鳄梨油的提取、营养组成及生物学功能研究进展

雷昌贵,孟宇竹,陈锦屏,张晓东,蔡花真

1(河南质量工程职业学院 食品与化工学院,河南 平顶山,467000) 2(平顶山技师学院 现代服务系,河南 平顶山,467000) 3(陕西师范大学 食品工程与营养科学学院,陕西 西安,710062)

鳄梨(PerseaamericanaMill.),又称牛油果、油梨、樟梨、酪梨,是一种原产于中美洲的樟科(Lauraceae)鳄梨属(PerseaMill.)水果,主要种植于暖温带和亚热带地区[1]。联合国粮食及农业组织的统计数据显示[2],鳄梨的主要生产国是哥伦比亚、印度尼西亚、秘鲁、多米尼亚和墨西哥,且墨西哥的鳄梨年产量位居全球第一,2020年达到239万t。而鳄梨在我国广东、海南、福建、台湾等地也有种植,种植面积已达1.8万hm2,年平均产量超12万t[3]。

鳄梨由果皮(约占16%)、果肉(约占69%)和果核(约占15%)3个部分组成(图1)[4]。果肉作为鳄梨的主要组成部分,从微观结构来看,其主要由薄壁组织和异形细胞组成,在图1-a中可以看出,薄壁组织中含有油体,被薄纤维素壁所包围,在其中呈精细分散的乳液状;而后者作为一种特化细胞,由纤维素、木栓质形成厚细胞壁,有较大油囊位于中央[5]。在鳄梨成熟过程中,胞内多半乳糖醛酸酶和纤维素酶的活性增加,导致薄壁组织降解,其中的油体以乳状液形式释放出来(图1-b)[6]。然而此时异形细胞结构仍然完整,只有在外界机械作用力、热力、酶解及溶剂、超声、微波得处理之下,绝大多数油体才得以释放,以获得更高的产油量(图1-c)。

由于鳄梨油在食品和化妆品行业具有潜在应用,以及它对人类健康的有益功效,国内外消费者对鳄梨油的需求也在大幅增涨。与其他植物油不同,鳄梨油是从新鲜鳄梨果肉中提取而来,其中约含60%～70%的单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acid,MUFA)、15%～20%的饱和脂肪和10%的多不饱和脂肪酸,而60%～80%的MUFA是油酸[7-8],此外鳄梨油中含有丰富活性成分,如生育酚和植物甾醇等。这些营养成分是鳄梨油发挥抗氧化、改善心血管健康和预防糖尿病等健康功效的物质基础[9]。因此本文对鳄梨油的提取工艺、营养组成和生物学功能等3个方面进行全面综述,以期推动鳄梨油的进一步研究及其在食品保健、疾病预防等领域的开发利用。

a-未成熟期的鳄梨果肉微观结构;b-成熟期的鳄梨果肉微观结构; c-提取过程中鳄梨果肉微观结构的变化图1 生长及油脂提取过程中鳄梨果肉细胞形态变化Fig.1 Morphological changes of avocado flesh cells during growth and oil extraction

1 鳄梨油的提取方法

在提取鳄梨油之前,需要将鳄梨进行清洗、削皮、去核等适当前处理,分离后的鳄梨果肉(水分含量>60%)再通过晾晒、热风干燥、冷冻干燥或微波干燥,减少水分含量,以达到灭酶和抑制鳄梨原料中腐败微生物生长繁殖目的[10]。干制后的鳄梨通常采用冷榨法、溶剂萃取法、水酶法、微波辅助提取法、超声辅助提取法和超临界流体萃取法等技术提取其中的油脂,其中冷榨法是生产鳄梨油最传统的方法,溶剂萃取法是大规模工业化生产的主要方法,而水酶法、微波辅助提取法、超声辅助提取法和超临界流体萃取法是近年来发展起来的新型提取方法,表1列出了以上6种方法的优缺点。

表1 鳄梨油的提取方法及其优缺点Table 1 Extraction methods of avocado oil and their advantages and disadvantages

1.1 冷榨法

冷榨法是通过螺旋压榨机或液压机等设备,在低于50 ℃的温度下利用机械外力使油脂从油料细胞中释放出来的过程[16]。一般来说,冷榨法提取鳄梨油分为2个步骤:预处理和提取。前者主要涉及清洗、削皮、去核和捣碎等工艺, 水浴中以60 ℃将果浆加热90 min,用抹刀将光滑的浆体不断混合,使小油滴聚集成大油滴,也能提高产油量[17]。如图2所示,经过预处理后的鳄梨果浆通过滗析器将水层与果渣层分离,在经卧式离心机提纯和回收鳄梨油[11]。由于在提取过程中原料没有经过常规蒸煮,其中的油脂微粒仍旧以分散状态存在于未变形的细胞中,能够较好地保持油脂品质、感官及营养特性[18]。GUILLÉN-SNCHEZ等[19]对比了利用热榨法(温度50 ℃)和冷榨法(温度-35 ℃)2种方法提取的鳄梨油的品质,结果显示采用冷榨法获得的鳄梨油中不饱和脂肪酸含量明显高于热榨法,且具有更强的氧化稳定性,这主要是由于鳄梨油中不饱和脂肪酸在高温条件下极不稳定,易发生氧化反应,转化为部分饱和脂肪酸。虽然冷榨法操作简单,对成品油品质安全影响较小,但也存在较多缺陷,如产油量较低、提取后的残渣中残油量较高、自动化程度较低等。

1.2 溶剂萃取法

溶剂萃取法是一种使用化学溶剂将液体从固体-液体样品中分离出来的过程,广泛应用于植物油的提取,其中使用的有机溶剂主要是正己烷,其他溶剂如丙酮、石油醚、乙醚和氯仿等在一些文献中亦有报道[14]。图3展示了溶剂萃取法提取鳄梨油的基本原理图,与冷榨法不同的是,鳄梨果肉水分含量较高(约80%),在样品的预处理环节,需要利用干燥器除去新鲜鳄梨片中的多余水分。干燥后的鳄梨片与溶剂(正己烷)在提取器中充分接触,或借助搅拌器,以便从鳄梨细胞中最大限度的溶解油脂。随后收集器中的溶剂将被蒸馏并从油中分离出来,而油则随管道进入蒸发器以除去最后残留的溶剂,最后将提取得到原油经过精炼工艺进一步除杂[20]。

图2 冷榨法提取鳄梨油的原理Fig.2 The schematic of cold press extraction of avocado oil

MGOMA等[12]采用响应面法对正己烷提取鳄梨油的工艺参数进行了优化,在温度60 ℃、液料比1.53(mL∶g)、反应时间128 min的条件下,鳄梨油的得率达到67.07%。该项研究还揭示了较高的萃取温度和较低的固液比有利于提取鳄梨油,随着萃取温度的升高,鳄梨油的品质和稳定性也有所提高,其中的反式脂肪酸含量更低。然而溶剂萃取法的缺点在于有机溶剂的挥发造成大气污染,成品油中溶剂残留可能会造成毒性,威胁人体健康[14],酶、微波和超声波等技术在天然产物提取领域的广泛应用,使得越来越多的绿色高效的提取方法逐渐凸显其优势。

图3 溶剂萃取法提取鳄梨油的原理Fig.3 The schematic of avocado oil extraction by solvent extraction method

1.3 水酶法

为了降低溶剂萃取法所带来的环境污染和溶剂残留,克服水提法(一种以水为溶剂从油料中提取植物油的传统方法)提取油脂的效率较低、产油量低的局限性,水酶法作为一种绿色、高效的工艺逐渐应用于植物油的提取中。图4所示为水酶法提取鳄梨油的原理图,先将鳄梨果进行清洗、去皮、去核和捣碎等前处理,以热水为提取介质,加入鳄梨泥中有助于油的释放并抑制脂肪分解酶的活性成分,防止油中营养成分的水解或氧化。然后将酶、盐添加到提取体系中,以破坏鳄梨细胞壁结构,促进油体的释放,获得更高的油产量。然后通过离心处理使油从油水乳状液中分离开来[14]。这种方法提取鳄梨油的产量和提取效率主要取决于所用酶的种类和浓度、反应时间和料液比[21]。LI等[13]在料液比为1∶3(g∶mL)、提取温度为75 ℃、时间为150 min、pH=8的最佳条件下,利用水提法提取牛油果油的产油率为37.21%。而添加不同的酶均会提高鳄梨油的产油率,以α-淀粉酶产油率最高(70%),其次为蛋白酶(51%)和纤维素酶(42%)[22]。

图4 水酶法提取鳄梨油的原理Fig.4 The schematic of avocado oil extraction by aqueous enzymatic extraction method

1.4 微波辅助提取法

微波辅助提取法是一种基于利用微波能量从各种材料中提取有价值的天然产物的新型提取技术。在提取过程中,将鳄梨干与溶剂按照一定比例混合后,送至微波处理区。然后将微波功率调整至所需的提取温度,一般来说,输入功率越高,微波处理区域的温度越高。待提取完成后将处理后的溶剂-样品混合物送入不锈钢储罐进行进一步过滤分离,得到提取出毛油[18]。利用微波辅助溶剂萃取会对鳄梨果的细胞结构产生轻微的变化,能显著提高鳄梨油的品质和产量,可以生产出低酸度、高氧化稳定性的鳄梨油[23]。REDDY等[24]比较了利用传统溶剂萃取法和微波辅助溶剂萃取法提取的鳄梨油的产量和品质,结果显示微波的介入能够使鳄梨油的产量由原本的63.67%提高至69.94%,MUFA含量由原本的61.76%提高至68.16%,其主要原因在于微波加热能比传统加热更快地提高温度,可以穿透样品,为溶剂和鳄梨提供快速的能量传递,随后对溶剂和鳄梨进行有效和均匀的加热,使油脂能够快速释放到溶剂中[25]。

1.5 超声辅助提取法

鳄梨果捣碎之后的果泥是一种多相体系,其中的油滴和组织颗粒分散在水相中共存,总的非油固体和油滴加起来占20%～30%,剩余大多数为水分[22]。在低频((24～40 kHz)或高频(400～600 kHz)超声环境下,多相体系暴露在不稳定的空化效应中,水中气泡停留很短的时间,急剧崩溃闭合,破坏细胞壁和油滴结构[23, 26]。而超声辅助提取法就是利用超声波产生的空化效应,使鳄梨果肉油胞的细胞壁和油乳状液的结构破裂,从而将胞内油脂成分释放到溶剂中。TAN等[27]采用Box-Behnken设计响应面法优化了超声辅助水提取初榨鳄梨油,在液固比为6∶1(mL∶g)、超声时间30 min、超声温度35 ℃的最佳工艺条件下,初榨鳄梨油的提取效率可达72.79%。利用超声辅助法提取的鳄梨油色泽比溶剂萃取法更淡,其中的不饱和脂肪酸含量为71.29%,高于溶剂萃取法(65.46%),其主要原因在于不饱和脂肪酸与极性溶剂(水)之间的相互作用强于非极性溶剂(正己烷)[28]。将传统的提取工艺与超声波相结合,更有效地降低了提取温度,减少了有益成分的损失,提高了常规提取技术的效率和效果。同样在提取前对油料进行超声预处理,也能提高提取率,缩短提取时间。TAN等[29]在提取之前对鳄梨果粉进行超声水浴处理,提取30 min后鳄梨油的出油率达到15.13%,与利用超临界CO2萃取法提取450 min后的出油率相当(16.97%)。

1.6 超临界流体萃取法

一般而言,当流体的压力和温度超过其临界点,即临界压力(Pc)和临界温度(Tc)时,该流体被认为是超临界流体,它是介于气体和液体之间的一种动态平衡的状态。图5中的相图展示了CO2的超临界状态,在Pc=78.3 bar、Tc=31.1 ℃处出现了临界点,临界点以上的区域就是CO2的超临界流体区[30]。该区域流体的典型特征是低黏度(几乎等于气体的黏度)、高密度和高扩散性,增强了其对溶质细胞的渗透能力,使其成为适用于提取多种天然产物的良好溶剂[31]。超临界流体萃取法就是一种以超临界流体为溶剂萃取生物活性化合物的先进技术,由于超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SC-CO2)具有成本较低、容易获取、安全无毒、临界温度和压力较低、对热敏性化合物具有选择性和提取潜力等优势,是超临界流体萃取中最常用的非极性溶剂之一[32]。图5所示为超临界CO2萃取法提取鳄梨油的原理,钢瓶中的CO2沿管道进入加热器、高压泵被加热和压缩至临界温度和压力,随后SC-CO2进入提取器,与鳄梨果肉充分接触,促使果肉细胞发生破裂,胞内油体释放,含有鳄梨油的CO2流过提取器出口处的减压阀,使得鳄梨油与CO2气体分离并流入收集器中。通过改变工艺参数,如温度、压力和助溶剂(乙醇),可以较容易地改变提取产物的特性,当压力高于400 bar,鳄梨油的回收率几乎可达97%～98%;在温度为40 ℃和60 ℃、压力为400 bar时,提取过程中由于乙醇的介入,除了更有利于残余油脂的浸出,所得到鳄梨油中总生育酚含量由3.0 mg/100 g上升至28.2 mg/100 g[15]。因此该法所具备的优势大部分来自于溶剂SC-CO2的优良特性,能够克服传统溶剂萃取方法的局限性,比正己烷或丙酮等其他有机溶剂更具吸引力,是一种理想的油脂提取技术。

图5 超临界CO2萃取法提取鳄梨油的原理[30,33]Fig.5 The schematic of avocado oil extraction by supercritical CO2 extraction method

2 鳄梨油的营养组成

2.1 鳄梨油的脂肪酸组成

作为鳄梨的主要组成部分,鳄梨中脂质占鳄梨总质量的15%～30%[15, 34],但不同的产地、品种、收获季节、种植环境、提取工艺以及测定方法都会影响鳄梨中脂质含量,同时也会影响鳄梨油中的脂肪酸组成,造成鳄梨油的脂肪酸组成和含量在定性和定量水平上存在一定的差异。表2列举了来自不同产地及不同提取工艺得到的鳄梨油中脂肪酸组成及含量,表中数据显示,溶剂萃取法和冷榨法是比较常用的提取方法,所有鳄梨油样本都具有较为类似的脂肪酸组成,从整体上看,MUFA占鳄梨油总脂肪酸含量的36.1%～70.73%,明显高于其他大宗植物油,如大豆油(23%)、玉米油(32.14%)、花生油(46.19%)等[35]。在MUFA中油酸含量最多(21.43%～66.6%),其次是棕榈酸(13.36%～34.48%)、亚油酸(10.60%～19.84%)。大量流行病学研究结果表明, 植物油中较高水平的油酸对于降低机体总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇,维持高密度脂蛋白胆固醇,降低血脂水平具有重要意义,能够有效预防和减少患心血管疾病的风险[36-37]。

2.2 鳄梨油中的其他活性物质

植物甾醇是存在于鳄梨油中的不皂化物之一,具有较高的抗氧化和抗肿瘤活性,还能降低血浆胆固醇,赋予了鳄梨油很高的营养价值[38-39]。研究发现鳄梨油中的总甾醇含量为3 259.90～ 5 378.80 mg/kg,明显高于食品法典委员会规定的标准(2 437 mg/kg)。鳄梨油中主要甾醇是β-谷甾醇(2 686.81～4 499.90 mg/kg)、Δ5-燕麦甾醇(144.48～327.03 mg/kg)和菜油甾醇(155.82～306.05 mg/kg),而胆固醇(5.68～17.28 mg/kg)、豆甾醇(3.21～43.03 mg/kg)则少量存在[40]。

生育酚是鳄梨油中具有抗氧化活性的主要亲脂化合物,其含量为113.13～332.17 mg/kg,研究发现鳄梨油中发现的生育酚主要是以α-生育酚形式存在(46.82～177.90 mg/kg),它的摄入与心血管疾病发病率的降低密切相关[40]。提取工艺会对鳄梨油中的生育酚含量产生影响,与溶剂萃取法相比,冷榨法和超临界流体萃取法能够提高鳄梨油中生育酚含量,提取过程中选用中温(60 ℃)对油中生育酚的保留也会产生积极影响[41-42]。影响鳄梨油中生育酚水平的另外一个因素即是鳄梨的成熟度,VILLA-RODRIGUEZ等[43]发现鳄梨油中的生育酚水平在鳄梨果实成熟过程中逐渐增加,从90 μg/g(果实采后贮藏第1天)增加到183 μg/g油(果实采后贮藏第8天),随后出现下降趋势,也就是说鳄梨果实在中间成熟阶段含有最高的生育酚水平。

表2 不同产地及不同提取方法得到的鳄梨油脂肪酸组成及含量 单位:%

3 鳄梨油的生物学功能

3.1 抗氧化作用

鳄梨是一种具有较高抗氧化活性的亲脂性水果,这与鳄梨油中所含的不饱和脂肪酸、植物甾醇和生育酚密切相关。鳄梨油对DPPH自由基的清除能力为0.17～2.32 mmol TEAC/kg,且油中的亲脂馏分(如生育酚)的自由基清除能力(0.40～0.64 mmol TEAC/kg)比亲水馏分(0.07～0.12 mmol TEAC/kg)高得多[49]。摄入含鳄梨油的膳食可以抑制活性氧(reactive oxygen,ROS)的产生,抑制机体氧化应激反应,对于预防心血管疾病、降低癌症患病风险具有重要意义[50]。此外鳄梨油中的MUFA(油酸)是合成机体细胞中新的线粒体的靶向抗氧化剂,能够有效降低脂质过氧化,改变肝脏线粒体脂肪酸组成,维持线粒体最佳水平的氧化还原状态[51-53]。ORTIZ-AVILA等[51]研究发现,鳄梨油通过保护细胞色素的完整性,保持电子传递链中的复合物Ⅲ的活性和降低ROS水平,从而预防链菌素诱导的I型糖尿病大鼠肾脏线粒体功能障碍。

3.2 改善心血管健康

日常膳食中摄入鳄梨油能够降低血浆中的甘油三酯(triglyceride,TG)、总胆固醇(total cholesterol,TC)和低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoprotein cholesterol,LDL-C),从而达到降低机体患心血管疾病的风险[54-55]。高胆固醇血症和Ⅱ型糖尿病患者按每天195 g鳄梨油,持续补充1周,血浆中TC、LDL-C含量分别下降17%、22%, TG含量下降22%[56]。这些有益作用主要归因于鳄梨油中的脂肪酸组成和活性成分,油酸作为鳄梨油中最主要的MUFA,可以通过增加酰基转移酶的活性来降低低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL),增加胆固醇酯的合成,从而刺激LDL受体的活动,有利于LDL的摄取并减少其在血浆中的含量[57]。油酸能增加脂蛋白脂酶对TG中的长链脂肪酸的水解,将其结合到高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein cholesterol,HDL-C)颗粒中,使血浆中TG含量降低,HDL-C含量增加[58]。此外油酸还能诱导机体内源性TC合成能力下降[54],从而使富含油酸的鳄梨油在调节胆固醇代谢、改善心血管健康方面发挥积极作用。

3.3 预防Ⅱ型糖尿病

Ⅱ型糖尿病是糖尿病的一种主要类型,其患病人数约占总患病人数的90%以上。它的发病特征表现为胰岛素水平的代谢性紊乱,以胰岛素分泌相对不足和胰岛素抵抗为主,即身体内会产生胰岛素,但无法真正有效利用胰岛素[59]。MUFA在大量研究中都被报道是高脂或高糖饮食引起胰岛素抵抗的主要阻断剂,DEL TORO-EQUIHUA等[60]评估了鳄梨油对蔗糖诱导的Wistar大鼠胰岛素抵抗的影响,结果显示饲喂10%和20%鳄梨油的实验动物表现出较低的胰岛素抵抗,鳄梨油中含有的油酸能够有效逆转肿瘤坏死因子对大鼠胰腺β细胞系产生的胰岛素抵抗,维持胰岛素的分泌。此外GERHARD等[61]揭示了另一种潜在机制,油酸在通过肠道的过程中会诱导肠促胰岛素,如葡萄糖依赖性促胰岛素肽和胰高血糖素样肽-1分别由十二指肠和空肠的的K细胞和L细胞产生并释放[62],提高胰岛素敏感性,改善糖尿病症状,更有利于控制体内血糖水平。

3.4 抗癌作用

世界卫生组织国际癌症研究机构发布的数据显示,2021年全球新发癌症病例1 929万例,全球癌症死亡病例996万例,癌症也成为目前世界上最主要的致死原因之一[63]。由于治疗癌症的常见化学药物具有较强副作用,使得具有临床副作用小、治疗靶点多的天然活性产物成为预防或治疗癌症的理想选择。研究发现,富含MUFA的饮食可以显著预防各类癌症风险,如结肠癌、前列腺癌、胰腺癌、胃癌、乳腺癌和宫颈癌等[64]。JACKSON等[65]研究发现鳄梨因其富含MUFA能够显著降低前列腺癌患病风险,与每天摄入少于12 g鳄梨的男性相比,每天摄入60 g或更多鳄梨的男性患前列腺癌的可能性更低。ALKHALAF等[66]发现鳄梨果肉提取物对结肠癌细胞株(HCT116)和肝癌细胞株(HePG2)具有良好的抑制活性,且呈剂量依赖性,半抑制浓度(IC50)与参考药物(索拉非尼)相近。油酸是鳄梨油能够发挥抗癌活性的关键成分,其作用机制可能与油酸抑制涉及人类癌症转移的致癌基因HER2的过度表达、细胞内ROS产生或caspase 3活性增加有关[67-68]。

3.5 降血压作用

高血压是指动脉收缩压或舒张压增高,并伴有心、肾、脑等器官的功能性损伤的慢性疾病,据国家心血管病中心发布的数据显示,我国高血压患病人数约为2.45亿[69]。高血压与线粒体功能障碍有关,这是由于还原型辅酶Ⅱ(NADPH)氧化酶活性增加,产生了亚硝化和氧化应激反应,此外通过反向电子转移链造成钙转运缺陷和活性氧增多,使得血管内皮细胞功能障碍和和高血压并发症的产生[70]。MRQUEZ-RAMREZ等[71]研究了鳄梨油对氯沙坦诱导的大鼠高血压症状的缓解效应,结果显示日摄入1 mL鳄梨油能够通过升高模型大鼠的线粒体膜电位、降低ROS和氧化型谷胱甘肽水平使模型大鼠的舒张压和收缩压分别下降21.2%和15.5%,改善了肾脏线粒体功能受损所导致的的肾脏内皮依赖性血管舒张。OLMOS-ORIZABA等[70]发现摄入含鳄梨油的膳食可以通过降低NADPH活性和线粒体中钙摄取来缓解由N-硝基-L-精氨酸甲酯(一氧化氮合成酶抑制剂)诱导的大鼠高血压肾病。

4 总结与展望

鳄梨油是不饱和脂肪酸的良好来源,其中单不饱和脂肪酸占大多数,尤其是油酸含量最高。鳄梨油还含有丰富的β-谷甾醇和α-生育酚,这些营养成分是鳄梨油发挥抗氧化、改善心血管健康和预防糖尿病等多种功效的物质基础。目前国内外对鳄梨油的研究仍然处于起步阶段,鳄梨油在食品保健和疾病预防等领域的发展潜力还需要进一步挖掘。为了加快鳄梨油的深入研究和开发利用进程,接下来研究的重点须围绕以下2个方面展开:a)改进现有提取工艺。在传统的提取分离技术的基础之上,结合现代萃取工艺,开发出更高效、更环保的提取技术。进一步研究鳄梨油中营养成分在提取过程中的变化,优化工艺参数,有效减少鳄梨油中的生物活性成分在高温高压等条件下地损失;b)深入研究鳄梨油的其他生物学功能及其潜在机制。目前关于鳄梨油在抗肿瘤、抗炎症、免疫调节等方面的研究较少,且现有的生物学功能大多数是通过体外实验或动物模型实验开展的,大规模人群干预实验数据支撑不足。未来要结合临床实验,从分子水平上深入探究鳄梨油的更多生物活性,以期推动以鳄梨油为主要成分的新产品研发。