牡丹花高值化利用研究进展

李杰,赵孝蕊,葛应涛

(山东范府食品有限公司,山东 菏泽 274000)

牡丹不仅是我国重要的观赏花卉,也是新兴的可食用花资源。牡丹是多年生落叶小灌木,牡丹的花冠较大,颜色丰富,常被视为富贵、吉祥、繁荣和兴旺的象征,有国花的美誉。牡丹的花瓣中含有大量的蛋白质、微量元素、维生素以及多种生物活性物质,尤其是酚类化合物、类黄酮化合物[1]。牡丹的花型特点不仅能够营造良好的自然和人文景观,其中富含的多种活性物质也使其文化价值、药用价值、食用价值、经济效益、生态效益显著,牡丹的众多特点使其具备了资源性植物的潜力。

牡丹花中富含大量的活性物质,花青素是其中重要酚类化合物之一[2],其基本结构是2-苯基苯并吡喃的糖基化多羟基或聚甲氧基衍生物,其结构能够稳定自由基,是一种有效的水溶性自由基清除剂。相关的研究表明,花青素的抗氧化活性是抗坏血酸和VE的20～50倍,由于其主要以糖苷形式存在于植物中,是天然的抗氧化活性物质,具有一定的保健功效。花青素与胶原蛋亲和力较强,能在细胞上形成一层抗氧化保护膜,使组织细胞不被自由基氧化。

牡丹花中不仅含有丰富的花青素,还含有类黄酮化合物。随着检测手段的进步,人们对类黄酮的种类、结构以及化学合成途径等也越来越清晰[3]。通过对类黄酮结构基因和转录调控因子基因进行分离鉴定,得到了许多关于类黄酮化合物的结构、生物合成和化学活性方面的信息。类黄酮化合物在苔藓类和维管束植物中广泛存在,结构类型多种多样,根据类黄酮化合物的结构和性质可大致分为12类,主要以黄酮、黄烷酮、橙酮、黄酮醇、查尔酮、二氢查尔酮、儿茶精类、花青苷和原花色素等为主。

牡丹花中的生物活性物质一直以来是花卉功能性研究的重点[4-5]。有研究对牡丹花中活性物质进行了分离和结构分析,探索活性物质的化学结构和其表现出的功能性用途的关系。例如,研究牡丹花中具有挥发性芳香气味物质的化学结构、牡丹花精油的抗衰老活性以及酚类黄酮类物质的抗氧化能力。通过对牡丹花中活性物质的化学结构研究,对牡丹花活性物质的生理活性进行综合评价,研究其生理活性和药用价值在保健食品、饮料、调配高级化妆品中的重要应用。可将牡丹花作为食用花卉进行应用和开发,拉长牡丹产业化生产链条,实现其高值化利用。

综上,牡丹花在功能性食品、化妆品、食品的深加工领域均有广阔的前景,本文从牡丹花中活性物质的提取工艺、活性物质的分析方法以及活性物质深加工利用现状进行综述,以期为牡丹花深加工产品的开发技术提供参考。

1 牡丹花活性物质的提取工艺

牡丹花中的活性物质主要有富含香味的挥发性成分、单萜糖苷类化合物和酚类化合物等。牡丹花中主要挥发性成分包括醛类、萜烯类、醇类、芳香烃类和烷烃类等[6],而酚类物质主要有单宁、类黄酮和酚酸等。对于不同的活性物质,其提取工艺有所不同,对于不同的牡丹化类,其所含活性物质的含量也不同。因此,需要采用不用的提取方法抽提牡丹花中的活性物质。常用的提取方法为溶液抽提法,在此基础上,发展了超声辅助抽提法和微波辅助抽提法,辅助手段的加入会在一定程度上提高活性物质的抽提率。此外,为了提高萃取效率,还发展了超临界流体萃取法和超高压流体萃取法,以下将对几种萃取方法进行介绍。

1.1 溶剂抽提法

溶剂抽提法的主要原理是溶质和溶剂间的相似相容,主要的溶剂有水、甲醇、乙醇、环己烷等,溶剂抽提法所需设备简单,操作便捷,但抽提时间长、杂质多、分离和浓缩困难,且用水作为溶剂获得的提取液容易发霉发酵。因此,溶剂抽提法一般采用有机溶剂。乙醇作为廉价易得的有机溶剂,不仅与水可以任意比例混合,还能溶解大部分有机物,对水溶性杂质成分不溶或难溶,所获得的提取物水溶性杂质较少。

1.2 超声波辅助抽提法

超声波辅助抽提法主要是利用超声的热效应、机械效应和空化效应,在溶剂抽提过程中增加超声辅助牡丹花中的活性物质加速分离和溶解,强化溶剂的抽提速率。在牡丹花的初抽提过程以及后续的分离过程都可以利用超声辅助,其可以缩短牡丹花的抽提时间、提高抽提效率、增加抽提物的产率。窦勇博等[7]采用超声波辅助法抽提牡丹花中的类黄酮物质,结果表明,超声辅助抽提的黄酮物质提取率达到3%,相比传统溶剂抽提法提高了50%。张立攀等[8]采用响应面实验设计对超声辅助法提取牡丹花中总黄酮和总多酚的工艺进行了优化,所建模型能够较好地预测牡丹花总黄酮和总多酚物质的收率,为牡丹花中活性物质的快速获取提供了方法。

1.3 微波辅助抽提法

微波辅助抽提法主要是利用微波对抽提过程进行加热。微波辅助抽提法对生物活性物质的抽提具有独特的优势,例如提取各种多糖类物质、油脂类物质以及色素等都存在强有力的优势。采用微波辅助法提取牡丹雄蕊中的总生物碱。马传利[9]考察了微波加热提取时间、微波功率等对提取率的影响,研究表明,在相同的实验条件下,利用微波辅助萃取获得的活性物质优于单回流抽提工艺,这说明了微波辅助提取工艺对牡丹花活性物质的抽提具有可行性和适用性。

1.4 超临界流体萃取

二氧化碳常被用来做超临界流体,具有流动性好、溶解性好和渗透性好的特点,二氧化碳作为溶剂可以实现溶剂和萃取物的快速分离,减少耗能。超临界流体萃取不仅操作简单、过程调节灵活,还可以加速溶解平衡、提高萃取效率,萃取后的活性物质的纯度较高。刘俊民等[10]通过对牡丹花提取精油的四种工艺进行分析,超临界二氧化碳萃取结合分子蒸馏对牡丹花精油的萃取收率最高、品质最优。此外,刘俊民等[11]还探索了亚临界低温萃取联合乙醇精制制备牡丹花净油的工艺,该工艺全过程在低温低压下运行,保证了牡丹花萃取物的活性物质仍具有活性,并且该工艺的设备投资较小,容易工业化。

2 牡丹花活性物质的分析方法

2.1 气相色谱质谱联用分析法

气相色谱质谱联用仪可以分析分子量小于500,并且易挥发和热稳定性化合物,用于牡丹花萃取物的分析具有显而易见的优势。气相色谱质谱联用仪具备特有的谱图库,其能准确的给出牡丹花萃取物的化学结构,建立活性化合物的化学结构和功能效果的联系,有利于牡丹花的高值化利用,为牡丹花功能性产品的开发提供理论依据。郭耀东等[12]采用气相色谱质谱分析仪对牡丹花精油组分进行了分析鉴定,共获得了芳香族、酯类、萜烯类、醇类、烷烃类等物质59 种,其中顺式氧化芳樟醇、α-松油醇的相对含量最高,达到20%以上。李栋[13]采用全二维气相色谱-飞行时间质谱研究了牡丹花的挥发性香氛物质,与普通气相色谱质谱联用仪相比,全二维气相色谱-飞行时间质谱仪能检测出更多的化合物,共检测出186种化合物,其中芳香物质中长链烷烯烃和含氧化合物的含量较高,该研究为建立牡丹花芳香指纹图谱及研发牡丹香精香料提供了依据。

2.2 液相色谱分析法

液相色谱也常用于牡丹花活性物质的分离与鉴定,其余气相色谱质谱联用仪在功能上相互补充,液相色谱仪能够分析大分子量的化合物。为建立菏泽地区丹凤牡丹花瓣的液相色谱指纹图谱,闫慧娇等[14]利用液相色谱研究了12种当地的牡丹花,对牡丹花中的野漆树苷、芍药苷、没食子酸等8种化合物进行了定量分析,为利用液相色谱系统研究牡丹花提供了借鉴方法。樊金玲等[15]利用高效液相色谱串联电喷雾质谱仪对六个品种牡丹花中的花色苷类物质进行了分离与分析,花色苷是一种水溶性色素,研究和分析花色苷的化学结构和组成对牡丹花的深加工和高值化利用具有重要指导意义。

2.3 紫外吸收光谱法

紫外吸收光谱法是对化合物进行定量分析的基础方法之一,根据化合物对不同波长的紫外线吸收程度,对化合物进行定量分析。紫外吸收光谱法所需实验仪器少,实验操作简单,检测成本低,测定程序简便。张修景[16]采取回流萃取的方法提取了牡丹花中的苯甲酸,并利用紫外可见分光光度计测定了提取液中苯甲酸的含量,其方法为牡丹花茶产品的开发提供了重要参考。孙泽飞[17]利用紫外可见分光光度计分析了不同花色系列的牡丹花甲醇提取液,发现不同品种的牡丹花对紫外光的吸收峰不同,说明不同的牡丹花含有的花青素成分不同,并研究了其抗氧化能力,为开发安全稳定的天然抗氧化剂提供了重要指导。

3 牡丹花活性物质的深加工

牡丹花是一种价值极高的可食用花资源,但目前牡丹花主要以初级加工产品为主,对于牡丹花的深加工产品研究较少,并且大众的认知程度和接收程度有待进一步提高。进一步开展牡丹花的高值化利用技术,特别是研发与大众易接受的理念相吻合的产品,例如牡丹花茶、牡丹口含片等,充分利用牡丹花资源开发满足现代消费者需求的功能性产品。

3.1 牡丹花酒

牡丹花中的活性物质经常采用乙醇/水体系进行超声萃取获得,大部分的酚类化合物和类黄酮化合物都溶于乙醇水溶液。因此,以牡丹花为原料或者在酿酒原料中掺入部分牡丹花,在通过制酒工艺,牡丹花中的活性物质可被溶出至酒中,可增加酒的功能性和营养价值。有研究者将牡丹花作为酿酒的辅料使用,张立攀等[18]以高粱酒为基酒,加入不同比例的牡丹花、山茱萸、枸杞提取液,配制酒的黄酮含量与抗氧化能力都有明显提高。赵贵红[19]研究了营养型牡丹花发酵果酒、啤酒的酿造技术, 牡丹花香氛物质的提取是牡丹果酒调制的关键技术,牡丹花香氛物质的活性保留决定了牡丹果酒的品质。目前,牡丹花类酒制品仍停留在实验室阶段,牡丹花活性物质对牡丹花酒品质的影响及工艺研究较少,所以市场上并没有太多的牡丹花酒,发掘潜力巨大。

3.2 牡丹花茶

牡丹花茶主要是指牡丹花和茶叶的调配品,牡丹花的加入能使茶叶中的茶多酚降低,保留牡丹花的花香,进而使花茶具备较好的口感。沈清宇等[20]研究了牡丹花中的赋香物质在窨制过程中对牡丹花茶的影响,研究表明牡丹花的赋香物质能够使茶的感官评审优异和茶香高锐持久。菏泽地区在牡丹花茶生产上具备得天独厚的优势,菏泽牡丹花具有一千多种花色花型,在品种培育和催化技术上具有一定的话语权,但牡丹花茶的营销却面临有价无市的困局,仍需加大产品的创新以及营销局面,为牡丹花茶的深加工提供保障[21]。

3.3 牡丹花精油

牡丹精油是牡丹花中具有挥发性香氛的提取物,具有较强的抗氧化能力,其具备的生理活性是护肤品所需要的,能够很好的提高牡丹花的利用价值[22]。张正澳等[23]采用溶剂法和超临界二氧化碳萃取法从牡丹花中提取精油,研究表明牡丹花精油对自由基的清除能力优于玫瑰精油。牡丹花精油具有抗氧化能力和特殊的香氛,将其作为日化产品的调配剂使用,具备巨大的市场开发潜力。为了获取牡丹籽的油料资源,我国大面积种植了油料牡丹,牡丹花是副产资源,提取牡丹花精油与牡丹籽油进行复配制备化妆品的基础油,复配后的化妆品基础油在保健功能方面能大幅度提高,在化妆品上的增值使用不仅有利于牡丹花的高值化利用,也促进了牡丹的大规模种植。

4 展望

牡丹花是可食用花资源的后起之秀,其含有酚类、类黄酮等活性物质,具备极高的利用价值和发掘潜力,但目前牡丹花加工主要以低端产品为主,对牡丹花中活性物质的利用仍存在开发不足的问题。牡丹花中的类黄酮化合物具有较强的抗氧化能力,作为一种天然抗氧化物质,具有无污染,毒性小,副作用少,来源广泛的特点,已展现出一定的生理活性和药用价值,牡丹花中的活性物质可成为保健食品、饮料、调配高级化妆品的重要原料。因此,加强对牡丹花中活性物质的提取工艺、提取物的化学结构和活性物质的功效研究是实现牡丹花高值化利用的有效途径,是规模化种植油用牡丹的增值利用方式。