]。
白芦笋和绿芦笋下部或较老的组织中原薯蓣皂甙很高,平均含量是幼嫩顶部的100倍。绿芦笋顶部芦丁含量最高,是底部的3~8倍[42,44-46]。白芦笋和紫芦笋顶部的FRAP、DPPH自由基清除能力以及抗坏血酸、总酚类物质、总黄酮含量与中下部存在显著差异[41];紫芦笋中、底部间的总酚类物质与抗坏血酸含量也存在显著性差异,中部抗坏血酸含量仅是顶部的一半,约17.74 mg/g[47]。
槲皮素-4’-O-葡萄糖甙(QMG)、槲皮素-3,4’-O-二葡糖苷(QDG)是槲皮素的水溶性衍生物,能向顶部分生组织传输,是芦笋中有效的抗氧化成分。与槲皮素衍生物相比,芦丁能更快地转移到分生组织,发挥抗氧化作用。因此,芦笋顶部比中、低部具有更高的抗氧化能力[24]。白芦笋中黄酮醇主要为槲皮素,顶部槲皮素、QDG含量明显高于底部,但顶部芦丁和山奈酚含量极少。在受控条件下,绿芦笋的长矛直径和质量增加受种植年龄的影响分别约为0.36 mm/年和0.66 g/年[42],同时也受基因型变异影响[22-24,45-46]。
4 结语和展望
芦笋在营养和饮食界被视为健康食品,其具有抗肿瘤、抗突变、抗衰老、降血脂、免疫调节等多种生物学功能。新冠疫情后,消费者对营养健康极为重视,预计未来对芦笋的需求会进一步增加。我国芦笋出口主要以罐藏、速冻等产品为主,而国内主要以鲜食为主。对芦笋来说,其品质和功能活性均十分重要,所以对其今后采后工程领域的研究提出以下建议:
(1)完善现有标准内容。与国外标准相比,我国芦笋商品定级标准仅有绿色和白色两种,缺少紫芦笋分级标准,因此需尽快填补空白。其次,品质标准以木质化不超过长度5%、10%和15%为划定等级,但判断木质化标准并未注明辨别方法,应将判断标准具体到硬度、木质素、粗纤维等参数指标。
(2)多因素协调互作影响机制的深入研究。品种、颜色、环境、部位、直径等因素均对芦笋功能性成分含量有一定的影响,大多数研究认为,遗传因素即品种是首要影响因素,但少部分学者发现,颜色和种植环境对功能性成分影响更为显著,需要进一步系统性分析品种、颜色、环境等因素对芦笋功能性成分影响的互作机制。
(3)采后芦笋多酚调控技术与方法研究。芦笋某些酚酸类物质、黄酮类化合物如绿原酸等的调控机制、游离态与结合态多酚在发挥生物活性方面的相互转化和作用机制(协同增效),及其在采后代谢调控中的作用等方面仍需进一步研究。
(4)芦笋多酚产品的研究和产业化。目前,对于芦笋多酚的研究多集中于实验室研究,应着眼于可转化应用实践的工艺研发,将芦笋多酚开发成保健食品或药品。芦笋采收后可产生约1/3~1/2的废弃产物,其中富含大量多糖、酚类等功能活性成分,其对人类健康具有积极意义。目前,虽已开发出一些相关产品,如芦笋酒、芦笋饮料等,但产品种类较少,利用废弃物开发芦笋多糖、芦笋多酚、芦笋膳食纤维等系列产品前景广阔。