花椒精油的提取及应用研究进展

舒娟,张雪研,宋爽,范江平

(云南农业大学 食品科学技术学院,昆明 650201)

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)素有秦椒、蜀椒、山椒等别称,为芸香科,属灌木或小乔木,是兼具调味、药用、生态价值为一体的经济树种,具有极高的实用和经济价值[1]。花椒具有温中散寒、抗炎、抗肿瘤、抑菌、杀虫等功效,可用于治疗咳嗽气逆、风寒湿痹、抗溃疡、抗痢疾等病症[2-3]。我国作为花椒生产大国,其栽培面积和地域分布十分广泛,花椒在我国20多个省份均有栽培。近年来,全国花椒产业迅猛发展,已形成陕西韩城、凤县,山东泰安、莱芜,四川金阳、汉源、茂县,重庆江津,云南昭通,贵州等最地道的花椒著名产业带[4]。

花椒精油,又称花椒挥发油(Zanthoxylumbungeanumessential oil,ZBEO),是提取于花椒的一类具有芳香气味、极易挥发、可随水蒸气蒸馏且与水不相混溶的油状液体的总称,其颜色以无色、浅黄色或黄绿色为主,是花椒的原次生代谢产物[5]。ZBEO兼具多种特性,如抗菌消炎、杀虫、抗氧化和抑制肿瘤细胞活性等,在食品添加剂、化妆品、医药、农药等领域得到广泛应用。ZBEO的成分与含量受品种、环境条件、收获时间、提取方法等诸多因素的影响,其活性成分也较复杂,根据文献报道提取到的活性成分主要有烯烃类、醇类、酮类以及酯类化合物。

近些年,对ZBEO的提取、成分分析、生物活性的研究方面取得了长足的进步,但对精油发挥生物活性作用的具体靶向因子的研究不够全面和深入,且精油在发挥生物活性作用过程中是具体某一成分占主导还是各成分协同作用没有得到明确的解答。目前制约ZBEO开发应用的主要原因还是其不稳定性(水溶性低、挥发性高、易氧化分解)。不少学者针对ZBEO不稳定从而限制其广泛应用的问题进行了研究,已初见成效。

1 花椒精油的提取方法

目前,在ZBEO的提取上发展较成熟,主要有水蒸气蒸馏、溶剂浸提等传统提取方法,也有现代新发展和改进的一些方法,如同时蒸馏萃取法、超临界CO2萃取法、外加电场及酶法辅助提取法等。用上述方法提取的ZBEO,尽管其主要成分基本一致,但由于提取工艺和原料的不同,其提取效率、化学成分及含量也存在着一定的差别。不同提取方法的优点与局限见表1。

表1 不同提取方法的优点与局限Table 1 Advantages and limitations of different extraction methods

1.1 传统提取方法

ZBEO传统的提取方法主要有溶剂提取法、水蒸气蒸馏法。溶剂种类的不同对ZBEO的浸出率有一定的影响。溶剂提取法中使用的溶剂主要有无水乙醇、乙醚、石油醚、正己烷、水及丙酮,其中无水乙醇和乙醚提取效果较优曾有报道。此方法通常选用对所需组分溶解性高、对不需要溶解组分溶解度较低的溶剂来实现对目标组分的分离提取。罗凯等[6]采用溶剂浸提法,提取出的ZBEO得率可达8.37%,总的挥发油损耗较小,但仅有17个品种,此工艺对ZBEO的种类损失较大。宋蓉等[7]用4种不同的溶剂从花椒中分离出ZBEO,不同溶剂萃取的精油在各方面存在一定差异,且对受试菌的抑制程度也不同,其中以乙醚萃取的精油对7种不同的细菌抑制效果明显。采用溶剂萃取可以增加ZBEO的得率,也可以实现选用最佳溶剂进行最有效的萃取,但溶剂残留量过大会对ZBEO的香气及组成造成一定的影响,且后续需要进行分离纯化。水蒸气蒸馏法是一种将含挥发性组分的植物原料同水共蒸,同时将挥发性组分和水蒸气一起馏出,再通过浓缩分离出挥发性组分的一种分离方法。适用于从水中萃取具有挥发性、能随水蒸气蒸馏而不被破坏、在水中稳定、不易溶解或不溶解的植物活性组分。水蒸气蒸馏法是目前应用最广泛的一种提取植物性天然香料的工艺,其工艺、设备和操作均较成熟。罗怡华等[8]通过工艺优化得到水蒸气蒸馏的最佳提取工艺:花椒粉碎粒度为40目,料液比为1∶10 (mg/mL),提取时间为3.0 h。王娟等[9]通过水蒸气蒸馏法提取汉源、金阳两地青花椒,同时提取汉源和武都两地红花椒的挥发油作对比,发现水蒸气蒸馏法提取的青花椒出油率约为5.08%～5.47%,红花椒出油率约为1.14%～1.52%。

1.2 现代提取方法

ZBEO现代的提取方法主要有超临界CO2萃取法、超高压萃取法、同时蒸馏萃取法及微波辅助提取法等。利用CO2的超临界流体萃取方法已开始广泛应用于植物精油的提取和分离,与传统提取方法相比,它能够提高提取效率、缩短提取时间且挥发性化合物不会因热处理而发生变化,但设备投资大、能耗高等缺陷限制了其在实际生产中的应用,它更多地用于科学研究和生产高附加值产品。吴静[3]利用超临界CO2萃取法提取ZBEO,得到优化的提取工艺为压力26.3 MPa、时间2.53 h、温度50 ℃、CO2流量21 L/h、粉碎目数60目,此时ZBEO得率为11.15%。刘琳琪等[10]研究发现,在42 ℃、30 MPa下,经超临界CO2萃取180 min,其得率可达12.70%,比水蒸气蒸馏法高2.27倍。马钤等[11]选用亚临界提取技术提取ZBEO,最终得到的最佳萃取工艺为萃取3次、萃取温度40 ℃、萃取时间40 min、料液比1∶2 (g/mL),此时ZBEO得率为15.11%,为水蒸气蒸馏萃取精油得率的3.7倍。

超高压萃取法是一种在常温下进行的萃取过程,通过给予100～1 000 MPa高压实现萃取剂在萃取过程中始终保持高压,然后在萃取后释放压力,从而获得精油产品。超高压萃取技术是目前最常用的低溶点、热敏性物质的提取方法,在食品工业中得到了广泛的应用。贾春晓等[12]以河南花椒为原料,无水乙醇(分析纯)作为萃取剂,工艺优化结果表明,超高压浸出工艺以压力300 MPa、料液比1∶40、保压时间3 min为条件,萃取率可达到24.16%。

同时蒸馏萃取法将水蒸气蒸馏和溶剂萃取两步相结合,相比于传统的水蒸气蒸馏法,提高了提取效率。罗凯等[13]优化提取工艺后,发现选择乙醚作提取溶剂,提取率可达到8.2%,色谱峰信息较多且溶剂毒性较小;原料粉碎至40目时,挥发油得率可达到9.4%;提取时间为3 h时,挥发油的提取率接近9.5%;以超声波辅助处理5 min,提取率接近12%,色谱峰信息也较多。龙园园等[14]采用同时蒸馏萃取法,当加水量为5.5倍、提取时间为3.5 h、乙醚用量为41 mL、粉碎粒度为80目时,挥发油的提取率为3.59%。

通过外加电场(超声、微波)或酶处理可以有效提高ZBEO的得率,外加电场辅助萃取已被广泛应用于植物中生物活性成分的提取,并引起国内外研究和开发领域的广泛关注。高经梁等[15]采用微波辅助提取技术萃取花椒精油,结果表明,微波提取ZBEO以料液比1∶10、功率600 W、温度50 ℃、萃取时间2 min为条件,精油得率达到18.56%,产率比溶剂法高9.96%。黄志远等[16]通过响应面优化得到最佳的提取工艺条件:液料比10.3∶1、微波功率502 W、微波处理时间6 min、提取温度60 ℃,此时精油提取率为8.01%。

魏姜勉[17]以花椒籽为原料,超声波辅助提取花椒籽挥发油,结果表明,较优工艺参数为料液比1∶26 (mg/mL)、超声功率166 W、超声时间13 min,在此条件下,花椒籽挥发油得率可达3.29%。

采用表面活性剂辅助酶解法从花椒中提取风味化合物,该方法在食品工业中应用较少。Zhang等[18]采用表面活性剂辅助酶法从花椒中提取风味化合物,优化条件后得出:将花椒粉碎至粒径小于60目,纤维素酶添加量0.5%(质量比),中性蛋白酶添加量0.3%(质量比),硬脂酰乳酸钙添加量0.7%(质量比),料液比1∶6 (g/mL),酶解温度45 ℃,酶解3 h的条件下柠檬烯、芳樟醇和烷基酰胺的含量可分别由1.02%、16.5%、27.4%提高至7.51%、48.39%、37.74%。

以上不同提取方法各有利弊,如何针对现有技术存在的优势与不足,将不同技术结合起来,争取未来开发出一种简单有效,并能够使品质和产量都有保障的提取花椒中风味物质的方法,实现花椒效益的最大化仍是我们努力的方向。

2 花椒精油产品的开发及应用

ZBEO具有高度挥发性,对环境压力(温度、氧、光、低pH值等)很敏感,因而在加工和储存过程中造成了风味和生物活性的大量损失。ZBEO的高挥发性和不稳定性限制了其应用,降低了其经济价值,研究学者针对此问题进行了不断的探索和尝试,其成果也犹如雨后春笋般破土而出。

2.1 花椒调味油

ZBEO主要采用有机溶剂和超临界CO2萃取法提取,一般不能直接食用,必须与食用植物油进行一定的稀释后才能用作调味品。将花椒与植物油的多种营养物质相结合,能使香气更加浓郁,其生产方式大多选用热植物油浸提法。林洪斌等[19]用植物油浸提法制备花椒调味油,工艺优化后制得的花椒调味油具有香味浓郁、透明度好、麻味明显等特性。彭彰智等[20]优化生产棕榈油基花椒调味油的工艺条件,结果表明,当料液比为1∶8.5、花椒粉碎粒度为56目、熬制温度为91 ℃时,测得的花椒调味油感官评分良好,在40 ℃下加速贮藏90 d,贮藏期内棕榈油基花椒调味油香气浓郁,无异味,麻味较强烈。孙小岚等[21]将核桃油与紫苏油等原料油调配成脂肪酸构成合理的调和油,再加入花椒精油、姜精油进行风味调配,经过正交实验优化核桃油的配方,得到的调味油呈现出天然的棕黄色,色泽晶莹,各项理化指标都达到了一级压榨油的要求,口感怡人,同时具有花椒的清香和生姜的辛辣味道。

2.2 花椒精油微胶囊产品

微胶囊通过将液体材料包裹在聚合物外壳中以获得固体或自由流动的粉末,有利于保护不稳定的敏感化合物免受环境因素的影响,并掩盖芯材中不可接受的味道。该方法具有良好的保持芯材生理活性的稳定性、掩盖食品中的不良风味、改善其释放性能、提高其生物利用率等优点,在食品、医药等领域得到了广泛应用。利用高分子、聚合物薄膜等进行包埋,可防止受到生产中环境因素的影响。当在适宜的条件下,通过控制其时间、速率、温度等条件又将其从薄膜中缓慢释放出来,能够使其功能发挥到最佳水平。微胶囊化技术被广泛认为是一种有效解决这一问题的方式,并被广泛地用于食品添加剂、调味品、乳制品、肉制品、糖果、生物酶、营养强化剂等食品领域中。

目前,常用的微胶囊化方法有喷雾干燥、复合凝聚、分子包埋以及冷冻干燥。张倩等[22]选用羟丙基-β-环糊精与大豆分离蛋白的复配物为微胶囊壁材,采用冷冻干燥法制备ZBEO微胶囊,制得的微胶囊包埋率为(96.35±0.94)%。袁路阳等[23]利用喷雾干燥法,以ZBEO为芯材,制备的微胶囊包埋效果良好,精油保留率为89.0%,损失11.0%的ZBEO,并通过感官评价对比ZBEO及其微胶囊在油炸酥肉中的应用,得出ZBEO微胶囊的综合评价优于等含量的ZBEO。Meng等[24]选用多糖和蛋白质作复合壁材包埋ZBEO,通过微胶囊化有效地保护了花椒中麻味物质的降解。Meng等[25]将实验制得的ZBEO微胶囊应用在中式香肠中,有效地抑制了香肠中脂质的氧化,保护了羟基-α-山椒素和典型挥发物在香肠贮藏过程中的挥发降解。

2.3 膜材料的制备

近年来,植物精油由于其天然、绿色和安全等特性,有望成为一种具有抗菌性和抗氧化性的新型抗菌剂和抗氧化剂,已引起人们的广泛重视。活性包装又名AP包装,具有释放抗菌剂和抗氧化剂、清除氧气、控制水分、保留风味物质和消除气味等特点,有利于更好地保存功能性成分,延长食品的保质期,满足这些需求的关键是将功能性物质封装到包装中。

Zhang等[26]制备了含有ZBEO的抗真菌静电纺丝纳米纤维膜,用于草莓和甜樱桃的保鲜,草莓和樱桃在涂抹ZBEO薄膜后,可以在10 d内保持新鲜,而其他处理的草莓和樱桃发霉严重,且ZBEO薄膜处理过的水果感官得分最高。Wang等[27]制备的ZBEO改性玉米淀粉基复合薄膜具有良好的物理性能和抗菌性能,是一种很有前途的功能性包装材料。王东芹[28]制备了ZBEO壳聚糖复合膜,并将其应用到生鲜猪肉的保鲜研究中,精油复合膜能抑制丙二醛、高铁肌红蛋白及挥发性盐基氮含量的增加,同时延缓红度值的降低,使猪肉样品保持良好的色泽,质构特性表明,精油复合膜具有良好的保鲜作用。

精油可作为活性食品包装,如可食用膜、生物可降解薄膜和涂层将的添加剂,天然存在的生物活性化合物作为抗菌/抗氧化特性的来源,具有无毒、无害、无污染等特性,相比于传统塑料,它的发展前景十分广阔,但如何进一步提高其在工业中的应用,如提高其物理性能,消除精油色泽对感官品质的影响,并保证食用过程的安全性,仍然是一个迫切需要解决的问题。基于天然活性物质进行食品包装(如肉、鱼、水果、蔬菜)的开发,已经得到了特别的关注。将生物活性物质与包埋材料进行包合提高稳定性,以及与纳米技术相结合,为天然化合物进行活性包装的工业制造打开了大门,相信这些技术未来几年将在包装行业的发展中获得广阔空间。

2.4 纳米乳液的制备

纳米乳液是一种透明或半透明的体系,主要以表面活性剂作为稳定剂分散两种不相容相。纳米乳液是一种新型的“近热力学稳定系统”,它可以很好地解决各种疏水化合物“水溶性差”的问题。Liu等[29]将ZBEO与微乳液组合,不仅能增强微乳液的渗透效果,而且能降低ZBEO的刺激性。史亚濛[30]进行了花椒精油纳米乳液的研究,结果发现通过高压均质法制备的纳米乳液可以提高ZBEO的生物活性,将纳米乳液添加到调味醋中,两者具有较好的相容性,且在ZBEO纳米乳液加入量为1.0%时,不仅保留了醋的原有香味,而且呈现出较好的花椒香味。靳若宁等[31]对青花椒精油纳米乳制备的最佳配方进行优化,研究其理化性质及体外抗菌性能,发现青花椒精油纳米乳整体澄清透明,流动性与稳定性均良好,且抑菌效果优于青花椒精油。ZBEO中含有丰富的芳樟醇、柠檬烯、桉油醇、桧烯等活性化合物,在食品工业中可作为抗真菌剂、抗氧化剂和特种调味剂等广泛应用,尽管ZBEO作用十分有效,但由于缺乏更好的配方,其应用始终受到阻碍。纳米乳液的缓释、靶向作用及对药物的保护机制,以及ZBEO本身具有的多重生物活性(如抗炎、抗肿瘤、镇痛、局部麻醉等),两者相结合有利于药物载体的研究与制备。

3 结语

目前,我国以ZBEO为主要成分开发的产品尚处于起步阶段,种类寥寥可数,ZBEO相关产品在市场上占据的份额小,未能实现将已有的花椒资源物尽其用,造成了极大的浪费。市场上的花椒产品及应用主要包括以下几个方面:花椒调味产品,主要有保鲜花椒、花椒调味油、花椒精油、花椒精、花椒麻精、花椒油、花椒调味酱等,还被用作鲜榨果汁风味增强剂来提高风味接受度以及在高级菜肴如馅饼和冰淇淋等甜味剂中用作调料;花椒日化品开发,包括洗浴用品、护发素、香水、护理牙膏、香皂、洗面奶、面霜等;花椒养生系列,例如泡脚包、鞋垫、暖宫贴、花椒布鞋等;花椒食品的制作,诸如花椒黑酸奶、花椒啤酒、花椒锅巴、花椒夹心QQ糖、冲泡花椒及姜枣茶、花椒水、花椒芽菜等。

花椒已成为我国南北多个省份的主要经济树种,现阶段其主要用途还是用作调味料,众多研究表明,ZBEO具有多重生物活性,若要推动花椒产业从单一模式向全产业链发展,需要加大对其新产品(如精油)的开发力度,加大科技投入,以增加其经济效益,丰富其品种。此外,研究多选择果皮进行利用,对于花椒籽、枝、叶、嫩芽等的研究较少,随着花椒市场需求的增大,其种植面积也必将迅速扩大,修剪、采摘、食用等过程将产生大量的枝干、叶、籽等副产物,堆积过程不仅造成资源浪费,而且造成一定的环境污染,花椒果皮在提取有效成分后,未能对加工副产物实现有效利用,副产品中含有丰富的蛋白质、脂肪、膳食纤维、黑色素、抗菌肽、多酚、酰胺等,面对全球资源日益短缺的形势,各行业应共同努力,创新产品,扩大花椒生产过程中副产物的综合开发与利用,将其变废为宝迫在眉睫。我国拥有丰富的花椒资源,应该充分发挥自身的优势,对其进行深入的研究,以改善其利用不充分、挥发性高和生物利用度低的问题,为今后推动花椒产业全方位高效发展,进一步扩大其在医疗、保健、日化、油料等领域的应用与发展奠定基础。