花色素研究進展

白海娜，王振宇，2

（1.哈爾濱工業(yè)大學 食品科學與工程學院，哈爾濱 150090；2.東北林業(yè)大學 林學院，哈爾濱 150040）

花色素（anthocyanidin）又稱“花青素”，均指不帶糖苷的母體，接上各種糖苷基后，則成為花色素苷或花色苷（anthocyanin），是花色素的衍生物，花色苷經水解后成為花色素，在自然界中所出現的萬紫千紅顏色，均是花色苷所致，而其生理作用則取決與母體花色素?；ㄉ帐亲匀唤缱钪匾囊环N水溶性的色素之一，分布于27個科，72個屬的植物中。花色苷不僅賦予植物鮮艷的顏色以利于授粉和種子傳播、抵抗植物蟲害以及預防植物的紫外線照射損傷，而且對于人類具有許多生理保健功能，如清除體內自由基［1］、抗腫瘤［2－3］、抗癌［4］、抗炎、抑制脂質過氧化［5－6］等。

1 花色苷概述

1.1 花色素

花色素是一類廣泛存在于植物中的水溶性色素，來源于不同種水果和蔬菜，如紫甘薯、越橘、酸果蔓、藍莓、葡萄皮［7］、黑加侖、黑米和紅甘藍等，顏色從紅到紫。

花色素的基本結構為2－苯基苯并吡喃鹽，已知自然界存在的花色素有23種［8］，結構如圖1所示。最常見的有天竺葵色素（Pg）、矢車菊色素（Cy）、飛燕草色素（Dp）、芍藥色素（Pn）、牽?；ㄉ兀≒t）和錦葵色素（Mv）6種［9］。其中矢車菊色素約占自然界總花色素的50%，天竺葵色素約12%，飛燕草色素約12%，芍藥色素約12%，錦葵色素約7%，牽?；ㄉ丶s7%［8］。

1.2 花色苷

自然條件下游離的花色素極少見，3，5－碳位上常與一個或多個葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖等結合成糖配體，以糖苷形式存在，稱為花色苷（Anthocyanin）?；ㄉ罩械奶擒栈土u基還可以與一個或幾個分子的香豆酸、阿魏酸、咖啡酸、對羥基苯甲酸等芳香酸和脂肪酸通過酯鍵形成?；幕ㄉ眨壳坝谐^500種不同花色苷。

1.3 理化性質

花色苷的種類不同，其溶解性會有所不同，一般會溶于水或乙醇中，其色調隨經基（－OH）、甲氧基（－OCH3）、糖結合的位置及數目和花色苷的種類的不同而有所差別?；ㄉ盏奶卣餍再|即色調及穩(wěn)定性受pH變化的影響較大，其色調會隨pH變化，pH從強酸性至中性乃至堿性，花色苷的色調會從紅色變化至紫色乃至藍色。在強酸性環(huán)境中，花色苷主要以單一的黃烊鹽陽離子（flavyliulncation）的形式存在，呈穩(wěn)定的紅色。在弱酸性至中性溶液中，以脫水堿基陰離子（anbydro－base）存在，其最大吸收波長移向長波側，呈紫色。特別地，在堿性溶液中，以脫水堿離子（anbydrobaseanion）存在，呈藍色。脫水堿基不太穩(wěn)定，容易水化成無色的假堿基（pseudobase）?；ㄉ辗€(wěn)定性較差，為了使花色苷穩(wěn)定，必須想方設法防止它水解。

花色苷對光、氧化及熱的穩(wěn)定性，不同來源的花色苷有所不同，大多數花色苷對熱都不太穩(wěn)定，對光敏感，如石榴汁花色苷；也存在對光、熱穩(wěn)定的花色苷類，如紫甘薯花色苷、石榴皮花色苷等［10］。實驗證明，無機鹽、有機酸、糖及酚類對同一種花色苷有一定的濃色效果，而L－抗壞血酸及H2O2對一些花色苷起著褪色作用，在使用花色苷時要注意這一點。

1.4 分離、提取和純化的方法

1.4.1 分離鑒定方法的一般步驟

（1）利用酸化甲醇、乙醇［11］或丙二醇粗提花色素苷；（2）利用乙酸乙酯［12］對粗提的花色素苷進行初步純化；（3）利用離子交換吸附劑層析對花色素苷進一步的純化；（4）利用薄層層析和紫外分光光度計測定花色素苷物質的種類；（5）利用高效液相色譜儀對花色素苷的組份含量進行測定；（6）利用核磁共振及電子噴射質譜法對花色素苷物質的結構進行測定。

1.4.2 提取方法

（1）有機溶劑萃取法。這是目前國內外最廣泛使用的提取方法。多數選擇甲醇、乙酮、丙酮等混合溶劑對材料進行溶解過濾，通過調節(jié)溶液酸堿度萃取濾液中的花青素。國內吳信子［13］等用鹽酸－甲醇溶液提取，然后用紙層析法（中號）和柱層析法（聚乙酰胺）進行花色苷的分離。目前，有機溶劑萃取法已成功地應用于諸如葡萄籽、石榴皮、藍莓等絕大多數含花青素物質的提取分離。有機溶劑萃取法的關鍵是選擇有效溶劑，要求既要對被提取的有效成分有較大溶解度，又要避免大量雜質的溶解。該方法原理簡單，對設備要求較低，不足之處是大多數有機溶劑毒副作用大且產物提取率低。

（2）水溶液提取法。有機溶劑萃取的花青素多有毒性殘留且生產過程環(huán)境污染大，因此，使用水溶液提取應慎重。該方法一般將植物材料在常壓或高壓下用熱水浸泡，然后用非極性大孔樹脂吸附；或直接使用脫氧熱水提取，再采用超濾或反滲透，濃縮得到粗提物。它是Duncan和Gilmour（1998）發(fā)明的提取花青素的方法，此方法設備要求簡單，但產品純度低。

（3）超臨界流體萃取法。超臨界流體（supercritical fluid，SF）是指某種氣體（液體）或氣體（液體）混合物在操作壓力和溫度均高于臨界點時，使其密度接近液體，而其擴散系數和黏度均接近氣體，其性質介于氣體和液體之間的流體。超臨界流體萃取法（supercritical fluid extraction，SFE）技術就是利用超臨界流體為溶劑，從固體或液體中萃取出某些有效組分，并進行分離的一種技術。

超臨界流體萃取法的特點在于充分利用超臨界流體兼有氣、液兩重性的特點，在臨界點附近，超臨界流體對組分的溶解能力隨體系的壓力和溫度發(fā)生連續(xù)變化，從而可方便的調節(jié)組分的溶解度和溶劑的選擇性。超臨界流體萃取法具有萃取和分離的雙重作用，物料無相變過程因而節(jié)能明顯，工藝流程簡單，萃取效率高，無有機溶劑殘留，產品質量好，無環(huán)境污染。但是，超臨界流體萃取法也有其局限性，二氧化碳－超臨界流體萃取法較適合于親脂性、相對分子量較小的物質萃取，超臨界流體萃取法設備屬高壓設備，投資較大。

張瑞菊［14］等人用超臨界CO2流體萃取法，從苦參中提取黃酮類化合物操作簡單、活性成分保存好、提取物純度高，安全無毒，不存在溶劑殘留問題。

（4）微波提取法。微波提取是利用微波能來提高提取率的一種最新發(fā)展起來的新技術，它以微波穿透加熱的原理為基礎，即微波對物料為立體加熱，而常規(guī)方法大多為平面加熱。微波萃取具有設備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、重現性好、節(jié)省時間、污染小等。目前使用微波 提取法提 取紫甘薯［15］、石榴［16］、果 桑［17］中的花色苷。

（5）超聲波提取法。超聲波在20世紀50年代后逐漸應用于化學化工生產過程之中，且主要集中在植物中藥用成分、多糖以及其它功能性成分的提取等研究領域。超聲波是一種彈性機械波，利用超聲振動能量使細胞周圍和細胞內產生環(huán)流，提高了細胞壁和細膜的通透性，克服了熱浸法提取時間長，耗能大，很難有效破碎細胞，提取率低等缺點，有利于細胞內有效成分的提取。超聲波提取運用前景好、操作簡單、快速高效、生產過程清潔無公害。孟凡麗［18］等人采用超聲波提取法提取越橘果實中的花色苷提取溶液選擇0.1%HCl乙醇，時間30min，提取率比熱浸提法3h高。

（6）微生物發(fā)酵提取法。微生物發(fā)酵法利用微生物或酶讓含有花青素的細胞胞壁降解分離，使細胞胞體內花青素充分溶入到提取液中，從而增加提取的產率與速率。王振宇［19］采用微生物和纖維素酶降解大花葵細胞壁提取花青素就是可靠的研究實例。該方法的優(yōu)點是操作穩(wěn)定性及可靠性高，環(huán)境友好。I－Hsin Lee［20］等人利用曲霉菌，在不同培養(yǎng)條件下，測定發(fā)酵黑豆日本清酒曲的總酚和花色苷含量，發(fā)現在30℃發(fā)酵3天產生清酒曲含有最高量的多酚和花色苷。

（7）亞臨界水提取技術。亞臨界水提取技術是最近幾年來的新成果，它的具體做法就是在適度壓力下，將水加熱到100℃以上，臨界溫度374℃以下的高溫，使水的極性隨溫度的變化而改變，對原材料中的花青素進行提取。近兩年的研究實例有Luque－Rodriguez等人［21］采用動態(tài)過熱流體提取葡萄皮中的花青素，并優(yōu)化了最佳提取工藝。對比于其他提取方法，亞臨界水提取方法清潔、有效、花青素提取量為傳統動態(tài)固液萃取的三倍，且產品性能更優(yōu)，不足之處是工藝條件要求較高。

（8）聯合輔助提取。單一的方法在有利的同時肯定存在它的不足之處，實際生產應用過程中我們總期望達到最佳的產率與效益。因此，許多試驗者嘗試將不同的提取方法進行整合，各取其優(yōu)。例如王振宇等人［22］以大花葵為原料，采用CO2超臨界－超聲波聯用技術，用CO2超臨界裝置對材料進行預處理后，再進行超聲輔助提取獲得成功；朱洪梅等人［23］紫甘薯為原料，采用有機溶劑萃?。暡撚眉夹g，進行超聲輔助大大提高了提取率。

1.4.3 純化方法。目前，花青素的純化多采用液相萃取、固相萃取、薄板層析、柱層析、酶法、離子交換法、大孔樹脂法、膜分離和綜合技術法等。其中大孔樹脂吸附是近年來花青素提純最常用的方法之一［24］，而新的純化方法例如高速逆流色譜應用、電泳法還處于起步發(fā)展階段，但其方法的創(chuàng)新性與優(yōu)越性不容置疑。

2 展望

雖然超臨界CO2法、酶解法較傳統溶劑法有很多提高，但由于酶法、超臨界CO2法成本過高而產量低等原因，都不適合用于工業(yè)化生產。相反，超聲法、溶劑法不僅操作簡單快捷，而且由于提取用的溶劑只要控制合理，可以循環(huán)使用進行多次大批量生產，更加符合生產現實要求。如何在高效率、低能耗、安全、產品質量穩(wěn)定的條件下，用一些好方法對傳統方法進行改良，更好地將新科技成果朝生產轉化，是一個尚繼續(xù)深入研究的課題。

根據最近調查，我們能夠預測，花青素作為天然色素，在不同的產品中使用將顯著增加，具有很好的應用前景。考慮到這些分子對健康有益的作用，它們在食品和飲料行業(yè)將具有重要的價值。在不久的將來，更好的提取、純化方法，將對著色劑和標準品成本有影響，以及對設立新的用于食品產品質量控制方法，將具有重大的現實意義。

［1］李洋，欽傳光，牛衛(wèi)寧，等.幾種天然植物花色苷體外清除自由基活性比較研究［J］.食品科學，2009，30（7）：91－94.

［2］姜偉偉，任國峰.花色苷的抗腫瘤效應研究進展［J］.食品科學，2009，30（9）：281－284.

［3］張卓，周波.天然花色素類誘導腫瘤細胞凋亡機制研究進展［J］.國際腫瘤學雜志，2006，33（11）：813－815.

［4］于斌，余小平，易龍，等.黑米花色苷抑制人乳腺癌細胞促血管生成因子表達的機制［J］.營養(yǎng)學報，2010（6）.

［5］王霞，王花麗，孟宇竹.紫甘薯花色苷組分抑制小鼠肝脂質過氧化的研究［J］.食品工業(yè)，2009（1）：9－11.

［6］蔡花真，王霞.紫甘薯花色苷組分抑制小鼠肝、腎、心、脾脂質過氧化的研究［J］.食品工業(yè)，2009（4）：6－8.

［7］Liang Z，Wu B，Fan P，et al.Anthocyanin composition and content in grape berry skin in Vitis germplasm［J］.food chemistry，2008，111：837－844.

［8］Kong J，Chia L，Goh N，et al.Analysis and biological activities of anthocyanins［J］.Phytochemistry，2003，64：923－933.

［9］Clifford M N.Anthocyanins－nature，occurrence and dietary burden［J］.Journal of the science of food and agriculture，2000，80：1063－1072.

［10］Jaiswal V，Dermarderosian A，Porter J R.Anthocyanins and polyphenol oxidase from dried arils of pomegranate（Punica granatum L.）［J］.food chemistry，2010，118：11－16.

［11］Elisia I，Hu C，Popovich D G，et al.Antioxidant assessment of an anthocyanin－enriched blackberry extract［J］.food chemistry，2007，101：1052－1058.

［12］Chung H S，Shin J C.Characterization of antioxidant alkaloids and phenolic acids from anthocyanin－pigmented rice（Oryza sativa cv.Heugjinjubyeo）［J］.food chemistry，2007，104：1670－1677.

［13］吳信子，樸京一，張小勇，等.藍靛果花青素的分離與鑒定［J］.延邊大學學報（自然科學版），2001，27（3）：191－194.

［14］張瑞菊，張國英，孫海波，等.苦參中黃酮類化合物的超臨界提取及定性研究［J］.時珍國醫(yī)國藥，2009，20（7）：1764－1766.

［15］王琴，賴金蓮，王麗娟.紫甘薯花色苷色素提取方法的研究［J］.食品工業(yè)，2009（4）：24－26.

［16］李巨秀，王仕鈺，房紅娟，等.石榴花色苷的微波輔助提取及抗氧化活性研究［J］.食品科學，2010（18）.

［17］張朝紅，古月華，房紅娟，等.微波輔助提取果?；ㄉ盏墓に囇芯浚跩］.食品科學，2010（18）.

［18］孟凡麗，蘇曉田，矯天育.超聲波提取法在越橘果實花色苷提取方面的應用研究［J］.遼寧農業(yè)職業(yè)技術學院學報，2009，11（01）：21－22.

［19］王振宇，楊謙.微生物破壁法提取大花葵花色苷［J］.東北林業(yè)大學學報.2005（01）：62－65.

［20］Lee I，Hung Y，Chou C.Total phenolic and anthocyanin contents，as well as antioxidant activity，of black bean koji fermented by Aspergillus awamori under different culture conditions［J］.Food chemistry，2007，104：936－942.

［21］Luque－Rodriguez J M，de Castro M D L，Perez－Juan P.Dynamic superheated liquid extraction of anthocyanins and other phenolics from red grape skins of winemaking residues［J］.Bioresource technology，2007，98：2705－2713.

［22］王振宇，楊謙.CO2超臨界－超聲波聯用技術萃取花色苷工藝［J］.東北林業(yè)大學學報，2005，33（01）：83－84.

［23］朱洪梅，趙猛.超聲波輔助提取紫甘薯花色苷工藝研究［J］.陜西農業(yè)科學，2009（02）：3－5.

［24］李瑩，李才國.原花青素提取、分離純化方法的研究進展［J］.食品工程，2008，3（01）：9－11.