牡丹花高值化利用研究進展

李杰,趙孝蕊,葛應濤

(山東范府食品有限公司,山東 菏澤 274000)

牡丹不僅是我國重要的觀賞花卉,也是新興的可食用花資源。牡丹是多年生落葉小灌木,牡丹的花冠較大,顏色豐富,常被視為富貴、吉祥、繁榮和興旺的象征,有國花的美譽。牡丹的花瓣中含有大量的蛋白質、微量元素、維生素以及多種生物活性物質,尤其是酚類化合物、類黃酮化合物[1]。牡丹的花型特點不僅能夠營造良好的自然和人文景觀,其中富含的多種活性物質也使其文化價值、藥用價值、食用價值、經濟效益、生態效益顯著,牡丹的眾多特點使其具備了資源性植物的潛力。

牡丹花中富含大量的活性物質,花青素是其中重要酚類化合物之一[2],其基本結構是2-苯基苯并吡喃的糖基化多羥基或聚甲氧基衍生物,其結構能夠穩定自由基,是一種有效的水溶性自由基清除劑。相關的研究表明,花青素的抗氧化活性是抗壞血酸和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質,具有一定的保健功效。花青素與膠原蛋親和力較強,能在細胞上形成一層抗氧化保護膜,使組織細胞不被自由基氧化。

牡丹花中不僅含有豐富的花青素,還含有類黃酮化合物。隨著檢測手段的進步,人們對類黃酮的種類、結構以及化學合成途徑等也越來越清晰[3]。通過對類黃酮結構基因和轉錄調控因子基因進行分離鑒定,得到了許多關于類黃酮化合物的結構、生物合成和化學活性方面的信息。類黃酮化合物在苔蘚類和維管束植物中廣泛存在,結構類型多種多樣,根據類黃酮化合物的結構和性質可大致分為12類,主要以黃酮、黃烷酮、橙酮、黃酮醇、查爾酮、二氫查爾酮、兒茶精類、花青苷和原花色素等為主。

牡丹花中的生物活性物質一直以來是花卉功能性研究的重點[4-5]。有研究對牡丹花中活性物質進行了分離和結構分析,探索活性物質的化學結構和其表現出的功能性用途的關系。例如,研究牡丹花中具有揮發性芳香氣味物質的化學結構、牡丹花精油的抗衰老活性以及酚類黃酮類物質的抗氧化能力。通過對牡丹花中活性物質的化學結構研究,對牡丹花活性物質的生理活性進行綜合評價,研究其生理活性和藥用價值在保健食品、飲料、調配高級化妝品中的重要應用。可將牡丹花作為食用花卉進行應用和開發,拉長牡丹產業化生產鏈條,實現其高值化利用。

綜上,牡丹花在功能性食品、化妝品、食品的深加工領域均有廣闊的前景,本文從牡丹花中活性物質的提取工藝、活性物質的分析方法以及活性物質深加工利用現狀進行綜述,以期為牡丹花深加工產品的開發技術提供參考。

1 牡丹花活性物質的提取工藝

牡丹花中的活性物質主要有富含香味的揮發性成分、單萜糖苷類化合物和酚類化合物等。牡丹花中主要揮發性成分包括醛類、萜烯類、醇類、芳香烴類和烷烴類等[6],而酚類物質主要有單寧、類黃酮和酚酸等。對于不同的活性物質,其提取工藝有所不同,對于不同的牡丹化類,其所含活性物質的含量也不同。因此,需要采用不用的提取方法抽提牡丹花中的活性物質。常用的提取方法為溶液抽提法,在此基礎上,發展了超聲輔助抽提法和微波輔助抽提法,輔助手段的加入會在一定程度上提高活性物質的抽提率。此外,為了提高萃取效率,還發展了超臨界流體萃取法和超高壓流體萃取法,以下將對幾種萃取方法進行介紹。

1.1 溶劑抽提法

溶劑抽提法的主要原理是溶質和溶劑間的相似相容,主要的溶劑有水、甲醇、乙醇、環己烷等,溶劑抽提法所需設備簡單,操作便捷,但抽提時間長、雜質多、分離和濃縮困難,且用水作為溶劑獲得的提取液容易發霉發酵。因此,溶劑抽提法一般采用有機溶劑。乙醇作為廉價易得的有機溶劑,不僅與水可以任意比例混合,還能溶解大部分有機物,對水溶性雜質成分不溶或難溶,所獲得的提取物水溶性雜質較少。

1.2 超聲波輔助抽提法

超聲波輔助抽提法主要是利用超聲的熱效應、機械效應和空化效應,在溶劑抽提過程中增加超聲輔助牡丹花中的活性物質加速分離和溶解,強化溶劑的抽提速率。在牡丹花的初抽提過程以及后續的分離過程都可以利用超聲輔助,其可以縮短牡丹花的抽提時間、提高抽提效率、增加抽提物的產率。竇勇博等[7]采用超聲波輔助法抽提牡丹花中的類黃酮物質,結果表明,超聲輔助抽提的黃酮物質提取率達到3%,相比傳統溶劑抽提法提高了50%。張立攀等[8]采用響應面實驗設計對超聲輔助法提取牡丹花中總黃酮和總多酚的工藝進行了優化,所建模型能夠較好地預測牡丹花總黃酮和總多酚物質的收率,為牡丹花中活性物質的快速獲取提供了方法。

1.3 微波輔助抽提法

微波輔助抽提法主要是利用微波對抽提過程進行加熱。微波輔助抽提法對生物活性物質的抽提具有獨特的優勢,例如提取各種多糖類物質、油脂類物質以及色素等都存在強有力的優勢。采用微波輔助法提取牡丹雄蕊中的總生物堿。馬傳利[9]考察了微波加熱提取時間、微波功率等對提取率的影響,研究表明,在相同的實驗條件下,利用微波輔助萃取獲得的活性物質優于單回流抽提工藝,這說明了微波輔助提取工藝對牡丹花活性物質的抽提具有可行性和適用性。

1.4 超臨界流體萃取

二氧化碳常被用來做超臨界流體,具有流動性好、溶解性好和滲透性好的特點,二氧化碳作為溶劑可以實現溶劑和萃取物的快速分離,減少耗能。超臨界流體萃取不僅操作簡單、過程調節靈活,還可以加速溶解平衡、提高萃取效率,萃取后的活性物質的純度較高。劉俊民等[10]通過對牡丹花提取精油的四種工藝進行分析,超臨界二氧化碳萃取結合分子蒸餾對牡丹花精油的萃取收率最高、品質最優。此外,劉俊民等[11]還探索了亞臨界低溫萃取聯合乙醇精制制備牡丹花凈油的工藝,該工藝全過程在低溫低壓下運行,保證了牡丹花萃取物的活性物質仍具有活性,并且該工藝的設備投資較小,容易工業化。

2 牡丹花活性物質的分析方法

2.1 氣相色譜質譜聯用分析法

氣相色譜質譜聯用儀可以分析分子量小于500,并且易揮發和熱穩定性化合物,用于牡丹花萃取物的分析具有顯而易見的優勢。氣相色譜質譜聯用儀具備特有的譜圖庫,其能準確的給出牡丹花萃取物的化學結構,建立活性化合物的化學結構和功能效果的聯系,有利于牡丹花的高值化利用,為牡丹花功能性產品的開發提供理論依據。郭耀東等[12]采用氣相色譜質譜分析儀對牡丹花精油組分進行了分析鑒定,共獲得了芳香族、酯類、萜烯類、醇類、烷烴類等物質59 種,其中順式氧化芳樟醇、α-松油醇的相對含量最高,達到20%以上。李棟[13]采用全二維氣相色譜-飛行時間質譜研究了牡丹花的揮發性香氛物質,與普通氣相色譜質譜聯用儀相比,全二維氣相色譜-飛行時間質譜儀能檢測出更多的化合物,共檢測出186種化合物,其中芳香物質中長鏈烷烯烴和含氧化合物的含量較高,該研究為建立牡丹花芳香指紋圖譜及研發牡丹香精香料提供了依據。

2.2 液相色譜分析法

液相色譜也常用于牡丹花活性物質的分離與鑒定,其余氣相色譜質譜聯用儀在功能上相互補充,液相色譜儀能夠分析大分子量的化合物。為建立菏澤地區丹鳳牡丹花瓣的液相色譜指紋圖譜,閆慧嬌等[14]利用液相色譜研究了12種當地的牡丹花,對牡丹花中的野漆樹苷、芍藥苷、沒食子酸等8種化合物進行了定量分析,為利用液相色譜系統研究牡丹花提供了借鑒方法。樊金玲等[15]利用高效液相色譜串聯電噴霧質譜儀對六個品種牡丹花中的花色苷類物質進行了分離與分析,花色苷是一種水溶性色素,研究和分析花色苷的化學結構和組成對牡丹花的深加工和高值化利用具有重要指導意義。

2.3 紫外吸收光譜法

紫外吸收光譜法是對化合物進行定量分析的基礎方法之一,根據化合物對不同波長的紫外線吸收程度,對化合物進行定量分析。紫外吸收光譜法所需實驗儀器少,實驗操作簡單,檢測成本低,測定程序簡便。張修景[16]采取回流萃取的方法提取了牡丹花中的苯甲酸,并利用紫外可見分光光度計測定了提取液中苯甲酸的含量,其方法為牡丹花茶產品的開發提供了重要參考。孫澤飛[17]利用紫外可見分光光度計分析了不同花色系列的牡丹花甲醇提取液,發現不同品種的牡丹花對紫外光的吸收峰不同,說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,為開發安全穩定的天然抗氧化劑提供了重要指導。

3 牡丹花活性物質的深加工

牡丹花是一種價值極高的可食用花資源,但目前牡丹花主要以初級加工產品為主,對于牡丹花的深加工產品研究較少,并且大眾的認知程度和接收程度有待進一步提高。進一步開展牡丹花的高值化利用技術,特別是研發與大眾易接受的理念相吻合的產品,例如牡丹花茶、牡丹口含片等,充分利用牡丹花資源開發滿足現代消費者需求的功能性產品。

3.1 牡丹花酒

牡丹花中的活性物質經常采用乙醇/水體系進行超聲萃取獲得,大部分的酚類化合物和類黃酮化合物都溶于乙醇水溶液。因此,以牡丹花為原料或者在釀酒原料中摻入部分牡丹花,在通過制酒工藝,牡丹花中的活性物質可被溶出至酒中,可增加酒的功能性和營養價值。有研究者將牡丹花作為釀酒的輔料使用,張立攀等[18]以高粱酒為基酒,加入不同比例的牡丹花、山茱萸、枸杞提取液,配制酒的黃酮含量與抗氧化能力都有明顯提高。趙貴紅[19]研究了營養型牡丹花發酵果酒、啤酒的釀造技術, 牡丹花香氛物質的提取是牡丹果酒調制的關鍵技術,牡丹花香氛物質的活性保留決定了牡丹果酒的品質。目前,牡丹花類酒制品仍停留在實驗室階段,牡丹花活性物質對牡丹花酒品質的影響及工藝研究較少,所以市場上并沒有太多的牡丹花酒,發掘潛力巨大。

3.2 牡丹花茶

牡丹花茶主要是指牡丹花和茶葉的調配品,牡丹花的加入能使茶葉中的茶多酚降低,保留牡丹花的花香,進而使花茶具備較好的口感。沈清宇等[20]研究了牡丹花中的賦香物質在窨制過程中對牡丹花茶的影響,研究表明牡丹花的賦香物質能夠使茶的感官評審優異和茶香高銳持久。菏澤地區在牡丹花茶生產上具備得天獨厚的優勢,菏澤牡丹花具有一千多種花色花型,在品種培育和催化技術上具有一定的話語權,但牡丹花茶的營銷卻面臨有價無市的困局,仍需加大產品的創新以及營銷局面,為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揮發性香氛的提取物,具有較強的抗氧化能力,其具備的生理活性是護膚品所需要的,能夠很好的提高牡丹花的利用價值[22]。張正澳等[23]采用溶劑法和超臨界二氧化碳萃取法從牡丹花中提取精油,研究表明牡丹花精油對自由基的清除能力優于玫瑰精油。牡丹花精油具有抗氧化能力和特殊的香氛,將其作為日化產品的調配劑使用,具備巨大的市場開發潛力。為了獲取牡丹籽的油料資源,我國大面積種植了油料牡丹,牡丹花是副產資源,提取牡丹花精油與牡丹籽油進行復配制備化妝品的基礎油,復配后的化妝品基礎油在保健功能方面能大幅度提高,在化妝品上的增值使用不僅有利于牡丹花的高值化利用,也促進了牡丹的大規模種植。

4 展望

牡丹花是可食用花資源的后起之秀,其含有酚類、類黃酮等活性物質,具備極高的利用價值和發掘潛力,但目前牡丹花加工主要以低端產品為主,對牡丹花中活性物質的利用仍存在開發不足的問題。牡丹花中的類黃酮化合物具有較強的抗氧化能力,作為一種天然抗氧化物質,具有無污染,毒性小,副作用少,來源廣泛的特點,已展現出一定的生理活性和藥用價值,牡丹花中的活性物質可成為保健食品、飲料、調配高級化妝品的重要原料。因此,加強對牡丹花中活性物質的提取工藝、提取物的化學結構和活性物質的功效研究是實現牡丹花高值化利用的有效途徑,是規模化種植油用牡丹的增值利用方式。