花青素作用及提取工藝

周貴鳳，李秋華，王金苗，吳秋婷，王祥霖，張 瑤

（四川民族學(xué)院農(nóng)學(xué)院，四川 康定 626001）

花青素，又叫花色素，易溶于水，主要由葉綠素轉(zhuǎn)化而來并儲存在植物液泡中[1]，是2-苯基苯并吡喃陽離子結(jié)構(gòu)的類黃酮物質(zhì)，性質(zhì)特殊，屬于類花色苷化合物，其3-羥基與各類單糖鍵合后可形成不同的花青苷，在酸性溶液中，特征吸收峰是520nm[2]，目前已知的花青素有20多種?；ㄇ嗨匾蛩鶐Яu基數(shù)、甲基化、糖基化數(shù)目、糖種類、連接位置及生化環(huán)境條件（如花青素濃度、共色作用、液泡中pH值等[3-4]）等因素影響而呈現(xiàn)不同顏色。

近年來，花青素提取工藝日趨完善，技術(shù)多樣，因其特殊的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，被主要運用于醫(yī)藥、保健品、化妝品[5]等領(lǐng)域，但在其他領(lǐng)域如天然食品防腐劑、色素和保健抗癌藥物、飼料添加劑等較為少見。本文總結(jié)了花青素的作用及其提取工藝，為進一步制備高純度有效的花青素及其在臨床上的開發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 花青素作用

1.1 花青素具抗氧化性和清除自由基能力

花青素還原性強，其清除自由基能力是VE的50倍、VC的20倍，表現(xiàn)出較強的抗氧化和清除自由基的能力。羥自由基氧化能力很強，在自然界中僅次于含氟氧化劑，其毒性強、難清除，還可能會造成機體組織器官的損傷，如家禽肉質(zhì)變質(zhì)很大程度上是由于自由基生成過多造成。因此，研究花青素的抗氧化性及清除自由基的能力顯得尤為重要。為此，不少研究者圍繞花青素也做了大量工作。

如趙紅巖[6]采用水楊酸捕獲法分析檢測紫薯中花青素對羥基自由基的清除能力，發(fā)現(xiàn)紫薯中的花青素與抗氧化劑2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚（BHT）具有相同的抗氧化活性；尹艷等[7]在明膠膜材料中添加紫薯花青素能顯著提高膜的抗氧化活性，對食品氧化和食品變質(zhì)的研究具有重要意義；古榮鑫等[8]發(fā)現(xiàn)在一定相同濃度下，花青素相對于抗壞血酸更能清除自由基，當花青素濃度為5mg/ml時，其清除能力可達100%。

1.2 花青素具有抑菌作用

生活中大部分疾病的發(fā)生都與細菌關(guān)系密切。細菌可從各方面多角度影響人類的生活，如食物腐敗變質(zhì)，多數(shù)是因為食物表面或內(nèi)部的微生物分解了食物中的蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生小分子腐敗產(chǎn)物并降低食物的營養(yǎng)價值?；ㄇ嗨鼐哂幸欢ǖ囊志饔?，研究者們發(fā)現(xiàn)，不同物質(zhì)中提取的花青素在不同濃度條件下對不同細菌都呈現(xiàn)出一定的抑菌效果。如紫娟茶中花青素濃度達到10%～20%時，能有效抑制金黃色葡萄球菌及大腸桿菌的生長繁殖[9]；黑米麩皮的花青素粗提取物在不同的濃度下對紅色毛癬菌有較好的抑制作用[10]；此外，藍莓中提取的花青素對大腸桿菌也有明顯的抑制效果[11]。紫薯花青素對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度（MIC）為800mg/ml和200mg/ml，其抑菌效果與物質(zhì)濃度呈正相關(guān)[12]。

此外，在動物實驗中還發(fā)現(xiàn)，花青素不僅能不同程度地抑制細菌在體內(nèi)生長外，還可有效抑制體內(nèi)致炎因子，對抗炎作用也有一定療效。如花青素可阻礙促炎細胞因子、氧自由基及細胞黏附分子等基因表達，從而影響核轉(zhuǎn)錄因子KB及絲裂原活化蛋白激酶通路，并介導(dǎo)一氧化氮（NO）、環(huán)氧合酶-2（COX-2）的表達等[13]發(fā)揮抗炎作用。

1.3 花青素能增強免疫能力

花青素主要通過保肝、改善血糖和血脂異常、抗突變和抗癌等方面來提高機體免疫能力。許多研究表明花青素具有保肝的作用，如Suda等[14]研究證明給患有急性肝炎的大鼠飼喂含大量花青素的紫薯飲料后，可降低血清中谷氨酸-草醋酸轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸-焦葡萄糖酸轉(zhuǎn)氨酶的濃度，并在一定程度上能降低血清及肝臟中的硫化巴比妥反應(yīng)物和氧化脂蛋白的含量；而紫薯中花青素類相關(guān)成分可通過轉(zhuǎn)錄因子信號路徑誘導(dǎo)抗氧化、抗炎作用來抑制慢性肝損傷[15]，還能抑制α-葡糖苷酶的產(chǎn)生來降低小鼠體內(nèi)血糖，改善血脂異常情況，促進體內(nèi)糖脂代謝的良性循環(huán)，達到保護肝臟功能的目的[16-17]。癌癥的發(fā)生在一定程度上與腫瘤的入侵及腫瘤細胞數(shù)目有一定關(guān)系[18]，花青素可通過誘導(dǎo)細胞凋亡、干擾細胞分裂周期和擾亂信號級聯(lián)等方式抑制癌細胞的生長和增值[19]。有研究證實在紫甘薯中的花青素可降低人肝癌細胞SUN-387的活性，并表現(xiàn)出核固縮等凋亡特征[20]；而葡萄籽原花青素通過促進Bcl-2的表達和抑制Caspase-9的表達以減少骨細胞凋亡的發(fā)生[21]；詹瑋等[22]運用不同濃度藍莓花青素處理Hep G2細胞，與空白組對照，發(fā)現(xiàn)處理的癌細胞明顯受到抑制，且抑制效果隨濃度增加而增強；而王麗[23]用富含花青素主要成分Cy-3-glu的紫甘藍提取物飼料飼喂患腫瘤小鼠的試驗中也說明了花青素確實具有抑制癌細胞生長的作用。此外，還發(fā)現(xiàn)脾細胞在藍莓花青素的作用下能不斷增殖，并協(xié)同ConA促使小鼠脾細胞分泌干擾素及白細胞介素[24]，通過這兩種物質(zhì)能顯著增強機體的免疫能力，有效避免病原菌的侵蝕。

2 花青素提取方法

花青素在許多學(xué)者的研究和探索下，提取工藝日趨完善，技術(shù)多樣成熟，為花青素的提取打下堅實的基礎(chǔ)。目前，花青素的提取方法主要包括溶劑浸提法、超聲波提取法、微波萃取法、亞臨界水提取法等。提取方法由物質(zhì)中花青素的性質(zhì)決定，每種方法各有千秋，針對不同的實驗環(huán)境、實驗要求可以選擇適當?shù)奶崛》椒ǎ源_保提取的純度和高效性。

2.1 溶劑浸提法

花青素分子是高度的共軛體系，易溶于水、乙醇、甲醇等稀酸稀堿類極性溶劑，根據(jù)相似相溶的原理提取物質(zhì)中的花青素。雖然花青素能溶于水，但直接用水做溶媒進行提取工藝流程簡單，但由于提取效率不高、周期長，該法使用較少，目前主要通過有機溶劑作溶媒進行花青素的提取。如張振文等[13]在光照條件下運用單因素及正交實驗法進行試驗設(shè)計，發(fā)現(xiàn)木薯葉花青素在533nm波長下有最大吸收峰，當花青素提取液酸性甲醇料液比為1：20，在溫度60℃條件下作用4h，可得到含量為158.78mg/hg的木薯葉花青素；樊婷等[25]采用檸檬酸-乙醇法提取紫甘薯中花青素，探討了影響花青素提取量的各種因素，結(jié)果表明各因素對其有不同程度的影響，由小到大依次為反應(yīng)時間、作用溫度、檸檬酸濃度、料液比例，并發(fā)現(xiàn)強酸會導(dǎo)致花青素水解，影響花青素的品質(zhì)；而甲醇具有毒性，所以在食品、藥品等方面的應(yīng)用受到了很大的限制。李紅姣等[26]在研究桑葚花青素的提取工藝優(yōu)化時，在優(yōu)化工藝的前提下通過乙醇浸提桑葚花青素得率達6.90%，并在提取液pH=1的條件下能較好地保持花青素的穩(wěn)定性。有機溶劑浸提法具有操作簡便、成本低、提取效率高及可選提取劑廣泛等優(yōu)點，此方法的應(yīng)用也最為常見。但有機溶劑提取法耗時長效率低、雜質(zhì)含量高、易破壞熱不穩(wěn)定性物質(zhì)，造成環(huán)境污染等嚴重問題，目前主要與新型提取方式結(jié)合應(yīng)用，以提高得率[27]。

2.2 超聲波提取法

超聲波提取法主要是借助超聲波在液體中的空化、擾動、擊碎和攪拌等效應(yīng)來加速植物中有效成分的浸出提取，使花青素快速進入溶劑中，提高花青素提取效率[28]。近年來，超聲波提取法也被廣為使用，經(jīng)過實驗證明其能達到較好的效果。陳華國等[29]在紅布林花青素提取工藝研究中發(fā)現(xiàn)，在乙醇濃度為50%，超聲30.0min，鹽酸用量0.74%，溶劑用量1：11.4的條件下，花青素提取量能達到2118.2μg/g；黃紅雨等[30]分別用乙醇提取法和超聲波輔助提取法進行紫蘇葉中花青素的提取中，通過兩者對比，發(fā)現(xiàn)超聲波輔助提取法比乙醇提取法高0.37倍，提取時間縮短了88.67%，所需溫度條件減低，節(jié)約了消耗的成本。超聲波輔助提取法具在時間和溶劑用量上相比于其他提取方法具有很大優(yōu)勢，并且萃取效率得到了提高，避免了花青素高溫條件下易氧化分解的不足[31]，但該法需在一定的儀器設(shè)備和專業(yè)的操作技術(shù)為基礎(chǔ)上進行，對實驗條件要求較高，故還應(yīng)結(jié)合實際選擇合適的提取方法。

2.3 微波萃取法

微波輔助萃取技術(shù)主要利用不同物質(zhì)之間存在的介電常數(shù)的差異，利用微波的熱效應(yīng)對樣品和溶劑加熱，再根據(jù)物質(zhì)成份對微波的吸收能力不同，從而使得需要萃取的物質(zhì)在微波場中能從基體中分離出來，進入介電常數(shù)小、微波吸收能力差的萃取液中[5]，該方法主要運用于植物物料萃取精油和中草藥成分中多糖、黃酮等的提取。當然，目前也有部分學(xué)者用于物質(zhì)中花青素萃取具有較高的提取率。如許相雯[32]利用微波輔助萃取藍莓中的花青素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在最佳提取條件下，加拿大藍莓中花青素萃取率高達88.56%，并與熱回流萃取相比，微波萃取更有利于花青素的提取，且萃取率較為穩(wěn)定；薛宏坤等[33]采用遺傳算法-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化微波萃取藍莓中花青素得出最佳提取工藝，在微波強度155 W/g、萃取時間53 s、乙醇濃度56%、料液比1：30條件下，花青素萃取率為85.12%。此法較之曲面法，具有更強的預(yù)測和優(yōu)化能力，花青素得率優(yōu)化值高于曲面法的83.32%；唐杰等[34]用微波萃取提取藍莓果渣中花青素確定了最佳實驗條件：以酸性乙醇為提取劑，萃取時間70s、萃取功率560W、料液比1：20，花青素萃取量為2.98mg/g，此法充分提取出藍莓果渣中的花青素，提高了藍莓果渣的利用率，合理利用了資源，較之傳統(tǒng)的提取方法，對環(huán)境的污染程度更??；陳長應(yīng)等[35]通過微波萃取黑蕎麥中花青素，并用高效液相色譜法檢測到花青素含量在0.04～0.28mg/mL，回收率為99.0%～100.2%。微波輔助萃取法能耗低、效率高、簡便快速、環(huán)境污染小，在一定條件下，能夠充分滿足對花青素的提取要求，但微波輻射也易促進物質(zhì)中各組分的擴散速度而造成有效成分的降解，此外，提取時的溶劑濃度、溫度、pH值及固液比值等對花青素的萃取率具有很大影響，因此，使用該法提取花青素時需要注意把握好各環(huán)節(jié)實驗條件。

2.4 亞臨界水提取法

亞臨界水與常溫常壓下的水在性質(zhì)上有較大區(qū)別，它具有較強的溶解有機物能力和分解能力，類似于有機溶劑，利用其特性，可有效的提取植物中的有效物質(zhì)。鄧麗娟等[36]研究亞臨界水提取法提取黑枸杞花青素中，在料液比為1：30（g/ml），壓力為9 Mpa，溫度120℃條件下提取18 min，可得到含量為6 862.4 mg/kg的花青素。較之微波法，亞臨界水提法具有較高的得率，與傳統(tǒng)回流法比較，效果也很好。李超等[37]采用超聲強化亞臨界提取脫籽葡萄籽中原花青素，發(fā)現(xiàn)所得原花青素抗氧化能力顯著，此法與傳統(tǒng)的索氏提取法和熱回流提取相比，大大地縮短了提取時間，得到更多有效的原花青素。亞臨界水在適度的溫度和壓力條件下對中極性和非極性有機物具有一定的溶解能力，用之提取花青素，具有綠色高效、環(huán)保健康的特點，在很大程度上減少了提取液中其他物質(zhì)的清除過程，加之其具有提取時間短、提取效果好的優(yōu)點，在眾多的提取方法中，具有很大的推廣價值。但亞臨界水對溫度較為敏感，其極性會隨溫度變化而發(fā)生改變，因此，控制提取過程中的溫度控制就顯得尤為重要。

此外，還有酶解法[38-39]、超臨界流體萃取法[40]等?；ㄇ嗨匾资芡饨绛h(huán)境因素的影響，故其提取效率會因物質(zhì)種類、提取方法、理化環(huán)境等多種因素共同決定。如在紫茄皮花青素研究中就發(fā)現(xiàn)，青花素對溫度、酸堿度、光照極為敏感[41]，因此，在提取花青素的過程中，應(yīng)充分注意各項試驗條件對花青素提取率及其活性的影響。在適當情況下。另外，由于上述提取方法利弊不一，可根據(jù)實際情況將幾種方法結(jié)合起來，如酶解法聯(lián)合超聲波輔助法提取藍莓渣中的花青素[42]，利用各自優(yōu)點來提取花青素，可取得較好的成效。

3 結(jié)語

近年來，食品安全和藥物濫用問題備受社會關(guān)注?；ㄇ嗨鼐G色安全，它獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)賦予其多種生理功能，花青素分子質(zhì)量小，易溶于水，進入機體后可被機體快速吸收，并能穿過血腦屏障，對大腦和神經(jīng)組織起一定的保護作用，生物利用度良好[18]；再加上多數(shù)物質(zhì)中的花青素天然可食用，今后將其應(yīng)用于化妝品、保健品[5]、天然食品防腐劑、色素、保健抗癌藥物、飼料添加劑[43]，甚至于在獸醫(yī)臨床上改善屠宰后家禽肉質(zhì)、延長保質(zhì)期、增強動物免疫力等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。當然，對于花青素的提分離純化等方面研究我國起步較晚，多數(shù)企事業(yè)單位還處于較為傳統(tǒng)的提取方法，極大地制約了花青素資源的開發(fā)利用。通過最近幾十年的努力，隨著超高壓輔助提取、加壓溶劑萃取及高壓脈沖電場輔助提取等方法的應(yīng)用，為花青素產(chǎn)業(yè)化發(fā)展開辟的新的途徑，但如何進行高效、便捷、自動化分離、提純花青素還需進一步研究，有關(guān)花青素資源的開發(fā)利用還具有巨大的探索空間和發(fā)展?jié)撡|(zhì)。