中國黑米花色苷研究現(xiàn)狀及展望

王艷龍，石紹福，韓 豪，劉 新，李新生，2，3

（1.陜西理工學(xué)院 生物科學(xué)與工程學(xué)院，2.陜西省資源生物重點實驗室，3.陜西省黑色有機食品工程技術(shù)研究中心，陜西 漢中 723000）

黑米花色苷（anthocyanin）屬于黃酮多酚類化合物，是由花青素（anthocyanidin）與各種糖以糖苷鍵結(jié)合形成的糖苷，存在于黑稻的果實、莖、葉器官的細胞液中[1-2]。郭紅輝等[3]研究發(fā)現(xiàn)黑米成熟過程中會在種皮內(nèi)積聚形成大量花色苷色素，從而使其糙米呈現(xiàn)出棕紅色、紫紅色、紫黑色乃至黑色等顏色。曾盔等[4]研究發(fā)現(xiàn)，花色苷類物質(zhì)除了賦予植物豐富的色彩外，還具有抗氧化、抗炎、降血脂以及抑制腫瘤生成等生理功能，同時花色苷作為一種較為安全的天然色素，在食品工業(yè)也顯示出廣闊的應(yīng)用前景。鐘巖等[5]認為黑米的生理保健作用主要是與黑米中富含的黑米花色苷色素有關(guān)。由于食品加工業(yè)中常用的人工合成色素的安全性越來越多地受到人們的關(guān)注，因此，天然色素的開發(fā)研究已成為食品研究領(lǐng)域的熱點。隨著黑色食品的興起，以及黑米花青苷色素的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的實現(xiàn)，使食品工業(yè)對黑米花色苷的需求量日益增加，因此開展不同黑稻中花色苷種類的組成分析、花青苷的藥理學(xué)研究、黑米花色苷工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)及穩(wěn)定性等方面的研究就顯得十分必要了。本文就近年來我國黑米花色苷類色素有關(guān)研究工作做一綜述。

1 黑米花色苷組分研究

黑米花色苷是由花青素在自然狀態(tài)下與各種單糖結(jié)合而成的糖苷化合物，而且一般是幾種花色苷并存[6]。鐘麗玉等[7]以上海農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供的黑全梗91-53為材料，采用紙色譜，紫外-可見掃描及氣相色譜結(jié)合的方法，對黑米色素的分子結(jié)構(gòu)進行了鑒定。結(jié)果表明，黑米色素由5種化合物組成，已鑒別出2種分別是矢車菊花色素-3-鼠李糖苷和芍藥花色素-3-阿拉伯糖苷。蘇金為[8]用巖黑稻、巖紫糯 2個黑米稻品種糙米為材料，經(jīng)組分分離鑒定認為花青素-3-葡萄糖及花青素-3-鼠李葡萄糖可能是構(gòu)成色素的組分。夏效東等[9]用高效液相色譜法測定黑米皮提取物中花色苷的成分及含量。結(jié)果表明黑米皮提取物中矢車菊花色素-3-葡萄糖苷和芍藥花色素-3-葡萄糖苷的含量分別為25.7%和1.7%。Zhang等[10]對黑米提取物進行結(jié)構(gòu)解析，結(jié)果表明黑米提取物含有4種花色苷類化合物，分別是錦葵素、天竺葵素-3.5-二葡萄糖苷、矢車菊素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3，5-二葡萄糖苷，根據(jù)黑米色素的理化性質(zhì)分析，推斷黑米色素（苷）以花青素和翠雀素占主導(dǎo)。張福娣等[11]的研究結(jié)果表明，黑米花色苷的基本結(jié)構(gòu)與花青素-3-葡萄糖和花青素-3-鼠李葡萄糖相似。王慶等[12]采用等度洗脫的反相高效液相色譜法分析黑米皮花青素及其色素在人體內(nèi)的代謝轉(zhuǎn)化情況，結(jié)果表明黑米皮中花青素總含量約為2.31%，其中矢車菊素-3-葡萄糖苷占1.87%，芍藥素-3-葡萄糖苷占 0.44%。孔令瑤等[13]采用液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)（LC-MS）與毛細管電泳電化學(xué)檢測（CE-ED）對黑米色素進行定性分析，結(jié)果表明黑米色素組分分別是矢車菊素-3-葡萄糖苷和芍藥素-3-葡萄糖苷。Park等[14]采用高效液相色譜法和紫外可見分光光度法對花色素提取物進行定性、定量分析。結(jié)果表明黑米花青素包括矢車菊素-3-葡萄糖苷，花青素-3-葡萄糖苷，錦葵素-3-葡萄糖苷，天竺葵素-3-葡萄糖苷和飛燕草素-3-葡萄糖苷。其中矢車菊素-3-葡萄糖苷的含量約占95%，花青素-3-葡萄糖苷含量約占5%。Mikihlemori等[15]利用高效液相色譜法-光電二極管陣列檢測法（HPLC-PDA）和電噴霧質(zhì)譜法研究了黑米色素的組成和熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明黑米花色苷色素主要成分是矢車菊素-3-葡萄糖苷（572.47 μ g/g，占 91.13%）及花青素-3-葡萄糖苷（29.78 μ g/g，占4.74%）。Konishi[16]用 3%三氟醋酸溶液從紫黑米中提取花青苷，毛細管電泳顯示，紫黑米提取物中有一種花青苷，經(jīng)柱色譜純化后確定它為矢車菊素-3-葡萄糖苷。

綜上所述，以黑米、黑米皮或黑稻稈為實驗材料，色素提取物的組分有：矢車菊素-3-葡萄糖苷、矢車菊素-3，5-二葡萄糖苷、矢車菊素-3-鼠李糖苷、芍藥素-3-葡萄糖苷、芍藥素-3-阿拉伯糖苷、天竺葵素-3，5-二葡萄糖苷、錦葵素、錦葵素-3-半乳糖苷等8種。由于黑稻品種不同，材料處理方法不同，提取目的要求不同，市場流通的黑米提取物的花色苷成分也因此有所不同。目前對于不同黑稻品種中花色苷組分分析和比較方面的研究報道極少。

2 黑米花色苷的藥理學(xué)研究

黑米色素的主要成份是黃酮花色苷類化合物，具有多種生理功能[6]。胡秋林[17]以純化的黑米色素為材料，用小白鼠做動物營養(yǎng)實驗。結(jié)果表明黑米色素能提高其抗疲勞能力和抗缺氧能力。夏效東等[18]研究黑米花色苷提取物對ApoE基因缺陷小鼠動脈粥樣硬化晚期斑塊的影響。結(jié)果表明黑米花色苷提取物能顯著降低小鼠血清的總膽固醇、總甘油三酯以及低密度脂蛋白膽固醇水平，同時減少無名動脈處的斑塊面積，降低斑塊中基質(zhì)金屬蛋白酶的含量。表明黑米花色苷提取物能抑制小鼠動脈粥樣硬化晚期斑塊的進一步發(fā)展。楊靖亞等[19]認為花青素是黃酮類化合物，具有很好的抗氧化效果，能有效地抑制癌細胞的浸潤和轉(zhuǎn)移。秦玉等[20]觀察黑米花色苷提取物膠囊治療高脂血癥的臨床療效。結(jié)果表明黑米花色苷提取物膠囊具有明顯的輔助降血脂作用。胡艷等[21]研究黑米花色苷提取物對高脂膳食誘導(dǎo)大鼠肥胖的影響。結(jié)果表明黑米花色苷提取物能夠改善高脂膳食誘導(dǎo)的大鼠肥胖相關(guān)指標(biāo)。Hu等[22]用體外模型實驗證實黑米中提取花色苷與一種含已知比例的矢車菊-3-葡萄糖苷和花青素-3-葡萄糖苷的混合物的抗氧化活性和清除自由基能力相同；可通過抑制小鼠巨噬細胞中氧化氮合酶的表達來減少細胞毒性。這項研究表明，黑米中含有的抗氧化和抗炎特性的花色苷色素，在保健食品或功能性食品的配方應(yīng)用上具有很大的潛力。Itani等[23]對6個水稻品種（2種紅米，2種紫黑米和2種白米）的抗氧化活性和活性物質(zhì)的不同分布進行了比較。與白色去殼大米相比，紅色和紫黑色去殼大米的乙醇提取物具有較高的清除超氧陰離子和自由基能力。這些活性物質(zhì)大多存在于果皮和種皮，即米糠中。有色大米中多酚遠比白米豐富，而且其含量與其抗氧化作用是相關(guān)的。在紅色和紫色大米中，主要活性物質(zhì)分別是單寧酸和花青素。Zhang等[24]分析了黑米總抗氧化能力和清除活性氧自由基能力及其與總黃酮和花色苷含量的相關(guān)性。黑米的總抗氧化能力和清除自由基能力分別與其中的總黃酮和花色苷含量之間呈現(xiàn)極顯著（P＜0.01）正相關(guān)性，表明黑米的抗氧化作用與其中所含的黃酮和花色苷類物質(zhì)關(guān)系密切。

此外，黑米色素對鐵、酮、鋅等具有絡(luò)合作用。經(jīng)常食用黑米或黑米制品，就可補充鐵，從而防止缺鐵性貧血的產(chǎn)生。目前，其藥理學(xué)作用研究大多都處于動物試驗階段。由于黑米花色苷提取物成分復(fù)雜，它的藥理作用是某一種成分，還是某幾種成分聯(lián)合起作用還不十分清楚。

3 黑米花色苷的提取、純化研究

3.1 黑米花色苷提取研究

黑米色素提取受浸提時間、溫度、料液比、溶劑、pH值等諸多因素的影響。王銀定等[25]對影響黑米色素提取的因素進行正交試驗得到最佳的條件組合為浸提溫度40℃、浸提時間1 h、物料比 1∶50、浸提劑為 50%乙醇溶液。劉敬蘭等[26]研究了黑米色素的提取方法及酸度、溫度、光照等因素對其穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，在65℃左右，酸度越高，浸泡時間越長，提取量越大。以0.05 mol/L鹽酸溶液浸提2次，得色素膠質(zhì)，提取率約為5.0%。劉鋒等[27]將黑米加入浸提罐中用水在20～40℃靜置浸泡；分別加入乙醇溶液，并加熱到40～50℃；循環(huán)浸提、真空蒸餾濃縮、經(jīng)噴霧干燥得到粉末狀花色苷產(chǎn)品。趙權(quán)等[28]以黑米為原料，通過單因素試驗和正交試驗，最佳提取條件為75%乙醇溶液，料液比1∶8，溫度30℃，時間30 min，在此條件下提取2次，黑米花色素苷的浸提率可達94.40%。張名位等[29]采用的最佳工藝條件則為60%乙醇溶液、料液比1∶4、溫度60℃、時間4 h，在此條件下，1次浸提率達71.4%，2次浸提率達 13.63%，2次合計達85%以上。黃麗莎等[30]用乙醇-水作溶劑從黑稻稈中萃取黑米色素。結(jié)果表明在pH 2時，溫度70℃，時間60 min，60%乙醇溶液萃取的效果最好，萃取率為31.59%。曾盔等[4]以黑米為原料，研究了影響黑米色素提取率的因素（提取劑的種類、濃度、溫度、pH值、時間等）。結(jié)果表明以70%乙醇溶液（pH 2），在70℃，每次提取 90 min，提取率最高。張福娣等[11]研究了以膳食黑米為原料制取黑米色素的工藝步驟。采用正交試驗法獲得的最佳浸提溫度80℃，時間30 min，料液比1∶10，浸提劑為50%乙醇溶液。鐘巖等[5]對黑色素提取條件進行了研究，結(jié)果表明最佳提取條件為50%乙醇溶液，料液比1∶10，pH 1.0的條件下，80℃水浴中浸提30 min。

目前，黑米花色苷類物質(zhì)提取的材料主要有黑米、黑米皮和黑稻稈。一般選擇的提取溶劑主要有乙醇（多用50%～80%乙醇溶液）和少量的無機酸（鹽酸、硫酸等）或有機酸（檸檬酸、醋酸等）。花色苷存在于植物細胞的液泡中，被細胞壁、細胞膜包裹，為提高色素得率，常采用加熱、酶制劑（如淀粉酶、果膠酶、纖維素酶和蛋白酶等）、超聲波、機械破碎、微波、冷凍和脈沖電場等技術(shù)破壞細胞壁和細胞膜，提高組織細胞的滲透性，縮短提取時間，提高色素得率，改善產(chǎn)品的質(zhì)量。在應(yīng)用過程中常將這些輔助方法組合使用，能夠提高色素的得率，但是輔助技術(shù)的使用條件、能源消耗等問題還需要深入研究。

3.2 黑米花色苷的分離純化研究

可用于黑米花色苷分離純化的技術(shù)主要有大孔樹脂分離技術(shù)，凝膠色譜技術(shù)，高速逆流色譜技術(shù)，膜技術(shù)等。張名位等[29]以總抗氧化能力為活性跟蹤指標(biāo)，在去除黑米皮抗氧化提取物中的雜質(zhì)時，選用石油醚或正己烷進行脫脂處理。通過靜態(tài)與動態(tài)吸附性能比較，從8種大孔吸附樹脂中篩選出對黑米皮抗氧化活性物質(zhì)吸附性能最好的樹脂為NKA-Ⅱ，最佳解吸劑為70%乙醇溶液。經(jīng)NKA-Ⅱ吸附分離后，黑米皮抗氧化提取物的總抗氧化能力提高4.00倍，總花色苷含量提高4.01倍。張晴[31]通過大孔吸附樹脂精制后，黑米色素的花色苷含量可達23.7%，色價為83，純度遠遠高于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)。侯方麗等[32]比較了5種大孔吸附樹脂對黑米皮花色苷的吸附純化效果。結(jié)果表明AB-8大孔樹脂對黑米皮花色苷具有較好的吸附和解吸能力，是吸附純化黑米皮花色苷的最佳樹脂類型，其最佳工藝參數(shù)為：上柱液 pH 2，樣品質(zhì)量濃度1.0 mg/mL，吸附流速1.0mL/min，以70%乙醇為解吸劑，洗脫速度為1.0mL/min。

目前，采用大孔樹脂已成為黑米花色苷色素分離純化的主流。由于溶劑法提取的黑米色素液仍含有較多的糖、有機酸等雜質(zhì)，產(chǎn)品質(zhì)量差、穩(wěn)定性低，應(yīng)用困難。為獲得純度高、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，提取技術(shù)及純化方法還需進一步改進。

4 黑米花色苷的穩(wěn)定性研究

黑米花色苷穩(wěn)定性涉及到花色苷本身的結(jié)構(gòu)、濃度、質(zhì)量以及外界因素如光強度、溫度、pH值、二氧化硫、輔色劑、酶、抗壞血酸、糖及其降解產(chǎn)物、金屬離子和金屬離子綜合作用下的分子聚合、異構(gòu)和降解等因素的影響。王鋒等[2]認為花色苷的苷元（花青素）是2-苯基苯并吡喃陽離子結(jié)構(gòu)或黃烊鹽的多羥基和甲氧基衍生物。由于缺少電子而使它具有強烈的反應(yīng)性，加上母核上連接有多個羥基，使其不穩(wěn)定，花色苷的穩(wěn)定性發(fā)生變化的具體表現(xiàn)是顏色發(fā)生變化，黑米花色素褪色和失調(diào)嚴重影響了其應(yīng)用。李莉蓉等[33]用比色法研究了外界因素及5種殺菌工藝對黑米、黑大豆、黑玉米種皮花色苷穩(wěn)定性的影響。在避光、自然光和日光燈條件下穩(wěn)定性最好的是黑大豆花色苷，其次是黑米花色苷，最差的是黑玉米花色苷。在相同溫度條件下黑米和黑大豆花色苷的穩(wěn)定性較好，黑玉米花色苷的穩(wěn)定性較差。孔令瑤等[13]在色素結(jié)構(gòu)改造方面，研究了補充輔色素、脂酰化、與某些金屬離子絡(luò)合和與花青苷結(jié)合進行糖基轉(zhuǎn)化等可使黑米花色素穩(wěn)定性提高。食品中的護色主要就是利用花色苷的共色保護作用實現(xiàn)的。這些研究對于改善色素的穩(wěn)定性及其在食品加工中的應(yīng)用具有重要意義。

提高花色苷穩(wěn)定性，主要采用使花色苷色素處于酸性環(huán)境，盡量避光，在較低溫度下貯存、添加合適的穩(wěn)定劑等。在色素結(jié)構(gòu)改造方面，研究的主要內(nèi)容包括補充輔色劑、脂?；⒔饘匐x子絡(luò)合和與花青定苷結(jié)合進行糖基轉(zhuǎn)化等，使黑米色素穩(wěn)定性提高。但黑米花色苷在食品和醫(yī)藥工業(yè)應(yīng)用中的穩(wěn)定性問題仍需深入研究。

5 展 望

總之，黑米花色苷類色素作為一種天然食用色素，安全、無毒、無異味、色彩鮮艷、資源豐富，而且具有一定的營養(yǎng)和藥理作用，在食品、醫(yī)藥、化妝品等方面有著較大的應(yīng)用潛力。但黑米花色苷類色素的工業(yè)化生產(chǎn)尚處于起步階段。

目前，對于不同黑稻品種中花色苷組分的分析和比較方面的研究報道較少；藥理學(xué)作用研究大多都處于動物試驗階段，其藥理作用是某一種成分，還是某幾種成分聯(lián)合起作用還不十分清楚；為獲得純度高、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，還需對黑米花色苷提取技術(shù)及純化方法進一步改進。

弄清不同黑稻品種中花青苷的種類、分布和含量，篩選花色苷含量高、穩(wěn)定性好的黑稻品種，闡明黑米花色苷的藥理作用，開發(fā)新的提取、分離純化技術(shù)，以便更好的去除雜質(zhì)提高色素品質(zhì)，解決黑米色素應(yīng)用的穩(wěn)定性等問題仍然是今后研究的重點。

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