葵花籽生物活性物質及熟制后風味化合物研究進展

胡航偉,林祥娜,湯曉娟,林祥生,王 亮,劉云國,*

(1.新疆大學生命科學與技術學院,新疆烏魯木齊 830002; 2.臨沂大學生命科學學院,山東臨沂 276000; 3.山東小炒旺食品有限公司,山東臨沂 276000)

中國作為農業大國,可食用油料作物資源豐富,2017年中國植物油料產量達3732萬t,比起去年增產了2.8%[1]。在我國的油料作物中,葵花籽產量僅次于油菜籽、大豆、花生和棉籽,是發展前景很好的世界五大可食用油料之一。向日葵歸于菊科向日葵屬,為一年生草本植物,素有“葵花”、“太陽花”等美名。葵花籽是向日葵的果實,既可作為休閑零食,也可用于制作糕點的輔料,同時是重要的榨油原料和高檔油脂的來源。其中,用于榨油的葵花籽占總產量的50%～55%[2]。我國葵花籽的種植區域廣泛,主要集中在內蒙古、新疆、寧夏、吉林和黑龍江等省份,其中以內蒙古的產量最多,約占全國的40%。目前,我國每年食用油的消費量突破3500萬t,但是供不應求。為此,國家出臺相關政策,鼓勵發展國產油料,使得葵花籽產業更有開發潛力[3]。葵花籽中富含多種生物活性物質,如綠原酸、亞油酸、甾醇、維生素、微量元素等。研究還發現,這些活性物質具有抗氧化、促進腸道蠕動、增強免疫力、抑制膽固醇合成的作用[4]。葵花籽作為休閑類瓜子的基本原料,其可添加輔料或者不添加輔料,經過炒制、干燥或其他熟制后,賦予該產品應有的風味,這得益于一系列的化學反應和風味化合物的產生,其食用方便、老少皆宜、營養味美,廣受消費者喜愛。

當前,葵花籽的利用,多半作為烹調膳食的植物油和經過炒制等熱加工制得的休閑食品。而在大規模、自動化的可食加工過程中,受生產成本、技術條件等多方面限制,剩余的籽粕和籽殼資源將視為廢物直接丟棄或者作為廉價的飼料來使用,其中所富含的功能性成分不能得以高效利用。對此,本文綜述了葵花籽中典型的生物活性物質,并概括其提取技術的研究情況,同時說明了葵花籽熟制后風味化合物的種類,對關鍵風味物質吡嗪類和醛酮類做詳細說明,這有助于為后續學者在葵花籽活性物質及風味方面的深入研究提供理論指導,有望開發出適應市場需要、具有保健功能的新型葵花籽類產品,真正實現葵花籽產業復興的美好愿景。

1 葵花籽生物活性物質及提取研究

1.1 綠原酸

綠原酸也叫咖啡鞣酸,是植物在有氧呼吸過程中形成的一種苯丙素類物質,實質是由咖啡酸與奎尼酸縮合而成[5],分子式為C16H18O9。綠原酸是一種重要的植物次生代謝產物,表現出緩解關節炎[6]、促進發熱[7]、抗腫瘤[8]、清除自由基和興奮中樞神經系統等生理功能。綠原酸在杜仲葉、金銀花、向日葵中含量居多,其中葵花籽中綠原酸含量達1.5%～3.3%[9],它主要分布在葵花籽仁的糊粉層中、細胞的蛋白質顆粒內。徐丹丹[10]測試葵花籽仁中多酚種類和總量,結果顯示,綠原酸(5-dicaffeoylquinic acids,5-CQA)是葵花籽仁中主要多酚類物質,存在形式多為游離態,實驗所用葵花籽仁的總綠原酸含量達(13.87±0.02) mg/g葵仁。

目前,綠原酸常用的提取方法有水提法、超聲波輔助醇法、酶提取法、混合輔助提取法、超臨界CO2提取法等。陽元娥[11]采用超聲強化超臨界CO2流體萃取技術,考察萃取溫度、流體流量等5個因素對葵花籽粕中綠原酸得率的影響。該實驗最優條件下,綠原酸的萃取率達4.71%。陳永勝等[12]通過研究酶解時間、加酶量對葵花籽粕中綠原酸提取率的影響。結果發現,纖維素酶和蛋白酶的協同作用能顯著提高綠原酸的提取量,收率可達1.90%。袁粉粉等[13]將微波技術應用于葵花籽粕中綠原酸的提取,結果在乙醇體積分數60%、微波時間4 min、微波功率300 W、微波溫度60 ℃、料液比1∶18 g/mL的水平下,實驗用葵花籽粕中綠原酸的得率最佳,達到4.925%。綠原酸較好的生物活性,在臨床上的應用也很普遍。但是植物中綠原酸存在的異構體較多,加大分離純化的難度。現有的提取技術,多數以其抗氧化能力作為含量的測定指標,在產物組分方面的研究報道較少,不能很好保證產品的純度,存在一定的安全風險。同時綠原酸含有多元酚、不飽和雙鍵等不穩定結構,容易導致其活性大幅降低,而在酸性條件下穩定性好,根據這一特性,今后可在提取工藝中加以改善。

1.2 亞油酸

葵花籽的含油量高,籽仁含油平均高達50%,其味道芳香可口;并且含有近90%的不飽和脂肪酸,以油酸和亞油酸含量最多[14],其中亞油酸占60%以上(因產地或品種不同,脂肪酸含量存在差異性),董煚等[15]已有相關研究報道,如表1。Franca等[16]研究發現攝食亞油酸具有降低心血管疾病發病率的生理功效。對于油料作物,傳統的植物油提取技術有物理壓榨法、溶劑浸出法及壓榨與浸出相結合的方法。其中,物理壓榨法是將原料經過清理、烘干、脫殼、破碎等預處理后進行壓榨提取油脂[17]。壓榨法取油工藝的配套設備少,生產靈活度高,風味自然而純正[18]。溶劑浸出法是利用有機溶劑相似相溶原理,萃取并分離而得到浸出毛油[19]。

表1 三種葵花籽中不同脂肪酸的含量(%)Table 1 Contents of different fatty acidsin three varieties of sunflower seeds(%)

目前,亞油酸的獲取方法有超聲提取法、超臨界CO2萃取法、水酶法等,其中以水酶法最溫和、更常用。Latif等[20]研究五種酶制劑對葵花籽中油提取的影響,結果表明,使用酶制劑Viscozyme L時獲得的產量最高,占原料中總油的87.25%。劉媛媛等[21]采用水酶法對葵花籽油提取效果進行研究,選定的最佳工藝條件為葵花籽原料粉碎至平均粒徑19.68 μm,料液比為1∶5 (w/v),堿性蛋白酶添加量1.5%,反應時間2 h,游離油得率達92.48%。任健[22]在熱處理技術上,通過單因素和響應面法分析,確定實驗條件下葵花籽油的得率最高為89.8%。油料中的油脂存在于細胞內部,通常是與蛋白質、多糖等大分子結合而形成復合體。在細胞外面有一層細胞壁,結構牢固,這增加油脂提取的難度[19]。水酶法提取技術一方面作用油料作物的細胞壁,使油脂可以順利流出;另一方面降解脂多糖、脂蛋白等復合體,使油脂釋放出來,增加其流動性,進而提高作物的出油率。酶制劑除了降解油料作物的細胞壁、脂類衍生復合體外,還能破壞油料在磨漿過程中產生的包裹在油滴表面的脂蛋白膜,降低乳狀液的穩定性,提高產品收率,更有應用潛力。

1.3 膳食纖維

膳食纖維與傳統的六大營養素并列,其為“第七類營養素”,又稱作“清道夫”。按溶解性不同,膳食纖維分成水溶性膳食纖維(soluble dietary fiber,SDF)和水不溶性膳食纖維兩大類。與水不溶性膳食纖維相比,SDF具有特殊的生理活性,能在結腸中幾乎被徹底水解成短鏈脂肪酸,從而在預防結腸癌中發揮有利效用[23],并且能夠降低血清膽固醇。葵花籽粕中富含膳食纖維,主要是SDF。近年來,有關植物中膳食纖維的研究主要集中在亞麻籽、大豆、燕麥,而涉及葵花籽中膳食纖維特性及提取技術的報道并不多[4]。

目前,膳食纖維的提取方法有化學法、膜分離法、超聲輔助法等[24]。褚盼盼等[25]以葵花粕為實驗原料,采用水提醇沉法來研究SDF的最佳提取工藝及產物的理化性質。在選取的最佳條件下,SDF得率達29.40%,產物經過驗證后表現出一定的持水性、溶脹性、乳化能力。朱洪梅等[26]通過單因素實驗和響應面優化設計分析,結果證明該模型的擬合程度良好,在實驗規定范圍內,可用于預測瓜子皮SDF得率。臧延青等[27]以葵花籽殼為原料,從提取液濃度、浸提溫度等4個因素研究SDF提取效果,并對SDF的體外抗氧化性做了進一步研究。籽殼中膳食纖維的再利用,有助于提高葵花籽的附加值,拓寬應用范圍,進而實現大規模化生產,對現有技術工作條件進行優化,提供一種綠色生產模式,最大限度獲得低成本、產量高的優質產品。

1.4 活性多肽

葵花籽榨取油脂后的籽粕含有豐富的優質蛋白,含量為29%～43%[28]。其籽粕蛋白的氨基酸種類豐富、無抗營養因子,且生物利用率高,視為一種理想的植物蛋白資源[29]。受到生產條件的約束,通常其籽粕被作為動物飼料、果樹肥料等低值產品利用,造成原料的大量浪費,甚至導致環境的污染。近年來,國內外許多學者對其蛋白活性進一步開發,以便獲得機體吸收性好、可利用率高、生物活性穩定的多肽,這在一定程度上提高了籽粕中營養物質的附加值。

與蛋白相比,多肽具有黏度低、溶解性高、吸水性強等優越的理化特性[30],研究還發現籽粕多肽在抗氧化、增強免疫及降血脂等方面表現出較高的生物活性。現在對于油料籽粕多肽制備方法主要有化學水解法、微生物發酵法和酶解法。郭婷婷等[31]對葵花籽粕原料進行濕熱預處理,分析出影響實驗提取效果因素的主次順序為pH>過篩目數>料液比>處理時間。郭婷婷等[32]選用葵花籽粕為實驗原料,以酶解過程中酶解物氮收率為評價指標,對比研究不同蛋白酶的酶解效果,進而篩選出適宜的蛋白酶制劑。董聰[33]通過單因素和響應面法來探討3種不同提取方法各自最佳的提取條件,結果微波法獲得的葵花籽粕多肽液,對羥基自由基(·OH)清除率最高,可達54.13%。微生物發酵具有條件溫和、菌種繁多、適應性強等優勢;而酶制劑的專一性,可有針對性的作用在特定位點,達到初步破壞生物大分子空間結構的效果。采用多種提取手段相結合,通常能夠達到較為理想的協同效果,這可為葵花籽粕中優質蛋白的高效利用提供新的研究思路。

1.5 甾醇

目前,已知天然植物甾醇的種類高達200多種。甾醇類型可分為4-甲基甾醇、2-甲基甾醇和無甲基甾醇,其區別在于烷烴基上甲基的數量及位置[34]。植物甾醇是植物中天然存在的一類化合物,其結構通常包含有4個特征性不飽和環、3β-羥基(3β-OH)基團和位于碳17(C17)位置的脂肪族支鏈[35],并對細胞膜穩定性起重要作用[36]。這類化合物對于人類健康展現出的各種功能特性,同樣倍受關注。據報道,植物甾醇能夠達到降低疾病風險的效果,包括抗癌特性[37-38]、預防心臟病[39]、抗炎[40]和降低血液中低密度脂蛋白及膽固醇[41-43]。這些生理益處一定程度上激發人們對含有植物甾醇食品相關研究的興趣。同時,甾醇含量已被用作植物油的鑒定、新鮮度評估及油品假冒檢測的重要指標[44]。葵花籽和葵花籽油均含有一定的植物甾醇,其中葵花籽油中以β-谷甾醇為主,約占總甾醇含量的57%,其次是菜油甾醇和豆甾醇[45]。植物甾醇含量的分析,通常采用氣相-質譜聯用法[46]、高效液相色譜法[47]、分光光度計法或多種技術聯用來測定。孫佳等[48]將馬魯拉油與市售的6種植物油料中甾醇含量進行對比,發現選購的葵花籽油中β-甾醇達218.10 mg/100 g,且含量明顯高于馬魯拉油。

1.6 其他活性物質

除上述外,葵花籽中還含有維生素、黃酮類物質、萜類化合物及微量元素等。葵花籽中含有的維生素包括維生素E和B族維生素(維生素B1和葉酸等)。維生素E存在4種同分異構體,即為α型、β型、γ型和δ型。以α型活性最高,其在葵花籽中含量不僅僅高于其他3種同分異構體,還顯著高于其他維生素E來源作物的含量,例如大豆、核桃等。王豪等[49]挑選市售的7種常食用的堅果,對比后發現葵花籽中總黃酮含量最高,達到(35.16±0.07) mg/g,而總三萜也含有(1.45±0.07) mg/g。葵花籽中還富含多種微量元素,如Fe、Zn、Se等。

2 葵花籽熟制后風味化合物

圖1 食品中風味物質提取、鑒定的一般步驟Fig.1 General steps for extraction and identification of food flavor substances

除了質地和色澤外,風味是食品的重要特性。由風味化合物引起的整體感官印象強烈地影響消費者對產品的接受度,對風味化合物的定性定量分析和改善食品風味質量的研究更為熱門,目前,風味物質的提取及鑒定方法有溶劑輔助風味蒸發(solvent-assisted flavor evaporation,SAFE)、超臨界萃取、固相微萃取、香氣提取物稀釋分析(aroma extraction dilution analysis,AEDA)、氣相-離子遷移色譜、氣相嗅覺法(gas chromatography-olfactometry,GC-O)等,這在混合體系的組分分析中應用廣泛。圖1提供了研究食品中風味物質的一般思路,清晰的說明了各個步驟下的要點,可為后續學者在食品風味化學方面的研究給予幫助。葵花籽中風味化合物種類很多,如烯類、烷烴、雜環類等,經烘烤后的葵花籽香酥可口,是理想的休閑方便食品,其特征風味主要由醛酮類化合物和吡嗪類化合物組成的[50]。

2.1 萜烯類化合物

萜烯類物質是廣泛存在于植物體內的天然來源碳氫化合物,分子式多為異戊二烯整數倍,且存在同分異構體,多數具有一個環和兩個雙鍵或者是兩個環和一個雙鍵,其中α-萜烯和β-萜烯的特征香氣是松香,屬于植物固有的清香。陳潔等[51]研究微波焙炒對壓榨葵花籽油揮發性物質的影響,結果發現,不同參數下公有的萜烯類物質6種,分別是(1S)-(+)-α蒎烯、莰烯、β-苧烯崖柏烯、雙戊烯、萜品烯和白菖烯,相對含量高達9.37%～40.30%。微波加熱時間短,輻射強度大,與傳統焙炒工藝比,節約能耗,受熱均勻,且微波焙炒所得葵花籽油品質優于傳統工藝下的壓榨油,這為葵花籽制油新工藝的開發提供很好的理論基礎。

2.2 醛酮類化合物

醛酮類化合物通常具有一般食品的香氣特征。葵花籽含有大量不飽和脂肪酸(如亞油酸、油酸等),容易氧化生成過氧化物,而過氧化物性質極不穩定,容易裂解生成醛、酮等小分子物質。研究表明,葵花籽中醛類化合物以壬醛、龍腦烯醛、反-2-癸烯醛、2,4-癸二烯醛、2-十一烯醛居多。周萍萍等[52]對烘烤壓榨制得的葵花籽油進行揮發性物質分析,測定出揮發性化合物80種,其中醛類化合物種類高達13種。Meng等[53]其采用頂空-氣相色譜-質譜-嗅覺測定法研究熟制葵花籽中含有的酸敗成分,得出引起臭味的主要原因是壬醛、2,4-壬二烯醛和庚醛等含量的增加。食品中醛酮化合物的相對含量對風味影響較大,較低濃度下利于改善風味,反之亦然。醛類中含量較高的己醛和2,4-癸二烯醛已被鑒定為亞油酸一級氧化產物[50]。對食品原料預處理后,測定其中己醛和2,4-癸二烯醛的含量,進而推斷該原料品質的優劣程度,從而保障產品投放在市場前的安全性。通過深度分離殘次物、控制水分含量和貯藏溫度等方式,可延緩產品在貨架期內的變質。

2.3 吡嗪類化合物

吡嗪類化合物是許多烘烤制品的主要風味物質,如炒花生、烤面包,許多模擬反應系統已證明其主要是由美拉德(Maillard)反應產生,位于吡嗪環上的碳主要來自于糖類,而氨則來自于氨基酸[54]。吡嗪類化合物作為食物中重要的一類呈香呈味物質,受到人們越來越多的關注,該物質作為葵花籽熟制后關鍵致香成分[50],也得到業內很多學者的認同。俞俊等[55]研究焦香味煮制葵花籽中揮發性香氣物質,發現其主要發香成分是3-乙基-2,5-二甲基吡嗪等,約占香氣物質總量的52%。Guo等[56]評估溫度和時間對葵花籽風味的影響,鑒定出114種揮發物,其中吡嗪類化合物對風味起主要作用。洪振童等[57]采用頂空固相微萃取-氣質聯用法對不同處理條件下葵花籽油中揮發性物質進行分析。結果表明,隨著炒籽溫度的升高,熱榨葵花籽油中以清香為主要香氣特征的萜烯類物質逐漸減少,而以烤食香味為主的雜環類物質(多是吡嗪類化合物)和小分子醛、酮物質明顯增加。由此,推測葵花籽熟制前后的風味物質變化與之研究有相似趨勢。熟制后的葵花籽,產生大量的吡嗪類化合物,賦予產品獨特的風味。

3 總結與展望

葵花籽是我國重要的油料作物,易于栽培,種植區域廣泛,產量呈逐年遞增趨勢。隨著人們生活水平的提高和消費理念的改善,產品的品質和飲食的健康被更加注視,而葵花籽本身含有豐富的活性成分,如綠原酸、甾醇、維生素E等。同時,攝食一定量的葵花籽能夠起到抗衰老、提高免疫力等有益功效,這對葵花籽產業未來的發展頗有意義。目前,葵花籽的應用主要集中在炒制后的休閑零食、榨取食用植物油,這不可避免的產生大量籽粕和籽殼廢料。現有技術的短板,工業化程度的不均衡,加上昂貴的生產成本,導致實際對葵花籽廢料的處理更為粗糙、簡便。此外,廢料中含有的某些成分對環境影響比較敏感,增加其活性成分分離提純的難度,對于獲取技術的要求更高。烘烤后葵花籽表現出誘人味道,市場需求量高,但市面上銷售的葵花籽產品品牌,如恰恰、三胖蛋、金鴿等,口味種類較少,行業競爭加劇。

脫脂葵花籽粉是葵花籽油提取物的升級版副產品,富含蛋白質、粗纖維和抗氧化劑。Grasso等[58]研究評估了18%和36%脫脂葵花籽粉替代小麥粉后餅干的感官質量,為天然食品添加劑和葵花籽粕資源開發提供新的思路。目前,葵花籽中活性成分的提取物多為粗提混合物,單體化學成分的分析鑒定技術有待進一步創新。同時對這些活性成分在植物體內合成途徑和調節過程還需要深入研究,這可為基因工程、遺傳育種等技術手段來提高葵花籽的生物利用提供重要支撐。另外,食品風味研究方法的不斷改進,如溶劑輔助風味蒸發、超臨界CO2萃取等高效提取技術和電子鼻、氣相離子遷移譜等鑒定手段,明顯提高了研究結果的可靠性,關于葵花籽系列產品在制造過程中形成風味的前體以及新化合物形成的反應機制需要進一步解釋,可研究空間很大。提高葵花籽中活性物質的穩定性,建立高效簡易的提取工藝,可以減少資源不必要的浪費,拓寬應用范圍;闡明風味物質形成的機制,可以豐富食品風味化學的理論體系，這些領域的研究與探索,將為葵花籽產業快速發展提供積極的推動作用。