多酚是植物产生的重要次生代谢产物,它具有芳环结构并结合1个或多个羟基[1]。自然界中多酚类物质主要存在于蔬果、咖啡、大豆、茶、可可、酒类之中[2]。我国对多酚的最早记录是《神农本草经》,“神农尝百草,日遇七十二毒,得茶解之”,明确指出了茶多酚的作用。1976年SEGUIN首次提出“单宁”这一概念,早期一度被认为是抗营养因子。1981年HASLAM提出“植物多酚”概念,包括所有分子结构不同的单宁及单宁类化合物。
多酚对于植物本身具有重要功能,用于抵御紫外线辐射、机械损伤或某些病原体和捕食者。多酚也是植物源性营养保健品、草药产品中的活性成分[3]。大量研究表明,多酚具有抗氧化、抗炎、抗生物膜和抗菌特性。这些特性与降低各种年龄相关疾病的风险有关,如神经退行性疾病、肥胖、骨质疏松症、癌症和心血管疾病[4]。自20世纪初以来,随着高效液相色谱仪技术的兴起,特别是其与质谱仪的联合应用,对啤酒中多酚类物质的功能性、分析方法及成分构成的研究逐渐深化。起初,研究人员的焦点主要集中于蛋白质-多酚相互作用对啤酒稳定性可能产生的负面影响,普遍采取交联聚乙烯吡咯烷酮(crosslinked polyvinylpyrrolidone,PVPP)吸附、过滤等手段,以去除活性多酚复合物,进而延长啤酒的货架寿命。然而,随着研究者对酚类物质在提升啤酒抗氧化性能及风味特征方面重要性的进一步认识,研究重点逐渐转向如何在从原料至最终啤酒产品的全过程中保留这些关键化合物[5]。
本文的主旨在于阐述啤酒中多酚类物质的结构分类、来源功能及其在酿造流程中的变化。首先,文章对多酚类物质从结构层面进行了分类概述,并深入探讨了其结构与抗氧化性能之间的内在联系。此外,文章系统梳理了啤酒中的多酚类物质,重点介绍了其主要来源(如大麦、啤酒花)、含量,以及各类多酚的功能特性。最后,文章综合论述了多酚类物质在整个啤酒酿造流程中的变化,旨在深化读者对啤酒中多酚类物质的认识。
1 多酚的结构及抗氧化性能
目前已鉴定的多酚物质有8 000多种[6],食品中500多种,啤酒中已报道六十几种[7]。如表1所示,多酚类化合物按其化学结构分为酚酸、类黄酮、木质素类、二苯乙烯类。酚酸含有一个苯基,被一个羧基和一个或多个羟基取代;类黄酮含有苯基苯并吡喃骨架(C6-C3-C6)和2个苯环(a和B),通过杂环吡喃环(环C)连接;木质素由2个苯丙素单元(C6-C3-C3-C6)组成;二苯乙烯具有C6-C2-C6骨架,其特征是一个双键连接酚环。
表1 多酚类物质的结构分类
Table 1 Structural classification of polyphenols
项目酚酸类黄酮木质素二苯乙烯碳骨架C6C6-C3-C6(C6-C3)2C6-C2-C6分子式
1.1 酚酸类
如图1所示,酚酸从结构上可进一步分为两类:羟基苯甲酸(碱性骨架C6～C1)和羟基肉桂酸(碱性骨架C6～C3),这2个基团的不同之处在于含有羧基的链的长度[8]。根据取代基的不同,羟基苯甲酸包括水杨酸、没食子酸、丁香酸、香草酸和原儿茶酸等,羟基肉桂酸包括咖啡酸、阿魏酸、对香豆酸和辛酸。酚酸几乎占膳食多酚的三分之一,在蔬菜、水果、谷物、种子和一些饮料,尤其是咖啡和茶中含量很高。
a-羟基苯甲酸;b-羟基肉桂酸
图1 酚酸类物质的成分结构
Fig.1 The composition and structure of phenolic acids
通常,同源肉桂酸表现出比苯甲酸衍生物更高的抗氧化潜力。SZWAJGIER[9]指出因为肉桂酸衍生物丙烯链上存在双键,通过共振稳定了苯氧基自由基。而且,肉桂酸的吸电子羧基降低了酚环给氢的能力。在苯酚环上取代的甲氧基稳定了苯氧基自由基,从而使化合物的抗自由基活性增强。
多酚清除自由基的能力在很大程度上取决于附着在芳环上的羟基的数量和位置[10]。一般来说对于具有相似结构的化合物基团,羟基数量的增加导致更高的抗氧化活性。在酚酸的苯基环含有3个羟基的化合物具有较高的抗氧化活性。1个羟基的缺失使活性略有下降,而2个羟基的缺失则使活性显著下降。
其他基团,特别是相对于羟基位于邻位的2个或多个甲氧基,也能提高单酚类抗氧化性能,这可能导致芥子酸的抗氧化活性优于阿魏酸[11]。咖啡酸和绿原酸的高抗自由基作用是由于2个羟基之间的分子内氢键的形成和金属离子的螯合能力[12]。此外,酚类化合物的清除自由基活性与羟基化程度、低聚物链长、立体化学特征以及附加官能团(如烷基烃链、含碳碳双键的烷基链)的数量和位置有关[13]。
1.2 类黄酮类
类黄酮是膳食食品中含量最多的多酚类,已确定的类黄酮超过6 000种[5]。如图2所示,类黄酮化合物的分类根据吡喃杂环的氧化状态和不饱和程度,可以进一步分为8个亚群:黄酮、黄酮醇、黄烷-3-醇、黄烷酮、花青素、二氢黄酮醇、异黄酮、查尔酮等主要家族[14]。
图2 类黄酮类物质的成分结构
Fig.2 The composition and structure of flavonoids
黄酮作为类黄酮化合物的基础结构,其特点在于C2与C3之间含有一个双键,C2位置上连接有一个B环,并且于C4位置上具备一个酮基团。黄酮类物质广泛分布于草药及蔬菜之中,例如芹菜等。
黄烷酮同样在C4位置上具有酮基团,但其环C结构为饱和苯环,即C2与C3之间并无双键连接。黄烷酮的主要苷元成分包括柚皮素、橙皮素等,这些物质通常可在葡萄、柠檬以及部分芳香植物中发现。
黄酮醇,即C3羟基化的黄酮类化合物,涵盖了堪非醇、槲皮素以及杨梅素等多种物质。黄酮醇作为最常见的类黄酮之一,普遍存在于各类蔬菜(例如白菜)、水果及茶叶中。
二氢黄酮醇与黄酮在化学结构上颇为相似,但区别在于黄酮在C3位置上含有一个羟基,而二氢黄酮在此位置则为2个H原子。二者在柑橘类水果及草药中的含量均相对较高。
查尔酮类化合物在类黄酮的基本骨架结构中缺少环C部分,因此被归类为“开链类黄酮”。在啤酒中,黄腐酚是查尔酮的代表性物质。
黄烷-3-醇在C3位置上含有一个羟基,并且在C4位置上缺失了C2、C3与氧基之间的双键。黄烷-3-醇类物质很少以糖苷形式存在,其中包括简单单体如(+)儿茶素和(-)表儿茶素,以及其衍生物,例如表没食子儿茶素和(+)儿茶素没食子酸酯等。绿茶、蔬菜、巧克力、红酒以及坚果等食品中均富含大量的黄烷-3-醇类物质[15]。
花青素在C4中不存在酮基团,在C3中具有羟基,在环C上具有2个双键。由于这些结构特征,花青素被认为是唯一的离子类黄酮[16]。花青素通常存在于有色水果和蔬菜中。除了花青素、飞燕素和天竺葵素外,已知的有31种单体花青素[17]。
异黄酮乃黄酮类化合物之一,其特征在于其B环连接于C3而非C2位置。此结构特性赋予了异黄酮以植物雌激素的功能。主要的异黄酮种类包含大豆黄酮、染料木黄酮及鹰嘴豆芽素,其特定地分布于豆科植物之中,尤其是大豆中[18]。
类黄酮作为抗氧化剂所展现的活性,根本上取决于其特定的分子结构特征。具体而言,类黄酮分子中羟基化的位置及程度,尤其是B环上的羟基化状态,对于整体抗氧化活性具有主导性影响。其中,具有多个羟基(尤其是3、4-二羟基结构)以及在A环和C环中3-羟基和5-羟基与4-羰基官能团共同存在的黄酮类化合物,通常比非黄酮类化合物具有更强的抗氧化能力[12]。
含有6个羟基的杨梅素比含有5个羟基的槲皮素表现出更好的抗氧化性能,山奈酚具有4个羟基的抗氧化性不如槲皮素。在类黄酮中,C3位置的羟基增加了形成的类黄酮自由基的稳定性。例如,去除木犀草素中的3-羟基会降低抗氧化活性[14]。
在3-羟基与4-羟基同时存在的条件下,黄酮醇展现出与花青素相类似的活性特征。若只有4-羟基,则天竺葵苷相较于其黄酮醇对应物——山奈酚,表现出更高的活性水平。这种显著的活性差异,可能归因于酮类对黄酮醇空间位阻的影响。
总体而言,啤酒的总多酚含量与其抗氧化活性之间呈现出显著的相关性。同样地,啤酒的总黄酮含量与其抗氧化活性也存在紧密的关联。通常,具备类黄酮结构的化合物相较于非类黄酮化合物,展现出更为卓越的抗氧化活性。因此,通过提升啤酒中酚类化合物,尤其是黄酮类化合物及部分酚酸的含量,来提高啤酒的抗氧化活性是有效的。
1.3 木质素及二苯乙烯类:
如图3所示,木质素由2个苯丙素单元(C6-C3-C3-C6)组成,通常以二异松脂醇、松脂醇的形式存在于食品中。液相色谱-质谱联用技术分析鉴定出木脂素的主要成分为松脂醇、中松脂醇、丁香松脂醇、环松脂醇、二次异松脂醇、二次异松脂醇-倍木脂素、7-氧松脂醇、7-羟基松脂醇、α-木质素素等。由于其结构与雌二醇相似,木脂素被归类为植物雌激素。
a-木质素;b-二苯乙烯
图3 木质素和二苯乙烯类物质的成分结构
Fig.3 The composition and structure of lignin and stilbenes
二苯乙烯具有C6-C2-C6骨架,其特征是一个双键连接酚环。这一亚群主要以白藜芦醇为代表,白藜芦醇存在于葡萄和红酒中[19]。CHIVA-BLANCH等[20]对110种商业啤酒中的二苯乙烯含量进行了调查,发现白藜芦醇的总含量在1.99～81.22 μg/L。
2 啤酒中的多酚来源及功能
2.1 啤酒中多酚类物质的来源
啤酒中的多酚类物质主要来源于原料麦芽和啤酒花中。麦芽单位质量的总多酚含量约0.1%,但它贡献了啤酒中总多酚含量的70%。麦芽中的酚类化合物主要存在于外层(谷壳、果皮、种皮和糊粉细胞),它们在胚乳层的浓度明显较低。啤酒花的酚类化合物主要存在于酒花的前叶片及蛇麻腺中,它贡献了啤酒中总多酚含量的30%[5,21]。据报道,啤酒花苞片含有40～140 mg/g多酚,在啤酒花球果中发现了大约1 000种不同的多酚物质,约占干啤酒花球果的3%～8%。啤酒花提取物的酚类成分为55%以上的原花青素和28%以上的类黄酮苷[22]。
表2总结了啤酒中发现的60多种多酚类物质[7]。啤酒中主要的酚酸类化合物为苯甲酸及肉桂酸的衍生物。在啤酒中,已确认存在的酚酸类物质包括阿魏酸、咖啡酸、香草酸、对香豆酸、邻香豆酸、没食子酸、原儿茶酸、4-羟基苯基乙酸及龙胆酸等,其中4-羟基苯甲酸、阿魏酸、香草酸及对香豆酸的含量尤为显著。酒中的大部分酚酸以共轭或酯化的形式存在,而游离态的含量相对较低。据相关报道,啤酒中55%～88%的抗氧化活性源自6种酚类物质,其中阿魏酸的占比超过50%,其次为丁香酸、儿茶素、咖啡酸、原儿茶酸及表儿茶素[12]。
表2 啤酒中的多酚类物质、含量、来源及功能
Table 2 Polyphenols with their content,sources,and functions in beer
分类次级分类成分文献报道含量/(mg/100 mL)酒花含量/(mg/100 g)大麦含量/(mg/100 g)作用剂量功能酚酸类羟基苯甲酸羟基肉桂酸羟基苯乙酸香草酸0～0.22+[7]0.10～3.91100 mg/kg抗血小板凝集[23]水杨酸0～0.66丁香酸0～0.09 3～129 00.10～91.670 mg/kg调控胆汁淤积[24]4-羟基苯甲酸0～1.68187.0±1.00.58～2.67没食子酸0～0.70 8～3410.10～136.6250 mg/kg对小鼠肾损伤有保护作用[25]原儿茶酸0～0.0842～2250.14±0.051.5 mg/kg抑制炎症和血管生成[26]3,5-二羟基苯甲酸0.001 2～0.033-羟基苯甲酸0.004 5～0.03龙胆酸0.0031.5～6.7+[5]2,6-二羟基苯甲酸0.003 9～0.25阿魏酸0.01～1.41 1～100.59～4.25抗衰老[27]对香豆酸0～0.220.01～28.80.17～58.3100 mg/kg对2型糖尿病有降低血糖作用[28]芥子酸0～0.13+[7]0.14～2.44100 μmol/L改善阿尔茨海默病细胞模型[29]咖啡酸0～0.050.01～15.80.17±0.014 μmol/L对阿霉素心肌细胞有保护作用[30]5-咖啡酰奎尼酸0～0.25间香豆酸0.007 1～0.034-咖啡酰奎尼酸0～0.02邻香豆酸0.01～0.171.50～6.0对羟基苯乙酸0～0.14高香草酸0.002 4～0.05
续表2
分类次级分类成分文献报道含量/(mg/100 mL)酒花含量/(mg/100 g)大麦含量/(mg/100 g)作用剂量功能黄酮类查尔酮黄烷醇黄烷酮黄酮黄酮醇异黄酮黄腐酚0～0.003 485.6～480.0减轻对乙酰氨基酚诱导的急性肝损伤[31]儿茶素0～0.551.2～56.1 0.1～10.56.25～100 μg/mL减轻小鼠肺泡巨噬细胞炎症反应[32]普罗丁二聚体B30～0.45+[4]+[4]原花青素二聚体B30～0.36改善动物生长性能和肠道健康[33]表儿茶素0～0.130.08～8.4 +[6]6.25～100 μg/mL减轻小鼠肺泡巨噬细胞炎症反应[32]普罗丁三聚体GC-GC-C0～0.04原花青素三聚体C20～0.03+[4]+[4]普罗丁三聚体C-GC-C0～0.02普罗丁三聚体GC-C-C0～0.01异黄腐酚0～0.18.0～31.219.72 μmol / L逆转耐药细胞株 A549/DDP 凋亡[34]柚皮苷0～0.0091.7～3.9 0.77～6.972.4 mmol/L抑制胰脂肪酶活力[35]6-异戊烯酸素0～0.005 5+[8]8-异戊烯苷0～0.002 11.5～23.86-香叶柚皮素0～0.001 13.9～11.04.7～50.2芹菜素0～0.05+[6]200 mg/kg对慢传输型便秘小鼠有通便作用[36]槲皮素3-O-芸香糖苷(芦丁)0～0.4961～88 1.4～11.8槲皮素0～0.041.03～111.82.0～8.7400 mg/kg增强肠道抗氧化性能[37]堪非醇0.44～49.41.27～19.210 mg/kg预防大鼠高原肺水肿[38]杨梅素0～0.008 0～73.3槲皮素3-O-阿拉伯糖苷0～0.0043,7-二甲基槲皮素0～0.002鹰嘴豆芽素A0～0.01+[8]600 mg/kg降血脂作用[39]染料木黄酮0～0.001 12 mol/L减轻缺氧复氧心肌损伤[40]大豆苷元0.000 5+[8]20 mg/kg减轻阿霉素心脏毒性[41]其他多酚烷基甲氧基酚烷基酚羟基苯甲醛羟基苯甲酸酮羟基香豆素其他酪醇乙烯基愈创木酚0～0.41乙烯基苯酚0.004 53乙基儿茶酚0.000 6甲基苯邻二酚0.000 1甲基邻苯二酚0.002 2香草醛0～0.05+[3]2,3-二羟基-1-愈创木基丙酮0.003 4四羟基香豆素0～0.89七叶苷0～0.19羟基香豆素0～0.02焦性没食子酸0.004 7儿茶酚0～0.001 1酪醇0.18二苯乙烯类二苯乙烯类白藜芦醇0.001 470.003～0.228480 mg/d100 mg/d缓解胰岛素抵抗,降血压血脂[42]木酚素类木酚素类开环异落叶松脂素0.000 5～0.05罗汉松脂粉0～0.000 5
注:“+”表示物质存在。
如表2所示,文献报道的啤酒中黄酮类物质含量很低,仅儿茶素、表儿茶素、花青素、异黄腐酚、芦丁含量相对较高,但是仅不低于0.1 mg/100 mL。其他含量都不高于0.1 mg/100 mL,大部分无法检测到。啤酒中的儿茶素和表儿茶素含量与抗氧化活性密切相关。此外,啤酒中的二苯乙烯物质主要是白藜芦醇,文献报道其含量仅为0～0.001 5 mg/100 mL。啤酒中的木质素有开环异落叶松脂素和罗汉松脂粉,啤酒中含量极低,文献报道啤酒中开环异落叶松脂素含量为0.000 5～0.05 mg/100 mL,罗汉松脂粉含量为0～0.000 5 mg/100 mL。
另外,表2总结了不同文献中提到的啤酒中的多酚来源:麦芽和酒花中均含有多种羟基苯甲酸(包括香草酸、丁香酸、没食子酸、原儿茶酸等)和羟基肉桂酸(包括阿魏酸、对香豆酸、芥子酸、咖啡酸等),此外黄酮类中均含有槲皮素、堪非醇、芦丁、儿茶素等。而文献中总结的黄酮类物质种类,酒花明显多于麦芽。
大麦和麦芽中结合类酚类物质主要是酚酸,大多数游离黄酮类物质是黄酮和黄酮醇。目前总结的文献中,芹菜素、杨梅素、香草醛在麦芽中被鉴定出来,在酒花中没有报道。PEJIN[43]报道了在所有研究大麦品种中,阿魏酸在大麦原料样品、酿造过程中以及相应的麦芽中占主导地位,其次是对香豆酸和香草酸。阿魏酸主要分布于富含阿拉伯木聚糖的糊粉层部位,而对香豆酸则以较高浓度存在于谷壳之中。
酒花的酚类含量见表2。丁香酸、4-羟基苯甲酸咖啡酸、没食子酸、原儿茶酸、龙胆酸、阿魏酸、对香豆酸、芥子酸已被鉴定。在黄酮类化合物中,查尔酮和黄烷醇类的儿茶素、表儿茶素以及黄腐酚、异黄腐酚已被检测,此外,还鉴定出黄烷酮类中的6-异戊烯基柚皮素(6-prenylnaringenin,6-PN)、8-异戊烯基柚皮素(8-prenylnaringenin,8-PN)、6-香豆酰基柚皮素、柚皮素、堪非醇、槲皮素、芦丁,以及异黄酮类中的鹰嘴豆芽素A和大豆苷元。相较于大麦芽,酒花中所含黄酮类物质的种类更为丰富,如异黄酮类中的鹰嘴豆芽素和大豆苷元,以及黄烷酮类中的植物激素6-PN和8-PN等。据相关报道,啤酒花干物质中的8-PN含量约为0.002%[13],而6-PN的含量则略高,约为0.01%[44]。其特别指出的是,黄腐酚作为酒花中特有的成分,对人体具有很多功效,在酒花中含量为85.6～480 mg/100 g。另外,二苯乙烯与木质素也主要源自啤酒花。据JERKOVIC等[45]的研究,在啤酒花颗粒中,检测出的反式松花素含量为4～9 mg/kg之间,顺式松花素含量为2～6 mg/kg,反式白藜芦醇含量为1 mg/kg。
2.2 多酚类物质的功能
对于植物而言,酚类物质构成了其自然防御机制的关键要素,有效抵御细菌、真菌病原体、昆虫及食草动物的侵袭。在食品领域,酚类物质对产品的氧化稳定性有显著影响,对塑造风味、色泽以及诸如苦味与涩味等感官特性有重要贡献。至于人体健康方面,众多酚类物质展现出重要的生物活性,能够在人体内发挥调节激素水平和抑制诱变的功能。已有诸多研究证实了多酚类物质对多种疾病的防护作用,涵盖癌症、心血管疾病、神经系统疾病及肝脏疾病等,并进一步证明了多酚对肠道菌群的调节作用,有益于肠道健康,具备抗癌、抗炎等多重功效[9]。从啤酒花中提取的二苯乙烯具有抗血小板、抗炎、雌激素、保护心脏、抗肿瘤和抗病毒的特性。大麦中木脂素则具有抗肿瘤、抗氧化、抗病毒、抗菌、抗真菌、维持雌激素、心脏保护和促心血管活性功能[46-47]。
对于啤酒而言,多酚类物质提高了啤酒的口感、还原力和风味稳定性。首先挥发性单酚类物质对于啤酒的典型香气至关重要,在啤酒中起着风味前体的作用。其次多酚对于啤酒风味和泡沫稳定性有积极影响。在食品应用中,木质素能够在维持产品色泽与风味的同时,发挥显著的抗氧化功效[48]。
基于多酚类物质所具备的抗氧化性能,相关文献已通过体外实验及动物实验,本文对单一多酚类物质的生理功能进行了深入研究。表2汇总了文献中关于啤酒中所含多酚类物质的功能及其作用剂量的信息。具体而言,动物实验结果显示,香草酸(100 mg/kg)展现出抗血小板凝集的效果;丁香酸(70 mg/kg)能够调控胆汁淤积;没食子酸(250 mg/kg)对小鼠肾损伤具有保护作用;原儿茶酸(1.5 mg/kg)能够有效抑制炎症反应;而对香豆酸(100 mg/kg)能够降低血糖水平;芥子酸(100 μmol/L)则具备改善阿尔茨海默病细胞损伤的功能。
动物实验结果显示,黄腐酚在剂量为100 mg/kg时,展现出对肝细胞脂肪代谢的调节作用。黄腐酚作为啤酒花中特有的成分,具有抗氧化、清除体内自由基的功能。此外,黄腐酚还对糖脂代谢及肠道代谢等诸多生理活动产生积极影响。儿茶素与表儿茶(6.25～100 μg/mL)能够减轻小鼠肺泡巨噬细胞炎症反应;鹰嘴豆芽素A在剂量为600 mg/kg时,具有降低血脂的功效。花青素则表现出对动物生长性能及肠道健康的改善作用。6-异戊烯酸素与8-异戊烯苷具备调节激素的功能,而槲皮素在剂量为400 mg/kg时,能够增强肠道的抗氧化性能。据报道,白藜芦醇在动物和人类中对心血管疾病、衰老、阿尔茨海默病、癌症和许多促进健康的特性都有益,如抗氧化、抗炎、抗糖尿病、抗肥胖和抗增殖作用。临床研究表明,每天摄入480 mg白藜芦醇,有助于缓解胰岛素抵抗,还具备降血压、降血脂等功效。
3 啤酒酿造过程中多酚的变化
啤酒酿造通常涵盖制麦、糖化、发酵及过滤4个关键阶段。本文综述了啤酒酿造全程中多酚类物质的动态变化。
3.1 制麦过程
通常制麦过程分为浸泡、发芽和干燥3个阶段。浸麦过程中,多酚总体呈上升趋势。一方面游离酚酸含量随浸麦水除去而下降,另一方面随着大麦水分增加,酶活力提高,导致酚酸含量上升。在浸泡和发芽初期细胞壁被破坏,糖酶发生水解作用,胚乳结合的酚类被释放,使得多酚含量增加。进入发芽后期,多酚含量降低。正如PEJIN[43]所报道的,浸泡后3个品种大麦的总多酚含量分别显著增加21.05%、18.67%和18.57%。萌发第1天后总多酚分别增加了7.61%、8.99%和13.58%。在后续发芽过程中,所有大麦品种的总多酚含量都略有下降。
大部分酚酸含量在发芽结束时略有下降,在干燥过程中均有所增加。干燥期间在50～80 ℃的温度下,总多酚、阿魏酸和对香豆酸含量都有增加。80 ℃以上,羟基肉桂酸含量下降。在干燥过程中,酚酸含量会增加而单个酚酸的比例没有显著变化,部分原因是干燥组织的可提取性增强,部分原因是酶的释放。阿魏酸酯酶在温度为45～65 ℃时,展现出活性,并能促使结合的酚酸得以释放。当温度继续升高至最高75 ℃时,阿魏酸的含量因可萃取性的增强而进一步增加,但随后则因热降解作用而逐渐减少。
总的来说,由于酚酸结合的复杂化合物(淀粉酶、蛋白酶和β-葡聚糖酶)引起的降解以及多酚类物质的释放,在制麦过程中多酚含量整体增加。
3.2 糖化过程
麦汁中游离酚酸含量显著低于麦芽中相应的游离酚酸含量。一些主要酚酸(香草酸、对香豆酸和4-羟基苯甲酸)的浓度在麦汁中的含量也明显低于麦芽。这是因为在糖化过程中,只有一部分碱可提取的酚酸从麦芽中提取到麦汁中,大部分留在谷物中[9]。
麦汁制备包括以下步骤:蛋白质休止(45 ℃ 30 min),糖化休止(63 ℃ 30 min,70 ℃ 20 min)和酶失活(78 ℃ 10 min)。升温至78 ℃前总酚含量一直增加,在酶失活阶段,总酚含量下降。通常,糖化温度、糖化时间、麦芽粉碎颗粒度对酚酸释放量有影响。此过程中,肉桂酸最佳释放温度为30 ℃,阿魏酸最佳释放温度为40 ℃,升温至80 ℃后释放量降低。由于多酚主要存在于麦壳中,糖化过程中麦汁分离阶段麦糟的去除导致多酚类物质显著减少,在洗糟过程中略有增加。
麦汁煮沸过程添加酒花,麦汁中多酚含量显著增加。在麦汁煮沸过程中,从啤酒花中提取多酚,总多酚转移率为50%～70%(如对香豆酸、咖啡酸、绿原酸),黄腐酚以异黄腐酚的形式存在,4-乙烯基愈创木酚(4-vinylguaiacol,4VG)在煮沸过程生成[49]。此过程同时发生各种反应:啤酒花中多酚的提取、多酚-多酚和蛋白质-多酚键、多酚-多糖聚集、聚合化合物沉淀、水蒸发、蛋白质和多酚降解化合物的形成等。生成的热沉淀包含酒花废弃物和热吸附凝固物,经过回旋去除沉淀,总多酚含量降低。根据FUMI等[50]报道的,去除沉淀后全麦麦汁的多酚类物质显著减少,其中黄酮类化合物、单宁以及非黄酮类化合物分别减少89%、92%和22%。
3.3 发酵过程
在发酵过程中总酚含量整体下降,主要消耗的是单宁和黄酮类化合物,在全麦芽中它们分别减少47%和59%[50]。陈晓梦[51]指出在接酵母后,发酵前4 d总酚含量增加,可能与酵母代谢有关。升温后总酚含量逐渐下降,尤其是发酵第6天和第7天,下降最多。由于温度升高,大量冷凝固物的形成,以及啤酒酵母的发酵和还原导致多酚含量呈不断下降的趋势。由于酵母中阿魏酸酯酶的作用,阿魏酸含量在发酵过程中增加。4-VG含量在发酵阶段持续增加,在营养物质耗尽后4-VG含量依然增加,意味着脱羧酶在发酵后依然保持活性[49]。发酵过程多酚被酵母细胞吸附,随着酵母回收和排出含量降低。冷贮过程中形成的冷浑浊导致多酚损失。
此外,温度也可能影响最终啤酒的多酚成分。据报道,随着发酵温度的降低,多酚含量增加。与12 ℃发酵的啤酒相比,18 ℃发酵的啤酒中没食子酸、绿原酸和阿魏酸的浓度更高,而12 ℃发酵的啤酒中酪醇和香草酸的浓度更高。而且,酵母菌株的类型也会影响最终啤酒的酚类含量[52]。发酵阶段多酚还原的差异主要取决于发酵酵母,多酚尤其是单宁,能够与蛋白质和多糖(如酵母甘露蛋白)结合。而甘露蛋白的生产及其在发酵过程中的释放取决于特定的酵母菌株、营养条件和酵母的好氧/厌氧状态。
3.4 过滤过程
在过滤阶段,经由PVPP稳定化处理及Trap过滤技术的作用,多酚类物质的含量降低。Trap过滤器的主要功能在于辅助去除浑浊成分,特别是硅藻土微粒及PVPP。而PVPP则被专门用于减少酚类物质,从而有效减轻啤酒中的涩味并提升稳定性。
张晶晶[53]的研究结果显示,在向酒液中添入PVPP、硅胶及硅藻土进行处理后,酒液中的多酚类物质含量均呈现出不同程度的下降趋势。其中,PVPP的添加对总多酚的降低效果最为显著,平均降幅达到了30.2%。此外,不同聚合度的多酚与PVPP的反应程度亦存在差异,具体表现为中聚物的反应能力最强,其次是高聚物,低聚物最弱。另外,PVPP对酒液中总黄烷醇的平均吸附率为16%,且其对不同聚合度组分总黄烷醇的吸附能力也呈现出高聚物>中聚物>低聚物的顺序。
MCMURROUGH等[54]用50 g/(h·L) PVPP处理啤酒发现,总多酚、总黄烷醇、原飞燕素B3、原花青素B3、儿茶素和表儿茶素的比例分别下降了41%、74%、83%、71%、81%、76%。这些结果表明,PVPP对黄酮类化合物有很好的吸附作用。此外,MAGALH
ES等[55]发现酚类化合物在PVPP上的吸附平衡常数随着羟基数量的增加而增加。这在苯甲酸和肉桂酸衍生物中尤其明显,而黄酮类化合物的吸附常数比仅从它们的羟基数量中预期的要高。
总体而言,在啤酒酿造进程里,多酚含量于制麦与糖化阶段呈现上升趋势,而在发酵阶段以及后续贮存期间,多酚含量则出现显著下降。
4 结论
本文系统性地归纳了啤酒中多酚类物质的结构分类、来源、功能及其在酿造过程中的变化,深入探讨了多酚的抗氧化性能以及其健康功效。
多酚作为植物次生代谢产物,具备结构的复杂性与功能的多样性。从结构层面划分,多酚可分为酚酸、类黄酮、木质素及二苯乙烯等类别,其抗氧化性能取决于结构中羟基的数量及其位置。在啤酒中,酚酸和类黄酮是主要的多酚成分,对啤酒的抗氧化活性产生显著影响。啤酒中的多酚主要源自麦芽和啤酒花,这些成分对啤酒的口感、风味稳定性及泡沫稳定性均产生积极影响。在细胞和动物实验中,多酚类物质展现出了抗血小板凝集、抗炎、降血糖及降血脂等多种生理功能。在啤酒的酿造过程中,包括制麦、糖化、发酵及过滤等环节,多酚类物质的含量与组成均会发生变化。具体来说,制麦过程中多酚含量总体上呈现上升趋势,糖化过程中部分多酚会滞留于谷物中,发酵过程中多酚会被酵母吸附,而在过滤过程中因为PVPP的吸附作用,多酚类物质的含量则有所减少。
啤酒中的多酚类物质不仅对啤酒的口感和稳定性有着重要的影响,还具备多种对健康有益的特性。通过深入研究这些多酚类物质在酿造过程中的变化,不仅可以对多酚在啤酒中的贡献有更深刻的认识,而且可以更好地优化啤酒的生产流程,提升啤酒的整体质量和营养价值。
[1] MAGIERA A,
M E,OWCZAREK A,et al.Polyphenol-enriched extracts of Prunus spinosa fruits:Anti-inflammatory and antioxidant effects in human immune cells ex vivo in relation to phytochemical profile[J].Molecules,2022,27(5):1691.
[2] SERRA D,ALMEIDA L M,DINIS T C P.Dietary polyphenols:A novel strategy to modulate microbiota-gut-brain axis[J].Trends in Food Science &Technology,2018,78:224-233.
[3] 闫滨,张秋红,刘秀芳.植物中鞣质类化合物的化学研究进展[J].山东医药工业,2003,22(1):34-36.YAN B,ZHANG Q H,LIU X F.Advances in chemical research of tannins in plants[J].Shangdong Pharmaceutical Industry,2003,22(1):34-36.
[4] GOWD V,KARIM N,SHISHIR M R I,et al.Dietary polyphenols to combat the metabolic diseases via altering gut microbiota[J].Trends in Food Science &Technology,2019,93:81-93.
[5] WANNENMACHER J,GASTL M,BECKER T.Phenolic substances in beer:Structural diversity,reactive potential and relevance for brewing process and beer quality[J].Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety,2018,17(4):953-988.
[6] KARIM N,JIA Z Q,ZHENG X D,et al.A recent review of Citrus flavanone naringenin on metabolic diseases and its potential sources for high yield-production[J].Trends in Food Science &Technology,2018,79:35-54.
[7] NEVEU V,PEREZ-JIMÉNEZ J,VOS F,et al.Phenol-Explorer:An online comprehensive database on polyphenol contents in foods[J].Database,2010,201010.1093:database.
[8] MCDOUGALL G J.Phenolic-enriched foods:Sources and processing for enhanced health benefits[J].Proceedings of the Nutrition Society,2017,76(2):163-171.
[9] SZWAJGIER D.Content of individual phenolic acids in worts and beers and their possible contribution to the antiradical activity of beer[J].Journal of the Institute of Brewing,2009,115(3):243-252.
[10] CASTELLI V,GRASSI D,BOCALE R,et al.Diet and brain health:Which role for polyphenols?[J].Current Pharmaceutical Design,2018,24(2):227-238.
[11] HALAKE K,BIRAJDAR M,LEE J.Structural implications of polyphenolic antioxidants[J].Journal of Industrial and Engineering Chemistry,2016,35:1-7.
[12] ZHAO H F,CHEN W F,LU J,et al.Phenolic profiles and antioxidant activities of commercial beers[J].Food Chemistry,2010,119(3):1150-1158.
[13] ZHANG H,TSAO R.Dietary polyphenols,oxidative stress and antioxidant and anti-inflammatory effects[J].Current Opinion in Food Science,2016,8:33-42.
[14] WU M,LUO Q Y,NIE R X,et al.Potential implications of polyphenols on aging considering oxidative stress,inflammation,autophagy,and gut microbiota[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition,2021,61(13):2175-2193.
[15] AFSAR T,RAZAK S,ALMAJWAL A,et al.Bioassay-guided isolation and characterization of lead antimicrobial compounds from Acacia hydaspica plant extract[J].AMB Express,2022,12(1):156.
[16] SINOPOLI A,CALOGERO G,BARTOLOTTA A.Computational aspects of anthocyanidins and anthocyanins:A review[J].Food Chemistry,2019,297:124898.
[17] SHAH A,SMITH D L.Flavonoids in agriculture:Chemistry and roles in,biotic and abiotic stress responses,and microbial associations[J].Agronomy,2020,10(8):1209.
[18] RODR
GUEZ-GARCA C,S
NCHEZ-QUESADA C,GAFORIO J J.Dietary flavonoids as cancer chemopreventive agents:An updated review of human studies[J].Antioxidants,2019,8(5):137.
[19] EVTYUGIN D D,MAGINA S,EVTUGUIN D V.Recent advances in the production and applications of ellagic acid and its derivatives.a review[J].Molecules,2020,25(12):2745.
[20] CHIVA-BLANCH G,URPI-SARDA M,ROTCHÉS-RIBALTA M,et al.Determination of resveratrol and piceid in beer matrices by solid-phase extraction and liquid chromatography-tandem mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2011,1218(5):698-705.
[21] 于嘉琪,夏婷,王涿邯,等.啤酒中多酚和类黑精及其抗氧化功效研究进展[J].食品研究与开发,2022,43(13):203-209.YU J Q,XIA T,WANG Z H,et al.Polyphenols and melanoidins in beer and the antioxidant effect:A review[J].Food Research and Development,2022,43(13):203-209.
[22] WANG X P,YANG L,YANG X L,et al.In vitro and in vivo antioxidant and antimutagenic activities of polyphenols extracted from hops (Humulus lupulus L.)[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2014,94(8):1693-1700.
[23] 孔令雷,王海港,刘成娣,等.香草酸抗血小板聚集作用的体内外研究[J].中国药物警戒,2020,17(6):342-347.KONG L L,WANG H G,LIU C D,et al.Antiplatelet aggregation effect of vanillic acid in vitro and in vivo[J].Chinese Journal of Pharmacovigilance,2020,17(6):342-347.
[24] 罗欣,成鹏,陆茵,等.丁香酸调控胆汁酸代谢和肠道屏障改善胆汁淤积肝病的研究[J].南京中医药大学学报,2024,40(4):350-358.LUO X,CHENG P,LU Y,et al.Syringic acid improves cholestatic liver disease by regulating bile acid metabolism and intestinal barrier[J].Journal of Nanjing University of Traditional Chinese Medicine,2024,40(4):350-358.
[25] 左丽丽,霍明洋,赵峻秀,等.没食子酸对四氯化碳诱导小鼠肾损伤的保护作用[J].中国兽医杂志,2023,59(1):144-148.ZUO L L,HUO M Y,ZHAO J X,et al.Protective effects of gallic acid on carbon tetrachloride-induced renal injury in mice[J].Chinese Journal of Veterinary Medicine,2023,59(1):144-148.
[26] 潘敏,王晓莉,胡婷,等.原儿茶酸对子宫内膜异位症大鼠炎症反应及血管生成的作用机制研究[J].河北医学,2023,29(1):81-85.PAN M,WANG X L,HU T.Study on the mechanism of effect of protocatechuic acid on inflammatory response and angiogenesis in rats with endometriosis[J].Hebei Medicine,2023,29(1):81-85.
[27] 杨文涵.阿魏酸及其结肠代谢物抗增殖和抗衰老活性研究[D].广州:华南理工大学,2022.YANG W H.Research on anti-proliferative and anti-aging activities of ferulic acid and its colonic metabolites[D].Guangzhou:South China University of Technology,2022.
[28] 李婉君,何贻芳,李靓,等.对香豆酸对2型糖尿病血糖的治疗研究[J].养生保健指南,2021(13):53.LI W J,HE Y F,LI J,et al.Study on p-coumaric acid’s treatment of blood sugar in type 2 diabetes mellitus[J].Health Guide,2021(13):53.
[29] 薛迪,刘学伟,汪娜,等.芥子酸对Aβ42诱导PC12细胞损伤的改善作用及机制[J].中国药房,2022,33(5):597-601; 616.XUE D,LIU X W,WANG N,et al.Improvement effects of sinapic acid on Aβ42-induced injury of PC12 cells and the mechanism[J].China Pharmacy,2022,33(5):597-601; 616.
[30] 唐炜,叶鹏林,刘坤,等.咖啡酸对阿霉素心肌细胞损伤的保护作用及机制研究[J].安徽医科大学学报,2022,57(3):402-407.TANG W,YE P L,LIU K,et al.Protective effects of caffeic acid on adriamycin-induced myocardial injury and potential mechanisms[J].Acta Universitatis Medicinalis Anhui,2022,57(3):402-407.
[31] 朱来宇.黄腐酚通过AMPK/AKT/GSK3β途径激活Nrf2减轻对乙酰氨基酚诱导的急性肝损伤[D].长春:吉林大学,2024.ZHU L Y.Xanthohumol protects against acetaminophen-induced acute liver injury via Nrf2 activation through the AMPK/AKT/GSK3β pathway[D].Changchun:Jilin University,2024.
[32] 陈淑珍,许秋凤,王皇斌,等.儿茶素减轻小鼠肺泡巨噬细胞炎症反应的作用及机制研究[J].生物学杂志,2024,41(6):26-30.CHEN S Z,XU Q F,WANG H B,et al.Study on the anti-inflammatory effect and mechanism of catechin on mouse alveolar macrophages[J].Journal of Biology,2024,41(6):26-30.
[33] 赵三川,尹业鑫,王芳,等.葡萄籽原花青素改善动物生长性能和肠道健康的研究进展[J].中国饲料,2023(5):5-10.ZHAO S C,YIN Y X,WANG F,et al.Advances in grape seed proanthocyanidins to improve animal growth performance and intestinal health[J].China Feed,2023(5):5-10.
[34] 郭亚楠,蒋兵,郭红云,等.黄腐酚和异黄腐酚对逆转耐药细胞株A549/DDP凋亡的影响[J].甘肃医药,2021,40(1):1-4.GUO Y N,JIANG B,GUO H Y,et al.Effects of xanthohumol and isoxanthohumol on reversing the apoptosis of drug-resistant cell line A549/DDP[J].Gansu Medical Journal,2021,40(1):1-4.
[35] 沈彬,王松雪,张瑜,等.柚皮素对胰脂肪酶抑制作用的研究[J].食品研究与开发,2022,43(17):34-40.SHEN B,WANG S X,ZHANG Y,et al.Inhibitory effect of naringenin on pancreatic lipase[J].Food Research and Development,2022,43(17):34-40.
[36] 苏立杰,李国坤,陈淼焕,等.芹菜素对慢传输型便秘小鼠的通便作用[J].现代食品科技,2022,38(6):20-27.SU L J,LI G K,CHEN M H,et al.Laxative effect of apigenin on slow transit constipation mice[J].Modern Food Science &Technology,2022,38(6):20-27.
[37] 张卫辉,朱秋凤,张永静,等.槲皮素对仔猪生长性能、肠道抗氧化及免疫相关基因表达的影响[J].河南农业大学学报,2023,57(1):136-142.ZHANG W H,ZHU Q F,ZHANG Y J,et al.Effects of quercetin on growth performance and intestinal antioxidant capacity and immune related gene expression in piglets[J].Journal of Henan Agricultural University,2023,57(1):136-142.
[38] 曹丽睿,查玉杰,何庆.山柰酚对大鼠高原肺水肿的预防作用及机制研究[J].天津医科大学学报,2022,28(1):58-64.CAO L R,ZHA Y J,HE Q.Preventive effect and mechanism of kaempferol on high altitude pulmonary edema in rats[J].Journal of Tianjin Medical University,2022,28(1):58-64.
[39] 张令晖,张胜利,肖金华,等.鹰嘴豆芽素A对高脂血症大鼠的降血脂作用[J].中国生化药物杂志,2012,33(4):402-404.ZHANG L H,ZHANG S L,XIAO J H,et al.Antiatheroscloresis effects of biochanin A on hyperlipidemia rats[J].Chinese Journal of Biochemical Pharmaceutics,2012,33(4):402-404.
[40] 章毅,刘云峰,高璟英,等.染料木黄酮对大鼠胰岛素分泌的调控作用[J].中国药理学通报,2015,31(5):737-738.ZHANG Y,LIU Y F,GAO J Y,et al.Regulatory effects of genistein on insulin secretion from rat pancreatic cells[J].Chinese Pharmacological Bulletin,2015,31(5):737-738.
[41] 奚琳,王程,马艳红,等.大豆苷元减轻阿霉素心脏毒性的初步研究[J].徐州医科大学学报,2021,41(7):475-479.XI L,WANG C,MA Y H,et al.A preliminary study of the protective effects of daidzein against cardiotoxicity induced by doxorubicin[J].Acta Academiae Medicinae Xuzhou,2021,41(7):475-479.
[42] JAVID A Z,HORMOZNEJAD R,YOUSEFIMANESH H A,et al.Impact of resveratrol supplementation on inflammatory,antioxidant,and periodontal markers in type 2 diabetic patients with chronic periodontitis[J].Diabetes &Metabolic Syndrome:Clinical Research &Reviews,2019,13(4):2769-2774.
[43] PEJIN J D.Investigation of phenolic acids content and antioxidant activity during malt and beer production[D].Serbia:University of Novi Sad,2009.
[44] TRONINA T,
A.Flavonoids as phytoestrogenic components of hops and beer[J].Molecules,2020,25(18):4201.
[45] JERKOVIC V,CALLEMIEN D,COLLIN S.Determination of stilbenes in hop pellets from different cultivars[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2005,53(10):4202-4206.
[46] ARRIGONI R,BALLINI A,SANTACROCE L,et al.Another look at dietary polyphenols:Challenges in cancer preventionand treatment[J].Current Medicinal Chemistry,2022,29(6):1061-1082.
[47] CHENG Z,WANG Y H,LI B.Dietary polyphenols alleviate autoimmune liver disease by mediating the intestinal microenvironment:Challenges and hopes[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2022,70(35):10708-10737.
[48] EL-SAADONY M T,YANG T,SAAD A M,et al.Polyphenols:Chemistry,bioavailability,bioactivity,nutritional aspects and human health benefits:A review[J].International Journal of Biological Macromolecules,2024,277:134223.
[49] COGHE S,BENOOT K,DELVAUX F,et al.Ferulic acid release and 4-vinylguaiacol formation during brewing and fermentation:indications for feruloyl esterase activity in Saccharomyces cerevisiae[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2004,52(3):602-608.
[50] FUMI M D,GALLI R,LAMBRI M,et al.Effect of full-scale brewing process on polyphenols in Italian all-malt and maize adjunct lager beers[J].Journal of Food Composition and Analysis,2011,24(4-5):568-573.
[51] 陈晓梦.啤酒中游离酚酸介导的抗氧化活性研究[D].江苏:扬州大学,2015.CHEN X M.Study on antioxidant activity of free phenolic acids in beer[D].Jiangsu:Yangzhou University,2015.
[52] LASANTA C,DURN-GUERRERO E,DAZ A B,et al.Influence of fermentation temperature and yeast type on the chemical and sensory profile of handcrafted beers[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2021,101(3):1174-1181.
[53] 张晶晶.淡色lager啤酒中酚类物质解析及与品质相关性的研究[D].新疆:新疆农业大学,2022.ZHANG J J.Analysis of phenols in light lager beer and its correlation with quality[D].Xinjiang:Xinjiang Agricultural University,2022.
[54] MCMURROUGH I,MADIGAN D,KELLY R J,et al.The role of flavanoid polyphenols in beer stability[J].Journal of the American Society of Brewing Chemists,1996,54(3):141-148.
[55] MAGALH
ES P J,VIEIRA J S,GONÇALVES L M,et al.Isolation of phenolic compounds from hop extracts using polyvinylpolypyrrolidone:Characterization by high-performance liquid chromatography-diode array detection-electrospray tandem mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2010,1217(19):3258-3268.