花青素的提取方法及應用研究進展

李小東，王鈺，效碧亮，巨婷婷，李剛剛

(蘭州理工大學 技術工程學院，甘肅 蘭州 730050)

花青素(Anthocyanidin)，又名花色素，為3，5，7-三羥基-2-苯基苯并吡喃陽離子結構，是一種廣泛存在于自然界植物中的水溶性天然色素，同時也是構成花瓣和果實顏色的主要色素之一，屬于黃酮類化合物。花青素這個名稱是Marquart在1835年給車矢菊花朵中提取出的藍色物質命名的時候提出來的，并且沿用至今現在為同類物質的統稱[1]。

1947年法國波爾多大學(University of Bordeaux)馬斯魁勒首次在給牲畜吃的花生皮和花生仁的包衣中發現了一種沒有毒的非常苦澀的“神秘物質”，這種“神秘物質”就是花青素。花青素主要以糖苷的形式存在于許多植物的細胞液中，之后花青素被科學家陸續在藍莓、茶葉、葡萄等植物中發現。花青素與糖類以糖苷鍵結合而形成的一類化合物叫做花色苷，是1835年被Marquart首次提出來的[2]。目前為止，在化學上已經被發現的花青素有20多種，其中的車矢菊色素、天竺葵色素、飛燕草色素、錦葵色素、芍藥色素、牽牛花色素是以糖苷為主要存在形式的常見的可食用的花青素。

1 提取方法

花青素是一種極性化合物，既能溶于水，又能溶于有機極性溶劑，因此，以此作為基礎的花青素的提取方法主要有水提取法和溶劑提取法。

1.1 水提取法

劉強[3]在花青素提取工藝的研究進展中提到水提取法的優點是生產過程無毒無害，工藝流程簡單，水作為提取劑方便易得，價格便宜，不需要回收，便于實現規模生產的工業化。缺點是提取率低，提取周期長，原料利用率低，雜質含量大，浪費嚴重造成的經濟效益低。

1.2 溶劑提取法

溶劑提取法是將原料通過粉碎后加入提取溶劑進行浸提的操作，為了避免在提取過程中花青素被分解，有學者提出浸提之前把原材料低溫處理[4]；由于花青素在酸性條件下比較穩定，為了防止花青素分解，通常也會加入一些有機酸或者無機酸，例如甲酸、乙酸、鹽酸等。溶劑提取法作為目前工業上和實驗室應用較為普遍的提取花青素的方法之一，有較強的適用能力與靈活性，常以有機溶劑為有效的提取劑，目前常用的有機溶劑包括甲醇、乙醇等。

陳華等[5]以甲醇為提取溶劑對南果梨紅果皮中的花青素進行提取，最終確定的最佳工藝為在50 ℃，pH=4，0.1%的鹽酸-甲醇溶液以1∶4的料液比的條件下浸提2次共240 min，提取量可以達到40 mg 花青素/g原料。

劉振華等[6]以乙醇為提取劑優化黑枸杞中花青素的提取工藝時發現，在提取溫度為55 ℃，70%的乙醇溶液，物料比為1∶13提取2.5 h時，此時達到最大提取率0.424%。

溶劑提取法的優點是設備要求低，工藝簡便，操作簡單，提取效率相比水提取法要高。缺點是有機溶劑溶解的不止是花青素，還有其他物質所以導致提取出的產物含雜量大，提取時間長，相比于當下新的提取工藝，提取效率低；若將提取出的花青素用于食品工業時，則對所用溶劑的要求必須是無毒且最終產物純度高。

1.3 輔助提取法

1.3.1 微波輔助提取法 微波輔助提取法(Microwave assisted extraction)，簡稱MAE，作為一種新型的萃取技術在花青素的提取工藝中發揮著越來越重要的作用，這種方法的基本原理是在微波場中，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中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，進入到介電常數較小、微波吸收能力相對差的萃取溶劑中。

張曉靜等[7]利用微波輔助乙醇溶劑提取釀酒葡萄籽中的花青素時，實驗數據表明：微波時間5 min時，體積分數為70%的乙醇，料液比為1∶10(g/mL)，微波功率為600 W的條件下，釀酒葡萄籽原花青素的得率為5.09%。

賈士芳等[8]在不同方法提取玉米花青素的對比研究一文中對熱水浸提、直接酸解、微波輔助和超聲波輔助法4種提取方法對玉米穗花青素的提取的結果，結果表示：在4種方法所用的時間分別為720，360，7，40 min，提取溫度為65，60，40，50 ℃時，花青素的提取率分別為7.85%，12.11%，16.78%，18.42%。由此得出結論，微波提取法相比其他方法更具有優勢。

微波輔助提取法的優點是提取時間短，溶劑的消耗量比較少，穿透性、專屬性強、提取效率高等，由于以上優點，這種方法受到越來越多科研工作者的提倡與使用。但是這種方法必須以極性溶劑作為提取劑，設備費用高，所以在實際的生產過程中用的不多，目前多用于實驗室研究且在使用過程中一定要加強安全意識[4，9]。

1.3.2 超聲波輔助提取法 超聲波提取法的原理是利用超聲波具有的機械效應、空化效應和熱效應，通過增大介質分子的運動速度、增大介質的穿透力以提取生物有效成分。目前這一方法被廣泛應用于中草藥、植物油、植物細胞中多酚、多糖、等生物活性物質的提取。

付莉等[10]在紫茄皮紅色素超聲波提取工藝及其性質的研究中發現：當超聲波功率為150 W，以4.5%的檸檬酸為提取劑，料液比為1∶200時，在60 ℃下提取40 min達到最優提取工藝。顧紅梅等[11]在對紫薯中花青素的超聲波提取工藝中得出結論：料液比為1∶40時，以0.1%HCl∶95%CH3COOH=4∶6(體積比)為提取劑，在溫度為60 ℃下以40 Hz的頻率超聲波提取30 min，一次可達到89.45%的提取率。

這種方法的優點是利用超聲波的熱效應、強振動和強空化效應的特點加速了植物中花青素進去提取溶劑的速度，提取時間短、溫度低，效率高，設備簡單操作方便，對環境污染小，容易實現工業化等。缺點是此方法使用的有機溶劑過多，因此需要對有機溶劑進行有效的回收處理，減少對環境的負擔，另外有機溶劑多具有易燃易爆的特點，所以在實際的生產過程中必須考慮設備的安全性[3，4，12]。

1.3.3 其他提取方法 超臨界流體萃取(Supercritical Fluid Extraction)，簡稱SFE。這種方法是以超臨界狀態下的流體為溶劑，利用它的高滲透性和高溶解性來提取分離混合物的過程。在超臨界的狀態下，流體與待分離的物質接觸，使其有選擇性的將極性不同、沸點不同和分子質量大小也不同的物質依次萃取出來。然都對超臨界流體進行減壓、升溫的操作使其變為普通氣體，而被萃取的物質則自動地完全(或基本)析出從而達到分離提純的目的，并且將萃取和分離兩個過程合為一體[13]。目前常見的超臨界流體有二氧化碳、氨、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、乙醇和水等。而CO2由于對萃取分離有機溶液有利，且具有不燃不爆無毒，穩定廉價無腐蝕，化學性能良好還容易與萃取物質分離的優點越來越得到人們的關注[14]。

超高壓提取法是近年來廣泛受到關注的新的提取技術之一，因其具有耗時短，能耗低，溶劑消耗量少，雜質組分析出量少，環保等優點受到廣大科研工作者的青睞。

亞臨界水提取法，在374.2 ℃，22.1 MPa的高溫，高壓下，可以形成既不是液體又不是氣體的第四狀態，這種狀態被稱為“超臨界狀態”，此狀態下的水稱為“超臨界水”。溫度和壓力略低于超臨界狀態的溫度和壓力的水被稱為“亞臨界水”。這兩種狀態下的水都具有強烈溶解有機物和強分解能力等特點[15]。利用這些特點來提取有效成分的方法被稱為亞臨界水提取法。這種方法的優點是亞臨界水提取法是不使用酸、堿和催化劑的水在高溫高壓下的處理技術，因此這一方法又被稱之為“綠色的處理法”。此外，這種方法提取可以在數秒鐘到數分鐘的短時間內完成，故而具有可以進行連續處理的優點。

2 花青素的保健應用

2.1 花青素的抗氧化作用

因為花青素具有很好的抗氧化性，在藥品、食品等領域有著很大的應用空間。花青素的抗氧化原理實質上是其結構中的酚羥基和人體內的自由基分子發生反應生成一種半醌式自由基從而減少體內的自由基從而達到抗氧化的目的。并且花青素在人體內可以長時間存在，所以其在人體內對自由基的消除作用大大增強。

劉超[16]將從紫甘薯中提取的花青素與常見的抗氧化劑(抗壞血酸、α-生物酚、BHA)進行對比。最終的結果表明：花青素擁有著超強的清除超氧陰離子、羥基自由基和DPPH自由基的能力。陳健等[17]在對藍莓花青素提取液的抗氧化性進行研究時發現：藍莓花青素有比較強的清除DPPH自由基的能力，且隨著濃度的增加，對自由基的清除率也增加。當提取液的濃度達到0.3 mg/mL時，花青素對自由基的清除率最低可以達到85%。

2.2 花青素抗抑郁的作用

研究發現，富含花青素的植物或其提取物對抑郁癥癥狀有極好的改善作用。近年來，采用花青素對慢性應激模型動物進行直接的干預研究也證實：花青素具有抗抑郁的作用。戰麗等[18]在原花青素抗抑郁作用的研究進展中提到：在經典的小白鼠懸尾試驗和強迫游泳實驗中，對小白鼠急性給藥花青素60 min后發現：原花青素可以顯著拮抗強迫游泳實驗中的小鼠不動或絕望行為，顯著減少小鼠不動的時間抑制達27.7%。

2.3 花青素對神經系統疾病的作用

2.3.1 花青素對腦動脈粥樣硬化癥修復的作用 腦動脈粥樣硬化癥是腦血管疾病的重要發病基礎，其中血管壁膽固醇的積蓄和炎癥反復發作是腦動脈粥樣硬化癥產生與發展的主要環節，而葡萄籽原花青素(GSPE)對動脈結構具有修復和保護作用從而減少動脈粥樣硬化的形成[19]。

2.3.2 花青素對脊髓損傷恢復的作用 陳春梅等[20]發現原花青素可以提高脊髓損傷后的血清SOD活性，抑制MDA的含量，促進腦源性神經營養因子的表達。以上說明花青素可以促進脊髓損傷后運動功能的恢復。

2.3.3 花青素對神經系統其他疾病的作用 在病理性神經疼痛方面，鄧雪婷等[21]對大鼠坐骨神經慢性壓迫模型進行了研究，研究發現花青素對正常小鼠的基礎痛域并沒有明顯的影響，但是可以明顯抑制CCI導致的熱痛覺過敏，而且鎮痛作用持續的時間明顯長于嗎啡的持續時間，他們認為這可能和花青素的抗氧化自由基作用相關。

3 展望

花青素具有抗氧化、抗抑郁以及對神經系統保護等作用，廣泛存在于自然界植物中的物質，其種類多，來源廣，應用范圍大，保健應用領域寬。傳統的提取工藝有著能耗大、效率低、毒害大、設備費用高、操作危險等缺點，這些缺點決定它已經越來越無法滿足需求。因此，研究和推廣更多新型、高效、節能、綠色經濟的提取方式已經迫在眉睫。隨目前人們對花青素的應用領域的研究越來越廣，它的用途也會越來越多，研究更多種類的花青素的必要性也越來越大。因此花青素的提取及保健應用研究有著巨大的潛力。