文献分享:北方野生浆果蜡质的成分和形态分析

文摘   2024-08-16 14:45   湖北  

大家好,本周分享一篇发表在Food Chemistry (IF:8.5)的文章,题目为“Compositional and morphological analyses of wax in northern wild berry species”。该研究的通讯作者芬兰奥卢大学生态与遗传学系的Priyanka Trivedi研究员,她的主要研究方向为植物的生物学特性及其环境调控机制。


 

●  背景介绍  ●


角质层蜡是一种复杂的混合物,由超长链脂肪酸及其衍生物组成,如烷烃、酮、一级醇、二级醇、醛和酯,还包括次级代谢物,如三萜类化合物、甾醇、生育酚和酚类化合物。角质层蜡质成分会因物种、器官和发育阶段的不同而有很大差异。角质层蜡质主要以两种形式存在:一是嵌入角质层内部的蜡质,形成一种无定形的脂质混合体;二是覆盖于最外层的角质层外蜡质,它们以多样化的形态展现,如薄膜般覆盖于植物表面,或是构建出各具特色的三维晶体结构,这些角质层外蜡质往往能以肉眼辨识,展现出白色、哑光或亮丽的光泽。 
植物角质层蜡质的研究多聚焦于叶片,而对水果和浆果表面的研究较少。浆果不仅美味,更是促进人类健康不可或缺的一环,其益处主要归因于多酚、黄酮类化合物、类胡萝卜素及维生素等生物活性成分。然而,鲜为人知的是,浆果蜡质中也蕴藏着丰富的生物活性物质,如三萜类化合物,它们具备抗癌、抗炎、抗菌及心脏保护等多重健康效益。在果汁产业中,浆果是核心原料之一,而生产过程中产生的工业残余物——浆果压榨饼,则成为了提取生物活性化合物及浆果蜡质馏分的宝贵资源。在北欧地区,欧洲越橘与红色越橘作为备受瞩目的野生浆果,因其卓越品质深受食品行业的青睐,被广泛加工成果汁等农副产品。相比之下,尽管乌鸦莓与水越橘同样在北欧地区广泛分布,但它们的利用率却相对较低。截至目前,这四种浆果的次生代谢产物已经得到了广泛而深入的研究。然而,令人遗憾的是,关于它们表皮蜡质成分的研究却相对较少,这一领域尚待进一步探索与开发。
该研究的目的是研究重要的北方野生浆果(包括欧洲越橘、红色越橘、水越橘和乌鸦莓)中表皮蜡质的数量、化学成分和形态。作者还利用超临界流体萃取 (SFE) 提取并分析了欧洲越橘和红色越橘的浆果压榨饼(果汁工业的残留物)中的蜡质成分。此外,还报告了蜡质的体外防晒系数 (SPF),并讨论了浆果蜡质的潜在商业用途。





●  分析与讨论  ●

一、浆果表皮蜡质的形态
浆果表面的表皮蜡质在成熟的欧洲越橘(图1a)和水越橘(图1b)果实上呈现白色蜡质,而在成熟的红越橘(图1c)和乌鸦莓(图1d)上则呈现有光泽的蜡质。尽管肉眼看上去欧洲越橘和水越橘蜡质相似,红越橘和乌鸦莓蜡质相似。但扫描电镜分析显示这些蜡质的表面形态类型不同。在欧洲越橘和红越橘上可见共生现象(一个细胞表面出现多种类型的晶体)。在欧洲越橘表面观察到了片状和棒状结构(图 1a),水越橘表面仅显示卷曲的棒状晶体(图 1b) 红越橘表面显示出厚厚的蜡质外壳,具有板状和片状结构(图 1c),在乌鸦莓表面观察到板状形态(图 1d)。 结果表明,红越橘和乌鸦莓的蜡质外观光滑,与欧洲越橘和水越橘相比,表皮蜡质晶体的密度较低。最终结果表明,不同浆果之间的表皮蜡质成分存在显著差异,因此对其进行更详细的研究。

野生浆果表面表皮蜡质的形态:欧洲越橘 (a)、水越橘 (b)、红越橘 (c) 和乌鸦莓 (d)(图中的红色箭头表示欧洲越橘表面的片状体和红越橘表面的板状体)
二、浆果表皮蜡质的数量和化学成分

不同浆果种类之间的表皮蜡质含量差异很大。欧洲越橘、水越橘、乌鸦莓和红色越橘中的蜡质含量分别为108.5、331.3、921.8和871.1 µg/cm2(图 2a)。通过GC-MS分析确定了浆果表皮蜡质中的主要化合物类别为三萜类化合物、烷烃、脂肪酸、醛、一级醇和酮。不同浆果之间表皮蜡质的化学组成存在显著差异。欧洲越橘和红越橘中三萜类含量最高,水越橘中脂肪酸含量最高,乌鸦莓中烷烃含量最高(图 2b)。表皮蜡质成分的PCA分析结果表明,四种浆果的表皮蜡质组成显示出明显的差异,形成了不同的簇(图 2c)。四种浆果具体的蜡质数量和含量如表1所示,其中欧洲越橘共鉴定出蜡质40,其中三萜类6种,脂肪酸类17种,烷烃类7种,醛类6种,酮类2种,初级醇2种;水越橘共鉴定出蜡质30,其中三萜类2种,脂肪酸类11种,烷烃类6种,醛类4种,酮类2种,初级醇4种,酚酸1种;乌鸦莓共鉴定出蜡质23,其中三萜类1种,脂肪酸类9种,烷烃类8种,醛类4种,酮类1种;红色越橘共鉴定出蜡质32,其中三萜类7种,脂肪酸类9种,烷烃类5种,醛类4种,初级醇6种,酚酸1。蜡质化学成分的差异有可能归因于浆果物种之间的遗传差异。事实上,表皮蜡质成分在植物分类学分类中的应用早就有人提出过。研究表明,浆果表皮蜡质的组成可以作为不同物种的特征性指标。

图2 不同野生浆果的表皮蜡质含量(µg/cm2)(a);野生浆果物种的表皮蜡质分布(b);野生浆果表皮蜡质成分的主成分分析(c)


表1 不同野生浆果的表皮蜡质的数量及含量

三、浆果压榨饼蜡质的SFE提取和化学组成

通过超临界流体(SFE)萃取,从欧洲越橘压榨饼中获得绿色半固体蜡质,而从红色越橘压榨饼中获得的蜡质黄且油腻(图 3a)。红色越橘蜡质的得率为1.02%(10.2 mg/g),而欧洲越橘蜡质的得率为0.45%(4.5 mg/g)。通过 SFE 从红越橘中获得的蜡质产量更高,这与表皮蜡质提取获得的结果一致。通过 GC-MS 进行成分分析表明,脂肪酸是 SFE提取物中最丰富的成分,分别占欧洲越橘和红越橘蜡质的83.4%和76.9%(图 3b),三萜类化合物分别占欧洲越橘和红越橘蜡质的3.0%和14.3%,烷烃占较小比例(欧洲越橘9.9%,红越橘4.8%)。

研究结果表明,SFE非常适合从农业残留物中提取富含生物活性化合物的蜡质,浆果汁行业的残留物可使用SFE提取工艺对蜡质进行提取,提取的蜡质有潜力应用于食品和化妆品行业。

通过 SFE 从欧洲越橘和红越橘压榨饼中获得的蜡质(a);浆果压榨饼中的蜡质分布(b)


四、浆果蜡质的体外防晒系数
SPF用于评估化合物的紫外线吸收/阻挡潜力,该研究对所有提取的浆果蜡质进行了SPF测试。结果如表2所示,浆果蜡质的SPF显示出较高的紫外线吸收特性,并且SPF随蜡质浓度的增加而增加,四种野生浆果中水越橘的表皮蜡质显示出最高的SPF。从浆果压榨饼的SFE提取蜡中,欧洲越橘蜡质的SPF略高于红越橘蜡质。高SPF值可能归因于欧洲越橘中肉桂酸和维生素E的含量更高。并且在水越橘表皮蜡质中也发现了高含量的肉桂酸。同时,有文献表明肉桂酸能吸收广泛的紫外线,并被用作化妆品中的紫外线吸收剂。而维生素E具有对紫外线辐射的光保护作用。

表2 浆果蜡质的SPF





● 总结  ●

为了可持续的绿色经济,开发更多的植物蜡质势在必行。本文报道了四种重要的北方野生浆果表皮蜡质的化学组成和体外防晒系数。检测了不同种类浆果表皮蜡质的数量、形态和化学组成的差异。此外,通过对浆果果汁行业的工业残余浆果压榨饼的SFE来展示天然浆果蜡质的潜在来源。该结果可能有助于探索浆果蜡质在食品工程、食品包装/保鲜和化妆品工业中的各种应用。




编辑:苏光林

责任编辑:魏芳

文章引用:https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.05.134

文章信息:Priyanka Trivedi, Katja Karppinen, Linards Klavins, Jorens Kviesis, Petri SundqvistNga Nguyen, Esa Heinonen, Maris Klavins, Laura Jaakola, Juha Väänänen, Janne RemesHely Häggman (2019). Compositional and morphological analyses of wax in northern wild berry species. Food chemistry,  295, 441-448.


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