桑椹花青素加工穩定性及其應用研究進展

唐羅,陳曉霞,陳軍,向戈,趙國華,葉發銀,4*

1(西南大學資源昆蟲高效養殖與利用全國重點實驗室,重慶,400715)2(西南大學 食品科學學院,重慶,400715) 3(重慶市丹青生物技術有限公司,重慶,408107)4(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,重慶,400715)

桑椹是桑科(Moraceae)、桑屬(MorusL.)多年生木本植物桑樹的聚花果[1]。我國桑種資源十分豐富,據資料顯示,目前我國野生和栽培的主要桑種含15個種和4個亞種[2]。桑椹經濟價值高,是原國家衛生部認定的首批藥食同源植物[1],除鮮食外,還可加工成果干、果汁、濃縮汁、果醬、果凍、果酒等產品。桑椹具有累積花青素的特性。在花青素累積階段,桑椹由淺紅色逐漸變為成熟時的黑紫色。據報道,黑桑(MorusnigraL.)的一些品種的桑椹鮮果中矢車菊素-3-葡萄糖苷(cyanidin-3-glucoside,C3G)含量達704.1 mg/100 g干基[3];其他如白桑(MorusalbaL.)、山桑(MorusbombycisKoidz.)、廣東桑(MorusatropupureaRoxb.)、紅桑(MorusrubraL.)、蒙桑(MorusmongolicaSchneid.)等品種,也是花青素的良好來源[4-6]。

以桑椹果實或果渣提取的桑椹紅(CNS 08.129),允許在果糕、果酒、果凍、糖果、風味飲料及固體飲料中使用,具有合成色素無可比擬的安全性,桑椹紅已成為水溶性紅色系著色劑家族的重要成員,可賦予食品紅色、粉色、紫色等顏色。體外、體內及臨床試驗結果表明[7-8],花青素作為桑椹中的主要生物活性成分之一,具有抗氧化、抗癌、降血糖、減少脂肪生成等多種生理活性,是極具應用前景的功能性食品配料。

眾所周知,花青素具有天然的不穩定性,特別是在中堿性環境以及氧、光、熱等因素的作用下,花青素的分子結構極易被破壞,導致其褪色或失去生物活性。桑椹鮮果采收期集中、容易腐爛,不耐運輸,即對桑椹鮮果及花青素資源的加工利用就十分迫切[9]。現有文獻綜述主要關注桑椹花青素的提取純化、分離鑒定和生理活性等方面,而對桑椹花青素加工穩定性研究尚缺乏總結。因此,本文在論述桑椹花青素的化學結構以及影響花青素穩定性的結構、環境及加工因素的基礎上,總結提高桑椹花青素穩定性的方法和技術,同時介紹桑椹花青素在食品中的應用進展,以期為桑椹花青素的深入研究與應用提供參考。

1 桑椹花青素的化學組成和結構

食品原料中常見花青素為天竺葵色素、矢車菊色素、飛燕草色素、芍藥色素、錦葵色素、矮牽牛色素等六類,其化學結構差異主要是B環上連接的基團R1和R2不同(表1)。通過紫外-可見光譜、高效液相色譜、超高效液相色譜、質譜、一維和二維核磁共振等技術[5, 10-11],現已從不同品種桑椹果實及其制品中鑒定出至少48種花青素(表2),這些花青素分屬于食品原料中常見的六類(圖1):其中矢車菊色素22種、飛燕草色素10種、天竺葵色素5種、芍藥色素4種、矮牽牛色素4種、錦葵色素3種。桑椹花青素主要以糖苷形式存在,糖基主要包括葡萄糖、半乳糖鼠李糖、木糖等單糖以及蕓香糖、槐糖等雙糖。當母環上僅連接一個糖苷鍵時一般位于C-3上,個別位于C-7上[11],當連接2個糖苷鍵時,一般位于C-3和C-5上[12]。糖基化使桑椹花青素具有較好的水溶性和穩定性。在大多數桑椹品種中,矢車菊素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-蕓香糖苷是主要的花青素組成成分(圖2)。此外,桑椹花青素的糖基還會被芳香族或者脂肪族有機酸酰化,目前鑒定的參與酰基化反應的有沒食子酸[5]和丙二酸[13]。少數品種桑椹果實中還存在母環酰基化的花青素。WU等[14]報道,桑椹(MorusatropurpureaRoxb.)花青素的母環羥基與丙二酸共價結合。

表1 食品原料中六類常見的花青素苷元Table 1 Six common anthocyanin aglycones in food raw materials

圖1 桑椹花青素單體在6種常見花青素苷元中的占比Fig.1 Proportion of mulberry anthocyanin monomers in six common anthocyanin aglycones

表2 桑椹花青素單體分布Table 2 Monomer distribution of mulberry anthocyanin

a-矢車菊素-3-葡萄糖苷;b-矢車菊素-3-蕓香糖苷圖2 桑椹花青素的主要成分Fig.2 The main components of mulberry anthocyanins注:矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數為26 900 L/(cm·mol),分子質量為449.2 g/mol;矢車菊素-3-蕓香糖苷的摩爾消光系數為 28 800 L/(cm·mol),分子質量為595.2 g/mol;L為光程,值為1 cm[5]。

表3 桑椹花青素的化學組成及結構Table 3 Chemical composition and structure of mulberry anthocyanins

2 影響桑椹花青素穩定性的結構因素

研究顯示,花青素的穩定性與B環上的羥基和甲氧基有關,羥基化會使其穩定性降低,而甲基化使其穩定性增加[20]。ZHANG等[21]以碘甲烷作為甲基供體制備甲基化桑椹花青素,桑椹花青素的甲基化轉化率可達84.6%,將樣品溶液在70、80、90 ℃避光保溫10 h,甲基化修飾花青素的保留率分別為98.33%、91.56%和63.48%,而未修飾花青素的保留率分別為87.49%、72.15%和27.44%。桑椹花青素的酰基化也可以增加花青素的穩定性。蔣希芝等[22]通過脂肪酶催化制備酰基化桑椹花青素,研究發現,以苯甲酸甲酯作為酰基供體,桑椹花青素的酰基轉化率最高為13.5%,酰基化修飾使其熱穩定性、光穩定性和酸堿穩定性顯著提高。糖基化有利于桑椹花青素穩定。糖基化花青素通過分子內氫鍵形成有效的空間位阻,可阻止黃烊鹽陽離子水解[23]。桑椹花青素糖單元上的羥基可被酰化,從而阻止黃烊鹽陽離子向醌式堿或無色假堿以及假堿向無色查爾酮的轉化,不僅使桑椹花青素對熱、光、氧化劑的穩定性增強,而且使對消化酶及胃腸環境的穩定性得到提升[24]。

3 影響桑椹花青素穩定性的環境因素

3.1 pH

桑椹花青素對酸堿變化敏感。LI等[25]報道,pH值2～12時,隨著pH值升高,桑椹花青素溶液顏色由亮紅色(pH值2.0～3.0)逐漸轉變為粉紅色(pH值4.0～6.0)、紫色(pH值8.0～9.0)至藍紫色(pH值10.0～12.0)。在此過程中,桑椹花青素從黃烊鹽陽離子形式逐漸轉化為查爾酮、醇型假堿、醌式堿等形式;黃烊鹽陽離子是相對穩定的結構,而其他形態的結構不穩定,這使花青素在酸性條件下更加穩定;pH>8時,桑椹花青素溶液在25 ℃貯藏4 h,其顏色由藍紫色逐漸變為淺黃色。AKKARACHANEEYAKORN等[26]研究發現,桑椹汁在不同pH條件下70 ℃加熱5 min,花青素保留量pH值2.5時為541.39 mg/L(以C3G計)、pH值4.0時為434.15 mg/L,顯著高于pH值6.0時的1.76 mg/L和pH值8.0時的59.82 mg/L。因此,桑椹花青素應避免在中性或堿性條件下加工和貯藏,以防發生降解。

3.2 熱

溫度對桑椹花青素的影響較大。花青素的黃烊鹽陽離子形態轉化為醌式堿的過程為放熱反應,而黃烊鹽陽離子水解轉化為甲醇假堿以及甲醇假堿開環轉化為查爾酮均為吸熱反應[27]。升高溫度時,花青素結構會向無色的甲醇假堿和查爾酮轉化;冷卻和酸化時,醌式堿和甲醇假堿可轉變為黃烊鹽陽離子,而查爾酮很難轉化為黃烊鹽陽離子[27]。BORANBAYEVA等[28]研究發現,在5 ℃貯藏8個月,桑椹汁及桑椹濃縮液中花青素保留率均可達98%以上。張國棟等[29]研究發現,桑椹紅色素濃縮液在4、20、60 ℃水浴72 h,花青素損失率分別為3%、13%、100%,在100 ℃水浴24 h其損失率即達到97%。因此,在加工制作桑椹花青素食品時,應盡量在低溫下操作并縮短處理時間,以避免或減少花青素的熱降解。

3.3 光照

光照加速花青素降解,從C-4位羥基產生中間產物,該中間產物在C-2位水解開環,生成查爾酮,查爾酮繼續降解為苯甲酸、三羥基苯甲醛等小分子產物[23]。唐榕等[30]報道桑椹花色苷溶液在室外光(50 000～60 000 W Lux)下放置4 d,其保留率不足60%;在室內光(50～100 Lux)照射或避光放置4 d后,其保留率均在95%以上。ARAMWIT等[31]報道桑椹提取物在室溫下熒光(220 V,50 Hz,0.37 A)照射1～6 h,并未引起總花青素含量的顯著變化,而持續照射10 h,總花青素含量顯著降低(P<0.05)。

3.4 氧氣

花青素的不飽和性使得其結構對氧氣敏感。ZHOU等[32]研究發現,真空干燥桑椹中矢車菊素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-蕓香糖苷的保留率高于熱風干燥,2種干燥條件溫度相同,但真空條件下氧分壓更低,從而提高了花青素保留率。氧氣可通過影響多酚氧化酶等氧化酶功能的方式加速花青素的降解[33]。

3.5 其他共存成分

3.5.1 氧化劑和還原劑

研究發現[23],H2O2可破壞桑椹花青素的結構。H2O2對花青素的C-2位親核進攻,使吡喃環開環形成查爾酮,繼而生成無色的酯和香草醛衍生物,進一步使花青素分解或聚合。徐玉娟等[34]報道,隨著H2O2濃度(0%、0.5%、1.0%和1.5%)的升高,桑椹紅色素溶液的吸光度(A515 nm分別為0.672、0.256、0.208和0.179)明顯下降,溶液顏色由鮮紅色逐漸變為無色。桑椹果酒生產過程中為防止果酒被氧化為醋酸,通常添加Na2SO3或維生素C作為還原劑。Na2SO3對桑椹紅色素具有破壞作用,而維生素C對桑椹紅色素具有雙重作用,低溫時維生素C對桑椹紅色素有增色效果,溫度較高時維生素C對其有破壞作用。含有0%、0.25%和2.0%維生素C的色素溶液在100 ℃加熱100 min后,色素降解率分別為11.24%、40.57%和71.53%。這可能是維生素C在高溫時本身會發生降解,產生過氧化物,從而進一步加劇對桑椹紅色素的破壞作用[34]。

3.5.2 金屬離子

不同金屬離子對桑椹花青素穩定性的影響不同。Na+、Ca2+、Mg2+等堿金屬[30]及堿土金屬離子[30,35]對桑椹花青素穩定性影響不大。Al3+及過渡金屬離子(Fe3+、Zn2+、Cu2+等)可與含有鄰位酚羥基的花青素發生絡合反應,符合要求的花青素包括飛燕草色素、矮牽牛色素、矢車菊色素及其衍生物[36]。Al3+對桑椹花青素穩定性影響不大;Fe3+、Cu2+、Mn2+和Zn2+對桑椹花色苷具有破壞作用,而Fe2+對桑椹花色苷具有增色作用和保護作用[30,35]。

3.5.3 糖類、食鹽和食品添加劑

研究發現[37],經麥芽糖滲透處理后制得的桑椹干花青素保留率高于對照組和采用蔗糖或山梨糖醇滲透處理組。劉亮等[38]研究發現,葡萄糖、果糖、蔗糖(添加量15%)均促進了桑椹花色苷熱降解(80 ℃加熱3 h),這可能是因為糖在加熱過程中形成了糠醛等熱降解產物,加速花色苷的降解。劉瑜等[39]報道氯化鈉具有一定輔色效果,其添加量不超過5%時可使桑椹果粉花青素含量顯著增加;而苯甲酸鈉和山梨酸鉀(添加量0.2～1.0 g/L)使桑椹果粉中花色苷含量降低。KIM等[13]研究發現,在桑椹糖漿生產加工過程中,添加0.3%檸檬酸可使桑椹糖漿及殘渣中總花青素含量分別提高24.48 mg/g和292.54 mg/g (以單體花青素含量之和計,鮮重)。

4 影響桑椹花青素穩定性的加工因素

桑椹不耐貯藏和運輸,極易腐敗、發霉和變質。通常可采取干制、制汁、濃縮、殺菌等食品加工手段來提升其應用價值。

4.1 干制因素

朱燕等[40]報道,新采摘的桑椹果實在短期貯藏(<24 h,10 ℃)時出現花青素含量持續增加的現象,這可能與桑椹采后生理有關。桑椹在干制過程中,花青素含量隨著干燥溫度升高及時間延長而逐漸降低,烘箱干燥(60 ℃、24 h或80 ℃、6 h)使花青素損失率均超過80%[40]。ZHOU等[32]對比分析了熱風烘干和真空干燥對桑椹花色苷的影響,在相同溫度下,干燥速度(影響干燥時間)和氧氣分壓是影響花青素保留的主要因素。真空干燥條件下桑椹中的2種主要花色苷矢車菊素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-蕓香糖苷的保留率更高,因為花色苷更少暴露在氧氣中。CHEN等[41]對比研究了4種干燥方式對黑桑(MorusnigraL.)花青素的影響,結果表明,冷凍干燥條件下花青素的保留率最高(與鮮果無顯著差異),冷凍干燥-膨化-真空干燥組合處理次之(54.06%),其次是熱風-膨化-真空干燥組合處理(35.52%)和熱風干燥(20.67%)。

4.2 制汁因素

TOMAS等[42]研究了桑椹汁加工過程中花青素含量的變化。結果表明,破碎和壓榨使桑椹花青素單體溶出,桑椹汁保留了果實中60%～70%的總花青素,其花青素含量達624 mg(以C3G計)/100 g干基,約為鮮果的3倍;但果渣中仍殘留花青素,其含量189 mg/100 g干基。

4.3 濃縮因素

KARA等[43]采用旋轉蒸發器(40 ℃)將桑椹汁從15.02 °Brix濃縮至45.20 °Brix,總花青素含量達到2 233 mg/L(以C3G計)。DINCER等[44]分別采取熱蒸發和滲透蒸餾2種工藝對黑桑椹汁進行濃縮,結果表明,滲透蒸餾和熱蒸發對花青素損失率分別為6.5%和16.2%;從其他指標(如貯藏性)看,滲透蒸餾同樣優于熱蒸發,更具應用前景。FAZAELI等[45]對比研究了旋轉蒸發器和減壓微波蒸發器對黑桑椹汁的濃縮效果,研究發現,真空度越低,濃縮耗費時間越長;在相同真空度條件下,微波加熱可大幅縮短濃縮時間,降低花青素的損失率,更好保留了黑桑椹汁的色澤。

4.4 殺菌因素

李夢麗等[46]研究發現采用巴氏殺菌(中心溫度達到80 ℃后保持20 min)或煮沸(沸騰后維持5 min)方式對桑椹汁進行殺菌處理會造成花青素的損失,而微波殺菌(700 W、2 min)可避免其損失。YOU等[47]研究了不同殺菌方式對桑椹汁貯藏性的影響,結果表明,與未殺菌樣品相比,殺菌樣品組的花青素保留率更高,從組間看,經30 d、4 ℃貯藏,高靜壓處理(400 MPa、5 min)對總花青素的保留率最高(84.87%),熱處理(70 ℃、10 min)和高溫短時處理(110 ℃、8.6 s)對總花青素也具有較高的保留率,分別達到83.19%和84.27%,這表明殺菌可以保持桑椹汁顏色和花青素的穩定。吳瓊等[48]報道超高溫瞬時殺菌(126 ℃、4 s)時桑椹花色苷損失率27.84%,巴氏殺菌(95 ℃、2 min)使其損失率達43.2%,高靜壓殺菌(30 ℃、500 MPa、15 min)時損失率高達49.54%。高靜壓處理使樣品中溶解氧的增加和內源酶的激活作用是造成花色苷損失的主要原因。因此,選擇殺菌方式需要結合桑椹汁的特性來綜合考慮。

5 提高桑椹花青素穩定性的方法和技術

5.1 輔色作用

輔色作用是指花青素和輔色物質通過芳香環之間的π-π堆積力、氫鍵和范德華力的驅動形成非共價復合物的過程[49]。輔色作用阻斷了水分子對花青素分子的親核進攻,從而阻止花青素形成查爾酮結構,使其不被降解[49]。輔色物質主要包括酚酸、氨基酸、有機酸等小分子物質。YOU等[50]研究發現6種酚酸(咖啡酸、阿魏酸、對香豆酸、沒食子酸、對羥基苯甲酸、丁香酸)對桑椹鮮汁4 ℃貯藏穩定性有改善作用,其中添加阿魏酸時總花青素含量以及桑椹鮮汁中2種主要花青素單體(矢車菊素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-蕓香糖苷)的保留率最高,比空白組提高20%以上;通過添加咖啡酸、阿魏酸、對香豆酸、沒食子酸或對羥基苯甲酸,桑椹鮮汁在4 ℃貯藏過程中λmax紅移了1 nm(520 nm→521 nm),而Amax顯著增加,說明酚酸對桑椹花青素的紅移效應不明顯,而增色效應顯著(摩爾消光系數增加)。陳湘粵等[51]研究發現有機酸對桑椹花色苷的輔色作用表現為增色效應伴隨紅移效應,隨著有機酸濃度增加溶液λmax紅移(1～4 nm)加大;除了輔色物質的濃度因素,輔色物質的結構及環境條件(pH、溫度)均能影響輔色作用的效果。有機酸通過降低花色苷溶液降解常數,延長半衰期(t1/2)來提高桑椹花色苷的熱穩定性。KHALIFA等[52]研究了綠原酸和槲皮素復配體系對桑椹花青素的增色效應,結果表明,桑椹花青素在95 ℃加熱5 h,其保留率僅20.45%,而添加綠原酸或槲皮素后,熱穩定性分別提高4.59%和4.33%,將綠原酸和槲皮素復配添加,熱穩定性可進一步提高,且溶液顏色加深。當綠原酸200 mg/L、槲皮素50 mg/L復配添加時,t1/2從2.04 h提高到5.78 h。因此,輔色作用是一種改善桑椹汁等飲品顏色品質及穩定性的有效方法。

5.2 構建桑椹花青素-蛋白質復合物

研究證實,花青素和食品蛋白質可以形成復合物。CHENG等[53]研究了桑椹花青素單體矢車菊素-3-葡萄糖苷與β-乳球蛋白的相互作用,光譜學及分子對接模擬計算結果表明,其主要作用力是疏水相互作用力和氫鍵,復合作用使β-乳球蛋白的高級結構發生改變。CHEN等[54]研究發現,桑椹花青素提取物在pH值3.6、熱處理(80 ℃/120 min)條件下,乳清分離蛋白(0.16 mg/mL)使總花青素熱降解率降低了5.8%(21.4%→15.6%),研究還發現乳清分離蛋白和蘆丁同時添加可發揮協同效應,進一步降低總花青素熱降解率。一方面乳清分離蛋白對桑椹花青素有很強的結合作用,另一方面蘆丁對桑椹花青素具有輔色作用,乳清分離蛋白通過結合蘆丁和桑椹花青素,有利于二者通過輔色作用增強熱穩定性。MA等[55]報道,桑椹花青素通過疏水相互作用與大豆分離蛋白復合,在80 ℃加熱條件下大豆分離蛋白能夠有效地抑制桑椹花青素的熱降解作用,但是在95 ℃加熱時未能起到保護效果,這可能是因為過高的溫度時大豆分離蛋白發生聚集,降低了大豆分離蛋白-桑椹花青素復合物在溶液中的熱穩定性。JIANG等[56]研究發現,桑椹花青素提取物在pH值6.3、42 ℃條件下貯藏5 d,添加大豆蛋白使花青素降解半衰期延長15%,而添加大豆蛋白水解物可使半衰期延長225%,這主要是因為大豆蛋白水解物對桑椹花青素(矢車菊素-3-葡萄糖苷)的結合能力更強。在此基礎上,HE等[57]分別采取胃蛋白酶、木瓜蛋白酶水解大豆蛋白制備大豆蛋白水解物。結果表明,在相同環境條件下(pH值6.3),2種水解物對溶液顏色和花青素有很好的保護作用,胃蛋白酶水解物與矢車菊素-3-葡萄糖苷結合親和力更強,其添加量1.0 mg/mL時花青素半衰期從1.8 d延長到5.7 d。

5.3 構建桑椹花青素納米顆粒

研究發現,通過構建花青素納米顆粒,不僅可以發揮對花青素的保護作用,而且可以提升花青素的生物可及性,改善其生物利用度。張麗霞等[58]以雞卵白蛋白為載體材料,通過蛋白質的結合作用構建了雞卵白蛋白-桑椹酒渣花色苷納米顆粒。經測定,包埋率可達82.34%,納米顆粒直徑40～45 nm,在模擬腸消化模型(pH值7.4)中,納米顆粒中花色苷的保留率顯著高于未包埋的花色苷。常影等[59]采用反溶劑法制備桑椹花色苷納米脂質體,并將不同濃度殼聚糖溶液按照不同比例加入到納米脂質體溶液中,得到殼聚糖修飾的桑椹花色苷納米脂質體,結果表明,脂質體粒徑111.5 nm,殼聚糖可改善脂質體對桑椹花色苷的包封效果(包封率86.22%),穩定脂質體結構,提高花色苷對熱(80 ℃)、光和重金屬離子(Fe2+、Fe3+、Cu2+)的穩定性。GüLTEKIN-?ZGüVEN等[60]研究發現,殼聚糖修飾使黑桑(MorusnigraL.)提取物納米脂質體粒度從約150 nm減小至約80 nm,對花青素的保留率提高,通過噴霧干燥將構建殼聚糖修飾的黑桑提取物納米脂質體制備成粉末,將其作為配料可制成花青素含量達76.8%的黑巧克力。

5.4 微膠囊包埋技術

微膠囊包埋被證明是穩定和遞送花青素的實用技術,不僅可以提高花青素的穩定性,而且能夠拓寬花青素配料在食品中的應用范圍。KHALIFA等[61]研究發現乳清蛋白是桑椹花青素微膠囊包埋的良好壁材,通過復配麥芽糊精或阿拉伯膠,經噴霧干燥可得到表面光滑致密的桑椹花青素微膠囊(粒徑11～34 mm)。XU等[62]將桑椹汁經X-5大孔吸附樹脂純化后,采用阿拉伯膠乳化,將乳液冷凍干燥得到凍干粉,花青素包埋率90.07%～97.36%,以C3G計,花青素含量58.22～121.23 mg/100 g;凍干粉與阿拉伯膠按照1∶90(質量比)構建的微膠囊經熱處理,花青素損失率19.88%,制成凍干粉后損失率為30.31%。YAMDECH等[63]將海藻酸鈣微球干燥(60 ℃,4 h)后,加入到桑椹提取物溶液中使其充分吸附花青素(4 ℃放置2 h),取出凍干。經測定,海藻酸鈣微球對桑椹花青素的吸附量為2.283 mg/g(干基)。在80 ℃(10 h)及100 ℃(5 h)處理條件下,吸附在海藻酸鈣微球上的桑椹花青素保留率更高,而121 ℃(20 min)處理時,在提取物溶液中或在海藻酸鈣微球上,桑椹花青素的保留率無顯著性差異。

6 桑椹花青素在食品中的應用

6.1 用于食品著色

桑椹紅是我國GB 2760—2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》批準使用的48種天然色素之一,可用于果糕類、糖果、果蔬汁(漿)類飲料、風味飲料、果酒、果凍等六類食品。GB 1886.345—2021明確桑椹紅為紫紅色或紫黑色的粉末或黏稠狀液體,主要花青素單體為矢車菊素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-蕓香糖苷。商品化的桑椹紅產品可添加葡萄糖、食用糊精等其他輔料,以滿足具體應用需要。在應用特性開發方面, BYAMUKAMA等[64]將桑椹汁用于酸奶著色,結果表明,桑椹汁按照花青素25～40 mg(C3G當量)添加到100 g酸奶中,其呈色效果與每100 g酸奶中添加20 mg FD&C紅色3號相當;且隨著桑椹汁添加量增加,其花青素及顏色穩定性增強。VEGA等[65]將桑椹(MorusnigraL.)經制汁、巴氏殺菌后,通過噴霧干燥得到粉末,在冷藏(3 ℃)和室溫(23 ℃)下貯存12周,花青素組成分析及色差分析結果均表明粉末具有良好且穩定的著色能力。DU等[66]將桑椹果渣經熱泵干燥后粉碎、過120目篩得到粉末,以1%、2%、3%(質量分數)添加到攪拌型風味酸奶中,研究發現桑椹果渣粉末不僅賦予其顏色(粉色→深紅色),而且起到改善質地的作用,酸奶在28 d貯藏期內持水性增強,黏性和稠度增加,體系均勻性提高。

6.2 新鮮度指示劑

利用桑椹花青素在不同pH條件下呈現不同顏色的特性,可將其作為一種天然、安全的pH指示劑,用于制備食品新鮮度指示型智能包裝材料。當食品變質腐敗產生的酸或揮發性氣體引起食品pH值改變,隨即反映為pH指示材料的顏色變化,借此來監測食品新鮮度。SUN等[67]采用溶液流延法制備了基于魔芋葡甘聚糖/殼聚糖/納米氧化鋅和桑椹花青素提取物的多功能納米復合膜,在pH值2～12內,該復合膜由紅至藍呈現出肉眼可區分的顏色差異。ZENG等[68]開發了一種基于明膠/聚乙烯醇基質和桑椹渣花青素提取物的pH指示膜,隨著pH升高,該復合膜由亮紅色(pH值2.0～3.0)、紫色(pH值4.0～6.0)、灰色(pH值7.0)逐漸變化為綠色至深綠色(pH值9.0～11.0),并具有肉眼可區分的顏色差異;該研究將pH指示膜用于監測鯪魚(Cirrhinamolitorella)腐敗,結果表明,在24 h觀測期內,鯪魚腐敗產生的揮發性鹽基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)使體系pH值升高,復合膜的顏色變化與TVB-N值具有較好的相關性。ZHANG等[69]制備了由羧甲基淀粉鈉和κ-角叉菜膠結合桑椹花青素提取物制成的精確智能薄膜,用于監測鏡鯉(Cyprinuscarpiovar.specularis)的新鮮度變化。研究結果表明,在40 h觀測期內,TVB-N值在30 h時逼近限值(20 mg/100 g;GB 2733—2015),這時薄膜顏色由最初的紅色變化為暗藍色。LI等[25]采用3D打印技術制備了以殼聚糖為成膜基質的桑椹花青素指示膜并用于監測豬肉的新鮮度。結果表明,當豬肉發生變質時,指示膜的顏色從紅色變為灰藍色。采用智能手機拍攝圖像并通過應用程序分析圖像,建立顏色參數(RGB值)與腐敗指標參數(TVB-N值)的定量關系模型,從而為桑椹花青素指示膜智能化應用奠定了基礎。

6.3 抗菌和食品保鮮

桑椹花青素具有抗菌活性,類似其他酚類物質,主要通過滲透進入細胞膜,與膜上蛋白質結合使其失活,從而抑制細菌生長[25]。KHALID等[70]的研究顯示,黑桑椹(MorusnigraL.)鮮汁中總花青素含量達769 mg/g(以C3G計),對5種革蘭氏陽性菌(螺旋芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、白喉桿菌、糞腸球菌、金黃色葡萄糖球菌)和3種革蘭氏陰性菌(大腸桿菌、銅綠假單胞菌、鼠傷寒沙門氏菌)均具有良好抗菌作用,其中對糞腸球菌的抑菌活性甚至高于新霉素(30 mg)和慶大霉素(10 mg)。LI等[25]對比分析了殼聚糖薄膜在添加桑椹花青素前后的抑菌性,薄膜經紫外線滅菌后投入到菌懸液中37 ℃保溫2 h,采用平板計數法測定菌落總數。結果表明,添加桑椹花青素(0.1 g)使殼聚糖薄膜表現出抑菌作用,大腸桿菌(5.02 log CFU/mL→4.86 log CFU/mL)及金黃色葡萄球菌(5.03 log CFU/mL→4.97 log CFU/mL)的活菌計數顯著下降(P<0.05),從結果看桑椹花青素對大腸桿菌有更強的抑制作用。SUN等[67]研究發現,添加納米氧化鋅可賦予魔芋葡甘聚糖-殼聚糖復合膜良好的抗菌性,在復合膜制備過程中添加桑椹花青素提取物,從抑菌圈直徑看,復合膜的抗菌性得到提高,這進一步證實桑椹花青素對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有抑菌作用。ZHOU等[71]將桑椹提取物按照不同配比(0%、5%、10%和20%,以魔芋葡甘聚糖計)與魔芋葡甘聚糖、羥丙甲基纖維素構建復合膜,抗菌性能評價(GB/T 20944.1—2017)結果表明,是桑椹提取物而非多糖基質賦予復合膜良好的抗菌性能,且隨著桑椹提取物添加量增加,抑菌圈直徑從18 mm增加到33 mm。

桑椹花青素除了作為食品著色劑,還可用作抗氧化劑或天然抗菌劑來抑制食品成分氧化或微生物生長,從而延長食品的保質期。TURAN等[72]考察了添加黑桑椹(MorusnigraL.)水提取物凍干粉對牛肉派的保鮮效果。研究發現,盡管真空包裝比有氧包裝能緩解牛肉派貯藏過程中脂質氧化和高鐵肌紅蛋白生成,添加凍干粉進一步提高了抑制脂質氧化和高鐵肌紅蛋白的含量水平;凍干粉通過著色、抑制脂質和蛋白質氧化等方式保持牛肉派的顏色穩定性,同時通過抑制腐敗微生物生長延長產品貨架期,使有氧包裝牛肉派的貨架期延長3～6 d,而真空包裝的貨架期超過15 d;綜合感官評定結果,凍干粉的合適添加量為0.2%。CHENG等[73]報道,濃縮桑椹汁(總花青素含量4.91 mg/g干基,以C3G計)對豬肉脯在加工及貯藏過程中的脂質和蛋白質氧化均有很好的抑制作用,同時濃縮桑椹汁具有提高豬肉脯紅度和增加顏色穩定性的作用;研究還發現,添加β-環糊精還可降低花青素在加工及貯藏過程中的損失率,與對照組相比,豬肉脯中添加1% β-環糊精可使總花青素損失率降低11.14%。桑椹花青素的著色、抗氧化、抑菌等多重作用使其作為多功能配料在新型健康型肉品開發方面極具應用潛力。

6.4 功能性食品開發

桑椹花青素具有抗氧化、降血脂、抗炎、調節脂質代謝等多種生理活性[7-8, 74]。因此,桑椹花青素作為生物活性成分應用于功能性食品,有望對人體健康發揮有益作用。WU等[8]的研究顯示,高脂膳食喂養的小鼠(C57BL/6)攝取一定劑量桑椹(MorusaustralisPoir)花青素(200 mg/kg食物)可顯著減少體重增加。與高脂膳食組相比,喂養8周后,奧利司他(一種治療肥胖藥物)使其減少17.1%,而桑椹花青素可使其減少32.7%。NATTIRA等[74]研制了一款含桑椹花青素的果凍,經感官評定,其總體可接受性良好;將其用于對血脂異常受試者進行干預,每天攝食果凍170 g(其中含桑椹花青素191 mg),連續干預7 d后,受試者體內炎癥標志物白細胞介素-6降低,血脂中膽固醇和低密度脂蛋白水平分別下降7%和10%。王靜[75]研究發現桑椹花青素飲品對人為造成脊髓損傷大鼠的運動功能具有促進恢復的作用,而且桑椹花青素純度越高效果越好。THUKHAM-MEE等[76]報道,桑椹奶(每份180 mL,花青素含量34.30 mg/L,以矢車菊素葡萄糖苷計)可改善18～60歲成年人的記憶力(包括注意力、注意力的連續性、記憶速度和記憶質量)。300名健康受試者每天食用1～2份富含花青素的桑椹奶,6周后,受試者在單詞識別、圖片識別、簡單反應、選擇反應時間、空間記憶和數字工作記憶方面的反應時間顯著縮短,且對文字識別、圖片識別、數字警惕和空間記憶方面的準確率顯著提高。

桑椹花青素對蛋白質、淀粉的消化有調節作用。MA等[55]報道,桑椹花青素通過疏水相互作用與大豆分離蛋白復合,提高了大豆分離蛋白對胃蛋白酶的消化率,但是在腸液中的消化受到一定的抑制,這主要是不同消化液環境中大豆分離蛋白的二級結構因桑椹花青素的作用發生了不同程度的改變。KHALIFA等[77]的研究表明,微膠囊化的桑椹花青素(添加量20%)可提升能量球模型中乳清蛋白的消化率,研究認為桑椹花青素與乳清蛋白結合,通過部分去折疊乳清蛋白的二級結構增加了消化酶對肽鍵的可及性。YAZDANKHAH等[78]研究了添加黑桑椹提取物凍干粉的意大利面條作為Ⅱ型糖尿病膳食的潛力,結果表明,該面條對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性有較強的抑制作用,在凍干粉添加量1.5%時其抑制效果甚至優于阿卡波糖,血糖生成指數預測值為47.32。

7 結論與展望

近年來,桑椹在國內外得到廣泛關注,它富含花青素等對人體健康有益的活性成分。桑椹花青素含量受其品種、成熟度等因素的影響,其主要組成成分為矢車菊素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-蕓香糖苷。桑椹花青素在氧氣、光、熱等因素的作用下易褪色和降解,因此在干制、制汁、殺菌等加工環節會受到損失。在桑椹果酒制備中花青素的損失率高達50%[79],將其加工成果醬(71 °Brix),主要花青素單體的損失率超過97%[80]。研究發現,通過輔色作用、構建花青素-蛋白質復合物或納米顆粒、微膠囊包埋等技術手段可提高桑椹花青素的穩定性。桑椹花青素利用其呈色特性,可用于食品著色或作為食品新鮮度指示劑,根據其抑菌、抗氧化、降血脂等生理活性,可將其用于食品保鮮及功能性食品開發。當前,針對桑椹花青素穩定性的研究仍較為缺乏,這為桑椹花青素在食品加工及保藏過程中的穩定化帶來巨大挑戰。為了更好利用桑椹及其花青素資源,應考慮以下4個方面:a)當前對加工及保藏過程中花青素損失囿于對數據的解釋,缺乏機制分析;b)桑椹花青素在加工及保藏過程中的損失是多因素引起的,今后宜對內部因素(花青素組成結構、內源酶等)和環境/加工因素開展關聯性研究,以厘清花青素降解途徑;c)對桑椹花青素穩定化的措施包括輔色作用、構建復合物等,仍處于摸索和試錯階段,建議借助分子動力學模擬等手段提升研究的技術水平;d)根據結構決定功能原因,優化花青素結構是改善其穩定性的基礎,以花青素為主要目標對象的桑椹品種選育,應以培育具有結構穩定的桑椹花青素組分為目標。