花青素提取工藝研究及前景

張衛波 楊豆 呂寧

（陜西理工學院化學與環境科學學院，陜西漢中723001）

花青素提取工藝研究及前景

張衛波 楊豆 呂寧

（陜西理工學院化學與環境科學學院，陜西漢中723001）

本文對目前花青素傳統溶劑提取方法及加壓、微波、微生物發酵或酶解法、超聲波、亞臨界水輔助提取方法的相關研究進行了介紹，以此探討花青素作為飼料添加劑的應用前景，為花青素在動物飼料中的應用提供參考依據。

花青素；飼料添加劑；提取工藝

前言

花青素是一種天然紫色素添加劑，是目前科學界發現的防治疾病、維護人類健康最直接、最有效、最安全的自由基清除劑，其清除自由基的能力是維生素C的20倍、維生素E的50倍。花青素具有小分子結構，其基本結構包含二個苯環，并由一3碳的單位連結(C6-C3-C6)，屬于酚類化合物中的類黃酮類。

當前食品工業中所用的色素大多數是合成色素，從安全性上來說多少帶有毒性，若長期使用會危害人的健康，因此天然色素就逐漸引起了科研人員的關注。至今國內市場上仍缺乏花青素純品，因此對花色苷類色素的深入研究和開發有利于提取高純度的花青素，為實現大批量的工業生產提供了必備的表征條件和理論依據。目前，花青素主要用于人的的保健品，在動物飼料中的應用很少。本文介紹了花青素在國內外的一些常見以及新興的提取方法，并討論花青素將來作為料飼添加劑的前景。

1 花青素的提取方法

有機溶劑萃取法是用一種或幾種與水不相混溶的有機藥劑，從水溶液中選擇性地提取有用組分的浸出液處理方法。在提取過程中，有時還要在萃取劑中加入一些調節劑，以使萃取劑的性能更好。在提取黃酮類成分時，多用乙酸乙脂和水的兩相萃取。溶劑提取法是花青素較為常規的提取方法，提取溶劑多選擇甲醇、乙醇、丙酮、水或者混合溶劑等。

傳統的溶劑提取方法提取時間較長，生產效率較低，且熱溶劑容易造成花青素降解以及使其生理活性降低。目前，國外提取花青素的傳統方法是采用低溫(4～8℃)或者常溫(25℃)避光條件下用1%HCL甲醇溶液浸提16～20h，或者采用0.5%、1%的三氟乙酸的甲醇溶液，4℃條件下浸提24h。考慮到食品中會殘留甲醇的毒性，不利于應用到飼料添加劑上，也有用1%的HCL乙醇溶液代替甲醇溶液。有時為了避免酰基化的花青素水解，也可選擇用弱酸如酒石酸、檸檬酸等代替鹽酸。而國內則多采用熱溶劑(50～70℃)浸提1～2h的方法來提取花青素，溶劑可選擇不同濃度的醇溶液或酸化的水溶液。

有機溶劑萃取為全液過程，具有易分離、試劑易再生和操作安全等特點，發展相當迅速，在傳統工業生產中應用廣泛。但其主要缺點是部分試劑較昂貴，易乳化夾帶，成本較高。伴隨著科技的發

展，以及新興技術的不斷推出，該方法的應用已經呈現出逐漸下滑的趨勢。

加壓溶劑萃取，又稱加壓液體萃取、快速溶劑萃取，它是通過外來壓力提高溶劑的沸點，進而增加物質在溶劑中的溶解度以及萃取效率的。

Priscilla C等提取嘉寶果中的花青素，對加壓溶劑萃取、超聲輔助及索氏提取法進行對比，發現加壓溶劑法的提取效果最好。Fan等，研究表明，在80°C左右最有利于花青素的加壓溶劑萃取。同時樣品質量對加壓溶劑萃取的影響較大。隨著樣品質量增加，提取率逐步降低。

研究顯示，加壓溶劑萃取具有提取率高、有機溶劑用量少、快速、基質影響小、回收率高和重現性好，且自動化程度高、萃取過程密閉、對人體危害小、環境污染少等優點。但是，其經濟成本較高。加壓溶劑提取法允許了高溫提取，提高了分析物的溶解度，同時溶劑的使用仍會造成環境污染等問題，因此運用水試劑在加壓提取中是更好的選擇。

微波輔助提取是利用在微波場中，根據吸收微波能力的差異使得基體物質的某些區域或萃取體系的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質從基體或體系中分離，進入到具有較小介電常數、微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中。并且微波加熱也利用分子極化或離子導電效應直接對物質進行加熱。因此，該方法具有熱效率高、升溫快速均勻的優勢，大大縮短了萃取時間，提高了萃取效率。

目前，關于微波輔助提取法對花青素提取率影響因素的研究集中在微波功率、提取時間、溫度及料液比等。Liazid等利用微波輔助提取葡萄皮中的花青素，在提取時間5--15min之內，花青素含量都差別不大。超過30min以后，花青素含量降低。Li Yuan等的研究結果表明，隨著能量密度增加，花青素得率迅速增加，達到最高點后進入平臺期。楊華等選用微波提取方法從紫甘薯中提取花青素，采用兩種方法有效結合，克服了各自不足之處，使提取效果更佳。裴志勝等利用超聲一微波協同萃取法進一步優化了紫甘薯花青素提取工藝。

微波提取法具有設備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、節省試劑、廢液排放量少、操作簡單等特點。微波提取法目前己應用在一些生物活性物質的提取中，而其在花青素的提取中應用仍有待發展。但是其受生產安全性差、微波輻射泄漏隱患大等問題的困擾，令微波輔助溶劑萃取法目前尚不能大規模發展。

微生物發酵或酶解法將生物發酵技術應用于花青素的提取之中，是生物科學與化工生產之間的超強滲透與有效結合。此法是利用微生物或酶的作用將細胞壁成分降解，讓胞內的花青素成分迅速滲透擴散出來，以利于提取。

日本三榮化學工業株式會社最早用生物酶處理法得到一種含淀粉成分非常少的澄清色素液，國內韓永斌等叫發明了一種發酵法提取紫甘薯紅色素的生產工藝。Noriaki等利用發酵法得到富含紫苷薯花青素的飲料。

該方法的優點是操作穩定性及可靠性高，環境友好。并且，微生物發酵或酶輔助提取法與傳統方法相比明顯提高提取率且縮短提取時間，并減少有機溶劑的使用，降低成本。這類方法研究者大都是在實驗室進行研究的，尚未成熟以及缺乏相應的大規模生產設備。

超聲波是一種機械波，有效頻率一般在20～50kHz范圍。超聲波提取是將超聲波產生的空化、振動、粉碎、攪拌等綜合效應應用到天然產物成分提取工藝中，通過破壞細胞壁，增加溶劑穿透力，從而提高提取率和縮短提取時間，達到高效、快速提取細胞內容物的過程。超聲波提取不對提取物的結構、活性產生影響。

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，Lien等使用酸性乙醇提取紫甘薯花青素，發現超聲波輔助提取工藝可明顯提高提取率，并成功地建立了響應面法模型對萃取工藝進行了改進。鈕福祥等發現循環超聲波乙醇提取法提取紫甘薯花青素效果最好，并確定了最佳提取條件。

超聲波提取較傳統提取方法具有速度快、提取率高、溫度低、節約溶劑等多項特點，應用廣泛，

不受提取物成分極性、分子質量大小的限制，適用于絕大多數物質有效成分的提取。除此之外，該方法還具有操作簡單易行、提取料液雜質少、有效成分易于分離、純化等特點。綜合經濟效益顯著，是一種輔助傳統浸取，實現高效、快速、節能的現代高新技術之一。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。此方法目前還未廣泛應用，有待進一步發展，以實現其規模化生產。

在適度的壓力下，將水加熱到100℃以上、臨界溫度374℃以下的高溫，水仍然保持在液體狀態，它的極性會隨溫度變化而改變，這種水稱為亞臨界水。亞臨界狀態下流體微觀結構的氫鍵、離子水合、離子締合、簇狀結構等發生了變化，因此亞臨界水的物理、化學特性較之常溫常壓下的水在性質上有較大差別。常溫常壓下水的極性較強，亞臨界狀態下，隨著溫度的升高，亞臨界水的氫鍵被打開或減弱，從而使水從高到低萃取出來。

通過控制亞臨界水的溫度和壓力，使水的極性在較大范圍內變化，從而實現天然產物中的有效成分從水溶性成分到脂溶性成分的連續提取，并可實現選擇性提取。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固液萃取的3倍，且產品性能更優，不足之處是工藝條件要求較高。

由于亞臨界水萃取是以價廉、無污染的水作為萃取劑，因此，亞臨界水萃取技術被視為綠色環保、前景廣闊的一項變革性技術。未來將具有強大的競爭力。

2 前景

隨著我國人民生活水平的不斷提高，人們對食品安全問題日益重視。花青素作為飼料添加劑，不僅能提高動物生產性能，還是一類純天然、無殘留、無污染的天然綠色添加劑，此類飼料添加劑正是未來飼料行業發展的必然趨勢。

為了加快我國豐富的花青素資源的綜合開發利用，尋求新的高效、快速、方便、自動化分離方法，改進現有的生產提取分離技術顯得極為重要。有機溶劑萃取法簡單易行，但隨著科學技術的不斷發展，會慢慢被其他更高效環保的生產工藝所替代。加壓溶劑萃取法相關溶劑的使用造成的環境污染依然是限制其發展的主要因素。微波輔助提取法具有綠色環保，提取效率高，時間短等諸多優點。微生物發酵或酶解法操作穩定，可靠性高，節約藥品，并降低成本，可加大發展力度。超聲波輔助提取因其效益高且無污染的特點是近年來的研究熱點。亞臨界水提取環保無污染，擁有廣闊的發展前景。

新的提取分離方法如超高壓輔助提取、高壓脈沖電場輔助提取、高速逆流色譜技術等，為工業化提取花青素開辟了新的途徑。所以科研人員應該在著力于提取方法的優化的同時，注重設備的改革更新，使設備和提取工藝同步發展，為進一步提高花青素產量奠定基礎，使花青素在飼料中更好的發揮其作用。

（略）