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(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所,湖北武漢 430064;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖北武漢 430070)

柑橘栽培在我國(guó)已有4000年歷史,我國(guó)因生態(tài)條件優(yōu)越,種質(zhì)資源豐富,市場(chǎng)需求量大,已成為柑橘的重要產(chǎn)地,大多柑橘品種在湖南、湖北、福建、浙江、重慶、江西等省市廣泛栽培[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高,消費(fèi)者對(duì)柑橘鮮果的品質(zhì)提出更高要求,香甜可口、營(yíng)養(yǎng)均衡、色澤誘人的柑橘將更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

類(lèi)胡蘿卜素是天然存在的一類(lèi)脂溶性色素,可分為僅含碳?xì)浠衔锏臒N類(lèi)(胡蘿卜素,carotene)和碳?xì)浠衔锏暮跹苌?葉黃素,xanthophylls)。自然界存在的類(lèi)胡蘿卜素有700多種,它們由8個(gè)異戊二烯單元組成。類(lèi)胡蘿卜素廣泛存在于植物體中,具有抗氧化、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、緩解慢性疾病的功能[2-4]。柑橘體內(nèi)至少含有115種類(lèi)胡蘿卜素,是天然類(lèi)胡蘿卜素的重要來(lái)源[5-6]。類(lèi)胡蘿卜素的組成與含量不僅直接決定著柑橘果實(shí)的外觀與色澤,同時(shí)關(guān)系到柑橘果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)功能,是評(píng)價(jià)柑橘品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[7-8]。柑橘品種決定其類(lèi)胡蘿卜素的組成,外界環(huán)境刺激干預(yù)類(lèi)胡蘿卜素的累積[9-10]。闡明柑橘類(lèi)胡蘿卜素的累積機(jī)制,可為柑橘栽培和品質(zhì)提升提供參考。橙汁是柑橘的主要加工產(chǎn)品,柑橘果實(shí)原料的選擇及其類(lèi)胡蘿卜素的加工穩(wěn)定性對(duì)橙汁品質(zhì)至關(guān)重要。本文總結(jié)了柑橘類(lèi)胡蘿卜素的合成途徑及其累積影響因素,綜述了類(lèi)胡蘿卜素組成解析方法及類(lèi)胡蘿卜素的加工穩(wěn)定性研究進(jìn)展,為后續(xù)的相關(guān)研究提供參考。

1 柑橘類(lèi)胡蘿卜素的合成途徑

圖1 柑橘常見(jiàn)類(lèi)胡蘿卜素合成途徑Fig.1 The biosynthesis pathway of common carotenoids in citrus

類(lèi)胡蘿卜素在柑橘的質(zhì)體中通過(guò)一系列縮合、去飽和、環(huán)化、羥基化和環(huán)氧化反應(yīng)形成[11]。柑橘中主要類(lèi)胡蘿卜素合成途徑如圖1所示[12]。起始由2分子牛兒基焦磷酸經(jīng)合成酶催化生成八氫番茄紅素,進(jìn)一步去飽和生成六氫番茄紅素,再經(jīng)兩次脫氫及異構(gòu)化形成全反式番茄紅素。番茄紅素的形成是類(lèi)胡蘿卜素合成的重要步驟,但大多數(shù)柑橘中未見(jiàn)番茄紅素的累積,只在少數(shù)柑橘品種中累積[13]。番茄紅素在β-環(huán)化酶和ε-環(huán)化酶的共同作用下分別形成β-胡蘿卜素和α-胡蘿卜素,這些類(lèi)胡蘿卜素結(jié)構(gòu)均不含氧原子,統(tǒng)稱為胡蘿卜素(carotenes)。β-胡蘿卜素和α-胡蘿卜素經(jīng)一系列的羥基化和環(huán)化作用形成含氧類(lèi)胡蘿卜素,這類(lèi)物質(zhì)統(tǒng)稱為葉黃素(xanthophylls)。α-胡蘿卜素在羥化酶的作用下生成在黃體素,β-胡蘿卜素經(jīng)羥基化生成β-隱黃質(zhì),再次羥基化的產(chǎn)物為玉米黃質(zhì)。玉米黃質(zhì)在環(huán)氧化、異構(gòu)化、去飽和的作用下,逐步形成其下游產(chǎn)物:紫黃質(zhì)、9-順式-紫黃質(zhì)、黃體黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)等。9-順式-紫黃質(zhì)最終在雙氧酶的作用下裂解形成脫落酸,為類(lèi)胡蘿卜素合成途徑的最終產(chǎn)物[14]。

八氫番茄紅素、六氫番茄紅素、番茄紅素、β-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素是僅含碳?xì)湓氐漠愇於╅L(zhǎng)鏈,而黃體素、β-隱黃質(zhì)、玉米黃質(zhì)、紫黃質(zhì)、9-順式-紫黃質(zhì)、黃體黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)等含有游離羥基及環(huán)氧結(jié)構(gòu)、含羥基的類(lèi)胡蘿卜素通常與脂肪酸結(jié)合形成酯化物[13-15]。通過(guò)氣相色譜(GC)分析,飽和脂肪酸癸酸(C10∶0)、月桂酸(C12∶0)、肉豆蔻酸(C14∶0)、棕櫚酸(C16∶0)、硬脂酸(C18∶0)是柑橘里面常見(jiàn)的與含氧類(lèi)胡蘿卜素形成酯化態(tài)的脂肪酸[16],不飽和脂肪酸棕櫚油酸(C16∶0)、油酸(C18∶1)也曾在柑橘中有所報(bào)道[17]。在植物組織中,酯化態(tài)的形式更有利于類(lèi)胡蘿卜素的貯藏穩(wěn)定性,但酯化形式降低了類(lèi)胡蘿卜素的溶解性,進(jìn)而降低其生物利用率[17]。

2 遺傳因素對(duì)柑橘類(lèi)胡蘿卜素累積的影響

遺傳因素決定柑橘果實(shí)類(lèi)胡蘿卜素的積累,其在不同品種和組織間差異十分顯著[18]。依據(jù)類(lèi)胡蘿卜素的累積差異,柑橘品種可大致分為四類(lèi):富含β-隱黃質(zhì)類(lèi)、富含紫黃質(zhì)類(lèi)、富含八氫番茄紅素類(lèi)和類(lèi)胡蘿卜素低累積品種[19]。大多數(shù)寬皮柑橘,包括南豐蜜桔和椪柑(C.reticulataBlanco)的果實(shí)中富含β-隱黃質(zhì)。甜橙(C.sinensis(L.)Osbeck ‘Trovita’)和臍橙(C.sinensis(L.)Osbeck ‘Washington’)的果皮和果肉中富含紫黃質(zhì)。紅葡萄柚(C.paradisiMacf.)和紅肉臍橙(C.sinensis(L.)Osbeck Cara Cara)是紅肉突變體,果肉中大量積累八氫番茄紅素(番茄紅素的前體)。其他品種,包括酸橙(C.aurantifolia(Cristm.)Swingle)、檸檬(C.limon(L.)Burm. f.)和柚子(C.grandis(L.)Osbeck)果皮和果肉中類(lèi)胡蘿卜素的含量較低[20]。

類(lèi)胡蘿卜素合成途徑基因的調(diào)控直接影響柑橘類(lèi)胡蘿卜素的累積。Ikoma等認(rèn)為β-隱黃質(zhì)是六碳環(huán)羥基化的中間產(chǎn)物,上游基因的高表達(dá)(提供足夠的β-胡蘿卜素)和下游羥基化酶基因的低表達(dá)(只能使類(lèi)胡蘿卜素六碳環(huán)一側(cè)羥基化)使得寬皮柑橘中β-隱黃質(zhì)大量累積[21]。Kato等通過(guò)對(duì)比不同紫黃質(zhì)含量累積的柑橘材料,發(fā)現(xiàn)剪切雙加氧基因的表達(dá)量與紫黃質(zhì)的累積顯著相關(guān)[14]。Liu等以番茄紅素累積品種“紅安六”為實(shí)驗(yàn)材料,發(fā)現(xiàn)上游的八氫番茄紅素、六氫番茄紅素、番茄紅素相關(guān)合成酶表達(dá)量高,同時(shí)下游的番茄紅素環(huán)化酶的表達(dá)量降低,導(dǎo)致番茄紅素及其前體物的大量累積[22]。八氫番茄紅素合成酶是調(diào)節(jié)類(lèi)胡蘿卜素合成途徑的上游限速酶[23]。檸檬在成熟階段,果皮由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色,果皮和果肉類(lèi)胡蘿卜素含量下降,無(wú)色類(lèi)胡蘿卜素是檸檬果實(shí)中的主要成分,比如尤里卡檸檬中六氫番茄紅素占總類(lèi)胡蘿卜素的18%～22%,八氫番茄紅素在里斯本檸檬中多達(dá)86%。無(wú)色類(lèi)胡蘿卜素(八氫番茄紅素和六氫番茄紅素)是白柚果實(shí)中的主要類(lèi)胡蘿卜素成分,此外還有少量的環(huán)狀胡蘿卜素(β-胡蘿卜素、黃體素)[20]。檸檬和白柚著色能力弱的原因可能與介導(dǎo)無(wú)色類(lèi)胡蘿卜素向有色類(lèi)胡蘿卜素轉(zhuǎn)化的基因表達(dá)量有關(guān)。通常柑橘類(lèi)胡蘿卜素含量的排序?yàn)?寬皮柑橘>雜柑>甜橙>柚類(lèi)[20]。

果皮是柑橘類(lèi)胡蘿卜素的主要積累部位,往往柑橘果皮類(lèi)胡蘿卜素含量遠(yuǎn)高于果肉[24]。Rodrigo等[25]對(duì)Navelate柑橘成熟過(guò)程中橘皮的類(lèi)胡蘿卜素合成基因進(jìn)行解析,發(fā)現(xiàn)一旦達(dá)到轉(zhuǎn)色階段,脫氫酶基因上調(diào)增強(qiáng),生產(chǎn)更多的線性胡蘿卜素進(jìn)入下游合成通路。果皮脫氫酶基因表達(dá)量的上調(diào)可能是導(dǎo)致其類(lèi)胡蘿卜素的累積高于果肉的原因。

3 環(huán)境因素對(duì)柑橘類(lèi)胡蘿卜素累積的影響

3.1 溫度對(duì)柑橘類(lèi)胡蘿卜素累積的影響

柑橘果實(shí)發(fā)育期間,類(lèi)胡蘿卜素累積的同時(shí)伴隨著葉綠素的退化。與果皮相比,果肉中葉綠素的退化和類(lèi)胡蘿卜素的合成更早,導(dǎo)致果肉更早地變色[26]。如圖2所示,紅肉臍橙生長(zhǎng)成熟過(guò)程中果肉的轉(zhuǎn)色明顯地早于果皮[13]。研究發(fā)現(xiàn)在葉綠素消退和類(lèi)胡蘿卜素累積的過(guò)程中,溫度適宜的白天(20 ℃)和低溫的夜晚(5 ℃)能使柑橘果實(shí)產(chǎn)生更好的色澤,當(dāng)空氣溫度低于13 ℃時(shí)能引起葉綠素色素的消失,顯示出類(lèi)胡蘿卜素明亮的橙色[27]。熱帶或亞熱帶地區(qū)由于日間平均氣溫較高,晝夜溫差小,所以這些地區(qū)種植的柑橘類(lèi)果皮仍然是綠色或淺橙色[27]。Dhuique-Mayer等對(duì)比地中海氣候、亞熱帶氣候和熱帶氣候下種植甜橙的類(lèi)胡蘿卜素累積,研究表明鮮明的地理?xiàng)l件下,類(lèi)胡蘿卜素累積含量差異較大,地中海氣候尤其增加了甜橙中β-隱黃質(zhì)和順式紫黃質(zhì)的含量[28]。

圖2 紅肉臍橙生長(zhǎng)及成熟過(guò)程中果皮和果肉色澤的變化Fig.2 Change of color of peel and pulp in Cara Cara fruit during growth and maturation process注:1～10數(shù)字對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的采樣階段,數(shù)字2、4、6和10對(duì)應(yīng)未成熟-綠色期、成熟-綠色期、轉(zhuǎn)色期和全色期。

Lu等對(duì)我國(guó)湖北、福建、重慶、江西和湖南等五大典型產(chǎn)區(qū)紅肉臍橙類(lèi)胡蘿卜素累積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究,各產(chǎn)區(qū)紅肉臍橙由于基因型相同,類(lèi)胡蘿卜素的組成在液相圖譜上趨于一致,但類(lèi)胡蘿卜素含量存在差異[8]。具體而言,福建紅肉臍橙總的類(lèi)胡蘿卜素含量最高,而湖南樣品含量最低。研究發(fā)現(xiàn)紅肉臍橙總類(lèi)胡蘿卜素含量與平均溫度相關(guān),高溫明顯有利于總類(lèi)胡蘿卜素含量的累積。然而,當(dāng)平均溫度超過(guò)21 ℃時(shí),總類(lèi)胡蘿卜素含量將減少[27]。在這五大柑橘產(chǎn)區(qū)中,福建地區(qū)由于平均溫度相對(duì)較高,適宜類(lèi)胡蘿卜素累積。

3.2 光照對(duì)柑橘類(lèi)胡蘿卜素累積的影響

研究表明,柑橘中含氧的葉黃質(zhì)累積受光照強(qiáng)度的影響較大,在弱光條件下玉米黃質(zhì)環(huán)氧酶(ZEP)基因表達(dá)量提高,有利于玉米黃質(zhì)進(jìn)一步環(huán)氧化形成紫黃質(zhì)。隨著光照強(qiáng)度的增加,紫黃質(zhì)脫環(huán)氧酶(VDE)的基因表達(dá)量增強(qiáng),使得紫黃質(zhì)向玉米黃質(zhì)轉(zhuǎn)化[23]。Gao等對(duì)比了光照強(qiáng)度對(duì)紅葡萄柚和血橙愈傷組織中類(lèi)胡蘿卜素累積的影響,結(jié)果表明光能調(diào)節(jié)柑橘愈傷組織中幾種類(lèi)胡蘿卜素基因的表達(dá),但可能不會(huì)導(dǎo)致類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)生明顯變化[29]。Lu等對(duì)我國(guó)湖北、福建、重慶、江西和湖南等五大典型產(chǎn)區(qū)紅肉臍橙類(lèi)胡蘿卜素累積,尚未發(fā)現(xiàn)光照時(shí)長(zhǎng)與總類(lèi)胡蘿卜素累積的相關(guān)性[8]。

Zhang等認(rèn)為植物對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同響應(yīng),用藍(lán)光(波長(zhǎng)470 nm)處理薩摩柑橘(Satsuma mandarin)、瓦倫西亞橙(Valencia orange)和里斯本檸檬(Lisbon lemon),增加了其中總類(lèi)胡蘿卜素含量,而用紅光(波長(zhǎng)660 nm)照射不影響其中類(lèi)胡蘿卜素的含量或組成,僅在里斯本檸檬中,紅光略微增加了β-隱黃質(zhì)的含量[30]。柑橘藍(lán)光處理誘導(dǎo)類(lèi)胡蘿卜素積累比紅光更有效。Bohne等發(fā)現(xiàn),在萊茵衣藻中,藍(lán)光有效上調(diào)PSY基因的表達(dá),而紅光照射對(duì)該基因的表達(dá)沒(méi)有顯著影響,同樣的結(jié)果也在柑橘中得以證實(shí)[31]。

4 柑橘類(lèi)胡蘿卜素組分分析

柑橘中的類(lèi)胡蘿卜素分為僅含碳?xì)涞暮}卜素和含氧結(jié)構(gòu)的葉黃素,其中葉黃素又以游離或者酯化的形式存在,葉黃素和脂肪酸經(jīng)酯化酶或?；D(zhuǎn)移酶的催化形成酯化物[32]。在水果成熟期間,葉綠體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩w,同時(shí)游離類(lèi)胡蘿卜素色素逐漸減少,伴隨葉黃素酯的增加。葉黃素的酯化形式豐富了天然類(lèi)胡蘿卜素的多樣性。皂化處理常被用于類(lèi)胡蘿卜素酯化物的水解,釋放出對(duì)應(yīng)的游離葉黃素,使類(lèi)胡蘿卜素成分簡(jiǎn)化,便于分析。柑橘中類(lèi)胡蘿卜素組成的研究主要集中在檢測(cè)皂化后游離態(tài)類(lèi)胡蘿卜素[12,33],皂化過(guò)程可能導(dǎo)致類(lèi)胡蘿卜素結(jié)構(gòu)破壞或異構(gòu)[34]。Sagratini等發(fā)現(xiàn)皂化后橄欖中β-胡蘿卜素的回收率降低[35]。同樣,Divya等對(duì)比分析了香菜皂化前后的類(lèi)胡蘿卜素濃度,發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素在皂化過(guò)程中損失20%～30%,其他胡蘿卜素?fù)p失50%[34]。研究表明,含0.02 mol/L KOH的甲醇或乙醇溶液能夠達(dá)到最優(yōu)的皂化效果,當(dāng)KOH濃度增加時(shí),游離類(lèi)胡蘿卜素的產(chǎn)量降低[36]。Chan等研究也證實(shí),低濃度的KOH足以將酯化形式的葉黃素轉(zhuǎn)化為自由形式[37]。乙醇/己烷(4∶3)是提取食品中類(lèi)胡蘿卜素最常見(jiàn)的萃取劑組合之一[38-40],也適用于柑橘類(lèi)胡蘿卜素的提取。類(lèi)胡蘿卜素碳鏈中的不飽和碳鍵容易受光、熱、酸和氧的影響易發(fā)生氧化、異構(gòu)化、環(huán)化、加氫、脫氫等,形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各類(lèi)化合物[41]。BHT(2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚)是目前使用最多的保護(hù)類(lèi)胡蘿卜素抗氧化劑[38]。

表1 柑橘中常見(jiàn)類(lèi)胡蘿卜素(游離和酯化態(tài))的出峰順序、紫外光譜特征和MS碎片信息Table 1 Elution order of carotenoids(free and esters)in citrus,along with their UV/Vis spectroscopy and mass spectrometry characteristics

續(xù)表

續(xù)表

類(lèi)胡蘿卜素游離態(tài)和酯化態(tài)的存在形式說(shuō)明其化學(xué)結(jié)構(gòu)的高度可變性,大大增加了類(lèi)胡蘿卜素分析的難度。標(biāo)準(zhǔn)品的缺乏以及某些類(lèi)胡蘿卜素的低濃度均增加了類(lèi)胡蘿卜素的分析難度。因此,柑橘類(lèi)胡蘿卜素組成缺乏充分的研究。目前,類(lèi)胡蘿卜素的鑒定通常借助于高效液相色譜串聯(lián)大氣壓化學(xué)電離源質(zhì)譜(HPLC-APCI-MS),將質(zhì)譜信息與已發(fā)表的碎片離子豐度或質(zhì)譜庫(kù)進(jìn)行比較。結(jié)合類(lèi)胡蘿卜素在YMCC30色譜柱上的出峰順序、UV-Vis光譜特征(最大吸收峰、光譜結(jié)構(gòu)、異構(gòu)峰強(qiáng)度)、以及文獻(xiàn)報(bào)道的質(zhì)譜數(shù)據(jù)均能為類(lèi)胡蘿卜素的推斷提供依據(jù)。UV-Vis光譜特征有利于類(lèi)胡蘿卜素異構(gòu)體的推測(cè),類(lèi)胡蘿卜素單順式異構(gòu)體的最大吸收與其對(duì)應(yīng)的全反式結(jié)構(gòu)相比藍(lán)移2～6 nm,而雙順式異構(gòu)會(huì)藍(lán)移10～12 nm。除此之外,順式峰能夠在近紫外區(qū)檢測(cè)到。類(lèi)胡蘿卜素酯化導(dǎo)致其分子量的增加,出峰順序推后,而酯化不改變?nèi)~黃素的發(fā)色團(tuán)特征,所以應(yīng)用它們的UV-Vis紫光譜特征不發(fā)生改變[15]。酯化態(tài)的葉黃素在MS中能獲得固定的裂解途徑。在單酯化物中,碎片離子[M+H-18]+、[M+H-FA]+和[M+H-FA-18]+能夠清晰地獲得,它們分別對(duì)應(yīng)水、脂肪酸以及水和脂肪酸共同的丟失。在二酯化物中,單個(gè)脂肪酸從質(zhì)子化分子離子的丟失([M+H-FA1]+、[M+H-FA2]+)及兩個(gè)脂肪酸和水的共同丟失([M+H-FA1-FA2]+、[M+H-FA1-FA2-H2O]+)均能清晰地檢測(cè)到[17]。類(lèi)胡蘿卜素的定量通常是基于峰面積與含量之間的線性關(guān)系。由于類(lèi)胡蘿卜素成分的復(fù)雜性,沒(méi)有足夠多的類(lèi)胡蘿卜素標(biāo)準(zhǔn)品用于定量分析,通常情況下用一種或者多種現(xiàn)有的類(lèi)胡蘿卜素標(biāo)品來(lái)定量結(jié)構(gòu)相近的類(lèi)胡蘿卜素。柑橘中常見(jiàn)類(lèi)胡蘿卜素(游離和酯化態(tài))的出峰順序、紫外光譜特征和MS碎片信息如表1所示[8,17,42]。區(qū)分柑橘類(lèi)胡蘿卜素的游離或酯化態(tài),能夠系統(tǒng)解析柑橘類(lèi)胡蘿卜素組成，并為柑橘的營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)和貯藏加工提供參考。

5 柑橘類(lèi)胡蘿卜素加工穩(wěn)定性

5.1 熱處理對(duì)類(lèi)胡蘿卜素穩(wěn)定性的影響

多烯鏈結(jié)構(gòu)是引起類(lèi)胡蘿卜素不穩(wěn)定的主要原因,易導(dǎo)致類(lèi)胡蘿卜素易被氧化或產(chǎn)生幾何異構(gòu)[40,43]。熱、光和酸可促進(jìn)反式類(lèi)胡蘿卜素異構(gòu)化為順式結(jié)構(gòu)。類(lèi)胡蘿卜素的氧化取決于可用氧的濃度以及類(lèi)胡蘿卜素存在的理化條件,通常認(rèn)為類(lèi)胡蘿卜素氧化的初始階段是形成環(huán)氧化物[44],隨后的裂解和脂肪酸氧化裂解的過(guò)程類(lèi)似,生成一系列低分子量化合物,是類(lèi)胡蘿卜素裂解產(chǎn)生的異味的主要成分。

Lu等對(duì)紅肉臍橙果汁和模擬體系連續(xù)熱處理600 min,其中,總類(lèi)胡蘿卜素、β-隱黃質(zhì)和β-胡蘿卜素在橙汁和模擬體系中的熱降解均符合雙指數(shù)降解模型[45],如式1所示。雙指數(shù)降解表明其中包含快速降解和慢速降解,可能是由于類(lèi)胡蘿卜素降解的可逆反應(yīng)(異構(gòu)化)和不可逆降解(揮發(fā)性產(chǎn)物或環(huán)氧化物)并存的結(jié)果。八氫番茄紅素可能是紅肉臍橙橙汁中最穩(wěn)定的類(lèi)胡蘿卜素,相關(guān)結(jié)果在番茄中得到證明,并歸結(jié)于基質(zhì)的保護(hù)作用[46]。橙汁加熱過(guò)程中番茄紅素也相對(duì)穩(wěn)定,僅有微量異構(gòu)體形成。

yt=y∞+A1exp(-αt)+A2(exp)(-βt)

式(1)

式中,yt表示t時(shí)間類(lèi)胡蘿卜素實(shí)際濃度;y∞表示無(wú)盡時(shí)間時(shí)類(lèi)胡蘿卜素的理論濃度;A1和A2是實(shí)驗(yàn)系數(shù);α和β分別表示一級(jí)反應(yīng)快速降解和慢速降解常數(shù)。

類(lèi)胡蘿卜素的熱穩(wěn)定性受其分子形狀、溶解度、疏水性、結(jié)晶狀態(tài)等因素的影響[47]。番茄紅素和β-胡蘿卜素具有相同的分子量,但番茄紅素在熱處理過(guò)程中更具穩(wěn)定性。據(jù)報(bào)道,具有線性分子結(jié)構(gòu)的番茄紅素可形成多分子層和聚集體以防止其結(jié)構(gòu)的變化[47]。在番茄的加工制品中,研究者發(fā)現(xiàn)其中的番茄紅素呈晶體形態(tài),具有穩(wěn)定性和不溶解性,能夠抵抗進(jìn)一步的降解或異構(gòu)化[48]。與番茄紅素相比,β-胡蘿卜素分子的兩端有兩個(gè)苯環(huán)形結(jié)構(gòu),不易聚集成有序結(jié)構(gòu),相對(duì)不穩(wěn)定[47]。β-隱黃質(zhì)中羥基的存在增強(qiáng)了其在橙汁中的溶解度,可能導(dǎo)致其具有熱不穩(wěn)定性[45]。

Kobori等在番茄脫水模型系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度下類(lèi)胡蘿卜素的降解證明了揮發(fā)性成分和類(lèi)胡蘿卜素前體之間的關(guān)系,GC-MS分析得到的揮發(fā)性成分6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-辛烯-1-醛、2,3-環(huán)氧-香葉醛、橙花醛和香葉醛來(lái)自番茄類(lèi)胡蘿卜素的非酶氧化降解[49]。在氧氣存在的條件下,熱處理能使類(lèi)胡蘿卜素氧化降解,產(chǎn)生的揮發(fā)性成分多于非揮發(fā)性成分[50]。Kanasawud等探究了β-胡蘿卜素的熱降解過(guò)程,將β-胡蘿卜素置于空氣中,于97 ℃加熱3 h,通過(guò)GC-MS對(duì)降解產(chǎn)物進(jìn)行分析,推測(cè)β-胡蘿卜素首先與氧反應(yīng)形成5,6-環(huán)氧-β-胡蘿卜素,再轉(zhuǎn)化成5,6,5′,6′-二環(huán)氧-β-胡蘿卜素、檸黃質(zhì)或黃體黃質(zhì);黃體色素又可進(jìn)一步通過(guò)環(huán)氧重排轉(zhuǎn)化成金色素,然后可能斷鏈形成二氫獼猴桃內(nèi)酯[51]。

5.2 光照對(duì)類(lèi)胡蘿卜素穩(wěn)定性的影響

光照可導(dǎo)致類(lèi)胡蘿卜素降解,其降解產(chǎn)物被認(rèn)為是類(lèi)胡蘿卜素自由基陽(yáng)離子[50]。激光顯著影響類(lèi)胡蘿卜素穩(wěn)定性,β-胡蘿卜素在氯仿中經(jīng)激光照射后能快速漂白,其可能的機(jī)制是:光能激發(fā)β-胡蘿卜素分子,與溶劑反應(yīng)形成類(lèi)胡蘿卜素-溶劑自由基加合物或β-胡蘿卜素自由基。β-胡蘿卜素分子在激發(fā)態(tài)可能回到基態(tài),基態(tài)的類(lèi)胡蘿卜素也可能受到在上述反應(yīng)中產(chǎn)生的自由基副產(chǎn)物的攻擊,并經(jīng)歷較慢的降解過(guò)程形成β-胡蘿卜素自由基陽(yáng)離子[50]。橙汁在貯藏銷(xiāo)售等供應(yīng)鏈環(huán)節(jié),不可避免受到光照的影響,其降解產(chǎn)物可能是類(lèi)胡蘿卜素自由基陽(yáng)離子、揮發(fā)性成分等[52]。Pesek等將果蔬汁進(jìn)行光照(2476 Lux),番茄紅素的降解速率大約是α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素的光降解速率的1/5,三者的降解速率常數(shù)分別為0.061、0.273和0.309/d。在這個(gè)光照體系中明顯檢測(cè)到黃色減弱,可能與α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素的降解有關(guān)[53]。Lee等對(duì)番茄紅素的模擬體系進(jìn)行照射,結(jié)果表明番茄紅素的光降解滿足一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,番茄紅素異構(gòu)體是光照的主要產(chǎn)物[54]。

5.3 pH對(duì)類(lèi)胡蘿卜素穩(wěn)定性的影響

類(lèi)胡蘿卜素暴露于酸性條件下可以產(chǎn)生離子對(duì),然后解離形成類(lèi)胡蘿卜素陽(yáng)離子[50]。這個(gè)過(guò)程詳見(jiàn)式2:

Car+AH?(CarH+A-)?CarH++A-

式(2)

β-類(lèi)胡蘿卜素、8′-阿樸-胡蘿卜素-8′-醛的陽(yáng)離子光譜變化在苯、二氯甲烷溶液中有所報(bào)道。其中8′-阿樸-胡蘿卜素-8′-醛能夠被硫酸(pH3～3.5)降解。研究表明酸性條件下熱處理能使5,6環(huán)氧類(lèi)胡蘿卜素發(fā)生分子重排,生成5,8環(huán)氧類(lèi)胡蘿卜素[55]。紅肉臍橙橙汁呈天然的酸性,這種酸性環(huán)境易引起環(huán)氧結(jié)構(gòu)類(lèi)胡蘿卜素及對(duì)應(yīng)酯化物的熱不穩(wěn)定性[45]。

5.4 金屬離子對(duì)類(lèi)胡蘿卜素穩(wěn)定性的影響

研究表明,具有氧化作用的金屬離子(銅、鐵、鋅、鋁等)可直接與類(lèi)胡蘿卜素發(fā)生相互作用,導(dǎo)致其降解[56]。在迄今為止完成的大部分工作中,三氯化鐵是常用的鐵氧化劑,用于研究鐵離子對(duì)類(lèi)胡蘿卜素的降解作用[57]。鐵離子可導(dǎo)致類(lèi)胡蘿卜素降解形成多種產(chǎn)物,如角黃素、8′-阿樸-胡蘿卜素-8′-醛、乙基-8′-阿樸-胡蘿卜素-8′-乙酸乙酯、7′-阿樸-7′,7′-二氰基-β-胡蘿卜素和乙基-6′-阿樸-胡蘿卜素-6′-乙酸乙酯等。類(lèi)胡蘿卜素與鐵離子的相互作用如式3所示:

Car++Fe3+?Car·++Fe2+

式(3)

通過(guò)光譜特征和伏安法確定了該反應(yīng)形成的類(lèi)胡蘿卜素陽(yáng)離子自由基和亞鐵離子含量。這個(gè)反應(yīng)可以發(fā)生在沒(méi)有光照的條件下,但用近紫外線照射可以增加反應(yīng)速率[56-57]。當(dāng)光線存在時(shí),類(lèi)胡蘿卜素和三氯化鐵反應(yīng)可以再生上述等式的三價(jià)鐵離子,再生的三價(jià)鐵離子繼續(xù)與剩余的中性類(lèi)胡蘿卜素反應(yīng)或與式3中產(chǎn)生的類(lèi)胡蘿卜素陽(yáng)離子自由基發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)過(guò)程如式4所示:

Car·++Fe3+→Car2++Fe2+

式(4)

類(lèi)胡蘿卜素二價(jià)陽(yáng)離子的產(chǎn)生可能與鐵離子的濃度有關(guān)。隨著三價(jià)鐵離子含量的增加,自由基陽(yáng)離子逐漸產(chǎn)生。當(dāng)加入更多的氯化鐵,二價(jià)陽(yáng)離子類(lèi)胡蘿卜素進(jìn)一步產(chǎn)生。中性類(lèi)胡蘿卜素向類(lèi)胡蘿卜素二價(jià)陽(yáng)離子或類(lèi)胡蘿卜素陽(yáng)離子自由基轉(zhuǎn)化過(guò)程中,其吸收光譜發(fā)生變化。三種物質(zhì)的λmax的排序?yàn)?中性類(lèi)胡蘿卜素<類(lèi)胡蘿卜素二價(jià)陽(yáng)離子<類(lèi)胡蘿卜素陽(yáng)離子自由基[50]。

6 結(jié)語(yǔ)

柑橘品種決定其中類(lèi)胡蘿卜素的組成,外界生長(zhǎng)環(huán)境干預(yù)柑橘類(lèi)胡蘿卜素含量累積。因此,不同產(chǎn)區(qū)種植同品種柑橘的類(lèi)胡蘿卜素組成一致,但含量累積存在差異。橙汁是柑橘加工產(chǎn)品,橙汁加工和供應(yīng)過(guò)程的環(huán)境因素,不可避免地影響類(lèi)胡蘿卜素的穩(wěn)定性。綜合分析,目前的研究進(jìn)展歸納了柑橘類(lèi)胡蘿卜素的累積機(jī)制、分析方法及其加工穩(wěn)定性研究進(jìn)展。尚存在一些問(wèn)題有待深入探討:柑橘類(lèi)胡蘿卜素組成復(fù)雜,尤其是酯化成分標(biāo)品缺乏,常采用皂化處理或者相對(duì)定量,可能造成含量計(jì)算不準(zhǔn)確。環(huán)境對(duì)類(lèi)胡蘿卜素累積的影響因素很多,尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)去量化環(huán)境因素對(duì)類(lèi)胡蘿卜素累積的影響程度。熱處理是橙汁加工常用手段,大量研究集中探討橙汁類(lèi)胡蘿卜素的熱穩(wěn)定性。其它環(huán)境因素如光照、金屬離子對(duì)類(lèi)胡蘿卜素穩(wěn)定性研究較少,并且大多探討光照、金屬離子對(duì)類(lèi)胡蘿卜素純品的影響,涉及果汁體系的相關(guān)研究相對(duì)匱乏,有待進(jìn)一步研究。