紫薯色素提取工藝及其功能活性研究進展

趙二勞 Er-lao 閆 唯 高子怡 - 皇甫陽鑫- - 趙三虎 -

(忻州師范學院化學系，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]。紫薯肉質紫紅，外觀誘人，具有營養、著色和保健多重作用，廣受關注[2-3]。科學研究[4]表明，紫薯皮、紫薯肉都含有色素，花色苷類物質為其主要成分，具有較強的抗氧化、抗腫瘤、降血壓、降血脂、保護肝臟、延緩人體衰老等諸多生理活性功能，2012年被中國衛生部批準為中國食品添加劑新品種[5]。開發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、無毒，兼具營養保健功能的天然色素，對其的開發研究順應了這種需求。目前，有關紫薯色素的研究報道不少，但較為零散，不夠系統，且多集中于提取與穩定性上，對其功能活性及作用機理的研究相對較少。基于此，本研究梳理綜述近年來中國紫薯色素提取工藝及其功能活性研究進展，并展望其研究方向及應用前景，旨在為中國紫薯色素的研究和生產提供參考依據。

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[6]。楊陽等[7]以檸檬酸溶液為提取劑，響應面法優化得到紫薯花色苷最佳提取工藝條件：檸檬酸質量分數3%、料液比1∶40 (g/mL)、提取溫度63 ℃、提取時間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]研究了賴氨酸磷酸鹽水溶液提取紫薯色素，優化得最佳工藝條件：賴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、溶劑pH、提取溫度、提取時間以及料液比。不同研究者因設定的提取工藝參數不同，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，中國有關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備要求低，工藝簡單易操作、成本低、產品無毒等優點，但也存在提取時間長，提取效率低，所提色素純度差需進一步純化等問題。單純溶劑提取紫薯色素的工藝大有被淘汰的趨勢。

1.2 微波輔助提取工藝

微波輔助提取是利用紫薯中物質吸收微波能的能力不同，使紫薯細胞被微波選擇性加熱，導致其結構發生變化或被破壞，從而提高紫薯色素類成分溶出的速度[11-12]。余凡等[13]以提取液在450 nm處的吸光度值為指標，采用正交試驗的方法對紫薯色素微波輔助提取工藝進行了優化，確定的最佳提取工藝條件：以質量分數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)、微波時間15 min，此條件下提取液吸光度值為0.462，遠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，通過響應面法優化的最佳提取工藝條件：以質量濃度8.3 g/L檸檬酸為提取劑、微波功率732.6 W、微波時間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間，節能高效，其原因主要是微波能快速改變或破壞紫薯細胞，促進液固間色素的傳質，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；但微波功率增加的同時會使體系溫度增加，溫度過高，又會使部分色素分解，導致色素提取率下降。微波時間也會明顯影響體系溫度。因此，恰當選取微波功率、微波時間是采用微波輔助提取紫薯色素必須解決的關鍵問題。此外，微波輔助提取還具有操作簡便、加熱均勻、污染少等優點，但由于適于工業生產的微波設備研發相對滯后，目前紫薯色素的微波輔助提取僅囿于實驗室研究。

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生的空化、振蕩等效應，破壞植物細胞壁，提高細胞膜及細胞壁的通透性，增加溶劑穿透力，從而提高物質中有效成分的提取[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]利用響應面優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，并與加熱提取法進行了比較。結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 ℃、超聲時間20 min、提取次數2次，此工藝條件下紫薯色素提取量可達356.314 mg/100 g，與加熱浸提法相比，提取率提高了0.5倍，時間縮短了1/3。

綜上，超聲輔助提取紫薯色素工藝參數不同，色素提取率相差較大，這既與紫薯品種、產地和存放時間不同有關，也與紫薯原料的預處理方法有關，如文獻[19]在提取色素前，對紫薯原料進行了護色處理，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間，但較微波輔助法提取時間長，這與其作用機制有關。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、超聲時間也與體系溫度升高相關，因此，合理選擇超聲功率、超聲時間是采用超聲輔助提取紫薯色素必須考慮的關鍵問題。另外，超聲輔助法還具有快速高效、成本低、污染小、可有效避免長時間高溫對色素降解等優勢，解決工業化超聲設備研發及超聲噪音對環境的污染問題后，該工藝適于紫薯色素工業化生產。

1.4 酶解工藝

酶解工藝是利用酶反應高度專業性的特點，水解或降解紫薯細胞壁及細胞間質中的纖維素等，從而減少細胞壁、細胞間質等對紫薯色素的傳質阻力，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]對纖維素酶和果膠酶輔助提取紫薯花色苷的工藝進行了比較研究。結果表明，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、時間2 h，花色苷提取率為28.3 mg/100 g。鮑誠等[25]研究了α-淀粉酶與果膠酶復合酶法提取紫薯中花色苷，優化得最佳提取工藝：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間長，這與酶解作用機制有關，因酶分解紫薯細胞壁、細胞間質組織等使色素溶出的過程較為溫和、需要的時間較微波、超聲波作用長。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鍵問題。另外，酶解法操作簡便，副反應少，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研究。

1.5 協同輔助提取工藝

幾種方法協同輔助提取紫薯色素，可實現優勢互補，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 ℃、超聲時間35 min，該條件下紫薯花青素得率達2.003 mg/g。王宏茲等[30]研究了超聲-微波協同提取紫薯色素，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、微波時間7.5 min、料液比1∶20 (g/mL)。

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

體內過量自由基會導致機體細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機體免受損傷[31]。余凡等[13]研究了紫薯色素清除羥自由基能力，結果表明紫薯色素對羥自由基有明顯的清除作用，隨紫薯色素濃度的增加，對羥自由基清除率呈上升趨勢，存在一定的量效關系。何傳波等[32]則以VC為對照，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個方面考察了紫薯花色苷的體外抗氧化能力，結果表明，紫薯花色苷對DPPH自由基、超氧陰離子自由基和羥自由基的清除能力均強于VC。而紫薯花色苷總抗氧化能力為101.38 U/mg，強于VC的62.20 U/mg，說明紫薯花色苷具有較強的抗氧化活性。薛紅瑋等[33]比較了不同品種紫薯花色苷的抗氧化活性，結果表明，紫薯花色苷對DPPH自由基、ABTS 自由基的清除能力與BHT相近，強于葡萄皮和紫米花色苷的；對鐵離子的還原能力強于BHT，且遠強于葡萄皮和紫米花色苷，同樣表明紫薯花色苷具有較強的抗氧化活性。紫薯色素較強的抗氧化活性，主要源于其含有大量酚羥基官能團，這些官能團不僅可通過轉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，增強超氧化物歧化酶(SOD)，實現抗氧化。

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為主。李丹丹等[34]研究了紫薯色素對大腸桿菌的抑制試驗，結果表明紫薯色素對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多種細菌的抑制作用，發現紫薯花色苷對傷寒沙門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大腸桿菌的抑菌活性，發現紫薯花青素對大腸桿菌的生長有明顯的抑制作用，在紫薯花青素濃度為5 mg/mL時，對大腸桿菌生長的抑制率可達100%。另外，韓永斌等[37]的研究也證明紫薯花色苷對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，抑菌機制一種可能是紫薯色素中酚羥基可螯合與細菌細胞外膜穩定性相關的離子，破壞了細菌細胞膜完整性或改變了其細胞通透性，導致細胞內成分泄露，抑制了細菌細胞正常生長及代謝繁殖。另一種可能是紫薯色素中酚羥基可抑制DNA、RNA以及蛋白質等大分子的合成，從而影響細菌細胞生長，抑制細菌增殖。

2.3 抗癌防癌

癌癥是各種惡性腫瘤的統稱，它的可怕性就在于惡性腫瘤細胞生長分裂速度快于正常細胞，它能夠浸入到周圍正常組織細胞中，大量增殖蔓延，對人體造成無法挽回的傷害。因此，抗癌防癌的重要手段就是抑制腫瘤細胞的增殖。王關林等[38]的研究發現，紫薯花色苷能提高小鼠血清和皮膚中的谷胱甘肽過氧化酶與超氧化歧化酶的活性，同時能抑制小鼠肉瘤S180的生長，推斷紫薯花色苷能通過提高小鼠體內抗氧化能力抑制腫瘤細胞的生長。鮑誠[39]13指出，膳食紫薯花色苷，能明顯抑制腫瘤細胞增殖活性，當花色苷濃度達到200 μg/mL時，對腫瘤細胞增殖的抑制率可達75.7%。陳文超等[40]也指出，花青素能通過清除自由基、激活解毒酶活性、抑制腫瘤細胞增殖、誘導腫瘤細胞分化和凋亡等，從而抑制多種腫瘤細胞和組織的活性，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及各類脂蛋白含量。張慢等[42]的研究也表明，紫薯花青素對大鼠體質量、肝臟指數和脾臟指數的增加有一定抑制作用，可提高心臟指數；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；降低動脈粥樣硬化指數和肝組織中MDA的含量。這些結果表明紫薯花青素具有降血脂作用。鮑誠[39]53-58的研究表明，紫薯花色苷可通過抑制體內α-糖苷酶的活性抑制其對糖的分解，進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系。該研究通過對造模高血糖小鼠的試驗發現，紫薯花色苷對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。認為紫薯花色苷降血糖機理為抗氧化機理。

3 展望

目前中國對紫薯色素的提取研究還處于初級階段，有關紫薯色素中特定成分花色苷或花青素提取研究相對較多，而有關紫薯色素總體提取研究相對較少；有關紫薯色素常規提取方法研究較多，而有關紫薯色素的一些現代提取技術研究尚未見報道；有關紫薯花色苷功能活性的研究相對較多，有關紫薯色素總體功能活性的研究相對較少。因此，以后的研究應從以下幾方面進行：① 嘗試融合多種現代提取分離技術聯合用于紫薯色素的提取中，創新紫薯色素的提取工藝，由粗放型轉為精細型，實現紫薯色素的高效提取純化；② 應加大對紫薯色素功能活性及其作用機制的研究，從醫學方面研究紫薯色素對人體的作用，一方面為人們合理使用和膳食紫薯色素提供理論依據，一方面為將紫薯色素開發成功能化產品提供實踐技術和理論依據；③ 研究院所、生產與使用企業應強強聯合，加強紫薯色素產品的應用性研究，努力提高紫薯色素穩定性、水或油中的可溶性、使用的方便性和可靠性；④ 開展紫薯色素提取關鍵技術研究，推動紫薯色素功能性色素、食品添加劑以及化妝品配料等產品的產業化。有理由相信，不久的將來，紫薯色素的功能食品定會進入人們的日常生活，在促進人類健康中發揮其積極的作用。

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