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石榴籽油的提取工艺及生理功能研究进展

2021-12-02赵遵乐邹琴艳张立华

中国果菜 2021年4期
关键词:籽油石榴

赵遵乐,张 岩,邹琴艳,吴 帅,张立华,谭 伟

(枣庄学院食品科学与制药工程学院,山东枣庄 277160)

石榴(Punica granatumL.)为石榴科石榴属落叶灌木或小乔木,原产伊朗、阿富汗等中亚地区,后传入我国。石榴品种繁多,营养丰富,具有较好的保健功能[1-2]。近年来,石榴的种植面积不断扩大,除鲜食外,还可制作成石榴果酱、果汁、果酒等一系列加工产品,经济效益大幅提高,但在产品生产加工过程中,石榴籽利用率极低,大多以废料丢弃,造成了资源的严重浪费[3-4]。

据统计,石榴籽约占果实总质量的12.54%,含有纤维素、脂肪、粗蛋白、甾醇类化合物、挥发油等多种成分[5],其中含油率在15%~20%[6]。利用石榴籽可加工出石榴籽油产品,有研究表明,石榴籽油具有较好的抗氧化、延缓衰老、降血糖、抗糖尿病、预防肿瘤等药理作用[7]。近年来,随着科技的进步和设备的不断完善,国内外对石榴籽油的功能研究也越来越深入。本文就石榴籽油的化学成分、提取方法及生理功能进行了综述,旨在为石榴籽油的综合开发与利用提供理论基础。

1 石榴籽油的化学组成

石榴籽含油量为15%~20%,明显高于苹果、桃、柠檬等中的含油量[6-8]。石榴籽油含有多种不饱和脂肪酸,主要有石榴酸、亚麻酸、亚油酸、油酸等,含量占不饱和脂肪酸的90%左右,其中石榴酸含量最高,占不饱和脂肪酸的50%~90%[9-13]。除不饱和脂肪酸外,石榴籽油还含有一定量的酚类、甾醇、鱼鲨烯、生育酚等生物活性物质[3-8],其中生育酚包括α、γ、δ三种类型,甾醇类有β-谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇等[14-15]。

2 石榴籽油提取工艺

关于油脂提取的方法目前报道很多,其中应用于石榴籽油的提取方法主要有压榨法[16-17]、冷榨法[18-20]、水酶法[20]、索氏提取法[21]、超临界流体萃取法[22-24]、亚临界流体萃取法[25-26]、超声波辅助提取法[27-28]、微波辅助提取法[29]等。通过对比分析发现,不同提取方法对石榴籽油提取率有不同的影响。

2.1 压榨法

压榨法是借助物理压力,将油脂直接从油料中分离出来的一种提取方法,是目前国内外提取植物油脂最常用的方法。Eikani 等[30]以10 t 机械压力压榨石榴籽提取石榴籽油,提取率较低,仅为4.29%。与其他制油方法相比,压榨制油产品安全、卫生,且污染小,天然营养成分不易被破坏,但制油成本高,出油率低,动力消耗大,设备易损坏[16-18]。

2.2 冷榨法

植物油冷榨技术是借助机械力挤压制油,加工温度一般低于60 ℃。冷榨法是依靠物理压力直接将油脂从原料中分离出来,使脂肪氧化酶灭活,提高出油率,缩短压榨时间,同时防止挥发油、多酚等活性物质的损失。该方法全程不添加任何化学添加剂,能保证产品的安全和卫生。且可完整地保存油的生理活性物质,最大限度保留原料中的营养成分,油料颜色好。与普通压榨制油不同,冷榨法可以避免与溶剂、酸液、碱液等有害物质的接触,但提取不够充分,精炼过程复杂[18-20]。

李勇[31]在最佳温度62 ℃,含水量7%、压力3.5 MPa、转速36 r/min 的条件下,采用冷榨技术提取石榴籽油,得率为41.6%,且油中VE 和磷脂含量分别为312.5 mg/100 g、1 470 mg/100 g,营养成分保留程度大。Khoddami 等[32]分析了以伊朗品种Torshe Malas(TMOI)为原料冷榨的石榴籽油和来自伊朗和土耳其的两种商品油(COI、COT)的理化特性。脂肪酸分析表明,所有油品均含有主要的脂肪酸——石榴酸,其他主要脂肪酸为亚油酸和油酸。使用差示扫描量热法测定三种油的熔点,发现TMOI 熔点较低,且具有最有利的化学质量属性,包括较低的过氧化物值,较低的游离脂肪酸含量和较高的总酚含量,然后是COT。使用快速色谱-表面声波技术对3 种油气味化合物分析,检测到其中13 种不同香气。综上,三种油的理化性质均优于先前报道的用有机溶剂提取的石榴籽油。

2.3 水酶法

水酶法是利用生物酶的酶解作用和机械作用破坏植物细胞壁,促进植物油脂分离,以水作为分散相替代有机溶剂的一种新型提取方法,油脂不需要脱胶工序,生产成本大大降低,能量消耗也大幅减少。与传统工艺相比,水酶法操作安全、提取效率高、污染小;所得毛油质量高、色泽好、便于精炼;处理条件温和[21]。

苗利利等[33]研究表明在Alcalase 蛋白酶添加量1.0%(mg/L)、原料粒度40 目、料液比1∶5(g/L)、提取6h、pH8.0、离心时间25 min 的条件下,石榴籽出油率最高,可达18.2%。金婷等[34]在提取温度60 ℃、提取时间6 h、木瓜蛋白酶添加量0.09 g、料液比1∶7 的条件下,石榴籽出油率为15.1%。虽然料液比、酶解温度、提取时间、加酶量等因素对石榴籽油提取率都有不同程度的影响,但采用上述水酶法提取石榴籽油,提取率均在15%以上。

2.4 索氏提取法

索氏提取法是从固体物质中萃取化合物最常见的方法,所需仪器简单,周期短,萃取效率高[22],所得产品杂质含量少[35]。

国内采用索式提取法提取石榴籽油的研究相对较少,而在其他油料作物的提取中应用广泛,如对黄瓜籽[36]、葡萄籽油[37]的提取。郭守军等[38]优化了索氏提取法提取番石榴籽油提取工艺,通过单因素试验和L9(33)正交试验确定了最佳提取工艺为以石油醚为溶剂,料液比1∶10(g/mL),90 ℃提取3 h,得出出油率为12.82%。马齐等[39]在85 ℃下,采用索氏提取法提取石榴籽油,石油醚回流2 h,可将提取率稳定在15%左右。

2.5 超临界流体萃取法

超临界流体萃取技术是一种将超临界流体作为萃取剂,把一种成分(萃取物)从混合物(基质)中分离的技术,具有反应条件温和、高效快速和洁净等优点,在食品工业领域有广阔的应用前景[23-24]。CO2作为主要的萃取剂,具有价格低廉,超临界流体状态下溶解度大,临界压力与温度适中等优点。与传统方法相比,超临界CO2萃取法提取时间短、出油率高、药效成分提取率高[40-41]。

不同研究者采用此方法获得的出油率不同,可能与实验参数及石榴品种有关。焦静等[42]采用超临界CO2萃取法提取石榴籽油,得出在粉碎度40 目、装料量200 g、萃取压力30 MPa、萃取温度40 ℃、CO2流量15 L/h、分离压力8 MPa、分离温度35 ℃的条件下,出油率为23.55%。伍亚华等[43]采用超临界CO2提取石榴籽油,并应用响应面法优化工艺条件,研究测得怀远石榴籽油得率可达19.4%。侯晓丹[44]研究比较了三种方法对石榴籽出油率的影响,结果表明,微波辅助提取石榴籽油出油率最高,为15.75%;超临界CO2萃取法次之,出油率为14.60%;而冷榨法所得出油率仅为2.80%。

2.6 亚临界流体萃取

亚临界流体萃取法是在密闭、无氧、低压的压力容器内,以亚临界状态的低级烷烃或低沸点化合物为介质,依据有机物相似相溶的原理,通过萃取物料与萃取剂在浸泡过程中的分子扩散作用,将固体物料中的脂溶性成分转移到液态的萃取剂中,再通过减压蒸发将萃取剂与目的产物分离,最终从天然产物中提取目标组分的一种新型技术[25-26]。此法可保留提取物活性成分不被破坏,且目标物提取效率高,无毒、无害、环保安全[45]。

研究发现,萃取时间、萃取温度以及萃取剂的选用等对石榴籽油得率均有不同程度影响。徐国良[46]优化了石榴籽油的亚临界流体提取工艺,得出在液料比1∶6(g/mL)时,38 ℃萃取42 min 的条件下,石榴籽油得率均达21.07%,与模型预测值21.15%之间具有良好的拟合性。王琳琳等[47]比较了超临界CO2萃取法、有机溶剂萃取法、亚临界丁烷萃取法和压榨法4 种不同制油工艺对石榴籽油品质的影响,结果表明亚临界丁烷萃取所得石榴籽油的石榴酸含量最高,可达82.39%。Ahangari 等[48]采用超临界二氧化碳和亚临界丙烷提取石榴籽油,再通过正己烷的索氏提取,得出石榴籽油产率为22.31%。通过索格利特萃取法测得的石榴籽油总量中,超临界二氧化碳和亚临界丙烷提取量分别高达石榴籽油总量的58.53%(对应于最大产率13.06 wt%)和76.73%(对应于最大产率17.12 wt%)。与CO2萃取技术相比,亚临界丙烷更适用于萃取石榴籽油,其使用的时间更短、压力更低。

2.7 超声波辅助法

超声波辅助提取法是采用超声波辅助溶剂进行提取,利用超声波产生的高速、强烈的空化效应和搅拌作用,破坏植物细胞,使溶剂渗透到细胞中,从而缩短提取时间,提高提取率。与传统提取方法相比,该法具有出油率高、提取时间短、提取温度低等优点,有利于石榴籽油的工业化规模生产[27-28]。

国内研究者通过超声波辅助提取石榴籽油,出油率均高于15%。张立华等[28]采用超声波辅助提取技术提取大青皮石榴籽油,出油率达19.81%。杨兆艳等[49]以冰糖石榴为原料,得到石榴籽油的最佳工艺条件为超声波功率400 W,料液比1∶20(g/mL),50 ℃提取40 min,在此条件下,石榴籽油产出率为21.77%。与索氏提取法相比,超声波辅助法提取率更高,提取时间也大大缩短。高振鹏等[50]采用超声波及有机溶剂浸提联用技术提取石榴籽油,出油率为23.84%。Goula 等[51]研究了超声探针对水溶酶法提取石榴籽油的作用。发现在水中仅需要10 min 即可回收油,产量为18.15 g 油/100 g 干种子,石榴籽油回收率提高了18.4%,提取时间减少了91.7%。

2.8 微波辅助提取法

微波辅助提取是采用适合的溶剂在微波反应器中从天然植物组织中提取各种化学成分的技术和方法,具有快速高效、加热均匀、无污染等优点。微波辅助提取较一般的有机溶剂提取,石榴籽油的得率更高,提取时间更短且溶剂用量更少[29]。

朱丽莉等[52]研究了处理时间、料液比以及微波功率对石榴籽油得率的影响,得出在微波功率420 W,料液比1∶4(g/mL),处理时间50 s×5(时间×次数)条件下,石榴籽油的得率为15.48%。黄爱妮等[53]研究微波辅助法提取石榴籽油,确定最佳工艺条件为料液比1∶5(g/mL)、微波功率480 W、处理5 次、每次50 s,在此条件下石榴籽油的提取率为16.35%。其中料液比对石榴籽油的提取率影响显著,处理时间、微波功率等影响较小。

2.9 加压溶剂提取法

加压溶剂提取技术是近几年发展较快的一项提取技术,在密闭体系中,向反应体系通入高纯氮气,提高反应压力,使萃取溶剂的沸点升高,增加提取物的溶出率;具有快速、高效、低溶剂消耗、回收率高、无污染等优点,被广泛地应用于食品、药品、化妆品等诸多领域[54-55]。

加压溶剂提取石榴籽油,所得提取率均在25%以上,不同研究者所得提取率不同,可能与石榴品种和提取溶剂不同有关。朱庆书等[56]采用加压溶剂法优化提取石榴籽油工艺,通过响应面法得到最佳提取工艺条件为液固比33∶1(mL/g),在压力0.25 MPa 下98 ℃提取30 min,提取率为25.8%。与加热回流法相比,加压溶剂提取法提取时间缩短了5 倍,提取率提高了2 倍。文佑英[57]以枣庄产石榴籽为实验材料,采用加压提取技术研究石榴籽油的提取工艺,使石榴籽油提取率稳定在30.6%左右。

2.10 超微粉碎辅助提取法

超微粉碎技术是近20 年来迅速发展起来的一项高新技术,是指利用机器或者流体动力的途径将直径在3 mm以上的颗粒粉碎至微米甚至纳米级(10~25 μm)的技术,是目前最新的粉碎技术。与传统粉碎技术相比,超微粉碎后获得的粉体粒度更小[58]。目前此项技术被广泛应用于多糖[59]、黄酮[60]、植物油[61]等天然产物的提取中。

翟文俊等[62]运用超微粉碎辅助提取石榴籽油,以物料颗粒平均直径8.76 μm、粉体比表面积0.92 m2/mL 的石榴籽超微粉为原料,以乙醇-石油醚提取溶剂,物料比1∶8(g/mL),90 ℃浸提60 min,使石榴籽油的提取率增大,可达34.86%。经超微粉碎后原料中的油脂和其他有效成分更易溶出,提高产率。

3 石榴籽油的生理功能

石榴籽油富含脂类物质,如亚油酸、亚麻酸及其他脂类(包括石榴酸、十八烯酸、硬脂酸及棕榈酸)[63],且不饱和脂肪酸含量丰富。大量研究证明,石榴籽油及提取物具有抗氧化[64]、降血糖[65]、抗肿瘤[66]、控制体重[67-68]等作用。

3.1 抗氧化

石榴酸是石榴籽油最重要的抗氧化成分[64]。石榴籽油在体外可以清除超氧阴离子自由基(最大清除率可达80.61%),对蛋白质和DNA 的PC12 细胞损伤都有较强的保护作用[69-70]。阿依姑丽·艾合麦提等[71]的研究表明,石榴籽油在体外具有较强的抗氧化作用,与维生素E 调配使用,抗氧化效果更强。研究还发现合理食用石榴籽油可以增强机体的抗氧化机能,延缓衰老[72]。

3.2 抗糖作用

石榴籽油中发挥抗糖作用的主要有效成分为石榴酸、石榴籽多酚、石榴籽多糖等[65]。研究发现,石榴籽油能提高胰岛素的敏感性,有效改善糖耐量,减少Ⅱ型糖尿病的发病几率,大大降低胰岛素水平,具有显著的降糖功效[73-74]。李洁[75]给患糖尿病大鼠食用石榴籽油(0.18 mL 石榴籽油+0.12 mL 橄榄油/天/只),八周后检测,与对照组对比发现糖尿病大鼠血糖水平明显下降,可见,石榴籽油通过提高糖尿病大鼠体内抗氧化酶的活性,能达到抗糖的效果。石榴籽多酚和石榴籽多糖同样具有一定的降糖功效。Yamasaki 等[76]研究发现,石榴酸能够刺激小鼠产生免疫球蛋白G、M,证实石榴籽油有助于提高机体免疫力。石榴中的多酚类通过提高胰岛素受体敏感性、增强PPAR-γ(Peroxisome proliferator-activated receptor),过氧化酶体增殖物激活受体)的表达、抑制α-葡萄糖苷酶活性等作用达到抗糖功效。

3.3 抗癌、抗肿瘤

石榴籽油可以抑制乳腺癌细胞的增殖活性,促进其凋亡[66]。石榴籽油还可以抑制脐静脉内皮细胞增殖和小管形成。此外,石榴籽油对形成雌激素敏感型乳腺癌细胞和雌激素非敏感型乳腺癌细胞的新生血管有轻微的抑制作用,对人类子宫纤维细胞的增殖也有一定的抑制作用[77-78]。Lyndon 等[79]研究发现,石榴籽油能有效抑制LNCaP等型前列腺肿瘤细胞的侵袭性生长,阻止PC-3 型前列腺癌细胞的扩散,可以有效预防前列腺癌,且对正常细胞没有不良影响。

3.4 免疫调节

研究表明,石榴籽油能够保护人体的免疫系统,提高机体免疫力[80]。黄旭等[81]通过灌胃途径给小鼠喂食石榴籽油,分离培养巨噬细胞,并检测其吞噬能力。结果发现,在D-半乳糖诱导的衰老小鼠模型体内,石榴籽油发挥了一定的免疫调节功能。在衰老模型小鼠体内,脾脏/胸腺指数以及ConA 刺激的脾脏/胸腺增殖均明显降低,处于分裂期的脾脏细胞比例明显减少。石榴籽油的干预改善了衰老模型小鼠的免疫功能,并有效加强了巨噬细胞的吞噬能力和表达分泌免疫调节因子的能力,也使衰老小鼠血清中免疫球蛋白与补体蛋白的含量明显增加。

3.5 调节血脂、减肥

石榴籽油可有效抑制高脂肥胖大鼠血脂的增高,对动脉硬化的形成有明显的抑制作用[67-68]。Arao 等[82]研究了富含石榴酸(9cis,11trans,13cis 共轭亚油酸和9c,11t,13c-CLNA)的石榴籽油在肥胖高脂血症的大冢长埃文斯德岛脂肪(Otsuka Long-Evans Tokushima Fatty,OLETF)大鼠饮食代谢中的影响。结果发现,在OLETF 大鼠中9c,11t,13c-CLNA 饮食显著降低了肝三酰甘油的累积含量,但未改变与脂肪酸合成和脂肪酸β-氧化有关的肝酶活性。高脂血症的OLETF 大鼠中血清三酰甘油中单不饱和脂肪酸的水平明显增高。此外,9c,11t,13c-CLNA 饮食可显著降低OLETF 大鼠的单不饱和脂肪酸水平。郭琦等[83]研究了石榴籽油对高脂饮食小鼠体质量的影响。结果发现,石榴籽油能通过调控血液中的高密度脂蛋白控制血液中脂肪的堆积。李艳等[84]探讨了复方石榴籽油对糖尿病小鼠血脂的影响,结果表明,复方石榴籽油可调节患病小鼠血脂水平、控制体质量,并随周期的延长,效果明显优于单种石榴籽的作用效果。

3.6 抗炎

石榴籽油通过多种机制发挥抗炎作用,可以有效降低肠道炎、结肠炎等多种炎症的发病率[65]。Susan 等[85]研究石榴籽油的消炎潜力,在某些人类结肠癌(HT29 和HCT116)、肝癌(HepG2 和Huh7)、乳腺癌(MCF-7 和MDA-MB-231)和前列腺癌(DU145)中发挥作用。研究结果表明,石榴籽油中石榴酸及其同源物诱导了两种乳腺癌细胞系的细胞活力显著下降。与未经处理的细胞相比,细胞周期增长。此外,VEGF 和9 种促炎细胞因子(IL-2、IL-6、IL-12、IL-17、IP-10、MIP-1α、MIP-1β、MCP-1 和TNF-α)随着石榴籽油亲水性提取物含量的增加而呈剂量依赖性降低,从而证明石榴籽油具有抗炎作用。

3.7 雌激素活性

石榴籽油中的甾类雌激素和非皂化物质有很强的雌激素活性,能被黄体酮所拮抗[14-15]。阿依姑丽·艾合麦提等[86]、许文胜等[87-88]研究发现,石榴籽油可以抑制雌激素相关骨质疏松症骨量的减少,阻滞破骨细胞的溶骨功能,同时还具有较强的抗疲劳作用,可以改善妇女更年期综合症,预防骨质疏松。

3.8 其他作用

除以上作用外,石榴籽油还是一种良好的干性油,其干燥速度快、附着力强、易成膜,可以作为僵化剂或改性剂添加到油漆或者涂料中,作为油漆、涂料工业的好原料[89]。石榴籽油对水果也有显著的保鲜作用[90]。王田等[91]、Junko等[92]发现石榴籽油还具有抗抑郁的作用,能有效改善小鼠抑郁状态。石榴籽油还可以作为化妆品添加剂,具有改善肤质,使皮肤保持水润,提高皮肤弹性的作用。此外,石榴籽油还具有排毒、祛皱、增白、保湿等功效,是一种优良的天然护肤品[93]。

4 展望

近几年,国内外对石榴籽油进行了较深入的研究,对其生物活性的研究也已成为国内外的热门课题。目前石榴籽油主要应用于研发护肤品以及作为食品补充剂灌制成软胶囊使用。以石榴籽为原料研发的相关产品在欧美国家具有一定的市场,但是国内市场认可度不高。我国对石榴的利用主要在果实方面,而石榴籽在石榴产品加工过程中,直接被丢弃,利用率极低。今后应多借鉴其它植物油的提取技术,以实现石榴籽油的高效、快速、高品质提取,并进一步深入了解石榴籽油化学组成及生物活性功能,开发一系列相关产品,延长石榴的产业链条,促进石榴籽向食品、药品、保健品、化妆品等方面的应用发展。

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