从蔬菜，药用和芳香植物中发现的生物活性多酚，挥发性化合物的特殊风味和健康功效
文摘
科学
2025-01-09 07:01
上海
多酚类物质以及具有芳香特征的挥发性化合物在蔬菜、药用和芳香植物(MAPs)的质量中起着至关重要的作用。近年来进行的研究表明，这些植物含有生物活性化合物，主要是多酚，与预防炎症过程、神经退行性疾病、癌症和心血管疾病以及抗菌、抗氧化和抗寄生虫特性有关。多年来，许多研究人员深入研究了药用和芳香植物中的多酚和挥发性化合物，特别是那些与消费者的选择或其有益特性有关的化合物。在此背景下，本文综述了挥发性和非挥发性化合物在一些最具经济意义和消费的蔬菜、药用和芳香植物中的存在，重点介绍了生物活性多酚、作为益生元的多酚，以及影响蔬菜和MAPs芳香特征的挥发性和非挥发性化合物含量和特征的最重要因素。此外，还报道了在改善多酚成分和增强蔬菜、药用和芳香植物的积极特性的挥发性化合物方面，科学面临的新挑战。![]()
“品质”的概念很广泛，但在园艺中，它可以被定义为不同属性或特征的组合所赋予的卓越程度，这些属性或特征赋予了每种产品在其拟议用途方面的价值[1]。在这个概念中，可以包括视觉外观、承受采后加工操作的能力、化学和营养成分以及香气[2]。园艺育种已经取得了进步，现在有可能找到具有种植者和零售商所希望的特性的水果和蔬菜，例如高产、抗虫害和疾病、外观吸引人，以及支持不同处理和加工操作的能力。然而，大多数时候，许多这些园艺作物未能达到最高的营养和风味特征[3]。通过育种提高园艺作物的风味仍然不是一件容易的事情，因为影响挥发性和非挥发性化合物的合成的因素很多，这些挥发性和非挥发性化合物负责风味属性，如气候、文化习俗、农业实践(有机与传统)以及采前和采后加工操作[4]。此外，通常被称为食物“质地”的涩、干、粘、热、凉、刺、痛等，也会影响蔬菜和药用植物(MAPs)的风味[5]。本文综述了影响蔬菜和MAPs香气特征的挥发性和非挥发性化合物含量和特征的最重要因素，以及在植物育种方面取得的有关香气特征感官属性化合物的最新进展。
蔬菜和MAPs是生物活性酚类化合物的重要来源，在产生有益健康化合物的过程中起着关键作用[6]。植物源的酚类生物活性化合物是那些具有理想健康益处的次生代谢产物[7]。它们可能通过两种不同的途径产生:(i)莽草酸(苯丙素)和(ii)乙酸(酚类)[8]。近年来，由于多酚类化合物(简单酚类、香豆素、木脂素、类黄酮、异类黄酮、花青素、原花青素和二苯乙烯)是一类主要的生物活性植物化学物质，因此对它们对健康的影响的研究越来越多。它们的摄入可能在预防几种慢性疾病中发挥作用，因为它们具有强大的抗氧化特性，可以预防氧化应激引起的疾病，还可以预防一些特定的心血管疾病(主要是高胆固醇水平、高血压)和神经退行性疾病(如阿尔茨海默病或帕金森病、II型糖尿病、癌症、尿路感染)[9,10,11,12,13]。然而，酚类化合物对健康的影响取决于它们的类型、消耗的数量以及它们的生物利用度。深色蔬菜中总酚类化合物的含量更高，如红腰豆、黑豆(Phaseolus vulgaris)和黑绿豆(Vigna mango)。Bravo[9]测定了几种蔬菜中总酚类化合物的含量(根据干物质，mg/100 g)，如黑绿豆(540-1200)、鹰嘴豆(78-230)、豇豆(175-590)、普通豆(34-280)、绿豆(440-800)、木豆(380-1710)、球芽甘蓝(6-15)、卷心菜(25)、韭菜(20-40)、洋葱(100 - 2025)、欧芹(55-180)和芹菜(94)。酚酸因其潜在的保护作用而受到广泛的研究。酚酸有一个苯环、一个羧基和一个或多个羟基和/或甲氧基。根据它们的组成碳结构，通常分为苯甲酸衍生物(即羟基苯甲酸，C6-C1)(图1a)和肉桂酸衍生物(即羟基肉桂酸，C6-C3)(图1b)。食用植物中羟基苯甲酸(C6-C1衍生物)(如没食子酸、水杨酸、水杨醛和原儿茶酸)的含量通常较低[14]。人类饮食中约三分之一的酚类化合物来自于酚酸；这些物质具有强大的抗氧化活性，可能有助于保护身体免受自由基的侵害[9,15]。![]()
图1所示羟基苯甲酸(a)和羟基肉桂酸(b)的化学结构根据Khadem和Marles[16]的研究，没食子酸具有抗肿瘤和抑菌活性，而水杨酸具有抗炎、镇痛、解热、抗真菌和杀菌的特性。原儿茶酸也被描述为具有多种生物活性，如抗炎、抗真菌和抗氧化[17]。例如，对羟基苯甲酸已从许多来源分离出来，包括胡萝卜(Daucus carota)[18]和原儿茶酸从洋葱、大蒜及其同类蔬菜(Allium spp.)[19]中分离出来。羟基肉桂酸(C6-C3衍生物)比羟基苯甲酸更丰富。四种最常见的羟基肉桂酸是阿魏酸、咖啡酸、香豆酸和芥子酸。这些酸通常以组合形式存在于植物中，如酒石酸、莽草酸和奎宁酸的糖基化衍生物或酯，而不是以游离形式存在。羟基肉桂酸被认为是一种强大的抗氧化剂，在保护身体免受自由基侵害方面发挥着重要作用。几种羟基肉桂酸衍生物，如咖啡酸、绿原酸、阿魏酸、对香豆酸和芥子酸，通过抑制脂质氧化和清除活性氧(ROS)而具有很强的抗氧化活性[10]。绿原酸和咖啡酸抑制N-亚硝基化反应，防止致突变性和致癌性N-亚硝基化合物的形成[20]。迷迭香(Rosmarinus officinalis L.)提取物已被用作利尿、镇痛、祛痰、抗风湿和抗诱变剂。咖啡酸及其衍生物，如迷迭香酸(图2)和绿原酸，被认为是迷迭香提取物中最重要的具有治疗特性的化合物，因为它们具有抗氧化作用，并有助于迷迭香的生物活性功能[21]。![]()
在Zheng和Wang[22]鉴定的酚类化合物中，迷迭香酸是药用鼠尾草(Salvia officinalis)和普通百里香(Thymus vulgaris)中主要的酚类化合物(表1)。表1 药用鼠尾草、普通百里香和迷迭香中的酚类化合物(毫克/100克新鲜重量)。资料来自Zheng和Wang[22]。![]()
近年来，活性酚酸类化合物(如绿原酸、阿魏酸、肉桂酸和迷迭香酸)在食品中的使用有所增加。因此，植物化学物质的研究非常重要和必要[23]。香豆素是一类大型的C6-C3衍生物，属于苯并α-吡喃酮(benzo-α-pyrone)类，在某些植物中以游离或结合形式存在，如葡萄糖苷和糖苷；它们大多是从含叶绿素的植物材料中分离出来的[24]。富含香豆素的物种包括七叶神马欧洲七叶树(Aesculus hippocastanum，果实称马栗(Horsechestnut))、美国西番莲(Passiflora incarnata，又称转枝莲、转心莲(Passionflower))、散沫花(Lawsonia inermis，又称指甲花(Henna))、贯叶连翘(Hypericum perforatum，又称圣约翰草(Saint John Wort))、小叶椴(Tilia cordata，又称欧椴树，酸橙树(Lime Tree))和猫爪藤(Uncaria tomentosa，又称钩藤(Cat’s Claw))[25]。香豆素可以分为四种类型。简单香豆素是香豆素苯环的羟基化、烷氧化和烷基化衍生物及其相应的糖苷。呋喃香豆素化合物由附着在香豆素核上的五元呋喃环组成，分为线性型和角型，在一个或两个含有的苯基位置上有取代基。吡喃香豆素类似于呋喃香豆素，但含有一个六元环。最后一类是吡喃酮环中取代的香豆素[26]。一些含有香豆素部分的产品显示出优异的生物活性，如抗肿瘤、抗菌、抗真菌、抗凝血、血管扩张、镇痛和抗炎活性[24,27,28]。木脂素是由两个β-β-连接的苯丙烷单元组成的多种生物活性酚类化合物；它们以游离形式或以糖苷衍生物的组合形式存在于植物物种的不同部位。木脂素存在于蔬菜中，如芸苔属，其新鲜可食用重量(毫克/100克)在0.185至2.32之间，例如西兰花(98.51毫克/100克)、抱子甘蓝(50.36毫克/100克)、花椰菜(9.48毫克/100克)、绿卷心菜(0.03毫克)、红卷心菜(18.1毫克/100克)、白卷心菜(21.51毫克/100克)和羽衣甘蓝(63毫克/100克)。青豆(22.67)、番茄(2.15)、黄瓜(3.8)、西葫芦(zucchini ，又称夏南瓜)(7.02)、生菜(1.17)、胡萝卜(7.66)也含有这种物质。然而，菠菜、白土豆和蘑菇的木质素含量低于0.1毫克/100克(新鲜可食用重量)[29,30]。木脂素具有很强的抗氧化活性，可有效治疗心血管疾病、冠心病和糖尿病[31]。类黄酮的一般结构是C6-C3-C6，其中两个C6单元是酚类并由C3基团连接。根据中心吡喃环的氧化状态以及花青素和异黄酮的不同，可分为黄酮类、黄酮醇类、黄烷酮类和黄烷醇类，具有不同的抗氧化、抗菌、抗病毒和抗癌活性[15,32]。在植物中，黄酮类化合物通常作为芹菜素(apigenin)和木犀草素(luteolin)的苷类存在(图3)。芹菜中含有(22-108 mg/kg鲜重)黄酮类化合物，具有降低总胆固醇和低密度脂蛋白(LDL)胆固醇水平的特性，并具有抗炎和抗癌活性[33]。在其他蔬菜中，木犀草素和芹菜素的含量(mg/kg)分别为空心菜(water spinach)0.41毫克和0.05毫克；黄瓜中的0.09和0.03；紫甘蓝(purple cabbage)0.16和1.07；大白菜(Chinese cabbage)为1.18和0.31；白卷心菜(white cabbage)0.16和0.92，洋葱0.22和0.04[34]。![]()
图3 主要黄酮的结构
黄酮醇被广泛研究并广泛分布于植物中[35,36,37,38,39,40,41,42,43,44]。它们通常是山奈酚、槲皮素和杨梅素等糖苷的缀合形式(图4)。大多数蔬菜可食用部分的槲皮素水平(新鲜重量，mg/kg)通常低于10，除了洋葱(284-486)、羽衣甘蓝(110)、西兰花(30)、法国豆(32-45)和刀豆(slicing beans)(28-30)[35]。山奈酚仅在羽衣甘蓝(211)、菊苣(endive)(15-91)、韭菜(11-56)和芜菁(turnip tops)(31-64)中检测到(新鲜食用重量，mg/kg)[35]。黄酮醇的丰富来源是洋葱叶，含有(鲜重，mg/kg) 1.497的槲皮素和832的山奈酚[37]，甘薯叶(紫色)含有156 mg/kg的杨梅素和267 mg/kg的槲皮素[34]。根据Erlund[45]的研究，槲皮素是一种抗氧化剂，可以抵抗活性氧，还具有抗动脉粥样硬化、抗癌、抗炎和降低胆固醇的特性。黄烷酮是一种无色化合物，其特征是吡喃酮环的2,3位没有双键，与查尔酮是同分异构体。在西红柿中发现了低浓度的烷黄酮，即柚皮素[46]。单体黄烷-3-醇包括儿茶素、表儿茶素、没食子儿茶素、儿茶素没食子酸酯(catechin gallate)、表没食子儿茶素没食子酸酯(epicatechin gallate)和表没食子儿茶素(epigallocatechin)、表没食子儿茶素-3-没食子酸酯(epigallocatechin-3-gallate，亦即EGCG，又称绿茶素)、没食子儿茶素没食子酸酯(GCG)(图5)。
水果中含量最多的黄烷醇是儿茶素和表儿茶素，而在一些豆科( leguminous)种子中含量最多的黄烷醇是没食子儿茶素(GC)、表没食子儿茶素(EGC)和表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)[47]。Helsper等人在蚕豆(Vicia faba L.)中检测到(−)-表儿茶素和表没食子儿茶素[48]。“总儿茶素当量”含量在一个科(family)内随着豆类颜色的增加而增加的总体趋势可以观察到[49,50]。所有类型的豆类和成熟的种子都含有黄烷-3-醇(毫克/100克，可食用部分)，即(+)-儿茶素(1.66);(−)-表儿茶素(0.35)[51]和豆子，班豆(pinto)，成熟种子，生菜豆(Phaseolus vulgaris)含有(+)-儿茶素(5.07);(−)表儿茶素(0.14);(−)-表没食子儿茶素(0.05 mg/100 g)[52]，蚕豆，未成熟种子，生(蚕豆)含有(−)-表儿茶素(28.96);(−)表没食子儿茶素(15.47);(+)儿茶素(14.29);(+)-没食子儿茶素(4.15)[51,52]。儿茶素通过其清除自由基的能力来防止蛋白质氧化。此外，它还具有减少活性氧(ROS)或氧化应激副产物诱导的蛋白质共价修饰的能力[53]。异黄酮是B环与C环C3位置融合的黄酮类化合物，是具有植物雌激素活性的酚类物质(图6)。大豆制品中异黄酮的浓度在580 - 3800 mg/kg鲜重之间[54]。![]()
花青素的基本结构是花青素，其中两个芳香环A和B由一个含氧杂环C连接。目前发现的花青素超过23种，其中以天竺葵素(pelargonidin)、矢车菊素(cyanidin)、芍药花素(peonidin)、飞燕草素(delphinidin)、矮牵牛素(petunidin)和锦葵花素(malvidin)最为常见(图7)。![]()
植物中的花青素主要以糖苷缀合形式存在。单体花青素改变了B环上的羟基化和甲氧基化模式；缀合糖单位的性质、位置和数目；缀合脂肪族或芳香族酸基团的性质和数目；分子中是否存在酰基芳香族基团[55]。它们通常存在于任何粉红色至紫色的蔬菜中，如黑豆(Phaseolus vulgaris)(飞燕草素(11.98);金葵花素(6.45);矮牵牛素(9.57,mg/ 100g，可食用部分)；红腰果(Phaseolus vulgaris) (天竺葵素(2.42);矢车菊素(1.19)(mg/100 g，可食用部分)[56];普通生豆(Phaseolus vulgaris var. Zolfino) (天竺葵素 (2.50);锦葵花素(0.10);矮牵牛素(0.14)(mg/100 g，可食用部分)[38];重绘甘蓝(Brassica oleracea)(矢车菊素(72.86)，飞燕草素(0.01);矮牵牛素(0.02毫克/100克，可食用部分)[42,56]和豇豆(黑缸豆米, crowder, southern) (Vigna unguiculata) (矢车菊素(94.72);飞燕草素(94.60);锦葵花素(34.28);芍药花素 (11.07);矮牵牛素(27.82)(mg/ 100g，可食用部分)[57]。花青素具有抗水肿、抗氧化、抗炎和抗癌等保护作用[58]。缩合单宁，也被认为是原花青素，主要由一个黄烷-3-醇单元组成，形成二聚体、低聚体和多达50个单体单元的聚合物(图8)。原花青素具有复杂的结构，这取决于黄烷-3-醇单元的数量、分子中黄烷间链(interflavan)的位置和类型，以及黄烷-3-醇单元上取代基的性质和位置。根据A环和B环的羟基化模式，原花青素可分为原花青素(procyanidins)和原飞燕草素(prodelphinidins)[33]。菠菜(Spinacea oleracea)和萝卜叶(Raphanus sativus)的原花青素含量分别为88.46和13.57 (mg/100 g鲜重)[59]。原花青素具有保护心脏、预防癌症和降低胆固醇的抗氧化活性[33]。醌类化合物是具有共轭环二酮结构的酚类化合物，如苯醌类化合物，由芳香化合物由偶数个- CH =基团转化为- C(=O) -基团，并进行必要的双键重排而得。在植物中发现的醌类化合物最常见的骨架结构是对醌、邻醌、蒽醌、萘醌和萘二蒽酮(图9)。二苯乙烯(Stilbenes)是一组酚类化合物，与类黄酮具有相似的化学结构，其中两个芳香环(A和B)由甲烯桥连接。二苯乙烯最芳香的化合物之一是反式白藜芦醇，主要以糖基化形式存在(图10)。白藜芦醇是一种被特别研究的植物抗毒素(phytoalexin)，因为它显示出几种生物活性，减少动脉粥样硬化斑块的形成，具有神经保护、抗糖尿病、抗炎、抗氧化、抗癌和抗病毒活性[60,61]。几项研究也表明，反式白藜芦醇苷(trans-piceid)(3-β-糖基化形式的反式白藜芦醇)可以抑制血小板聚集[62,63]和人低密度脂蛋白(LDL)的氧化。Peng等[64]表明，反式白藜芦醇苷是大多数蔬菜中存在的主要形式，并且大多数样品中反式白藜芦醇苷的含量高于反式白藜芦醇。菜花中反式白藜芦醇浓度为1.14 ~ 0.70 μg/ 100g鲜重，芹菜为1.78 ~ 23.12 μg/ 100g鲜重，黑大豆(black soya bean)为8.8 ~ 19.74 μg/ 100g鲜重。芹菜的反式白藜芦醇苷在43.04 ~ 783.29之间，皱叶生菜(leaf lettuce)在0.80 ~ 9.22之间，番茄在1.10 ~ 12.0之间，红萝卜在18.16 ~ 194.40之间[64]。据Sebastià等人[65]研究，番茄中反式白藜芦醇的浓度为0.2µg/g。![]()
黄酮类化合物广泛存在于蔬菜中，其研究主要是因为其作为抗氧化剂和化学预防剂的潜在健康益处[48]。然而，到目前为止，这些化合物的推荐每日摄入量尚未确定，主要是因为成分数据不完整，生物活性没有很好地确定，特别是因为生物利用度和药代动力学数据尚无定论。一些新兴科学研究表明，富含类黄酮的饮食可以降低一些与饮食相关的慢性退行性疾病的风险[66,67,68]，但一些临床和实验室报告表明，非常高剂量的某些类黄酮可能会产生不良反应[69,70]。因此，从疾病预防和安全的角度准确评估类黄酮摄入量非常重要[71,72]。蔬菜、药用和芳香植物中每一种酚类化合物的具体作用不容易测量，因为其中只有一小部分被真正吸收，而且还可能发生转化[73]。许多膳食酚类化合物是抗氧化剂，能够抑制ROS和由脂质过氧化形成的有毒自由基，因此具有抗炎和抗氧化特性。黄酮类化合物被认为通过螯合铁和铜离子来阻止自由基的产生，直接清除ROS和有毒自由基，抑制脂质过氧化，而脂质过氧化可能损害DNA、脂质和蛋白质，与衰老、动脉粥样硬化、癌症、炎症和神经退行性疾病有关[74]。许多已报道的生物功能都归因于自由基清除活性，并且对植物中提取的天然抗氧化剂进行了深入研究[32,75,76,77]。数百项流行病学研究已经将酚类物质含量增强的植物的抗氧化、抗癌、抗菌、心脏保护、抗炎症和免疫系统促进作用联系起来。表2和表3总结了与世界上广泛食用的蔬菜和MAPs中发现的酚类物质相关的重要生物活性。例如，Salem等人[78]发现富含多酚的菜蓟(artichokes)提取物能够抑制组胺、缓激肽(bradykinin)和趋化因子(chemokines)的产生。这些作者发现，提取物中的多酚能够协同作用，增强其抗炎潜力。此外，Sharma等人[79]观察到洋葱提取物由于槲皮素苷元、槲皮素-4′- o -单葡萄糖苷和槲皮素-3,4′- o -二葡萄糖苷的存在，能够抑制葡萄球菌和大肠杆菌的细菌生长。然而，拮抗作用的强度取决于所评估的每个洋葱品种中每种化合物的浓度。2018年，Dzotam等[80]使用富含7-三羟基黄酮的肉豆蔻提取物，观察到该提取物对多重耐药革兰氏阴性菌斯氏普罗维登斯菌和大肠杆菌的抑菌活性。最近的一项研究表明，富含迷迭香酸和3,4-二羟基苯甲酸的百里香提取物能够表现出抗自由基和抗氧化特性，并促进胃肠道消化[81]。表2 世界范围内常见蔬菜中酚类化合物的含量及其主要生物活性![]()
表3 介绍了几种药用和芳香植物(MAP)提取物中重要酚类物质的关键作用及其生物活性![]()
如前所述，多酚是存在于许多蔬菜和MAPs中的天然化合物。在人体中，大多数多酚的吸收能力较差，它们在肠道中保留的时间更长，从而可以促进有益作用，特别是通过影响肠道微生物群[96,97,98]。这导致了多酚类化合物和肠道微生物群之间的相互反应。多酚被肠道微生物群生物转化为低分子量的酚代谢物，导致多酚的生物利用度增加，导致食用富含多酚的植物对健康产生影响，这可能与植物中发现的天然化合物不同[97,98,99,100,101,102]。多酚的性质取决于它们在被微生物群代谢时产生的生物活性代谢物[103]。与此同时，特异性多酚经常通过抑制致病菌调节肠道微生物组成，增加有益菌的生长，从而改变肠道微生物组成[104,105,106,107]。最后，它们可能作为益生元代谢物，增强有益菌群。动物研究表明，摄入多酚，特别是儿茶素、花青素和原花青素，可增加乳杆菌、双歧杆菌、阿克曼氏菌(Akkermansia)、罗斯氏菌(Roseburia)和普拉梭菌属(Faecalibacterium spp)的丰度[108]。益生元在1995年被定义为“不可消化的食物成分，通过选择性地刺激一种或有限数量的细菌的生长和/或活性，对宿主有益，这些细菌已经长期存活在结肠中”[109]。后来，在2010年，益生元被定义为“一种选择性发酵的成分，可以使胃肠道微生物群的组成和/或活性发生特定变化，有利于宿主的健康”[110]。多酚类物质的生物利用度受其结构特征的影响，主要受其聚合程度的影响[111,112]——例如，原花青素不被肠黏膜吸收[112]，只有苷元和一些糖苷类物质可以被吸收[113]。此外，每种多酚的益生元效应可能受到植物来源和化合物化学结构特征以及肠道微生物群组成的个体差异的影响[114]。 近年来，植物生物活性酚类化合物受到越来越多的关注[115,116]，其生物合成、生物活性、提取、纯化工艺和化学表征等方面的研究备受关注。新的分析策略，如核磁共振(NMR)和质谱(MS)，已经证明了它们在鉴定新的分子结构和表征植物酚类特征方面的应用[117]。最近，Jacobo-Velázquez等人[118]关注了植物酚类物质研究的最新进展，如参与类黄酮生物合成的酶的功能表征；评价采前和采后提高不同植物酚类物质浓度的处理方法，评价不同植物酚类物质的化学特征，评价其生物活性。因此，开发分析方法，探索定性或定量方法来分析不同植物中的这些生物活性酚类化合物是必不可少的。样品制备和提取工艺的优化(固液萃取、超声辅助萃取、微波辅助萃取、超临界流体萃取)对于获得更高的结果准确性至关重要[119,120,121]。Swallah等[122]认为，由于不同植物的酚类化合物极性、分子结构、浓度、羟基以及涉及的多个芳香环不同，很难选择一种通用的方法来制备和提取它们。它们的分析可采用分光光度法、气相色谱法、液相色谱法、薄层色谱法、毛细管电泳法、近红外光谱法等不同的方法，需要建立快速、灵敏、可靠的分析方法[123,124]。另一个挑战是多聚酚类化合物的分析，因为它们的多分散性导致分辨率和检测能力差，其中一个例子是原花青素，它具有多分散结构，需要开发方法；因此，表征未知酚是植物多酚研究中的主要挑战之一[117]。 在蔬菜中发现了超过730种风味化合物，包括一些非挥发性化合物。例如，在西红柿中，已知有400多种挥发性和非挥发性化合物，尽管根据不同的研究总结，只有30种化合物的浓度高于1 μL/L[130,131,132]。尽管如此，必须考虑较低浓度的挥发性化合物，因为一种化合物可能低于1 μL/L，但气味具有活性。在辣椒中，“甜”、“辣”、“花”和“草药”的特征是由挥发性化合物的混合物引起的——(Z)-3-己烯醛、2-庚酮、(Z)-2-己烯醛、(E)-2-己烯醛、己醇、(Z)-3-己醇、(E)-2-己烯醇、芳樟醇和非挥发性化合物(果糖和葡萄糖)[133]。在蔬菜中，风味和非风味化合物的存在是多种多样的，但与蔬菜的典型感官特性及其各自的芳香特征相关的关键挥发性化合物总结在表4中。表4 主要挥发性和非挥发性化合物存在于世界范围内大量消费的一些蔬菜中。感官属性改编自Parker等人[126]和Maarse[134]。![]()
在表5是一些化合物的例子，负责在蔬菜中产生的典型感官属性。表5 一些挥发性化合物在某些蔬菜的感官属性中所起的关键作用改编自Parker等人[126]和Maarse[134]。![]()
支链醇是氨基酸脱胺和脱羧的产物[139,149]，在植物材料中很常见。(Z, Z)-3,6-壬二烯醇(图11)在西瓜中被描述为具有“脂肪”、“肥皂”、“黄瓜”、“西瓜”和“果皮”的感官属性，但在鲜切的甜瓜中也具有“煮叶”和“草”的属性[150]，在哈密瓜中也具有“甜瓜”和“麝香”的味道[151]。图11 (Z, Z)-3,6-壬二烯醇的化学结构
挥发性醛也是由脂肪酸脂氧合酶途径形成的一类化学物质[139,149]，以其青滋气味而闻名。(E)-2-壬烯醛和(Z)-3-己烯醛(图12)尽管结构不同，但也源于不同的脂肪酸((E)-2-壬烯醛来自亚油酸，(Z)-3-己烯醛来自亚麻酸)，并被描述为具有其他感官属性。“透发”、“蜡质”[150]或“脂肪性”[152]的特征与(E)-2-壬烯醛有关，而(Z)-3-己烯醛的特征则与“叶子”、“有劲”、“草莓叶”、“酒香”、“绿叶”、“像苹果”、“像叶子”和“割过的草”的特征有关。图12 (E)-2-壬烯醛和(Z)-3-己烯醛的化学结构倍半萜内酯是在植物界发现的最普遍和具有重要生物学意义的次级代谢物之一，包括5000多种已知化合物，在仙人掌科(Cactaceae)、茄科(Solanaceae)、天南星科(Araceae)和大戟科(Euphorbiaceae)等科中最常见。3-丁苯酞(图13)是最知名的内酯之一，除了与之相关的“草药”气味外，它还主要负责“芹菜”香气[153]。吡嗪是一种杂环化合物，存在于各种各样的食物中，主要与坚果味、烘烤味以及绿色蔬菜味有关。2-异丁基3-甲氧基吡嗪和3-仲丁基2-甲氧基吡嗪(图14)是两种众所周知的吡嗪，它们具有较低的感官检测阈值，这使得它们非常重要，因为它们可能是几种蔬菜中主要芳香特征的化合物[154]。图14 2-异丁基- 3-甲氧基吡嗪和3-仲丁基-2-甲氧基吡嗪的化学结构萜类化合物的化学类别包括广泛分布于植物和水果中的化合物，可分为两大类：单萜烯和倍半萜烯或不规则萜烯，它们主要通过分解代谢反应和/或自氧化合成[155]。土臭素(图15)是一种不规则萜烯，它的主要感官属性是“土”和“新犁过的土壤”。![]()
图15 土臭素的化学结构
含硫化合物(图16)是由蛋氨酸和半胱氨酸合成的，由于游离蛋氨酸的积累增加，可以释放出来。它们是关键的微量挥发物，是影响水果和蔬菜感官特性的主要因素[156]。挥发性和非挥发性化合物的形成是多种多样的，因为传递风味的分子很多。一般来说，这些分子由萜类、类胡萝卜素和脂氧合酶途径合成，并来源于氨基酸和脂肪酸[139,149](图17)。图17 主要的植物挥发性化合物来源于四类生物合成前体:萜类化合物、脂肪酸分解代谢物、香气和氨基酸衍生产品。通过还原、甲基化或酰化反应去除或掩盖亲水性官能团，这些产品在释放前变得更亲脂(储存在膜或油体中)。改编自Baldwin等人[157]。虽然许多具有芳香特征的挥发性和非挥发性化合物已被确定，但它们的许多生物化学途径仍未得到很好的解释。尽管如此，几种代谢途径参与了蔬菜中负责芳香特征和味道的化合物的生物合成。许多挥发性化合物是由脂肪酸、氨基酸和类胡萝卜素途径合成的[130,158]，其他化合物是由类异戊二烯底物合成的。然而，众所周知，初级代谢是形成非挥发性化合物的基础，非挥发性化合物也有助于蔬菜的芳香特征和味道[158](图18)。其中包括糖、有机酸、游离氨基酸、维生素原、矿物质和盐[159]。例如，甜味是由主要糖的浓度决定的，而酸味是由主要有机酸的浓度决定的[160]。![]()
图18 植物中一些非挥发性化合物合成的一般途径。改编自Ncube和Staden[161]。在番茄中，其特有的酸甜味道是由于糖和有机酸的结合，并且已经发现感知甜度，还原糖含量和可溶性固形物之间存在正相关[162]。因此，定义哪些化合物对风味更重要比预期的要复杂得多。此外，当蔬菜被收获时，由于植物组织的破坏，分解代谢过程开始，影响它们的香气，并将它们的主要风味转化为不同的化合物。其中一些甚至可能变成一种新的生物活性化合物。例如，在芸苔类蔬菜中，由于酶的混合，切割、咀嚼和烹饪等操作对挥发性化合物有不受控制的影响。十字花科蔬菜的典型气味和风味主要是由于硫代葡萄糖苷的存在，当与芥子酶(EC 3.2.1.147，硫代葡萄糖苷葡萄糖水解酶)接触时，硫代葡萄糖苷水解成新的分解产物，如异硫氰酸酯、有机氰化物、唑烷硫酮和硫氰酸酯[162]，影响其香气并将其主要风味转变为不同的风味。类似的情况也发生在葱属植物中，如洋葱、大葱、大蒜、韭菜等，它们的成分中都含有硫基S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜(S-alk(en)ylcysteine sulfoxide)(蒜氨酸,alliin, I)。在受损或破坏的组织中，通过蒜氨酸酶发生转化为其他几种化合物[163]。最初的水解产物是氨、丙酮酸盐和烷基硫代硫酸盐(alk(en)ylthiosulphinate)(大蒜素,allicin，II)，并可经过进一步的非酶反应产生各种化合物，如硫代硫酸盐(thiosulphate)[III]、二和三硫化物(di- and trisulphides)[IV][146]，这些化合物使葱属植物具有典型的类硫气味。虽然这些化合物大多与气味和味道有关，但其中一些也参与重要的生物化学活动。流行病学研究表明，硫代葡萄糖苷水解产物(产生苦味和芥末/辣根风味)可能作为一种抗癌剂，并能对多种人类和植物病原体发挥抗菌和抗真菌活性[164]。近年来，大蒜素(allicin)是葱属植物中烷(烯)基半胱氨酸亚砜的衍生化合物，显示出抗菌和抗癌活性[165,166]。番茄、胡萝卜和菠菜中大量存在的番茄红素和胡萝卜素等化合物具有抗炎作用[167]。 植物提供多种芳香特征，这些特征被人类最敏感的感官——味觉和嗅觉——所注意到[168]。随着时间的推移，许多植物物种已被用于生产食品和医药或草药配方[169]。MAPs的使用开始于非选择性的野生植物收获，然后进入选择性收集，然后培养最有用的植物。从古至今，植物一直被用作药物和食品保鲜剂[170]。如今，它们的栽培、生药学、植物化学、生物学、保护和可持续利用是人们感兴趣的问题[171]。MAPs产生多种天然化合物，在植物不同部位的腺体中产生和储存：叶、花、果实、种子、树皮和根[172,173]。这些天然化合物，其中大多数是精油，在室温下易挥发，对植物的适应和生存很重要，即作为传粉者的引诱剂，或作为食草动物限食剂，或作为对病原微生物的防御剂。由于它们的生物活性，它们在商业和工业资源中对人类也很重要，即在传统医学中[172]，它也为药品、化妆品、食品和化学工业提供原料[173]。MAPs是什么?根据Maiti和Geetha[174]的说法，MAPs是为人类提供“药物”的植物，可以预防疾病、保持健康或治愈疾病；“让食物成为你的药”，这句出自希波克拉底(Hippocrates，公元前460-377年)的话再次成为一个流行的概念。新的名称已经出现，对使用某些植物或植物部分和产品的有益影响进行分类。根据Barata等人[172]的研究，根据MAPs的最终用途，可以将其分为四类：作为精油提取的原料，这是MAPs在世界范围内的主要用途；香料，植物的无叶部分，用作调味料或调味品；用作调味料或调味品的草本植物、植物的叶状或软花部分；杂项组，MAPs以不同的方式使用。国际自然保护联盟和世界野生动物基金会估计，全世界约有5万至8万种开花植物被用于药物配方。其中，只有1-10%的化学和药理学研究了它们的潜在价值[175]。MAPs含有多种具有生物活性的次生代谢物，如精油、生物碱、酚类物质(如类黄酮)、类固醇、萜烯、倍半萜烯、二萜和皂苷[176]，它们被用于多种香料、调味品和药物化合物[177]。许多次生代谢物包括芳香物质、酚类化合物或其氧取代衍生物，如单宁[178]，其中许多化合物具有抗炎和抗氧化特性。植物次生代谢物的特征是表现出化学多态性，这导致同一物种中出现几种化学型[179]。在考虑从MAPs中提取的草药产品的安全性、质量和功效时，化学型是极其重要的。有许多植物物种显示出各种各样的化学型。百里香属有许多例子，因为许多种类的百里香在化学上是异质的。普通百里香是最受欢迎的具有化学型的植物之一。根据精油的主要成分，已知有六种不同的化学型：百里酚、香芹酚、芳樟醇、香叶醇、龙脑、水合香桧烯和多组分化学型[180]。表6总结了一些重要的MAPs及其主要挥发性化合物。根据该表中提供的数据，一种不同类型的化合物负责MAPs的芳香特征。例如，Lee等人[181]在罗勒品种中发现了高含量的芳樟醇、桂皮酸甲酯、草蒿脑(estragole)、丁香酚和1,8-桉树脑化合物，并报道这些化合物是消费者感知到的罗勒典型香气的原因。Shahwar等人也提出了类似的结果[182]，他们报道香菜的典型香气是由于不同化合物的混合物，其中癸烯醛和相关化合物(表6)占很高的优势。其他几位作者[181,182,183,184,185,186,187,188,189,190,191]报道了MAPs所表现出的典型芳香特征是几种化合物而不是单一化合物共同作用的结果，Kizhakkayil和Sasikumar[185]对生姜的研究表明。这些作者报告说，姜所表现出的典型的“辛辣”和“新鲜”的香味是由于同时存在不同的化合物，如姜烯(zingiberene)、6-姜酚(6-gingerol)、8-姜酚(8-gingerol)、10-姜酚(10-gingerol)、6-姜烯酚(6-shogaol)、8-姜烯酚(8-shogaol)、香叶醛(geranial)和橙花醛(neral)。这些化合物，即使含量较低，对消费者感知姜的典型香气至关重要，所有这些都对定义姜的“香味”很重要。表6 一些药用和芳香植物(MAPs)中存在的关键挥发性化合物。黑体是每种MAPs的主要挥发性化合物。黑体标示的化合物名称在图中表示。![]()
为了更好地开发任何MAPs香气化合物，有必要评估其种群的遗传稳定性，即该种群在移植到不同气候条件的生境中生长后是否继续生产相同的特征产品。总之，对于每个物种，进行详细的研究是至关重要的，例如，季节和地理变化以及当地环境条件的影响。研究结果将为选育优质品种提供科学依据，为当地种植户带来一定的经济效益和社会效益。从芳香特性的角度来看，研究的实际挑战是多方面的:(a)克服作物缺陷;(b)香气偏差的细化;(c)调节挥发性和非挥发性化合物的生物合成，以产生高效的芳香特征;(d)提高芳香特征签名的准确性;(e)了解采前和采后因素如何影响蔬菜和MAP的芳香特征或风味。这种风味是一个复杂的代谢网络的结果，它可以受到几个因素的影响，比如遗传、环境、农业实践、收获后的处理和储存。然而，最近的研究结果表明，化合物的生物合成可以受到其他因素的显著影响，例如基因适应的酶特异性[192193]，从而导致新步骤的研究。直到最近，研究的重点是了解农业实践如何影响植物成分和干扰消费者对芳香特征的感知[126,194]，但最新的研究正在从产量因素转向质量因素。如今，消费趋势主要由消费者的偏好(可持续性、营养、芳香特征、新颖性)决定，而不仅仅是由生产商的优先事项决定[194]。基因组学和代谢组学分析阐明了具有芳香特征的挥发性化合物的基本代谢及其生物合成机制、调控和定位是一个热门话题[194]。因此，芳香特征的生物合成与酶内源性过程的联系将为风味控制机制的研究提供新的见解。此外，基因组和代谢组学分析与生理过程中发生的关键酶变化的鉴定相关联，将为增加特定化合物的含量提供新的机会，特别是那些对消费者接受度很重要的化合物。这种方法将为生产具有更高生物特性的特定挥发性或非挥发性化合物含量的蔬菜和MAP物种提供可能性。此外，它将加速发现新的或未知的化学感觉活性分子，并了解它们与主要食物基质成分的生化相互作用。同样，它将开辟直接改进食品的途径，通过调整加工参数，可以帮助克服风味缺陷或不良的芳香特征，而不添加任何人工成分。 植物源和MAPs是生物活性化合物和挥发性化合物的两个重要来源，消费者对它们对人体健康的重要性有这样的认识。通过体外和体内模型进行的数百项研究表明，酚类物质和挥发性化合物直接参与不同的细胞退行性机制，因此被认为是减少或抑制促氧化和炎症过程的关键化合物。这些化合物的组合为植物源和MAPs的质量提供了重要的观点。因此，了解植物源和MAPs中存在哪些类型的化合物，它们之间的关系以及它们如何受到生物或非生物因素的影响是很重要的。这篇综述总结了所有这些方面。这些信息对于更好地了解挥发性和非挥发性化合物形成背后的所有过程以及它们的生物活性，它们与其他化合物的相互作用非常重要，但更重要的是，它们如何影响消费者对质量的看法。此外，它们对人类购买植物源和MAPs倾向的影响也得到了这类信息的支持。这项工作中报告的所有植物物种都是如此，但也包括那些没有包括在这里的植物物种，并且正在持续努力识别挥发性和非挥发性化合物。此外，芳香特性的改善是根本的，必须在不损害作物其他品质性状的前提下实现。Pinto T, Aires A, Cosme F, Bacelar E, Morais MC, Oliveira I, Ferreira-Cardoso J, Anjos R, Vilela A, Gonçalves B. Bioactive (Poly)phenols, Volatile Compounds from Vegetables, Medicinal and Aromatic Plants. Foods. 2021; 10(1):106. https://doi.org/10.3390/foods10010106
