紫薯色素提取工藝及其功能活性研究進(jìn)展

趙二勞 Er-lao 閆 唯 高子怡 - 皇甫陽(yáng)鑫- - 趙三虎 -

(忻州師范學(xué)院化學(xué)系，山西 忻州 034000)

紫薯為旋花科甘薯屬一年生草本植物的塊根，是甘薯中新型特有的品種[1]。紫薯肉質(zhì)紫紅，外觀誘人，具有營(yíng)養(yǎng)、著色和保健多重作用，廣受關(guān)注[2-3]?？茖W(xué)研究[4]表明，紫薯皮、紫薯肉都含有色素，花色苷類(lèi)物質(zhì)為其主要成分，具有較強(qiáng)的抗氧化、抗腫瘤、降血壓、降血脂、保護(hù)肝臟、延緩人體衰老等諸多生理活性功能，2012年被中國(guó)衛(wèi)生部批準(zhǔn)為中國(guó)食品添加劑新品種[5]。開(kāi)發(fā)研究和食用天然色素已成為人們健康生活的基本需求。紫薯色素作為一種安全、無(wú)毒，兼具營(yíng)養(yǎng)保健功能的天然色素，對(duì)其的開(kāi)發(fā)研究順應(yīng)了這種需求。目前，有關(guān)紫薯色素的研究報(bào)道不少，但較為零散，不夠系統(tǒng)，且多集中于提取與穩(wěn)定性上，對(duì)其功能活性及作用機(jī)理的研究相對(duì)較少?；诖?，本研究梳理綜述近年來(lái)中國(guó)紫薯色素提取工藝及其功能活性研究進(jìn)展，并展望其研究方向及應(yīng)用前景，旨在為中國(guó)紫薯色素的研究和生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 紫薯色素的提取工藝

1.1 溶劑提取工藝

溶劑提取是一種傳統(tǒng)而又基本的紫薯色素提取工藝，它是利用紫薯色素在溶劑中的溶解性將色素提取出來(lái)[6]。楊陽(yáng)等[7]以檸檬酸溶液為提取劑，響應(yīng)面法優(yōu)化得到紫薯花色苷最佳提取工藝條件：檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、料液比1∶40 (g/mL)、提取溫度63 ℃、提取時(shí)間2 h，該條件下紫薯花色苷提取率為7.21 mg/g。石剛等[8]確定的紫薯色素最佳提取工藝條件：0.75%檸檬酸水溶液、料液比1∶25(g/mL)、提取溫度50 ℃、提取時(shí)間30 min，此條件下紫薯色素提取率為2.99 mg/g。李小艷等[9]研究了紫薯花色苷酸化乙醇提取，確定的最佳工藝條件：以pH為2的60%乙醇+鹽酸溶液為提取劑、料液比1∶40 (g/mL)、提取溫度74 ℃、提取時(shí)間84 min，此條件下花色苷得率419.529 mg/100 g。劉瑋等[10]研究了賴(lài)氨酸磷酸鹽水溶液提取紫薯色素，優(yōu)化得最佳工藝條件：賴(lài)氨酸磷酸鹽水溶液濃度2.0%、料液比1∶10 (g/mL)、溫度40 ℃、提取時(shí)間20 min，該條件下提取液色素的吸光度值為0.455，比相同條件下3%檸檬酸水溶液的提取效果更好(后者吸光度為0.423)。

綜上，影響紫薯色素溶劑提取的因素主要有溶劑種類(lèi)、溶劑pH、提取溫度、提取時(shí)間以及料液比。不同研究者因設(shè)定的提取工藝參數(shù)不同，得到的最佳提取工藝也不盡相同，紫薯色素提取率也有較大差別。目前，中國(guó)有關(guān)紫薯色素的溶劑提取工藝研究較多，工作較為充分，取得不少成果。與其它提取工藝相比，溶劑提取工藝具有設(shè)備要求低，工藝簡(jiǎn)單易操作、成本低、產(chǎn)品無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，但也存在提取時(shí)間長(zhǎng)，提取效率低，所提色素純度差需進(jìn)一步純化等問(wèn)題。單純?nèi)軇┨崛∽鲜砩氐墓に嚧笥斜惶蕴内厔?shì)。

1.2 微波輔助提取工藝

微波輔助提取是利用紫薯中物質(zhì)吸收微波能的能力不同，使紫薯細(xì)胞被微波選擇性加熱，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或被破壞，從而提高紫薯色素類(lèi)成分溶出的速度[11-12]。余凡等[13]以提取液在450 nm處的吸光度值為指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)紫薯色素微波輔助提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，確定的最佳提取工藝條件：以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%檸檬酸溶液為提取劑、微波功率75 W、微波溫度30 ℃、料液比1∶15 (g/mL)、微波時(shí)間15 min，此條件下提取液吸光度值為0.462，遠(yuǎn)高于普通室溫蒸餾水浸提24 h的(0.225)。陳小婕等[14]研究了紫薯花色苷微波輔助提取，通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化的最佳提取工藝條件：以質(zhì)量濃度8.3 g/L檸檬酸為提取劑、微波功率732.6 W、微波時(shí)間85.3 s、料液比1∶30.2 (g/mL)，此工藝條件下紫薯花色苷提取量為225.96 mg/100 g。蔣麗施等[15]也研究了紫薯色素的微波輔助提取，確定的最佳提取工藝條件：檸檬酸濃度7%、料液比1∶15 (g/mL)、微波功率80 W、微波時(shí)間2 min，該工藝條件下紫薯色素得率為108.45 mg/100 g。

綜上，微波功率顯著影響紫薯色素的提取率，微波輔助提取紫薯色素較溶劑提取法能顯著縮短提取時(shí)間，節(jié)能高效，其原因主要是微波能快速改變或破壞紫薯細(xì)胞，促進(jìn)液固間色素的傳質(zhì)，利于色素的溶出，這種作用隨體系中微波功率的增加而加強(qiáng)；但微波功率增加的同時(shí)會(huì)使體系溫度增加，溫度過(guò)高，又會(huì)使部分色素分解，導(dǎo)致色素提取率下降。微波時(shí)間也會(huì)明顯影響體系溫度。因此，恰當(dāng)選取微波功率、微波時(shí)間是采用微波輔助提取紫薯色素必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。此外，微波輔助提取還具有操作簡(jiǎn)便、加熱均勻、污染少等優(yōu)點(diǎn)，但由于適于工業(yè)生產(chǎn)的微波設(shè)備研發(fā)相對(duì)滯后，目前紫薯色素的微波輔助提取僅囿于實(shí)驗(yàn)室研究。

1.3 超聲波輔助提取工藝

超聲波輔助提取是利用超聲波產(chǎn)生的空化、振蕩等效應(yīng)，破壞植物細(xì)胞壁，提高細(xì)胞膜及細(xì)胞壁的通透性，增加溶劑穿透力，從而提高物質(zhì)中有效成分的提取[16-17]。李明智等[18]研究了紫薯中花色苷超聲輔助提取，確定的最佳工藝條件：以0.1% HCl-64%乙醇溶液(30∶70，體積比)為提取劑、超聲功率270 W、料液比1∶29 (g/mL)、超聲時(shí)間40 min，該條件下紫薯花色苷提取量為0.356 mg/g。姜文利等[19]利用響應(yīng)面優(yōu)化超聲輔助檸檬酸溶液提取紫薯中色素的工藝條件，得到的最佳提取工藝條件：以11.12%檸檬酸水溶液為提取劑、料液比1∶15 (g/mL)、超聲溫度67.60 ℃、超聲時(shí)間21.06 min，此條件下紫薯花色苷得率為24.351 8 mg/g。楚素平等[20]研究了超聲輔助酸化乙醇提取紫薯色素工藝，并與加熱提取法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明最佳工藝條件：鹽酸乙醇比0.14∶28.50 (體積比)、料液比1∶50 (g/mL)、提取溫度75 ℃、超聲時(shí)間20 min、提取次數(shù)2次，此工藝條件下紫薯色素提取量可達(dá)356.314 mg/100 g，與加熱浸提法相比，提取率提高了0.5倍，時(shí)間縮短了1/3。

綜上，超聲輔助提取紫薯色素工藝參數(shù)不同，色素提取率相差較大，這既與紫薯品種、產(chǎn)地和存放時(shí)間不同有關(guān)，也與紫薯原料的預(yù)處理方法有關(guān)，如文獻(xiàn)[19]在提取色素前，對(duì)紫薯原料進(jìn)行了護(hù)色處理，色素提取率就高。與溶劑提取法相比，超聲輔助提取法可明顯縮短提取時(shí)間，但較微波輔助法提取時(shí)間長(zhǎng)，這與其作用機(jī)制有關(guān)。即超聲波促使色素溶出的作用較溶劑快、比微波作用慢。超聲功率、超聲時(shí)間也與體系溫度升高相關(guān)，因此，合理選擇超聲功率、超聲時(shí)間是采用超聲輔助提取紫薯色素必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。另外，超聲輔助法還具有快速高效、成本低、污染小、可有效避免長(zhǎng)時(shí)間高溫對(duì)色素降解等優(yōu)勢(shì)，解決工業(yè)化超聲設(shè)備研發(fā)及超聲噪音對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題后，該工藝適于紫薯色素工業(yè)化生產(chǎn)。

1.4 酶解工藝

酶解工藝是利用酶反應(yīng)高度專(zhuān)業(yè)性的特點(diǎn)，水解或降解紫薯細(xì)胞壁及細(xì)胞間質(zhì)中的纖維素等，從而減少細(xì)胞壁、細(xì)胞間質(zhì)等對(duì)紫薯色素的傳質(zhì)阻力，提高提取率[21-22]。郭城[23]研究了纖維素酶法提取紫薯中花色苷，確定的最佳工藝條件：纖維素酶加入量0.9%、料液比1.3∶10 (g/mL)、提取溫度48 ℃、提取時(shí)間70 min，該工藝條件下紫薯花色苷色素提取率為1.975 1 mg/g。趙曉丹等[24]對(duì)纖維素酶和果膠酶輔助提取紫薯花色苷的工藝進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明，纖維素酶法最佳工藝：溫度30 ℃、料液比1∶55 (g/mL)、提取液pH 6.0、纖維素酶用量0.25 g/g、時(shí)間1.75 h，花色苷提取率24.8 mg/100 g。果膠酶法最佳工藝：溫度40 ℃、料液比1∶60 (g/mL)、提取液pH 6.0、果膠酶用量0.5 g/g、時(shí)間2 h，花色苷提取率為28.3 mg/100 g。鮑誠(chéng)等[25]研究了α-淀粉酶與果膠酶復(fù)合酶法提取紫薯中花色苷，優(yōu)化得最佳提取工藝：溫度50 ℃、料液比1∶15 (g/mL)、提取液pH 5.5、α-淀粉酶用量0.25%、果膠酶用量0.10%、提取時(shí)間3 h，該工藝下紫薯花色苷得率2.49 mg/g。

綜上，酶解提取紫薯色素較微波輔助法和超聲輔助法提取時(shí)間長(zhǎng)，這與酶解作用機(jī)制有關(guān)，因酶分解紫薯細(xì)胞壁、細(xì)胞間質(zhì)組織等使色素溶出的過(guò)程較為溫和、需要的時(shí)間較微波、超聲波作用長(zhǎng)。酶解提取紫薯色素所用酶主要是纖維素酶、α-淀粉酶與果膠酶，這些酶都有適宜的pH和溫度范圍，再加紫薯色素在不同pH、溫度下穩(wěn)定性不同，因此，合理選取、確定提取劑pH、提取溫度是采用酶解提取紫薯色素必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。另外，酶解法操作簡(jiǎn)便，副反應(yīng)少，能夠在很大程度上保證紫薯色素的活性，但因成本較高，目前該法僅用于科學(xué)研究。

1.5 協(xié)同輔助提取工藝

幾種方法協(xié)同輔助提取紫薯色素，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高色素的提取率[26-27]。劉潔等[28]研究了酶-微波輔助提取紫薯花青素，確定的最佳提取工藝條件：以0.3%鹽酸-90%乙醇為溶劑(體積比1∶1)，料液比1∶10 (g/mL)，纖維素酶用量3 mg/g，40 ℃下，先酶解15 min，再于微波功率600 W(溫度70 ℃)下提取7 min，此工藝條件下紫薯花青素提取率為2.758 mg/g，比單純酶法提取率(0.86 mg/g)提高了2.21倍，比僅微波法提取率(1.875 mg/g)提高了0.47倍。徐穎等[29]研究了超聲波輔助纖維素酶法提取紫薯花青素，優(yōu)化的提取工藝條件：以95%乙醇-01%鹽酸(體積比4∶6)為提取劑、料液比1∶36 (g/mL)、酶加入量2.50 mg/g·原料、溫度60 ℃、超聲時(shí)間35 min，該條件下紫薯花青素得率達(dá)2.003 mg/g。王宏茲等[30]研究了超聲-微波協(xié)同提取紫薯色素，確定的最佳提取條件：以0.5%鹽酸-95%乙醇為提取劑、超聲功率50 W、微波功率135 W、微波時(shí)間7.5 min、料液比1∶20 (g/mL)。

綜上，協(xié)同提取工藝盡管操作較繁瑣，卻會(huì)明顯提高紫薯色素提取率，縮短提取時(shí)間，究其原因與微波、超聲波及酶解的作用機(jī)制相關(guān)，它們的協(xié)同作用更能有效破壞紫薯細(xì)胞壁、細(xì)胞間質(zhì)組織，克服細(xì)胞壁及細(xì)胞間質(zhì)的雙重阻力，促使色素更快溶出，提高提取率。目前，中國(guó)這方面的研究不多，極有必要加大研究力度，創(chuàng)新紫薯色素提取工藝。

2 紫薯色素的功能活性

2.1 抗氧化性

體內(nèi)過(guò)量自由基會(huì)導(dǎo)致機(jī)體細(xì)胞或組織氧化損傷甚至致癌，抗氧化劑可清除自由基有效保護(hù)機(jī)體免受損傷[31]。余凡等[13]研究了紫薯色素清除羥自由基能力，結(jié)果表明紫薯色素對(duì)羥自由基有明顯的清除作用，隨紫薯色素濃度的增加，對(duì)羥自由基清除率呈上升趨勢(shì)，存在一定的量效關(guān)系。何傳波等[32]則以VC為對(duì)照，從DPPH自由基、超氧陰離子自由基、羥自由基清除率及總抗氧化活性4個(gè)方面考察了紫薯花色苷的體外抗氧化能力，結(jié)果表明，紫薯花色苷對(duì)DPPH自由基、超氧陰離子自由基和羥自由基的清除能力均強(qiáng)于VC。而紫薯花色苷總抗氧化能力為101.38 U/mg，強(qiáng)于VC的62.20 U/mg，說(shuō)明紫薯花色苷具有較強(qiáng)的抗氧化活性。薛紅瑋等[33]比較了不同品種紫薯花色苷的抗氧化活性，結(jié)果表明，紫薯花色苷對(duì)DPPH自由基、ABTS 自由基的清除能力與BHT相近，強(qiáng)于葡萄皮和紫米花色苷的；對(duì)鐵離子的還原能力強(qiáng)于BHT，且遠(yuǎn)強(qiáng)于葡萄皮和紫米花色苷，同樣表明紫薯花色苷具有較強(qiáng)的抗氧化活性。紫薯色素較強(qiáng)的抗氧化活性，主要源于其含有大量酚羥基官能團(tuán)，這些官能團(tuán)不僅可通過(guò)轉(zhuǎn)移氫原子或單電子直接清除活性氧和自由基，也可抑制氧化酶的活性，增強(qiáng)超氧化物歧化酶(SOD)，實(shí)現(xiàn)抗氧化。

2.2 抑菌和防腐作用

紫薯色素抑菌的研究目前仍以體外試驗(yàn)為主。李丹丹等[34]研究了紫薯色素對(duì)大腸桿菌的抑制試驗(yàn)，結(jié)果表明紫薯色素對(duì)大腸桿菌具有明顯的抑制作用，最小抑菌濃度(MIC)為5.0 mg/mL。蔣麗施等[35]研究了紫薯花色苷對(duì)多種細(xì)菌的抑制作用，發(fā)現(xiàn)紫薯花色苷對(duì)傷寒沙門(mén)氏菌和福氏志賀氏菌有明顯的抑制作用。古榮鑫等[36]采用涂布涂板法研究了紫薯花青素對(duì)大腸桿菌的抑菌活性，發(fā)現(xiàn)紫薯花青素對(duì)大腸桿菌的生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，在紫薯花青素濃度為5 mg/mL時(shí)，對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)的抑制率可達(dá)100%。另外，韓永斌等[37]的研究也證明紫薯花色苷對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑制作用。

紫薯色素抑菌能力也源于其含有大量酚羥基，抑菌機(jī)制一種可能是紫薯色素中酚羥基可螯合與細(xì)菌細(xì)胞外膜穩(wěn)定性相關(guān)的離子，破壞了細(xì)菌細(xì)胞膜完整性或改變了其細(xì)胞通透性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)成分泄露，抑制了細(xì)菌細(xì)胞正常生長(zhǎng)及代謝繁殖。另一種可能是紫薯色素中酚羥基可抑制DNA、RNA以及蛋白質(zhì)等大分子的合成，從而影響細(xì)菌細(xì)胞生長(zhǎng)，抑制細(xì)菌增殖。

2.3 抗癌防癌

癌癥是各種惡性腫瘤的統(tǒng)稱(chēng)，它的可怕性就在于惡性腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)分裂速度快于正常細(xì)胞，它能夠浸入到周?chē)＝M織細(xì)胞中，大量增殖蔓延，對(duì)人體造成無(wú)法挽回的傷害。因此，抗癌防癌的重要手段就是抑制腫瘤細(xì)胞的增殖。王關(guān)林等[38]的研究發(fā)現(xiàn)，紫薯花色苷能提高小鼠血清和皮膚中的谷胱甘肽過(guò)氧化酶與超氧化歧化酶的活性，同時(shí)能抑制小鼠肉瘤S180的生長(zhǎng)，推斷紫薯花色苷能通過(guò)提高小鼠體內(nèi)抗氧化能力抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。鮑誠(chéng)[39]13指出，膳食紫薯花色苷，能明顯抑制腫瘤細(xì)胞增殖活性，當(dāng)花色苷濃度達(dá)到200 μg/mL時(shí)，對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖的抑制率可達(dá)75.7%。陳文超等[40]也指出，花青素能通過(guò)清除自由基、激活解毒酶活性、抑制腫瘤細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞分化和凋亡等，從而抑制多種腫瘤細(xì)胞和組織的活性，起到防癌抗癌作用。

2.4 降血脂降血糖

高血脂、高血糖易引發(fā)一系列疾病，影響人體健康。因此降血脂、降血糖是保障人體健康的重要措施。楊旸等[41]的研究表明，紫薯花青素能使小鼠血清總膽固醇、高密度脂蛋白和甘油三脂含量顯著降低，血清低密度脂蛋白含量升高，即紫薯花青素能明顯改善小鼠血液中脂類(lèi)及各類(lèi)脂蛋白含量。張慢等[42]的研究也表明，紫薯花青素對(duì)大鼠體質(zhì)量、肝臟指數(shù)和脾臟指數(shù)的增加有一定抑制作用，可提高心臟指數(shù)；能降低高血脂大鼠血清總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、甘油三脂和載脂蛋白B水平；降低動(dòng)脈粥樣硬化指數(shù)和肝組織中MDA的含量。這些結(jié)果表明紫薯花青素具有降血脂作用。鮑誠(chéng)[39]53-58的研究表明，紫薯花色苷可通過(guò)抑制體內(nèi)α-糖苷酶的活性抑制其對(duì)糖的分解，進(jìn)而有效控制正常小鼠餐后血糖的升高。而且這種抑制作用與紫薯花色苷呈量效關(guān)系。該研究通過(guò)對(duì)造模高血糖小鼠的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫薯花色苷對(duì)高血糖小鼠有明顯的降血糖作用。紫薯花色苷濃度升高，降血糖功效越明顯。認(rèn)為紫薯花色苷降血糖機(jī)理為抗氧化機(jī)理。

3 展望

目前中國(guó)對(duì)紫薯色素的提取研究還處于初級(jí)階段，有關(guān)紫薯色素中特定成分花色苷或花青素提取研究相對(duì)較多，而有關(guān)紫薯色素總體提取研究相對(duì)較少；有關(guān)紫薯色素常規(guī)提取方法研究較多，而有關(guān)紫薯色素的一些現(xiàn)代提取技術(shù)研究尚未見(jiàn)報(bào)道；有關(guān)紫薯花色苷功能活性的研究相對(duì)較多，有關(guān)紫薯色素總體功能活性的研究相對(duì)較少。因此，以后的研究應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行：① 嘗試融合多種現(xiàn)代提取分離技術(shù)聯(lián)合用于紫薯色素的提取中，創(chuàng)新紫薯色素的提取工藝，由粗放型轉(zhuǎn)為精細(xì)型，實(shí)現(xiàn)紫薯色素的高效提取純化；② 應(yīng)加大對(duì)紫薯色素功能活性及其作用機(jī)制的研究，從醫(yī)學(xué)方面研究紫薯色素對(duì)人體的作用，一方面為人們合理使用和膳食紫薯色素提供理論依據(jù)，一方面為將紫薯色素開(kāi)發(fā)成功能化產(chǎn)品提供實(shí)踐技術(shù)和理論依據(jù)；③ 研究院所、生產(chǎn)與使用企業(yè)應(yīng)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，加強(qiáng)紫薯色素產(chǎn)品的應(yīng)用性研究，努力提高紫薯色素穩(wěn)定性、水或油中的可溶性、使用的方便性和可靠性；④ 開(kāi)展紫薯色素提取關(guān)鍵技術(shù)研究，推動(dòng)紫薯色素功能性色素、食品添加劑以及化妝品配料等產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。有理由相信，不久的將來(lái)，紫薯色素的功能食品定會(huì)進(jìn)入人們的日常生活，在促進(jìn)人類(lèi)健康中發(fā)揮其積極的作用。

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