您当前的位置:首页 >> 科技中心 >> 科技进展 >> 贮藏加工 >> 国内 >> 正文
蓝莓花色苷研究进展
日期:2012-07-13 作者:曹雪丹 方修贵 赵凯 李芬芳 来源:《中国农学通报》.-2012,(15).-221-226 点击:
 

0  引言

    蓝莓(blueberry)为杜鹃花科(Ericaceae)越橘属(Vaccinium spp.)常绿灌木,是原产于北美洲的一种具有较高经济价值的越橘类浆果,其果皮呈蓝色或蓝黑色故称蓝莓。蓝莓果实营养丰富,除含有常规的糖、氨基酸、膳食纤维外,还富含维生素E、维生素A和维生素B以及铁、锌、钾、锰等微量元素,另外其抗氧化活性物质如黄酮类、花色苷(anthocyanins)、多酚类化合物以及维生素C等还具有降低多种疾病危害的作用。研究发现,经常食用蓝莓可明显增强视力、消除视疲劳、增强心脏功能;对由糖尿病引起的毛细血管病有治疗作用;而且能延缓脑神经衰老,有效预防尿路感染,减少某些癌症和早性老年痴呆病的患病风险。蓝莓及其他越橘浆果(如蔓越橘、欧洲越橘等)组成的膳食补充剂因含有丰富的花色苷而具有明显的保健功效,国内外研究证明,花色苷具有促进视红素再合成、抗炎症、提高免疫力、清除自由基、延缓衰老及抗癌等多种生理活性功能。

    越橘类浆果,尤其是蓝莓果实中因富含花色苷这一特点,成为学者们研究天然花色苷的最热门原材料之一,目前国内外大量关于蓝莓花色苷的研究主要集中于蓝莓花色苷的定性及定量分析、提取及分离纯化技术、生物活性功能研究、加工及贮藏稳定性等4个方面,为蓝莓花色苷这一重要的功能性色素资源的开发与利用提供必要的理论依据。笔者重点介绍蓝莓花色苷种类与含量、加工稳定性及提取技术的相关研究进展。

1  蓝莓花色苷种类及含量的研究

1.1  花色苷的基本结构与分类

    花青素(anthocyanidins)的结构母核为2-苯基苯并吡喃阳离子,属黄酮类化合物,其基本结构如图1略所示。花色苷是由花青素和糖以糖苷键结合而成的一类生物活性物质,也是一种重要的水溶性色素,它广泛分布于27个科,72个属的植物中,其中尤以葡萄、草莓、树莓和蓝莓等含量最为丰富。由于花青素与单糖(如葡萄糖、鼠李糖、木糖或阿拉伯糖等)或寡糖(主要为芸香糖和槐糖等)会在不同位点形成糖苷键以及各碳环上会存在不同的取代基,因此已知天然存在的花色苷达500多种,总的来说自然界中花色苷分为20余类,一般植物中主要包括了6大类,即天竺葵色素(pelargonidinPg)、矢车菊色素(cyanindinCy)、芍药色素(peonidinPn)、飞燕草色素(delphinidinDp)、牵牛色素(petunidinPt)和锦葵色素(malvidinMv)Srivastava等发现蓝莓主要的花青苷为飞燕草色素、矢车菊色素、芍药色素、牵牛色素和锦葵色素。

l.2  蓝莓花色苷的种类与含量

    大量研究证明越橘浆果中含有丰富的花色苷等多酚类物质。杨桂霞采取溶剂萃取法和层析技术,通过薄层色谱(thin layer chfornatographyTLC)、高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)及波谱分析首次从笃斯越橘中鉴定出矢车菊-3-半乳糖苷(cyanidine-3-galactoside)和锦葵-3-葡萄糖苷(manidin-3-glucoside),并对从欧洲引进的16个蓝莓栽培品种花色苷含量进行了比较。孟凡丽采用反相高效液相色谱法(reversed phase-high performance liquid chromatographyRP-HPLC)对笃斯越橘、红豆越橘等5种越橘果实中的矢车菊-3-葡萄糖苷(cyanidine-3-glucoside)、矢车菊-3-半乳糖苷(cymaidine-3-galactoside)、锦葵-3-葡萄糖苷(malyidine-3-glucoside)及锦葵-3-半乳糖苷(malvidine-3-galactoside)4种花色苷进行定量分析,得出总花色苷含量分别为147.759mg/100g343.669mg/100g725.413mg/100g357.224 mg/100g350.380mg/100g,并且认为矢车菊-3-半乳糖苷是普遍存在的一种花色苷,而矢车菊-3-葡萄糖不存在于笃斯越橘和红豆越橘果实中。胡济美等通过高效液相-质谱(high performance liquid chromatography-mass spectrumHPLC-MS)联用技术对大兴安岭蓝莓花色苷种类和结构进行鉴定,并最终鉴定出13种花色苷,分别为矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛花色素和锦葵色素与葡萄糖、半乳糖或阿拉伯糖的糖苷物。其中锦葵-3-葡萄糖苷含量最多,达到了32.7%;牵牛花-3-葡萄糖苷和飞燕草-3-葡萄糖苷次之,分别占花色苷含量的17.8%17.6%;锦葵-3-半乳糖苷最少,仅有0.252%。李颖畅等运用HPLC-MS鉴定出存在于圣云(St.Cloud)蓝莓中的17个花色苷单体,与胡济美等的研究结果相比同样也没有发现天竺葵色素类的糖苷物,不过前者还检测出4种乙酰化花色苷分别为:芍药-3-乙酰半乳糖苷、锦葵-3-乙酰半乳糖苷、芍药-3-乙酰葡萄糖苷和锦葵-3-乙酰葡萄糖苷。Hosseinian等测定了6种加拿大曼尼托巴省所产的蓝莓的总花色苷含量,发现每100g矮丛蓝莓含总花青苷558.3mg,其中含飞燕草素-3-葡萄糖苷84.4mg、含锦葵花素-3-半乳糖营139.6 mg

    国内外相关研究中,几种蓝莓及越橘浆果中的花色苷含量见表1略。对不同品种和产地的蓝莓花色苷含量进行研究可以为筛选、培育高花色苷含量的优良品种提供科学依据。Prior等研究证明,不同基因型对越橘果实中花色苷含量具有明显影响,并且,不同栽培地域、土质、年份、树龄、采收期等,也会使蓝莓中所含花色苷有很大的差别。

2  蓝莓花色苷稳定特性的研究

    一般来说,花色苷的稳定性通常都比较差,其自生结构的差异也导致各种花色苷稳定性有所不同。水溶状态的花色苷在不同基本结构之间存在平衡关系,比如因溶液pH变化会出现不同的形式,酸性条件更有利于显色,而温度是影响花色苷降解的重要因素,加热通常导致花色苷降解或聚合从而褪色。除此之外,还与加工和贮藏过程中的pH、光、氧、酶、抗坏血酸、糖及其降解产物、二氧化硫、氨基酸、酚酸、金属离子等有关。

2.1  pH或金属离子

    石光等以‘北村’(North cotry)蓝莓为原料,分别在固态和液态条件下研究了蓝莓花色苷的稳定性,发现低pH(2)可以增加花色苷的稳定性,而0.15%的柠檬酸或苹果酸及10%的醋酸均有利于蓝莓花色苷的稳定,并且认为蓝莓花色苷适合在40以下的温度中进行加工。李颖畅等研究了8种金属离子对蓝莓花色苷稳定性的影响,其中Ca2+对花色苷的稳定性无显著影响;高浓度Al3+Cu2+Zn2+Mn2+具有一定增色作用,而且能够提高花色苷的稳定性;Fe3+Fe2+Pb2+对花色苷具有破坏作用,可以使花色苷的稳定性降低,并且在含Fe3+Pb2+的花色苷溶液中有部分沉淀生成。孟宪军等对蓝莓花色苷稳定性的研究认为,蓝莓适合在酸性条件下(pH<3)使用和保存,其花色苷对氧化剂H2O2及还原剂Na2SO3的耐受性都比较差,但防腐剂苯甲酸钠及蔗糖、葡萄糖等对蓝莓花色苷有一定的护色作用,金属离子中Na+K+Zn2+Mg2+Ca2+Cu2+Fe3+对该花色苷有不同程度的护色效果,不过Al3+对其稳定性有明显的破坏作用。由此看来,不同学者关于金属离子对蓝莓花色苷稳定性的影响或许受花色苷种类、含量及试验的溶剂体系等条件限制而出现分歧,但较低的pH应该更有利于花色苷的稳定却已是普遍观点。另外还有研究发现,乙醇也会使红豆越橘花色苷的稳定性有所提高,这或许对以蓝莓为原料酿制的果酒产品来说是个好消息。

2.2  降解动力学和机制

    近年来,许多学者采用化学反应动力学原理来描述花色苷在各种因子的影响下与贮藏条件之间的关系,只需在某一温度条件下测定2个花色苷含量(或颜色变化)的数据,就能够建立数学模型进行预测。其中多数花色苷的降解过程符合一级反应动力学ln(C1/C0)=-K·t,如杨梅汁、石榴汁和紫甘薯等;也有通过热降解动力学描述在某些因子影响下的花色苷稳定性,如经超声波处理的草莓汁,运用低糖工艺生产的黑莓果酱,以及Vc、类黄酮化合物和糖等对血橙花色苷所产生的综合影响等。深入研究蓝莓花色苷的热稳定动力学以及在其他影响影子作用下的降解机制将有利于深刻揭示整个反应机理。Kader等系统研究了蓝莓果实褐变和花色苷降解机理,报道了蓝莓鲜果褐变过程中多酚氧化酶(polyphenol oxidasePPO)与绿原酸和花色苷之间的关系,他们发现PPO对花色苷的稳定性有直接影响,在含有PPO的体系中高达29%的花色苷都发生了降解,同时绿原酸也会加重花色苷的降解程度。不过,在随后的研究中证明PPO本身并不能促进花色苷的降解,而需要在绿原酸或咖啡酸等酚类存在的同时通过生成新的中间产物才能与花色苷快速发生缩合反应。此外,Kader等还研究了蓝莓果实中PPO对矢车菊-3-葡萄糖和天竺葵-3-葡萄糖降解动力学和机制。

2.3  加工技术的影响

    近年来,随着新的食品加工技术的逐步成熟和运用,传统中认为安全或适当的工艺方式结合新技术以后有可能对花色苷稳定性带来新的挑战,如微波、超声波、高压脉冲电场或辐照技术等。张燕在利用高压脉冲电场辅助提取树莓花色苷时发现,该方式促进了矢车菊-3-葡萄糖发生部分降解。此外,也有报道称可以通过添加辅色剂(如有机酸、配糖体或酚类化合物等)起到增色或提高稳定性的作用,还可以利用生物技术培育花色苷稳定性较高的蓝莓品种。

3  蓝莓花色苷提取分离的研究

    花色苷作为一种天然可食用色素在替代合成染料方面的重要作用逐渐引起各国食品科学家们的关注,从20世纪50年代至今,英国、日本、保加利亚、意大利、美国等在花色苷的提取、分离和相关应用上取得了许多突破性进展。由于中国生产栽培中应用的主要蓝莓品种多于20世纪80年代引自国外,蓝莓花色苷的提取等相关研究起步相对比较晚,近年来在分离纯化等领域进行了大量试验,除传统的溶剂萃取法外,一些新的提取方法如酶法、超声波法、高压脉冲辅助提取法等也有所报道。

3.l  溶剂提取

    花色苷在中性和弱碱性溶液中不太稳定,因此,提取过程通常要采用酸性条件下进行。徐美玲等以越橘鲜果为原料采用乙醇浸提法提取花色苷,确定的最佳提取条件为DH 3.5、浸提温度50、浸提60min,浸提剂乙醇浓度为50%,提取率为5.8%。孟宪军等采用酸性乙醇作为提取剂,用响应面分析优化各因素得出最佳提取参数为:提取液乙醇体积分数60.65%、料液比(g/mL)1:20.65mL、提取时间122.53 minpH 3.0、提取温度50、提取2次确定蓝莓冻果花色苷含量约为327.35mg/100g

3.2  酶解提取

    酶可以较温和地将植物组织分解,加速有效成分的释放,从而提高天然植物成分的提取率。向道丽比较了纤维素酶法和传统提取工艺对越橘果渣中的花色苷提取的不同,发现酶法提取工艺比传统乙醇浸提越橘果渣花色苷色价提高了30%。李颖畅研究表明,一定量的纤维素酶使蓝莓花色苷提取量提高,而果胶酶未能提高花色苷提取量,增加果胶酶用量会使花色苷提取量下降;2种酶复合处理花色苷提取量低于相同用量纤维素酶的花色苷提取量,2种酶之间无协同作用。

3.3  辅助技术

    花色苷提取方法还取决于提取物的用途,但无论是用于定性定量分析,还是作为商业用途,都应在保证其天然结构受到影响最小的情况下再谋求产率和稳定性的提高。而多种提取技术的联合使用也将成为发展的必然。例如,超临界流体萃取(supercritical fiuidextractSFE)技术、微波辅助提取(microwave assisted extractionMAE)及液态静高压(hydrostatic high-pressureHHP)辅助提取技术也已逐步应用于花色苷的提取。Vatai等用超临界CO2结合溶剂提取法从接骨木果和葡萄渣提取花色苷,结果发现与传统溶剂提取法相比,通过超临界处理可以提高总酚的提取量且可避免有毒有机溶剂的使用,但是对花色苷提取量的影响并不显著。吕春茂等运用微波辅助提取法对微波功率、时间、溶剂浓度和温度等工艺条件进行了系统研究,并确定越橘果实花色苷的最佳提取工艺条件为微波功率506.7 W,提取时间7.06min,乙醇浓度55.4%,温度51.24,提取量可达(1.47±0.15)mg/gCorfales等采用液态静高压辅助提取法从葡萄皮中提取花色苷,与未使用该法相比产率提高了23%

3.4  吸附纯化

    未经纯化的花色昔提取物中往往含有机酸、糖等杂质,欧美等国也规定越橘提取物中花色苷含量>24%才可用于食品、药品及化妆品中,但实际含量却能达到36%。虽然中国商业蓝莓提取物中花色苷的含量已达25%,但是如何高效率、低成本地分离出更高纯度的花色苷并将其推广应于规模化的工业生产仍然需要进一步的研究。目前,用于花色苷分离纯化的主要方法是层析法,如大孔吸附树脂具有吸附性强、解吸附性强、解吸附容易、机械强度好、可反复使用和流体阻力小等优点,已经在花色苷色素的纯化中得到了一定的应用,生产出的产品纯度能够符合欧洲标准。李明瑾、李颖畅等分别比较分析了5种和10种不同型号树脂对蓝莓花色苷的纯化效果,结果均表明AB-8型树脂的纯化效果最好。同时,董怡等研究发现,采用聚酰胺树脂对笃斯越橘花色苷的纯化效果明显优于AB-8树脂,纯度可提高23.5%

    此外,高效逆流色谱、膜分离技术、高效液相色谱等技术在花色苷类物质的提纯中也得到应用。在对花色苷进行精制时,还可以采用2种或2种以上方法的联用,如以纸层析初分,高效液相或凝胶层析细分,再经吸附树脂柱浓缩。

4  展望

    近年来,蓝莓因富含花色苷而被人们熟知,其保健作用更是受到大家的追捧,但是蓝莓鲜果的市场供应期较短,保鲜蓝莓的销售局限性较强,而蓝莓加工制品及花色苷的提取物等均因其自身结构的不稳定性及分离纯化难度较高,最终导致国内蓝莓花色苷的资源利用率不高。目前,蓝莓加工半成品如速冻蓝莓果、蓝莓浓浆等附加值不高,蓝莓提取物由于花色苷含量偏低而缺乏国际竞争能力等问题已经明显制约了蓝莓加工产业的持续发展。要解决上述问题,必须深入开展蓝莓花色苷的降解机制和提高其稳定性的研究,从而使蓝莓花色苷资源得以充分利用。

    (1)中国具有丰富的野生越橘属种质资源,尤其是东北地区的野生蓝莓等,均可用于生物技术培育花色苷含量或稳定性较强的优良品种,并尝试利用基因工程调控细胞代谢表达生产高稳定性花色苷的蓝莓植株。

    (2)开展不同的蓝莓花色苷结构和影响因子作用下的花色苷降解动力学的研究,并探索通过改变花色苷分子、进行化学修饰等技术例如醚化、酰化等技术来提高其稳定性。

    (3)积极开发蓝莓功能产品,实现蓝莓资源的综合利用。如蓝莓鲜果可以先通过压榨制取果汁,利用逐步发展完善的冷链技术实现利于花色苷稳定的低温贮运和销售,压榨所剩果渣可以用于花色苷的提取或精制蓝莓冻干粉等用于医药或保健产品。

    相信随着提取和分离技术的进一步完善,蓝莓花色苷的产量和质量将得到更高的提升,相关基础研究和商业应用也会更加深入和广泛。

    作者单位:(1.浙江省农业科学院柑橘研究所,浙江 台州 3180202.浙江神奇蓝宝农业科技有限公司,浙江临海 317000)

    文章采集:caisy

    注明:基金项目,台州市科技项目(102KY07

注:本网站为公益性网站,若单位或个人不同意刊载本信息请与本站联系。
版权所有:北京市农林科学院农业科技信息研究所
电 话: 010-12396(按0转人工) 地 址:北京市海淀区板井曙光花园中路9号
京ICP证090834号 京ICP备09045065号