甘薯紫色素及提取技術(shù)研究進展

肖海峻，施鵬飛，楊新建，田璐，王偉青

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院食品與生物工程系，北京102442）

甘薯紫色素及提取技術(shù)研究進展

肖海峻，施鵬飛，楊新建，田璐，王偉青

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院食品與生物工程系，北京102442）

紫薯色素主要含花青素類色素，它具有抗氧化、抗突變、減輕肝機能障礙與心血管疾病等作用。本文綜述了紫薯色素的有機溶劑提取法、超聲輔助提取法、微波提取法各自有缺點及最佳提取工藝參數(shù)以及產(chǎn)率的大小，綜合分析認為微波提取法效果最好。

紫色素；提取技術(shù)；研究進展

紫甘薯（purple sweet potato）屬旋花科一年生草本植物，是新近開發(fā)出的一類優(yōu)良特異的甘薯品種，其肉質(zhì)紫紅，外觀誘人，具有營養(yǎng)、著色和保健多重作用，引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文就紫薯色素的營養(yǎng)價值、應(yīng)用前景及其提取技術(shù)進行綜述，為進一步對該色素的開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 紫色素應(yīng)用前景

紫薯除含有普通甘薯具有的營養(yǎng)價值外，還富含硒元素和花青素。硒是一種人體必需的微量元素，與長壽有關(guān)；花青素對100多種疾病有預(yù)防和治療作用，被譽為繼水、蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質(zhì)之后的第七大必需營養(yǎng)素，是維護人類健康最直接、最有效、最安全的自由基清除劑，此外，花青素還能夠增強血管彈性，改善循環(huán)系統(tǒng)和增進皮膚的光滑度，抑制炎癥和過敏，改善關(guān)節(jié)的柔韌性等功能。基于以上原因，目前紫色素已廣泛地應(yīng)用在食品、化妝品及藥品行業(yè)。

1.1 食品行業(yè)

紫色素耐熱性好，能夠經(jīng)受食品工業(yè)上的巴氏法消毒，可以溶于醇和水溶液，因此，主要用作食品的紅色至紫紅色著色劑而添加到冰淇淋、奶制品、飲料、奶酪、水產(chǎn)品、果汁飲料、果凍、谷物等食品中。因?qū)儆谔烊粺o毒制品，故用量未作限量性規(guī)定，以滿足所需要的著色度為限。

1.2 化妝品行業(yè)

目前，化妝品中所使用的色素多為化學合成色素，長期使用會產(chǎn)生蓄積作用，對機體造成潛在的危害。有研究人員指出，化妝品中的色素可導致皮膚過敏、色素沉著甚至引發(fā)哮喘等。由于紫甘薯色素取自天然，不僅色彩鮮艷、自然、獨具魅力，而且還具有抗氧化、清除自由基能力等作用，含紫甘薯色素的護膚品可抑制由于紫外線照射產(chǎn)生的氧自由基導致過氧化物的生成，對改善皮膚炎癥、抗氧化等有一定的作用。因此紫甘薯色素可取代化學合成色素而廣泛應(yīng)用于化妝品行業(yè)。

1.3 藥品行業(yè)

在生產(chǎn)藥品中需要添加人工合成色素如芥菜紅、胭脂紅、靛藍等，使得藥品更加容易識別和區(qū)分。長期服用添加人工合成色素的藥品，會對人體有一定的危害。因此，可以使用天然紫色甘薯色素來代替合成色素生產(chǎn)有色藥片。

2 紫色素穩(wěn)定性的影響因素

2.1 pH

在酸性條件下，紫色甘薯色素呈深紅色，其吸光度隨時間的變化不大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；高溫和堿性條件能加速紫色甘薯色素的損失，即使回到原來的酸性狀態(tài)，也難以恢復；堿處理后，紫色甘薯色素的吸光度大幅度下降且吸收峰稍微發(fā)生向紫外方向移動。表明，紫色甘薯色素的結(jié)構(gòu)可能受到破壞。根據(jù)紫外掃描和紅外掃描結(jié)果推測，紫色甘薯花色素色澤的變化可能是由于其主體骨架由三環(huán)共面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三環(huán)不共面結(jié)構(gòu)[1-3]。

2.2 溫度

當pH為3時，該色素對熱表現(xiàn)出相對穩(wěn)定性，當pH為5時，且較長時間高溫，色素穩(wěn)定性有所下降，但下降幅度不大，說明其耐熱性較強。但隨溶液pH增大，色素對熱更為敏感，尤其當pH大于6時，色素的熱穩(wěn)定性明顯下降[1-3]。研究還表明，該色素粗提物的耐熱性比純提物的耐熱性要高得多[4]。

2.3 光照

紫色甘薯色素在pH為3的條件下，進行室內(nèi)暗處、室內(nèi)自然光、室外自然光和紫外光（20 W）等4個不同處理，均放置0、0.5、1、2 h后，其特征吸收峰不變，光密度的變化也很小，說明其光穩(wěn)定性特好[2]。色素粗提物的光耐受性非常理想，可能是因為色素粗提物中的糖、酸、多酚類物質(zhì)等可能與色素發(fā)生輔色效應(yīng)而使其穩(wěn)定性大大提高[4]。日光直射對色素性質(zhì)的影響與熱的作用相似，pH小于等于7時在可見光區(qū)仍有吸收，pH大于9時，褪色現(xiàn)象在光照2 d后開始出現(xiàn)。與紫葡萄、紫蘇、黑米、紫李和黑豆等所含的紅色素比較，紫色甘薯色素的光穩(wěn)定性最好[5]。

2.4 金屬離子

在pH 3時，Na+，Mg2+，Ca2+，Zn2+等金屬離子對紫色甘薯色素的穩(wěn)定性影響很小，Al3+，Cu2+，F(xiàn)e2+對色素的色調(diào)影響不大，而Fe3+，Sn2+對色素的穩(wěn)定性有影響。Sn2+的加入使色素液顏色加深并生成沉淀，F(xiàn)e3+的加入使其吸光度明顯上升，顏色向黃色變化[2，6]。

2.5 氧化劑和還原劑

紫色甘薯色素在氧化劑或還原劑存在時，顏色變化不大，但光密度有所變化，添加還原劑NaHSO3光密度增加1.3%；而增加氧化劑H2O2，其光密度則減少8.2%，可初步確定該色素抗氧化性相對較弱，而抗還原性較強[2]。

3 紫色素提取工藝研究進展

3.1 提取原料

目前，不同的學者選用的原料不同[7-10]，歸納起來就是兩種，一種是利用紫薯成熟的莖葉為原料，提取莖葉中的色素，還有一種以紫甘薯全粉為原料提取。研究表明，紫色甘薯的塊根和莖葉中均含有花青素，但塊根中含量非常高，而莖葉中的含量很少。在塊根中花青素的分布也不均勻，一般表現(xiàn)為塊根外層的含量高于內(nèi)層。紫色甘薯塊根外層（包括皮層和表皮，厚約0.5 cm）花青素含量幾乎是內(nèi)層的1.5倍[11]。

3.2 提取方法

提取紫色素的主要方法有有機溶劑提取法、超臨界提取法、微波萃取法及超聲-微波協(xié)同萃取法等幾種方法，每種方法都有各自的優(yōu)缺點。

3.2.1 有機溶劑提取法

有機溶劑提取法是一種常見的色素提取方法，該技術(shù)具有提取試劑便宜、設(shè)備簡單、操作簡單易行，提取效率高等優(yōu)點，但由于通過該法提取的某些產(chǎn)品存在純度較低和溶劑殘留等缺點，影響了其應(yīng)用范圍[12]。

有機溶劑提取法的工藝流程是：新鮮的紫薯→預(yù)處理→研磨→浸提→離心（去除固形物）→減壓濃縮→真空干燥→粗提產(chǎn)品→純化→精品，在提取過程中，影響紫色素提取率的因素包括提取時間、提取溫度、提取溶劑及溶液的pH。不同學者設(shè)定的參數(shù)值不用，因此獲得最佳提取工藝參數(shù)也不同。楊萍以紫甘薯莖葉為原料，采用單因素和3因素3水平正交試驗設(shè)計，研究結(jié)果認為紫薯色素最佳提取工藝參數(shù)是：最佳工藝條件為提取劑乙醇用量為60 mL、提取時間24 h、提取溫度50℃、提取液的pH為5[12]；而王玲通過正交試驗得出紫甘薯色素的最佳提取條件是：使用0.8%檸檬酸溶液作為提取劑，料液比1∶50，提取時間為4 h，溫度為60℃，浸提溫度和時間對紫甘薯色素的提取率影響較大，提取劑濃度、料液比的影響次之[7]。

3.2.2 超聲輔助提取法

近年來，超聲提取技術(shù)在植物有效成分提取中廣泛應(yīng)用[13-14]，該技術(shù)已應(yīng)用到紫甘薯色素提取中，該技術(shù)具有提取時間短、提取量高等特點，同時可防止提取物在長時間高溫或空氣暴露條件下發(fā)生降解、褪色等變化。

超聲技術(shù)提取法的工藝流程是：原料預(yù)處理（洗凈、切片、烘干、粉碎、過目）→花青素標準曲線的繪制→待測樣品中花青素含量的測定。在提取過程中，影響待測樣花青素含量的因素有提取時間、提取溫度和料液比。不同的學者設(shè)定的參數(shù)不同，田其英在單因素試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計響應(yīng)面對紫甘薯色素提取工藝進行優(yōu)化，得出采用超聲提取的最佳工藝參數(shù)是：提取時間40 min，提取溫度75℃，液料比10∶1，在此條件下，所得花青素提取率為1.70%[14]；而朱洪梅等在單因素基礎(chǔ)上，設(shè)計正交試驗（34）對提取時間、提取溫度和料液比進行優(yōu)化，認為最佳提取工藝參數(shù)是：提取溫度70℃，提取時間40 min，料液比1∶10[10]。

3.2.3 微波提取法

微波作為一種新興的應(yīng)用技術(shù)，近年在植物化學領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[15]，該技術(shù)具有穿透力和選擇性強、加熱效率高等特點；由于它是一種瞬時穿透式加熱方式，在微波場的作用下植物細胞被破壁，從而加快了萃取的速率和有效地提高了產(chǎn)品提取率[15]，同傳統(tǒng)方法相比具有提取率高、時間短、能源消耗小等優(yōu)點，但在提取過程中發(fā)現(xiàn)有大量雜質(zhì)一起提取出來，如核酸、蛋白質(zhì)等，使得花青素的純度不高。

微波提取工藝流程是：稱取紫甘薯粉→置于離心管中→加入料液比→微波處理→離心→取上清液→定容→紫外分光光度計測定含量。在微波提取技術(shù)中，影響紫色素提取率的主要因素是：提取劑、微波輻射功率、微波照射時間、料液比、pH。不同的學者設(shè)置不同的參數(shù)，楊華在單因素設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用四因素三水平的正交試驗對該提取工藝進行優(yōu)化，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)最佳提取工藝是：微波功率為700 W，微波時間5 min，液固比為22.5∶1，pH為2.5，采用該工藝提取紫色素，提取率為236.3 mg/100 g[16]。

3.2.4 超聲-微波協(xié)同萃取法

超聲-微波協(xié)同萃取技術(shù)具有能耗低、效率高、不破壞有效成分的特點[17]，已有報道應(yīng)用到紫薯紫色素提取方面。

超聲-微波協(xié)同萃取技術(shù)提取的工藝流程是：稱取一定量的紫薯粉→加入提取劑→超聲-微波協(xié)同萃取→離心→取上清液→濃縮后得紫薯色素→測定器含量。影響超聲-微波協(xié)同萃取法的主要因素是：超聲功率、微波功率、料液比、微波時間及pH。王宏茲在單因素的基礎(chǔ)上，應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化最佳工藝，得出最佳提取工藝參數(shù)是：超聲功率50 W，微波功率135 W，微波時間7.5 min，料液比1∶20[17]。

3.2.5 三種方法提取效率的比較研究

從以上分析可以看出，甘薯紫色素的三種提取方法各有優(yōu)缺點，且產(chǎn)率也不一樣。王琴等以紫甘薯全粉為原料，研究溶劑浸提法、微波萃取法和超聲波萃取法對紫甘薯花色苷色素提取效果的影響，結(jié)果表明：溶劑浸提法產(chǎn)率較低，提取時間較長；超聲波萃取法產(chǎn)率較高，但色素純度較低；微波萃取法是一種較好的提取方法，產(chǎn)率達5.94%，色價為8.7，其產(chǎn)率是溶劑浸提法的1.24倍，超聲波萃取法的1.04倍；其色價是溶劑浸提法的1.12倍，是超聲波萃取法的1.16倍[18]。胡夢琳等人采用微波和超聲波對紫薯色素提取方法進行對比研究，結(jié)果表明，微波提取最佳條件為溶劑50%酸化乙醇、料液比1∶10（g/mL）、輻射時間12 min、溫度75℃；超聲波提取最佳條件為溶劑60%酸化乙醇、料液比1∶30（g/mL）、超聲時間30 min、超聲溫度60℃，綜合分析微波和超聲波提取法，該作者認為在最佳條件下清除羥自由基，微波清除效率高，因此微波方法更優(yōu)[19]。

4 結(jié)束語

隨著人們生活水平的提高和食品安全意識的增強，食用色素的安全性問題已受到各國政府、生產(chǎn)廠家及消費者的普遍重視。在確認部分合成色素具有潛在的致畸、致癌及其他毒副作用后，不少合成色素在食品中的使用相繼在各國受到不同程度的限制，而天然色素作為安全的食用色素則日益受到消費者的青睞。紫色甘薯色素作為一種珍稀的新型天然色素資源，在食品、化妝品及醫(yī)藥等行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。在中國，紫色甘薯色素的研究和開發(fā)目前還處于起步階段。

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Research and Progress about Anthocyanins of Purple-Fleshed Sweet Potatoes

XIAO Hai-jun，SHI Peng-fei，YANG Xin-jian，TIAN Lu，WANG Wei-qing
（Department of Food and Bioengineering，Beijing Vocational College of Agriculture，Beijing 102442，China）

Purple fleshed sweet potatoes are ant hocyanin rich foods.Anthocyanin pigments of purple fleshed sweet potatoes show functions of anti oxidation and antimutagenicity，they also can prevent carbon tetrachloride induced acute liver dam age in t he rat and reduce the risk of coronary heart disease.The advantages and disadvantages of extracting methods such as organic solvent method and microwave and ultrasonic and the best technological parameter are summarized in this paper，and the results showed that microwave method are the best way according to the productivity.

anthocyanin；extracting methods；research and progress

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.19.037

2013-04-11

北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院博士基金“紫薯色素提取工藝研究”（XY-BS-12-06）

肖海峻（1966—），女（漢），教授，博士，研究方向：植物種質(zhì)資源的開發(fā)利用。