姜黄素的提取、生理特性及其在肉制品与鲜肉中的应用研究进展

2023-11-08郭荧辉李洪军邢根安谢兆华韩薇张文振史佳龙贺稚非

食品与发酵工业 2023年20期

郭荧辉,李洪军,2,3,邢根安,谢兆华,韩薇,张文振,史佳龙,贺稚非,2,3*

1(西南大学食品科学学院,重庆,400715)2(川渝共建特色食品重庆市重点实验室,重庆,400715) 3(重庆市特色食品工程技术研究中心,重庆,400715)

肉类中含有蛋白质、必需氨基酸、铁、锌等多种人体必需的营养物质,但是肉类容易发生脂质氧化以及受到微生物污染,导致其腐败变质,造成巨大的经济损失[1]。目前,一些研究将姜黄素、花青素等具有抗氧化、抑菌功能的天然活性成分用于肉类中,抑制脂质氧化和微生物生长,以延长其保质期;同时还发现姜黄素、花青素、叶绿素等对pH敏感的色素可用于监控肉的品质变化[2]。

姜黄是传统的香料植物,常用于食品加工中,姜黄中的主要生物活性成分是姜黄素,在姜黄根茎中约有2%～9%的姜黄素[3]。姜黄素是一种黄色的多酚类物质,由2个苯环构成,苯环上连接着甲氧基和羟基,中间由β-二酮与碳链相连,并且还有酮-烯醇式互变结构[3],如图1所示。姜黄素味辛辣,不溶于水,易溶于乙醇、丙酮、碱液等溶剂中[3-6],其对pH敏感,还具有抗氧化、抑菌、抗炎、抗癌等多种生物活性[2, 7]。目前,食用姜黄素来自于姜黄根茎,但不同的提取方法会对姜黄素得率有影响,同时国内外论文对姜黄素在肉类中的应用没有系统性总结。因此,本文重点综述了姜黄素的提取方法、生理特性以及在肉制品和鲜肉领域中的应用进展,以期为姜黄素的应用提供理论参考。

图1 姜黄素结构式Fig.1 The structure of curcumin

1 姜黄素的提取方法

1.1 浸渍提取法

浸渍提取法是获得天然活性成分常用的方法,其利用有机溶液、水溶液等提取试剂从植物中溶出目标物质[4]。浸提法的得率主要与溶剂种类、溶剂浓度、提取温度、提取时间、姜黄粒径、料液比等因素有关[4-5,8]。姜黄素是一种疏水性物质,常使用有机溶剂提取,一般认为乙醇是最佳的提取溶剂[9],还发现随着温度升高会使姜黄素得率提高,但温度过高会使姜黄素降解,得率降低[5]。PAULUCCI等[8]研究不同条件对姜黄素得率的影响,提取温度80 ℃、96%(体积分数)乙醇溶液、料液比1∶4、搅拌速率70 r/min、提取24 h,姜黄素得率为1.8%,同时发现乙醇浓度是影响姜黄素得率的重要因素。除了有机溶剂外,还可以使用碱液进行提取,OTHMAN等[6]使用2 mol/L氢氧化钠溶液浸渍提取姜黄素0.5 h,从每克冻干姜黄粉中共得到了(12.95±1.07) mg的姜黄素,并且发现碱液没有降低姜黄素的抗氧化活性和抑菌活性。由于传统试剂具有较大挥发性、高毒性等缺点。目前,一些研究者开发出离子溶液作为绿色溶剂来提取姜黄素,这些离子溶液具有低挥发性、高热稳定性、黏度可调等特点[10],同时离子液体可以溶解纤维素、破坏姜黄细胞壁,从而提高姜黄素得率[11]。GÖKDEMIR等[10]使用1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺离子液体提取姜黄素,实验室最高得率为2.94%。

1.2 索氏回流提取

索氏回流提取法是从植物中提取天然活性成分的常用方法,其原理是圆底烧瓶中的溶剂蒸汽与顶针中的姜黄接触并提取姜黄素,当顶针中的液体达到溢流层时,含姜黄素的液体从虹吸管回到圆底烧瓶中,分离后的溶剂重新进入顶针中反复提取姜黄素,可以减少挥发性试剂的消耗[9,12]。SHIRSATH等[9]在78 ℃、姜黄粒径0.09 mm、料液比1∶25(g∶mL)、乙醇作为溶剂索氏提取8 h,从每克姜黄粉中得到了12.75 mg的姜黄素,高于分批提取的7.89 mg。与浸渍提取相比,索氏提取得率更高,但需要更长的时间。为了缩短提取的时间,一些研究使用超声波、微波等技术辅助索氏提取姜黄素[4]。

1.3 加压液体提取

加压液体提取法是通过增加压力来提高溶剂的沸点[13],然后利用高温、高压加快溶质与溶剂之间的传质速率,提高提取能力。加压液体提取具有提取时间短、得率高、溶剂消耗低等特点[14]。CHAO等[14]通过单因素实验确定最佳提取条件为:姜黄粒径0.20～0.30 mm、乙醇为提取溶剂、温度100 ℃、压强1 500 psi(约10.34 MPa)、静态提取5 min、循环为1、冲洗量60%,并用于12种商品姜黄的提取,从每克姜黄样本中得到了10.16～16.48 mg的姜黄素。当使用水作为提取溶剂时,加压液体提取又称为亚临界水提取,VALIZADEH等[15]在最佳提取条件下:粒径0.71 mm、温度140 ℃、压强1 MPa、提取时间14 min,利用亚临界水提取,姜黄素得率为3.8%。OSORIO-TOBN等[16]将加压液体提取法和超临界CO2流体提取法整合工艺用于姜黄素的提取,即使用超临界CO2流体法提取姜黄根茎中的姜黄精油,然后再利用加压液体法从处理的姜黄根茎中提取姜黄素,最终得率达到(4.3±0.2)%。姜黄精油具有辛辣的气味,会对食品的感官造成一定的影响,而去除姜黄精油的姜黄素在食品的中具有更广阔的应用前景。

1.4 超声波辅助提取

超声波辅助提取是在传统的提取方法上利用超声波进行辅助,其原理是超声波可以使植物细胞壁破裂促进物质释放,同时由于空化效应产生的湍流和溶液循环可以增强体系的传质速率,从而加快提取速率[9,12]。超声频率、超声功率是影响得率的重要因素,SHIRSATH等[9]利用超声波辅助索氏提取,对照组使用索氏提取8 h后,从每克姜黄粉中得到12.75 mg的姜黄素,而在超声频率22 kHz、超声功率250 W、35 ℃,提取时间1 h,其余参数一致时,从每克姜黄粉中得到9.18 mg的姜黄素,发现超声波辅助大幅度缩减提取时间,减少能量消耗。超声波辅助提取还能提高姜黄素得率,PATIL等[17]使用超声波辅助氯化胆碱-乳酸共晶溶剂浸渍提取姜黄素, 20 min从每克干姜黄粉中得到77.13 mg的姜黄素,与仅使用共晶溶剂(75 min)相比时间更短,且得率提高了16.67%。有研究报道,使用探头超声波直接处理姜黄粉与水的混合物可以得到纳米型姜黄素,增大了姜黄素的水溶性,有利于提高姜黄素的生物活性[18]。

1.5 微波辅助提取

姜黄的细胞壁主要由纤维素组成,微波辐射的热效应会促进纤维素降解,造成细胞壁的损伤,加快姜黄素的释放,同时微波处理会增加溶剂扩散速率,从而加快提取速率,微波辅助提取还具有提取时间短、得率高等优点[19]。微波功率、微波处理时间是影响得率的重要因素[20]。WAKTE等[20]先对水浸渍的姜黄粉微波辐照(270 W)预处理7 min后,在60 W微波功率下使用丙酮提取5 min,最大得率为1.9%,而使用丙酮索氏回流提取8 h,得率仅为2.1%,表明微波辅助提取可以显著缩短提取时间。MANDAL等[21]的研究也表明,与浸渍提取、搅拌提取、索氏回流提取相比,微波辅助提取时间更短、得率更高。随着微波辅助技术的发展,已经开发出真空微波辅助提取、氮气保护微波辅助提取、超声微波辅助提取和动态微波提取等方法[22],提高微波辅助提取能力。

1.6 酶辅助提取

酶辅助提取是利用酶破坏姜黄细胞壁的结构,促进姜黄素释放[23],从而提高姜黄素得率。酶具有专一性和特异性,故酶的种类是影响得率的重要因素,目前常使用α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶[3]、纤维素酶[11,24]、葡萄糖淀粉酶[23]进行处理。利用酶辅助可以显著提高姜黄素得率,SAHNE等[3]加入α-淀粉酶和淀粉葡萄糖糖苷酶对姜黄粉进行预处理,然后利用N,N,-二丙基铵-N′,N′-二丙基氨基甲酸酯离子溶液进行提取,与对照组相比,姜黄素得率由3.58%提升至5.73%,且纯度达到96%。其次酶用量、酶解时间、酶解pH、酶解温度对得率也有影响[24]。宁娜等[24]发现纤维素酶辅助微波提取可以提高姜黄素得率,并得到最佳酶处理条件:纤维素酶(10 000 U/g)用量9.8 mg/g(酶∶姜黄)、酶解时间75 min、pH值4.7、温度43 ℃,最终从每克姜黄中得到了21.96 mg 姜黄素,优于单独使用微波辅助提取姜黄素。

2 姜黄素的生理特性

2.1 抗氧化活性

姜黄素是从姜黄中提取的多酚类物质,对活性氧、二氧化氮自由基、超氧阴离子自由基、羟自由基和DPPH自由基具有较好的清除能力[25],是一种有效的抗氧化活性物质。其抗氧化的原理是酚羟基和亚甲基位点可以提供H原子并与自由基反应,从而清除自由基[26]。也有研究表明,姜黄素可以抑制脂氧合酶、环加氧酶和黄嘌呤氧化酶的活性,从而抑制活性氧自由基的产生[27]。

姜黄素具有良好的抗氧化活性,NAKSURIYA等[25]比较了不同抗氧化剂对DPPH自由基的清除率,发现姜黄素抗氧化活性显著高于抗坏血酸和藤黄黄酮,略低于没食子酸。姜黄素的抗氧化活性随着其浓度的增加而增强,MA等[26]研究发现加入姜黄素可以大幅度地提升薄膜抗氧化活性,对照组薄膜DPPH自由基清除率仅为1.81%,而随着姜黄素含量的增加(1%→5%),薄膜的DPPH自由基清除能力也增强(7.81%→35.16%)。姜黄素具有抑制肉类脂质氧化的能力,ABDOU等[28]的研究表明,与对照组相比,加入姜黄素的薄膜可以显著降低鸡肉中的丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量,抑制脂质氧化。因此,姜黄素是一种优良的抗氧化剂,可用于肉类抗氧化和抗氧化活性薄膜中。

2.2 抑菌活性

研究表明姜黄素对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、铜绿假单胞菌[6]、单增李斯特菌、鼠伤寒沙门氏菌[7]、枯草芽孢杆菌[29]等细菌具有良好的抑制作用,并且对白念球菌属、镰孢菌属真菌[6]也有一定抑制作用。目前认为姜黄素的抑菌机制主要有:a)姜黄素可以与细菌分裂所需的丝状温度敏感突变体Z(FtsZ)结合,抑制Z环的形成,从而抑制细菌的分裂[29]。b)姜黄素可以破坏细胞膜的完整性,造成细胞质泄漏,从而达到抑制细菌的作用[30]。

姜黄素具有良好的抑菌效果,其抑菌效果与浓度呈正相关。OTHMAN等[6]研究发现,随着姜黄素浓度的增加,产生的抑菌圈越大。SADIKCI等[7]研究也表明抑菌效果与姜黄素浓度相关,在肉末中接种104CFU/g的细菌,并加入不同浓度姜黄素,培养7 d后,发现加入1%的姜黄素使金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌O157∶H7和单增李斯特菌的平板计数分别降低(1.84、1.87、2.24、1.48 lgCFU/g),而加入2% 姜黄素使平板计数分别降低(3.15、2.42、2.31、2.91 lgCFU/g)。同时,姜黄素的抑菌效果也与微生物的种类相关,例如:姜黄素对单增李斯特菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(minimal inhibit concentration,MIC)为125 μg/mL,对鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌O157∶H7的MIC值为250 μg/mL[7];而10 mg/mL的姜黄素对木霉属真菌无明显的抑制作用[6]。姜黄素对食源性致病细菌具有良好的抑制作用,可作为天然抑菌剂用于肉类领域。

2.3 pH指示作用

姜黄素具有指示pH变化的能力,其在不同的pH下表现为不同的颜色,在酸性条件(pH 3.0～7.0)下,姜黄素为黄色,在碱性条件下(pH ≥8.0),颜色则变为橙色或者红色[31]。姜黄素颜色的变化可能与其结构改变有关,在酸性条件下姜黄素以β-二酮结构为主,而碱性条件下则为酮-烯醇式结构[32]。同时有研究认为,碱性环境会使姜黄素两端的羟基发生电子云偏离的共轭效应,故颜色从橙黄变为红色[33]。XIAO等[34]在智能薄膜中加入姜黄素,并将其浸入不同pH值(3.0、5.0、7.0、9.0、11.0)的磷酸盐缓冲液中,发现在pH 3.0～7.0时,薄膜颜色为浅黄色,随着pH值不断升高,薄膜颜色发生显著改变,pH值为9.0时,颜色为橙色,pH值上升至11.0,颜色也变为红色,同时发现姜黄素智能薄膜颜色变化趋势与姜黄素溶液一致,说明薄膜并不会影响姜黄素的pH指示作用。因此姜黄素可用于智能包装中指示pH的变化。

3 姜黄素在肉制品与鲜肉中的应用

3.1 姜黄素在肉制品中的应用

高蛋白肉制品在高温加工过程中会产生杂环芳胺,有一定致癌风险[39]。姜黄素能降低肉制品中杂环胺的含量,WANG等[39]发现姜黄素能降低红烧肉中Norharman和Harman杂环芳胺的含量,其作用机制是抑制杂环芳胺的前体羰基化合物和1,2,3,4-四氢-β-咔啉-3-羧酸的形成,同时还可以直接清除杂环芳胺,保障食品健康安全。

3.2 姜黄素活性薄膜在鲜肉中的应用

肉在贮藏和销售的过程中,受到微生物和酶的作用会发生蛋白质降解、脂质氧化等,产生异味或恶臭味,降低肉的品质,对肉类行业造成巨大的经济损失。生物可降解薄膜是一种新型的包装材料,不同于传统的塑料包装,其最大的特点是可降解、能减少对环境的污染[40],并广泛地应用在鲜肉保鲜中。在薄膜中加入姜黄素可以延长鲜肉的货架期,因为姜黄素具有抗氧化和抑菌作用,同时薄膜的物理隔离也可以减少鲜肉与外界环境的接触。许多研究表明,将姜黄素活性薄膜用于羊肉[1]、鸡肉[28,41]、猪肉[40,42]、鱼肉[43]的贮藏中,可以延缓其腐败变质,延长保质期。XIE等[40]发现在含细菌纤维素的马铃薯薄膜中加入姜黄素,可以提高薄膜的抗氧化能力,并用于猪肉贮藏[(4±1) ℃],与空白对照组相比,使用含姜黄素的薄膜覆盖猪肉可以显著降低MDA的含量,猪肉氧化程度最低。但姜黄素在水中的溶解度较低,可能会影响其抗氧化和抑菌活性。目前有一些研究制备出姜黄素纳米颗粒、姜黄素纳米乳液来提高姜黄素的水溶性及其生物活性。SHEN等[42]采用离子交联技术制备姜黄素纳米颗粒,其水溶性大幅度提高(0.017 μg/mL→ 35.92 μg/mL),并加入至羟甲基纤维素钠薄膜中用于猪肉的贮藏保鲜[(4±1) ℃],发现相同浓度的姜黄素,纳米颗粒具有更优良的抗氧化活性,第15天的MDA含量为0.248 mg/kg,显著低于普通姜黄素薄膜组。KHAN等[41]在食用明胶复合薄膜中加入姜黄素纳米乳液,薄膜对DPPH自由基的清除率可以达到60.51%,并对大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等食源性病原菌也具有良好的抑制作用,可以使鸡肉的贮藏(4 ℃)时间延长至17 d,优于传统的塑料包装。ABDOU等[28]研究还发现姜黄素纳米乳液-果胶涂层不仅可以延长鸡肉的贮藏期,还能更好地保留鸡肉的品质,与对照组相比实验组的鸡肉具有更好的持水力和肌肉质地,可能是姜黄素能抑制腐败微生物的生长,从而抑制鸡肉蛋白质的降解。因此,含姜黄素的薄膜在鲜肉的贮藏保鲜中具有较大的潜力。

3.3 姜黄素智能薄膜在指示鲜肉品质中的应用

近年来智能包装广泛地用于监控鲜肉贮藏过程中的品质变化,其最大的特点是可通过指示剂颜色的变化来反映食品品质的变化,而无需进行检测,可以将产品的质量直接传达给消费者[44]。植物天然色素姜黄素、花青素、甜菜碱、叶绿素等常作为智能包装的指示剂[2]。姜黄素是从姜黄中提取的天然色素,对pH表现出颜色敏感性,这使其成为智能包装的合适指示剂。总挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)是肉在贮藏过程中受到微生物作用,肉中的蛋白质分解产生的氨或胺等碱性含氮物质的总称,产生的TVBN会使环境的pH值上升[45],故可以通过姜黄素颜色的变化来反映鲜肉的品质。目前,姜黄素智能薄膜已用于监测虾肉[31-34]、鸡肉[32]、猪肉[45,46]、牛肉[47]、鱼肉[48]等鲜肉中。LIU等[45]在羟甲基纤维素钠薄膜中加入壳聚糖包裹的姜黄素微胶囊,并用于监测猪肉冷藏(4 ℃)过程中品质的变化,贮藏第2天后,猪肉中的TVB-N含量为15.12 mg/100 g、pH值为6.25,猪肉从新鲜变为不新鲜,薄膜的颜色从浅黄色变为深黄色,说明姜黄素智能薄膜具有指示猪肉新鲜程度的功能。虾类等水产品在贮藏过程中极易发生腐败变质,故需要对其新鲜度进行监测。ZHANG等[31]在聚乙烯醇中加入姜黄素和琼脂制备pH指示薄膜,用于虾肉冷藏(4 ℃)研究中,结果表明在36 h虾肉已经腐败变质,薄膜颜色变为橘色,60 h虾肉中TVB-N含量高达56.8 mg/100 g,已经严重腐败,薄膜颜色变为橘红色。随着鲜肉腐败的发生,姜黄素薄膜的颜色也发生明显变化,且与TVB-N含量呈正相关关系,薄膜可以有效地监测鲜肉贮藏过程中品质的变化。

4 结论

姜黄素具有抗氧化、抑菌的生物活性和pH指示能力。大量研究表明(表1),姜黄素可以有效地抑制脂质氧化、微生物生长,从而延长肉和肉制品的保质期,减少食物浪费;同时姜黄素智能薄膜能无损地反映肉的新鲜度和腐败程度,并将其直观地传达给消费者,因此在肉类领域具有广泛的应用前景。但仍需对以下几个方面进行深入研究:a)传统姜黄素提取方法需要大量的有机溶剂、且所需时间长,故可以采用更加高效、绿色、便宜的方法制备姜黄素,并实现大规模生产姜黄素。b)姜黄素具有一定的辛辣味,使得姜黄素的应用受到一定的限制,故有必要对姜黄素的去味、掩盖进行研究。c)姜黄素的抗氧化、抑菌活性在肉制品和肉的应用中有着巨大的贡献,可以增加姜黄素的水溶性来增强生物活性,或者研究与其他活性成分的协同增效能力。d)姜黄素活性薄膜和智能薄膜在肉的保鲜和腐败指示中有应用潜力,仍需研究其在不同肉类的影响,以拓宽应用范围。