植物源性天然抗氧化剂的机理及其在食品保鲜中的应用

王颖,杜易潼,薛婉玉,李璇,于洁,边军仪,白骥骁,姜子涛,2*

(1.天津商业大学 生物技术与食品科学学院,天津市食品生物技术重点实验室,天津 300134;2.天津天狮学院 食品工程学院，天津 301700)

随着科技、社会的不断进步,人们对于食品的追求已发生改变,即从简单满足温饱向安全、天然、健康的方向转变。但目前市面上常见的食品抗氧化剂如丁基羟基茴香醚(butylated hydroxy anisole,BHA)、二丁基羟基甲苯(butylated hydroxy toluene,BHT)、没食子酸丙酯(propyl gallate,PG)都是人工合成的。研究表明,使用人工合成的抗氧化剂具有一定风险,比如过量使用BHA、BHT存在致癌、致畸的可能。但为了提高食品的品质和减少食品浪费,适量、安全的食品添加剂必不可少。从植物中提取的天然抗氧化剂,能够很好地解决氧化和抗氧化之间的失衡问题。因此,植物源性抗氧化剂是一类具有高清除率、高潜力的抗氧化剂。本文主要针对4类常见的植物源性抗氧化剂(见图1)及其生物活性进行了综述,归类整理了它们在肉类、果蔬、酒类、豆类等食品方面的应用,最后探讨了目前它们的优缺点以及该领域亟待解决的问题。

图1 常见植物源性抗氧化剂概览图Fig.1 Overview map of common plant-derived antioxidants

1 植物源性抗氧化剂的种类

1.1 黄酮(flavonids)

1.1.1 黄酮基本介绍

黄酮类化合物中的“黄”源自其最初被发现时呈现黄色或淡黄色[1],是一类广泛存在于自然界植物和真菌体内的次生代谢产物,是由两个苯环(A环和B环)及一个三碳链连结而成的天然植物成分。根据其化学结构可分为6大类:黄酮醇类化合物、黄烷-3-醇、黄酮化合物、黄烷酮化合物、异黄酮类化合物和花青素[2]。其中槲皮素是众所周知的一种黄酮类抗氧化剂,此外,杜鹃素、黄酮醇苷也是常见的抗氧化剂[3]。

1.1.2 黄酮生物活性

研究表明,黄酮类化合物生物活性丰富,具备抗氧化、抗心脑血管疾病、抗衰老、镇痛、抗炎、抗肿瘤、抗病毒等功效,对人体健康起着保护作用[1]。在抗氧化方面,李娜等[4]研究了南瓜果实中黄酮类化合物的抗氧化活性,得出其对常见的3种自由基(DPPH、ABTS、OH)均有很好的清除效果,且清除能力与南瓜黄酮提取物浓度之间存在一定量效关系。闫旭宇等[5]采用超声辅助乙醇提取优化了黄秋葵嫩果黄酮的提取工艺,发现在最佳提取工艺条件下,相同质量浓度的黄秋葵嫩果黄酮对OH 自由基的清除能力强于Vc,且与浓度呈正相关。在疾病预防和治疗方面,贾艳楠[6]研究发现,从蔷薇科植物金樱子中提取的高纯度总黄酮对于心脑血管疾病的治疗有着极佳的功效。提取自荔枝核的黄酮类化合物可通过抗病毒生物合成的方式明显抑制腺病毒在人喉癌细胞中的增殖。黄酮类化合物还具备镇痛、抗炎的功效,李玲等[7]研究了马蹄黄总黄酮抗炎、镇痛和止血作用,证明高剂量的马蹄黄总黄酮有明显的抗炎作用,中、高剂量的马蹄黄总黄酮有明显镇痛、止血的作用。

1.2 精油(essential oil,EO)

1.2.1 精油基本介绍

精油是典型的一类小分子挥发性物质,一般分子量在几十到几百之间,是具有挥发性、抗水解、易分解、较强折光性等特点的芳香物质[8]。精油存在于芳香植物的不同部位,不同部位的出油率存在差异,是一种从自然界中提取的天然化合物[9]。不同植物依据其品种、生长纬度、气候带的不同,提取精油的成分也不尽相同。只有含有香脂腺的植物才能通过蒸馏、吸附、萃取或压榨等提取方法提取出精油。精油的分子结构和成分都很复杂,一种植物精油中通常包含多种有机化合物,比如烯萜类、酚类、酮类等化合物[8]。

1.2.2 精油的生物活性

提取自植物的精油具有高纯度、纯天然、低毒性等特点,符合人们对健康的追求,其抗氧化性、抑菌性、抗炎性、促生长性等生物活性被广泛应用于食品、药品及化妆品行业中。植物精油的抗氧化活性主要由直接清除DPPH、OH 等自由基和间接消耗容易生成自由基的物质这两种途径来实现[10-11]。精油及天然杀菌剂可以对抗多种病原微生物,其抗菌活性与植物合成的次生代谢产物的存在有关,可抑制细菌、真菌病害并减少真菌毒素积累[12-13]。精油可以通过减少炎性细胞因子分泌达到抗炎的目的,Saxer等[14]发现茶树精油(TTO)在水中的可溶性成分对于肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素-1(IL-1)等炎症因子能起到抑制作用。精油的促生长活性表现为长时间添加中、高剂量植物精油可以显著提高血清免疫蛋白含量，提高免疫力，实现保护机体健康的目的[15]。

1.3 多酚(polyphenol, PP)

1.3.1 多酚基本介绍

多酚又称植物单宁、鞣质,通常分子量在600 Da以上,以C6-C3-C6 为骨架,通过连结一个或者多个酚羟基构成不同类型多酚[16]。广泛存在于果蔬、谷物中,尤其是在茶叶、红酒、咖啡、姜和辣椒中含量丰富。按照化学结构可以将多酚类化合物分为由多元醇通过酯键形成的酸及其衍生物和葡萄糖生成的水解单宁和通过黄烷类单体缩合而成的寡聚物或多聚物,在C6-C3-C6 的骨架基础上,其结构表现为一个三碳链(C-2、C-3、C-4)连接两个芳香环(A 环、B环)的缩合单宁[17]。

1.3.2 多酚的生物活性

多酚类物质对于清除自由基、预防癌症、缓解肥胖等多种问题均有良好的疗效[18]。由于多酚对于体内自由基的结合能力极强,阻断了自由基进一步与机体内的脂类和其他生物分子的结合,因此多酚有着很强的自由基清除能力,例如生姜多酚[19]、黑洋葱多酚[20]均体现出良好的抗氧化活性;多酚可以通过影响肿瘤细胞信息传导、诱导肿瘤细胞分化与凋亡、抑制肿瘤细胞增殖等多种途径抗肿瘤;还具有降血脂的特性,目前发现石榴多酚、茶多酚和苹果多酚等具有降血脂作用,很大程度上减缓了老年疾病;多酚抗肥胖亦是研究热点,主要通过调节机体酶活性代谢、激发产热、调节生理信号和调整肠道中微生物菌落等途径抗肥胖;多酚还可以通过抑制促炎细胞因子、膜表面糖蛋白、氧自由基的表达,影响NF-κB及MAPK 通路介导一氧化氮、COX-2的表达等发挥抗炎作用[21];此外,多酚也具有抗菌作用,通过改变细菌细胞膜的通透性、抑制细菌DNA 旋转酶的活性、影响细菌能量代谢等方式抑制细菌的生长和繁殖。

1.4 植酸(phytic acid)

1.4.1 植酸基本介绍

植酸又名肌醇六磷酸酯,主要存在形式为钙镁的复盐,不存在完全的游离态[22]。植物种子、胚芽、麸皮、米糠中含有丰富的植酸,最新研究发现,植酸也存在于哺乳动物细胞和原核细胞中[23]。植酸易溶于水、95%乙醇和甘油,具有耐高温、抗静电和无毒等特性,是P元素最稳定的化合物[24]。植酸的结构是含有1个肌醇环和6个磷酸基团的精确对称环状,由于其磷酸基团上具有可取代的质子,能与正价离子及蛋白质结合,因此具有良好的螯合金属离子的性能[25]。植酸的应用十分广泛,在食品、医疗、化工等行业均有涉及。

1.4.2 植酸的生物活性

由于其特殊的结构组成,植酸呈现出多种生物学活性,如抗氧化性、抑制酶活性、抑癌性等[26-27]。植酸能够诱导肉制品的铁离子,抑制脂质过氧化,其肌醇环上的磷酸基团能与水结合,达到进一步抗氧化的目的。由于植酸在植物体内通常以磷酸盐的形式存在,因此极易与金属离子螯合,进而影响蛋白质的消化和吸收,有研究表明这种螯合反应也会抑制淀粉酶、胰蛋白酶等的活性。植酸的主要生物活性是基于其对金属离子的螯合特性,从而起到抑制果蔬褐变、清除酒中杂质、改善肉制品加工中的不良风味的作用。此外,植酸不仅能够增加自然杀伤(NK)细胞的活性及抗氧化性,而且能够阻止多种癌细胞的增殖,更重要的是植酸具有区别于其他抑癌物质的优点,即植酸不会对正常细胞造成伤害[25]。

2 植物源性抗氧化剂作用机理

目前研究认为,植物源性天然抗氧化剂的作用机理可以总结为4个方面:通过提供质子和电子并直接与自由基相结合的方式来清除、抑制自由基;通过抑制与自由基相关的氧化酶活性或提高抗氧化酶活性的方式来缓解氧化损伤;与金属离子发生络合反应,破坏自由基生成的条件,阻断自由基的产生;具有抗氧化活性的成分之间相互促进,增强抗氧化能力[28]。

其中,黄酮类植物源性抗氧化剂的抗氧化机理一般通过苯环上羟基的还原性来实现,即酚羟基与自由基结合生成稳定的半醌式结构;此外,还可以通过阻止或阻碍生物大分子或细胞中的脂质氧化,最终达到降低氧化链传递速度的目的,保护生物大分子和细胞的完整[29]。并且黄酮类化合物氧化活性由于环上取代基的性质和位置的不同,可导致一定程度的氧化能力的差异。即羟基的数目以及所在的位置,特别是羟基在环上的位置对抗氧化活性有重要影响。研究表明,由于B环上的邻二酚羟基易形成分子内氢键,使分子呈现半醌式结构,稳定自由基,具有此类结构的黄酮类化合物的抗氧化活性更强[30]。

精油类植物源性抗氧化剂的抗氧化机理有两种方式:直接抗氧化与间接抗氧化。直接抗氧化是通过抗氧化剂的直接作用,抑制或者切断氧化链反应传递。一般直接抗氧化有直接清除自由基和与金属离子螯合两种方式,例如精油中酚类物质的酚羟基中的氢离子能与过氧自由基产生反应,将氢离子传递给自由基,生成稳定、低活性的苯氧自由基,进而阻止氧化。此外,由于一些活泼金属如镁、铜等不仅具有极强的催化能力且金属离子还有极高的还原性,这些因素都可作为引起直接氧化的重要原因,例如精油中的酚羟基能够与金属离子螯合,直接阻止氧化。间接氧化包括通过抑制脂质过氧化以及调节抗氧化酶水平间接阻止自由基的反应。例如,植物精油中的酚羟基可以替代过氧化羟基的生成,阻止脂质过氧化链式反应,达到保护脂类不被过氧化的目的。此外,有研究表明某些植物精油例如川穹精油中的特定物质能与细胞表面受体结合,发生信号传达,促进机体分泌抗氧化酶,从而间接调控机体氧化水平[11]。

多酚类植物源性抗氧化剂的抗氧化机理是提供氢原子并与脂质自动氧化所产生的自由基相结合,生成相对稳定的结构,不生成新的不稳定的游离基,亦不会因为链式反应而被氧化。多酚的抗氧化机理可以认为是多酚分子通过其氢原子转移和单电子转移机制淬灭自由基,氢原子转移机理即抗氧化剂和自由基反应从而实现氢原子的转移;单电子转移机理即假设氧化剂为抗氧化剂分子提供电子。这两种机制反应产物包括无害物质RH、氧化自由基ArO·、阳离子自由基ArOH+和R的能量稳定形式。利用自由基链式反应的形式将多酚抗氧化机制表达为ArOH+R→ArO+RH;ArOH+R→ArOH++R-[31]。

植酸类的植物源性抗氧化剂作用机理基于其独特的结构和所含基团的特性,植酸含有众多磷酸基团故呈酸性,氢离子易与游离的脂肪酸或某些碱性物质结合,破坏氧化过程中所产生的过氧化物,从而阻止或者中断油脂氧化过程中的连续链式反应,最终起到阻止或者缓解氧化反应的效果。此外，植酸中的磷酸盐具有很强的螯合能力,能够抑制或者延缓酶促反应,减缓氧化反应速率,进而达到抗氧化的目的[24]。

图2 植物源性抗氧化剂作用机理Fig.2 Mechanism of plant-derived antioxidants

3 植物源性抗氧化剂在食品保鲜领域的应用

3.1 在肉制品中的应用

肉类是国民摄入蛋白质、油脂脂肪的重要来源,对于不同种类的肉制品,其脂肪、蛋白质、水分、碳水化合物含量存在差异,因此,在保证肉制品感官和风味的同时延长保质期是目前需要解决的问题之一。龚涛[32]使用溶剂浸取法提纯分离宣木瓜中的黄酮化合物,在此基础上探究不同浓度的黄酮添加物对动物肉质的抗氧化作用,发现黄酮化合物对动物脂肪氧化有抑制作用,进而得出黄酮化合物对肉制品有保鲜作用。

3.2 在果蔬中的应用

果蔬工业中经常出现保质期过短的问题,这是由于果蔬富含的水分、糖分等为细菌的生存和繁殖提供了良好的条件。萨仁高娃等[34]利用牛至精油制成可食用膜,将其均匀涂抹在鲜切哈密瓜和苹果的切割表面,发现牛至精油成膜后对病原菌如李斯特菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌以及鼠伤寒沙门氏菌的抑制效果显著。研究表明,茶多酚溶液可以作为杏鲍菇、苹果、圣女果、冬枣、猕猴桃等果蔬的保鲜剂和稳定剂,使用喷洒、涂抹、浸泡等物理方式处理后均可达到减缓呼吸速率、降低细菌繁殖、增加抗氧化能力的效果,从而延长果蔬类产品的保质期[35]。

3.3 在酒类中的应用

在酿酒工业中,如何解决酿造过程中沉淀的产生、储藏过程中发生的非酶褐变及防止酒中营养物质的氧化等问题都是保证酒品质量的关键。植酸的抗氧化特性体现在它可以和金属离子产生极强的结合,促进铁、镁等金属离子因鳌合失去活性,并释放氢,破坏过氧化物的完整性,进而使其不能继续形成醛、酮等产物。植酸及植酸盐利用其配位螯合性极易将酒中的金属离子除去,进一步阻止其与蛋白质、高级脂肪酸等结合从而抑制非酶褐变的产生,有利于除浊及保持酒类的爽口风味和良好色泽。啤酒风味老化的主要原因之一是储藏过程中羟基的出现,同时酒中的金属离子作为催化剂,不仅可以催化羟基的形成,而且会加快氧化进程[36]。因此，植酸类、酚类、黄酮类等天然抗氧化剂在酿酒工业中起着重要的作用。

3.4 在豆制品中的应用

我国具有悠久的豆制品食用历史,但传统豆制品存在保质期过短、豆腥味过重等问题。崔海英等[37]对丁香精油的抗菌活性及其在豆制品中的应用进行研究,在豆制品的应用实验中,丁香精油作用于24 h嫩豆腐、老豆腐、内酯豆腐、盐卤豆腐4种豆腐中,细菌致死率均达99.9%以上,结果表明添加丁香精油对4种豆腐有较好的保鲜作用。

4 植物源性抗氧化剂的特点及亟待解决的问题

4.1 植物源性抗氧化剂的特点

植物源性抗氧化剂相较于人工合成抗氧化剂有着无法比拟的优势,人工合成抗氧化剂存在很多缺点并且安全性不能很好地得到保障。如BHA、BHT、PG和特丁基对苯二酚(tertiary butylhydroquinone,TBHQ)的热稳定性差,在80 ℃以上的热油中极易挥发失效;常用的BHA、BHT 具有较大的毒副作用,易损坏人体肝、脾、肺等器官[29]。人工合成抗氧化剂也存在抗氧化能力差、抑菌效果不佳且应用范围狭窄等众多局限[30]。而植物源性天然抗氧化剂作为天然源保鲜剂的重要来源,相对于其他保鲜食品的方法,具有安全健康、绿色无毒、抗氧化能力强、无副作用的特点,其抗氧化功效可以与化学合成抗氧化添加剂相媲美。相比之下,典型的天然植物抗氧化物质更符合人们的需要,并且某些具有显著抗氧化作用的物质如茶多酚、槲皮素在一定程度上促进了某些免疫因子的分泌,实现了提高机体免疫力的目标[37]。从植物中提取的多酚是一种天然的抗氧化剂,不仅对多种疾病如糖尿病、高血脂有预防及治疗的效果,而且天然抗氧化剂还具有易得、成本相对较低的优点,对于具有丰富多样的植物资源的中国来说,开发植物源食品抗氧化剂的潜力巨大。

4.2 植物源性抗氧化剂的缺点及亟待解决的问题

虽然,天然植物源性抗氧化剂具有安全、天然、健康等众多优点,但仍有些缺点:天然植物源性抗氧化剂的提取方法众多,如需应用,还需对提纯工艺及方法进行实践;市面上缺少一种普适性高的植物源性抗氧化剂,且对于复配的抗氧化剂,它们之间的协同关系亦有待发掘,如在一定浓度范围内,南瓜果实黄酮[4]、黄秋葵嫩果黄酮[5]表现出对羟自由基有很好的清除作用,茶多酚[35]、生姜多酚[9]对DPPH 自由基有很好的清除作用,单一抗氧化剂对特定的自由基有很好的效果,若多种植物源性抗氧化剂协同,能否提升其综合的抗氧化能力;在食品加工和储存过程中天然植物源性抗氧化剂的低溶解度、低稳定性、缺乏标准化、不良的感官等问题,在食品工业中的应用受限。如初步发现迷迭香复合抗氧化剂性价比优于BHT、BHA、VE,在高温的状态下抗氧化效果优于TBHQ,但在常温状态下的抗氧化效果还与TBHQ 有一定的差距[38];植物源性抗氧化剂除了具有抗氧化作用外,还会对细胞的免疫系统、炎症反应以及细胞凋亡过程产生影响,涉及到的内部信号通路且信号传导过程十分复杂,因此毒理性实验不可或缺[39]。

就目前植物源性天然抗氧化剂的发展情况,作出以下展望:根据每一种植物源性天然抗氧化剂的特性进行研究,找到更快速高效提取有效成分的方法和工艺指标;通过对植物源性天然抗氧化剂作用机理的研究,包括对食品的影响以及机理之间相互协同、排斥等结论,根据优势互补原则找到普适性最高的成分并逐渐优化其稳定性,找到适合每一种食品大类保鲜的植物源性天然抗氧化剂;通过微米或纳米微胶囊封装、活性包装、可食用涂层和薄膜可以克服植物源性抗氧化剂稳定性差、精油类抗氧化剂易挥发等弊端所引起的在食品工业中的应用限制[40]。运用生物技术以及新型食品科技,从不同的需求、不同角度出发,实现植物源性天然抗氧化剂在食品加工领域的安全、高效、经济的利用。

5 结语

21世纪,不仅是高质量发展的世纪,更是注重食品健康、关注可持续发展、追求高水平生活的绿色世纪。植物源性天然抗氧化剂相较于目前市面上已有的抗氧化剂,具有独特优越性,如绿色、安全、高效等。目前已有大量研究表明,植物源性抗氧化剂中的黄酮类、精油类、多酚类、植酸类对疾病的预防与治疗、食品保鲜、清除自由基等具有显著作用。植物源性天然抗氧化剂对于如何研发具有特定功能的创新性食品型抗氧化剂提供了良好的思路,但在提取工艺、利用效率等方面存在不足。因此,安全、高效、廉价、普适的植物源性天然抗氧化剂仍会成为未来研究的重点且具有广阔的市场前景。