植物多酚在食品中的应用和研究进展

Application and Research Progress of Plant Polyphenols in Food

摘要: 植物多酚是一类广泛存在于植物中的多元酚羟基化合物，具有抗氧化、抗炎症、防腐和抗癌等多种重要的生理活性。由于其多元的健康益处，植物多酚在食品行业中得到了越来越多的关注和应用。本文综述了植物多酚的种类，同时探讨了其在食品行业中的用途应用；此外，本文也对植物多酚在机体中的作用机制进行了探讨；这为将来进一步开发植物多酚在食品中的应用提供了一定的参考。

Abstract: Plant polyphenols are a class of polyphenolic hydroxyl compounds widely found in plants, with important physiological activities, such as antioxidant, anti-inflammatory, antiseptic, and anticancer properties. Due to their diverse health benefits, plant polyphenols have garnered increasing attention and application in the food industries. In this paper, we review the types of plant polyphenols and explore their use in the food industry. Additionally, we discuss the in vivo working mechanisms of plant polyphenols, which provides a certain reference for further development of plant polyphenols in food applications in the future.

1. 引言

植物多酚是一类含有多元酚羟基的化合物，是植物体内重要的次生代谢物，几乎存在植物的各个部位，其在植物的生长、发育和成熟等过程中都扮演着至关重要的角色[1]。植物多酚化合物中酚羟基的氢原子可以以氢自由基的方式离去，生成苯酚自由基，也能以质子形式离去，生成苯酚负离子；苯酚自由基和苯酚负离子可通过电子得失相互转化，苯酚自由基还可进一步与其它自由基结合，以此发挥出强大的清除自由基的功效，减少氧化反应的发展[2]。由于这些强大的抗氧化性和清除自由基的能力，植物多酚被广泛用于食品工业、生物医药和农业等领域[2]-[4]。

在食品行业中，植物多酚以其独特的抗氧化特性，已经成为了一种备受瞩目的天然抗氧化剂。在食品保存和加工过程中，植物多酚的应用不仅能够显著延长食品的保质期，更能有效降低油脂氧化和食品变质的速率[5]，这一发现对于提高食品品质和延长食品货架期具有重要意义，同时也为食品行业带来了更广阔的发展前景。此外，植物多酚化合物的加入还能提升食品的营养价值和健康功能，它们包含多种对人体有益的生物活性成分，如黄酮类、花青素等；这些成分具有抗氧化、抗炎、抗菌等多种生物活性，能够增强机体的免疫力，预防疾病的发生[6] [7]。植物多酚的这些特性，也有助于其在功能性食品上的开发，例如心血管保健食品和抗糖尿病食品，已经有大量的研究表明，植物多酚能预防和治疗人类慢性疾病的发生，如心血管疾病[8]、糖尿病[9]和癌症[10]。

在过去的几十年中，在食品和健康领域，植物多酚一直是研究的热点；植物多酚在人类的食品中展示了巨大的开发潜能，如在防止食品氧化、提升营养价值以及替代合成添加剂等方面显示出很大的应用价值。本文将从植物多酚的分类、植物多酚的应用和植物多酚的作用机理来阐述植物多酚在食品中的应用价值和前景。

2. 植物多酚的分类

植物中的多酚是一个庞大的化合物家族，根据结构主要可分为：黄酮类、酚酸类、芪类和木质素类及其它多酚，如图1所示。黄酮类是数量最多的一类多酚，种类达到了4000多种，其具有C6-C3-C6的结构特征，由两个苯环通过三个碳原子相互连接而成；黄酮类多酚又可以进一步分为查尔酮、黄酮醇、黄酮、黄烷醇、异黄酮和花青素[11]。酚酸是分布最广泛的且结构相对简单的多酚化合物，其通常以游离、共轭溶和不溶结合形式存在；酚酸的主要代表物为肉桂酸(苯乙烯基酸)和苯甲酸的衍生物，如没食子酸、咖啡酸、肉桂酸、p-香豆酸、菊苣酸和阿魏酸等[12]。芪类化合物是一类具有二苯乙烯母核或其聚合物的有机化合物，其结构特征为C6-C2-C6；芪类化合物在植物正常组织中含量较低，但在植物受到病菌感染或外界刺激时，其含量会显著增加[13]，常见的芪类化合物包括白藜芦醇、D-葡萄糖素、虎杖苷、白皮杉醇、银松素等。木质素类多酚是指从木质素中衍生出的一系列酚类化合物，其基本结构单元是由苯丙烷单元通过碳碳键和醚键连接而成的无定型聚合物；木质素通过热解或者化学处理解聚后可得到各种衍生酚类单体，如香草醛、香草醇、香草酸、丁香酚、丁香醛、阿魏酸等[14]。

Figure 1. Classification of plant polyphenols

图1. 植物多酚的分类

3. 植物多酚的应用

植物多酚以其强大的抗氧化能力而闻名，能够清除自由基，减缓细胞老化，从而在食品饮料、动物饲料、食品加工、抗菌和杀虫、美妆和护肤、环境保护、药物开发和基础科研中被大量使用[2]-[4]。随着天然产品开发的兴起，植物多酚成为食品科学领域的研究热点；植物多酚具有抗氧化和抗菌活性，其已成为食品工业中替代化学添加剂的新选择。在食品工业中，植物多酚延长保质期，减少营养损失，并抑制微生物生长，提高卫生质量。在油脂食品中，多酚防止氧化酸败，保持口感和营养。在海鲜和肉类中，多酚延长保质期，提升口感和色泽。多酚也用于饮料开发，深受消费者喜爱。在食品包装材料方面，植物多酚可以提高包装的抗氧化和抗菌性能，同时赋予生物降解性，促进环保和可持续发展。

3.1 植物多酚与食品抗菌

食品中含有丰富的糖类、脂类和蛋白质等成分，因此很容易滋生微生物包括细菌、真菌(如霉菌和酵母菌)，从而引发食品腐败变质，甚至引起食源性疾病，因此控制食品中的微生物非常重要。不久之前，有文章综述了多种具有抗菌活性的植物多酚化合物的种类，如没食子酸、原儿茶酸、鞣花酸、菊苣酸、咖啡酸、迷迭香酸等，及其作用的微生物和最低抑制浓度[15]。植物多酚可以通过破坏微生物细胞壁、诱导氧化应激反应、影响蛋白质的合成、抑制核酸的合成和影响生物膜的形成等机理抑制微生物的生长，从而抑制微生物的生长。例如，研究表明，中国野生蓝莓中的花青素类植物多酚可以抑制食品中李斯特菌(Listeria monocytogenes)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、沙门氏菌(Salmonella enteritidis)和副溶血弧菌(Vibrio parahaemolyticus)的生长，这些病原菌经过花青素(0.26~1.06 μg/ml)的处理后，病菌细胞的核酸泄漏和蛋白质释放增加，表明花青素可以破坏病菌细胞的细胞膜；此外，经花青素处理后，病菌细胞整体蛋白质含量和酶活性均减少，随着花青素浓度的增加，李斯特菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和副溶血弧菌的三羧酸循环减少，从而降低了病原体的能量传递，进而抑制了它们的生长和繁殖[16]。尽管一些植物多酚化合物在体外实验中显示出强大的抗菌活性，但在实际食品基质中的活性通常较低，这可能是由于它们与食品成分(如蛋白质和脂肪)的相互作用，这些相互作用可能降低了它们对微生物的可用性。在实际应用中，可以将多种植物多酚进行组合使用，这可以提高其抗菌效果，也可以通过开发多种传递系统，包括纳米乳液、微胶囊、包埋在食品接触材料或涂层中，这些系统可以控制植物多酚的释放，提高其在食品中的抑菌效果[15]。

3.2 植物多酚与食品糖基化反应

高级糖化终产物(Advanced Glycation End Products, AGEs)是指蛋白质、脂质或核酸与糖非酶反应形成的产物，AGEs形成的过程被称为糖基化反应或美拉德反应(Maillard，非酶促糖基化反应)。AGEs在体内的积累与多种慢性疾病的发生和发展密切相关，如糖尿病、心血管疾病、慢性肾病和神经退行性疾病等[17]。如，Li等人[18]的研究表明，AGEs是碳基压力与神经退行性疾病之间的关键联系，AGEs可以与AGEs受体相互作用，导致氧化应激、炎症反应和与神经退行性疾病相关的信号通路激活，而神经退行性疾病与肠道微生物群失衡和肠道炎症密切相关。研究表明，一些植物多酚可通过捕获α-二羰基化合物，如乙二醛和甲基乙二醛等加速美拉德反应的高活性中间体，减少了它们进一步与蛋白质或其他生物大分子反应的机会；同时，植物多酚也可以直接清除美拉德反应产生的自由基；此外，植物多酚可以螯合参与美拉德反应的金属催化离子(如铜、铁等)，以减缓高级糖化终产物的形成。总之，植物多酚通过抑制AGEs的生成、阻断RAGE-配体相互作用以及调节肠道微生物群的丰度和多样性等策略，可以有效地预防神经退行性疾病[18]。

3.3. 植物多酚与食品中的油脂氧化

油脂氧化是指油脂中的不饱和脂肪酸与氧气发生化学反应，导致油脂质量下降，产生不良气味和味道，甚至生成有害的氧化产物(如过氧化物、醛类、酮类等)，对人体健康产生不良影响[19]。因此，在食品加工和储存过程中，控制油脂氧化是保证食品质量和安全的重要措施。植物多酚可通过供氢原子的方式或螯合金属催化离子减少油脂的氧化反应；同时，植物多酚能够提高油脂在高温下的热稳定性，减少热处理过程中的油脂氧化。研究表明，在橄榄油中添加没食子酸(0.03%)，可以抑制榛子油的氧化过程，将其稳定性提高3倍[20]；在核桃水包油乳状液中添加低浓度(0.01%)的茶多酚能够显著抑制脂质氧化，减少脂质过氧化物和2-硫代巴比妥酸反应物的生成[21]；在核桃油乳液中添加6 mM白藜芦醇，相比于对照组，白藜芦醇能有效地减少约30%的脂质过氧化物形成，并同时减少乳液中的脂质–蛋白质共氧化过程，从而延长货架期[22]。

3.4. 植物多酚与食品包装材料

食品包装材料在确保食品质量、安全和延长保质期方面具有重要作用，这些材料不仅能防止食品受到外部物理损伤，如挤压、碰撞和振动，还能隔绝空气、水分、光线和污染物，防止食品发生氧化、潮解和变质。一方面，植物多酚可以被整合到包装结构中，这不仅提供物理保护，还能够通过释放抗氧化剂和其它生物活性化合物来增强食品的营养价值和安全性；另一方面，植物多酚可以与天然生物聚合物(如壳聚糖、纤维素、淀粉等)结合，改善这些聚合物的机械性能和阻隔性能，同时赋予它们抗氧化和抗菌的特性；此外，植物多酚也可以用于开发智能包装材料，这些材料能够对环境变化(如pH值、温度、氧气浓度等)做出响应，从而改变其释放活性化合物的速率或量，以适应食品保鲜的需求。比如，近期Pan等人制作了一种植物多酚纳米盔甲的多孔性生物纳米材料，该材料提高了益生菌抗生素耐受性，避免益生菌受到伤害，从而可以增强接受抗生素治疗的患者胃肠道中治疗性益生菌的功效，避免抗生素在胃肠道中的负面影响[23]。最近，又有研究表明，茶多酚的添加可以提高壳聚糖包装材料的不透明度、水溶性、水蒸气阻隔性能和水分含量，从而提高了壳聚糖包装的抗氧化和抗菌性能，改善了肉类、水果和蔬菜等食品的保鲜效果[24]。

4. 植物多酚的作用机理

Figure 2. Working mechanisms of plant polyphenols (PP) in vivo

图2. 植物多酚(PP)在体内的作用机理

植物多酚的作用机制主要体现在抗氧化、抗炎和抗菌三个方面，大量研究证据表明，多酚类化合物，尤其是黄酮类多酚是炎症性细胞因子的活性抑制剂，能调控炎症相关途径的信号，减少一氧化氮和活性氧(ROS)的积累[11]。从植物中高摄入多酚类化合物，可以补充体内的抗氧化剂，以减轻自由基造成的损伤。植物多酚的抗氧化机理主要包含以下几个方面(图2)：1) 直接清除活性氧分子，多酚的羟基可以与自由基直接发生反应，这使得它们能够通过供给氢原子的方式直接清除自由基，例如DPPH (2,2-Diphenyl-1-Picrylhydrazyl, 2,2-联苯基-1-苦基肼基)自由基就是通过这种方式被清除的[25]。2) 激活抗氧化酶的活性，如超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase, SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(Glutathione Peroxidase, GPX)和过氧化氢酶(Catalase, CAT)，从而增强细胞内的抗氧化防御能力[26]；3) 抑制NAPDH氧化酶的活性，植物多酚通过抑制NAPDH氧化酶的活性，减少细胞内产生超氧化物阴离子的产生，从而减少活性氧的生成[27]；4) 提高金属螯合的活性，植物多酚能够与金属离子形成稳定的螯合物，从而减少金属离子催化的自由基产生，降低氧化应激[28]；5) 增强α-生育酚自由基的作用，植物多酚能够与α-生育酚自由基反应，防止低密度脂蛋白(LDL)的氧化，从而保护细胞免受氧化损伤[29]；6) 减轻由一氧化氮引起的氧化应激反应，植物多酚能够抑制一氧化氮的产生，进而抑制一氧化氮与超氧化物阴离子反应生成具有强氧化性的过氧化亚硝酸盐的过程，从而减少细胞损伤[30]；7) 提高尿酸水平，植物多酚能够提高血清中的尿酸水平，尿酸是一种天然的抗氧化剂，能够清除过氧亚硝酸盐，从而减少细胞的氧化损伤[31]。8) 提高低分子量抗氧化剂的抗氧化特性，植物多酚能够与低分子量抗氧化剂如维生素C和维生素E协同作用，增强其抗氧化效果[32]。

5. 总结与展望

植物多酚作为一种纯天然的提取物，其独特的化学性质和生物活性使其在多个领域都显示出广阔的应用前景。由于它来源于自然，不含人工合成成分，因此在使用时相对不易产生毒副作用，这为它在食品领域的广泛应用提供了安全可靠的保障。在当前的研究中，茶多酚是植物多酚领域的一个热点，人们对其展开了深入的探索和研究。然而，由于茶多酚的成分相对单一，主要为儿茶素类物质；且茶多酚提取物含有咖啡因和一些苦涩味的成分；许多茶多酚的健康益处在研究中是基于较高的摄入量，通常每公斤(升)食物中添加数百至上千毫克茶多酚，而普通消费者很难达到这些剂量，加上茶多酚在冷水中的溶解度较低等；这些原因可能导致实际应用中茶多酚的应用效果并不明显。相较于茶多酚，蔬果中的多酚含量不高但是其种类更加丰富，然而目前关于蔬果来源的多酚的试验研究却相对较少，这其中的原因可能与蔬果种植和提取的成本较高有关。因此，如何寻找和培育出成本相对低廉且植物多酚含量丰富的蔬果品种，是推动植物多酚健康产业进一步发展的一条新思路。

植物多酚的特性丰富多样，其中生物利用度低、易快速释放以及高反应活性等特点使其在实际应用中具有一定的挑战性。以茶多酚为例，茶多酚在肠道中的吸收有限，并且在肝脏中迅速代谢，从而降低了其在体内的有效浓度。同时，植物多酚对环境压力如温度、湿度、pH值、氧气以及光线等的变化也较为敏感，这使得在食品和饲料加工过程中多酚容易发生降解或与其它物质发生不期望的反应。这些性质不仅影响了多酚的稳定性和生物活性，也在一定程度上限制了其在食品加工中的应用范围。

然而，植物多酚所具有的抗氧化、抗炎、抗菌等多种生物活性，使其在健康产业中具有不可替代的价值。因此，为了最大限度地发挥植物多酚在食品加工或饲料中的功效，必须对其在加工过程中的稳定性进行深入的研究，并提供一系列有效的技术手段，如纳米载体、共结晶技术和包埋技术等，来改善其稳定性；此外，优化产品配方和加工工艺，也有助于最大化植物多酚的健康益处。这不仅可以拓宽植物多酚的应用范围，还能为消费者提供更加健康、安全的食品和饲料产品，促进健康产业的持续发展。

NOTES

^*通讯作者。