紫甘薯及其花色苷的研究與開發進展

彭 強，高彥祥*，袁 芳

(中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

紫甘薯及其花色苷的研究與開發進展

彭 強，高彥祥*，袁 芳

(中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

紫甘薯含有花色苷、綠原酸、異綠原酸等功能成分，具有抗氧化、抗突變、保護肝臟、緩解高血壓、高血糖、高血脂、增強記憶、抗菌等生理功能。目前國內外已針對紫甘薯開發出一系列食品及食品工業原料，其生產及應用受到越來越多的關注，是一種很有發展前景的經濟作物。本文主要針對紫甘薯及其花色苷的理化性質、生理功能、開發應用及其發展前景加以概述，以期為紫甘薯資源合理開發利用提供參考。

紫甘薯；花色苷；理化性質；生理功能；開發應用

甘薯是世界十大主要糧食作物之一，中國是最大的薯類生產國，約占世界薯類生產總量的65%[1]。甘薯品種主要為白色肉質和黃色肉質，它們富含酚類物質和類胡蘿卜素，紫甘薯是日本率先開發的一種特殊品種，不過產量和花色苷含量均較低，長期以來未受到重視。1995年和2001年日本九州農業實驗站(KNAES)及日本九州沖繩島農業研究中心(KONARC)分別通過雜交育種得到了高色素含量、高產量的優良紫甘薯品種阿雅紫(Ayamurasaki，編號為九州113)和紫優(Marasakimasari，編號為九州132)[2-3]。許多學者對紫甘薯進行了廣泛研究，發現紫甘薯除具有良好色澤外，其抗氧化性也比其他甘薯高。之后日本九州大學、南九州大學以及KONARC相繼對紫甘薯的功能性質進行大量研究，通過體外實驗、動物實驗或人體臨床實驗研究發現紫甘薯具有多種生理功能，這使得人們越來越多的意識到紫甘薯的應用價值，并研發出各種紫甘薯食品。

我國自20世紀80年代就從日本引進了紫甘薯品種，并先后培育出適合國內栽培的紫甘薯新品種，如紫薯135、煙紫337黑薯、煙紫薯176、群紫1號黑薯、京薯16號、渝紫1號、徐薯4號等。目前我國東北、河北、山東、江蘇、廣西、廣東等省均有種植，紫甘薯及其色素的加工在國內也受到越來越多的關注。

1 紫甘薯及其色素的理化性質

紫甘薯塊根中的花色苷主要為咖啡酸、阿魏酸、對羥基苯甲酸等芳香族有機酸酰化的矢車菊色素和芍藥色素，不同紫甘薯品種所含花色苷的種類有所區別，其中在阿雅紫塊根中檢測到8種花色苷，另外紫甘薯塊根中還含有咖啡酰奎寧酸、抗壞血酸、生育酚等抗氧化活性成分[2]。花色苷的合成是在細胞質的內質網中完成的，合成后再轉運到液泡內，在液泡內均勻溶于細胞

液或者以球形包含物的形式分散于液泡[4]。紫甘薯花色苷是以球形包含物的形式存在于液泡中，包含物內含有一種相對分子質量約24000的蛋白質(VP24)，Nozue等[5-6]認為VP24在液泡內吸附花色苷并對其穩定性起到重要作用。體外實驗研究發現該蛋白很容易與紫甘薯花色苷相結合。

紫甘薯色素粉末呈紫黑色，稀酸液為鮮艷透亮的深紅色。易溶于水、甲醇、乙醇等，不溶于丙酮、乙酸乙酯、菜油、乙醚和石油醚，在酸性介質中，其最大吸收波長為520nm左右。紫甘薯色素在pH3時熱穩定性、光穩定性均較高，98℃條件下熱降解的半衰期為4.6h，光照條件下半衰期為6.5d[7]。但在較高pH值下色素穩定性明顯降低，這是因為隨著pH值的升高花色苷由紅色的黃钅羊鹽陽離子向無色的醇型假堿變化[8]。Al3+和Zn2+對紫甘薯色素具有護色作用，而Fe3+對色素具有破壞作用[9]。山梨酸鉀在食品使用濃度范圍內對色素穩定性幾乎沒有影響，NaCl可以提高紫甘薯色素溶液的吸光強度[10]。抗壞血酸對于紫甘薯色素具有先保護后又加速降解的作用，原因在于抗壞血酸本身對于紫甘薯色素具有輔色作用及抗氧化作用，但其降解產物對于紫甘薯花色苷的降解具有促進作用[11]。

小白鼠實驗及人體臨床實驗表明紫甘薯花色苷被攝入體內后能夠以完整的分子形式吸收進入血清并提高血清的抗氧化能力，這使得通過體外實驗所觀測到的生理功能也完全有可能通過血液達到預定部位從而在體內實現。不過阿雅紫的8種花色苷中只有矢車菊素-3-咖啡酰槐糖苷-5-葡糖苷(YGM-2)和芍藥素-3-咖啡酰槐糖苷-5-葡糖苷(YGM-5b)可以在人體尿液中檢測到[12]。

2 紫甘薯的功能性質

2.1 抗氧化

人體代謝過程會產生各種自由基，過量的自由基會攻擊蛋白質、脂肪和DNA，導致酶、細胞膜和基因的損傷及功能失調，從而引發炎癥、癌癥、心血管疾病等。Teow等[13]采用ORAC法、DPPH法和ABTS法對白色、淡黃、黃色、橘黃及紫色肉質的19種甘薯自由基清除能力進行研究，結果表明紫甘薯的抗氧化能力最強。Kano等[14]對阿雅紫提取物進行研究，發現其對DPPH自由基清除能力比紫甘藍、葡萄皮、接骨木及紫玉米提取物均高，且8種花色苷對DPPH自由基的清除能力均優于抗壞血酸。

2.2 抗癌、抗突變

Yoshimoto等[15-16]采用沙門氏菌(Salmonella typhimurium TA 98)研究了白色、黃色、桔黃及紫色肉質甘薯的抗突變特性，其中紫甘薯的抗突變效果最好，并研究證明這與其所含的花色苷有關。將紫甘薯花色苷純化分離后進一步研究表明具有矢車菊素結構的花色苷抗突變能力明顯優于具有芍藥素結構的花色苷。另外，醫學研究證實PhIP(吡啶類物質)可以促使DMH(二甲肼)在體內誘導產生結腸癌，Hagiwara等[17]給小白鼠注射DMH后喂養PhIP或PhIP和紫甘薯提取物，喂養32周后進行解剖，發現紫甘薯提取物對于PhIP和DMH引起的結腸癌具有抑制作用。

2.3 保護肝功

四氯化碳對肝臟有損傷作用，其代謝產物三氯甲基自由基(CCl3·)可以引發急性肝炎，誘導肝臟釋放大量谷草轉氨酶(GOT)和谷丙轉氨酶(GPT)。Suda等[18]以大白鼠進行動物實驗，研究發現給大鼠喂食四氯化碳后會引發急性肝炎，血清中GOT和GPT激增，但同時喂食紫甘薯飲料的白鼠血清中GOT、GPT的上升受到明顯的抑制。隨后他們又對45名志愿者進行人體臨床實驗，并按肝功能異常5年為界分成不滿5年和5年以上者兩組，實驗組每天供給紫甘薯汁120mL，連續44d，結果發現，凡肝功能偏高、病程在5年以內者，各項肝功能指標平均下降20%[19]。后來又對另外一批志愿者進行人體實驗，結果表明紫甘薯飲料也可以降低血清中天門冬氨酸轉氨酶(AST)、丙氨酸轉氨酶(ALT)、特別是γ-谷氨酰基轉移酶(GGT)等肝炎指示酶的水平[20]。另外，還有研究表明紫甘薯對于膽固醇及D-半乳糖造成的肝損傷也有明顯的抑制作用[21-22]。

2.4 抗高血壓

血管緊張素轉化酶(ACE)可以催化惰性的血管緊張素Ⅰ轉化為活化的血管緊張素Ⅱ，并抑制血管擴張神經和血管舒緩激肽，因此抑制ACE活性對于預防和治療高血壓具有重要意義。Yamakawa等[23]比較了不同甘薯品種對于ACE的抑制效果，研究表明紫甘薯的抑制效果最好。Suda等[19]對高血壓志愿者進行人體實驗，研究發現12名血壓高于140mmHg的受試者中有兩名受試者血壓下降大于20 mmHg，4名受試者血壓下降10～20mmHg。Kobayashi等[24]以紫甘薯提取物喂養患高血壓小鼠，以400mg/kg體質量喂養后，在2～8h內血管收縮明顯得到改善，并且持續喂養也觀察到同樣現象，但停止喂養后高血壓又會復發。

2.5 抗高血糖

α-葡萄糖苷酶是蔗糖酶和異麥芽糖酶的復合酶，Matsui等[25]采用體外實驗研究表明紫甘薯提取物對于α-葡萄糖苷酶(IC50=0.36mg/mL)(酶活性減少50%所需量)有明顯的抑制作用，并且發現紫甘薯提取物對于α-淀粉酶(IC50=0.61mg/mL)也有一定的抑制作用。抗高血壓藥物D-木糖及L-阿拉伯糖通過抑制蔗糖酶的活性來減緩糖尿病，對麥芽糖引起的血糖升高沒有效果，而紫甘薯花色苷通過抑制麥芽糖酶活性來降低血糖水平。以大白

鼠進行動物實驗，對其喂養紫甘薯花色苷5min后，分別注射等量的麥芽糖、蔗糖或葡萄糖，發現30min后注射麥芽糖的大白鼠其血糖水平比對照組低16%，不過紫甘薯花色苷對于蔗糖和葡萄糖引起的血糖升高沒有顯著影響。Matsui等[26]又采用雙酰化的天竺葵素、矢車菊素、和芍藥素研究它們對于α-葡萄糖苷酶的抑制作用，發現天竺葵素的效果最好，這說明B環結構對于α-葡萄糖苷酶的抑制效果有一定的影響。雖然紫甘薯花色苷的ED20值(69mg/kg)(血糖水平減少20%所需量)是降血糖藥物阿卡波糖ED20值(2.2mg/kg)的30余倍，不過紫甘薯作為一種保健食品可以長期食用，而且沒有依賴性及副作用[27]。

2.6 抗動脈粥樣硬化

低密度脂蛋白(LDL)的氧化作用可以導致動脈粥樣硬化，紫甘薯花色苷吸收進入血漿可以抑制LDL的氧化[14]。Miyazaki等[28]以富含膽固醇和脂肪的食物喂養大白鼠進行動物實驗，實驗表明紫甘薯花色苷可以使得動脈粥樣斑塊的面積減少一半，LPO(氧化脂質，血清中氧化應激標記物)和TBARS(硫代巴比妥酸反應物，肝臟和腎臟中氧化應激標記物)的水平均明顯降低。

2.7 增強記憶

Cho等[29]采用紫甘薯的乙醇提取物喂養小白鼠1周，采用被動回避實驗觀察到實驗組小鼠的被動躲避能力與對照組相比明顯增強，并進一步分析指出紫甘薯花色苷可以抑制小鼠腦漿中的脂質過氧化作用，這可能是其記憶功能增強的原因所在。另外，D-半乳糖是人體產生的代謝物質，若D-半乳糖含量過高其降解產物會對大腦皮層神經細胞的突觸蛋白造成損傷，使得學習和記憶能力下降，Wu等[30]研究發現對大白鼠喂食紫甘薯色素可以使D-半乳糖造成的突觸蛋白損傷得到修復，從而恢復大白鼠的空間記憶能力和學習能力。

2.8 抗菌作用

韓永斌等[31-32]研究了紫甘薯花色苷對于大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、啤酒酵母和黑曲霉的抑制作用，結果表明紫甘薯花色苷色素對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌均有抑制作用，并與花色苷濃度呈正相關，而對啤酒酵母和黑曲霉無明顯抑制作用。通過透射電鏡觀察和對大腸桿菌生長曲線的分析指出該色素的抑菌作用可能是通過增強細胞膜的通透性，使細胞質稀薄，抑制對數期的細胞分裂，以及造成細胞解體來實現的。

2.9 其他生理功能

王瑩[33]采用模擬胃液體系就紫甘薯花色苷對亞硝酸鹽的作用進行考察，發現紫甘薯花色苷對亞硝酸鹽具有明顯的清除作用。紫甘薯除富含花色苷外，還含有豐富的膳食纖維、咖啡奎寧酸、抗壞血酸和生育酚等抗氧化成份，其中咖啡奎寧酸可以抑制HIV病毒，還可以抑制黑色素的生成[34-35]，而膳食纖維、抗壞血酸和生育酚與人體健康有著密切的關系。

3 紫甘薯的開發及應用

3.1 紫甘薯色素

紫甘薯色素提取過程中容易發生褐變，目前工業上紫甘薯色素的提取主要采用檸檬酸、鹽酸酸化的水或乙醇作為提取劑。日本專利中公開了一種發酵提取紫甘薯色素的方法，所得的紫甘薯色素色價較高，且可以同時得到乙醇。最近國內學者相繼采用微波、超聲波、凍結-溶解細胞破壁法等均使得紫甘薯色素的提取率得到提高，其中微波萃取法提取率高且提取時間短，是一種較有應用前景的提取方法[36-38]。

紫甘薯提取液中含有大量淀粉及果膠等物質，需要進一步純化及精制。對于色素的純化主要有大孔樹脂吸附法、膜分離法、醋酸鉛沉淀法和分級醇沉法等。其中應用最多的是大孔樹脂吸附法，相關研究指出AB-8大孔樹脂較適于紫甘薯色素的純化[39]。許正虹[37]采用膜與樹脂耦合技術對紫甘薯色素進行純化，將采用微波輔助技術提取得到的紫甘薯色素提取液經過微濾膜初步凈化后，再通過大孔樹脂進行純化，有效提高了樹脂的吸附效率，并且延長了樹脂的使用壽命。

3.2 紫甘薯泥

這是“平日不燒香，臨難抱佛腳”的奇例，當然更有常年以來，堅持焚拜供奉的。如原河北省委書記周本順，倒是“虔誠”，多處豪宅，處處擺著佛堂，每逢初一十五，都按時燒香拜佛。周書記出去，見佛就拜，進廟就捐，家里養的一只烏龜死了，還專門為它手抄經文，連同“神龜”一起隆重落葬呢。又如原四川省委副書記李春城，因為嫌升遷還不快，不僅將家里老墳從東北遷到都江堰“福地”，還在成都新天府廣場修建時特地建了“太極圖”，據說可以有“神助”。再如原深圳市委政法委書記蔣尊玉，那可是個“信徒”啊，私宅千平，供著幾十尊神佛，間間燒著高香，只是搜遍全屋，只有一本小書，還是我佛不齒的“兒童不宜”呢！

甘薯可以被用來做成脫水薯片、菜肴、布丁、餡餅、面包、粥、飲料和嬰兒食品等，而這些食品一般是用甘薯泥來進行加工的。商業上，橘色甘薯已經被成功地加工成果泥，然而紫甘薯因其干物質含量高且淀粉特性不同于橘色甘薯，使得其流動性差，不利于泵送和混勻。Walter等[40]研究了紫甘薯淀粉的流變學特性和熱力學特性，并試圖以加水或酶解的方式改變其流變性，發現兩種方式所得的產品差別較小，從經濟效益的角度考慮采用加水的方式比較適合工業化生產，加水量最好控制在干物質含量18%～21%。美國近年新興起一種采用微波對連續流動甘薯泥進行滅菌的技術，該技術生產的甘薯泥貨架期長、加工時間短且產品質量好[41]。Steed等[42]將該技術成功運用于紫甘薯泥的生產，生產過程中先將紫甘薯洗凈、切片、蒸煮、在混合器中加水調成干物質含量18.1%的漿液，然后采用60kW、915MHz的微波處理。這一工藝使得紫甘薯果泥受熱均勻一致，滅菌效果良好，花色苷損失較少，DPPH自由基及氧自由基清除能力損失不明顯，同時還發現微波處理后紫甘薯泥的凝膠強度增加。

3.3 紫甘薯乳酸發酵產品

Panda等[43]將紫甘薯蒸熟后打漿與牛奶混合進行乳酸發酵，獲得了一種風味良好、顏色誘人、富含花色苷、礦物質及膳食纖維的凝乳。最近，他們又將紫甘

薯采用100℃蒸15min后再經果膠酶酶解，然后采用植物乳桿菌發酵并進行調配，獲得了一種風味良好的紫甘薯酸乳[44]。另外，他們還將紫甘薯切丁熱燙后采用2%～10% 的NaCl溶液進行鹽漬，然后接種植物乳桿菌發酵28d生產出一種富含花色苷的紫甘薯乳酸泡菜[45]。

3.4 紫甘薯紅醋

Terahara等[46]采用蒸煮后的紫甘薯釀造出一種具有保健作用的紅醋，并檢測到一種由紫甘薯花色苷水解得到的咖啡酰槐糖，該成分具有與綠原酸、BHA及α-生育酚相當的抗氧化能力，不過其與花色苷相比分子質量小，可能更有利于人體的吸收，是紫甘薯紅醋中一種重要的功能成分。Fukui等[47]研究發現紫甘薯花色苷在pH＜3.0的條件下通過加熱的方式也可以產生這種咖啡酰槐糖。

Saigusa等[48]采用蒸煮后的紫甘薯生產發酵酒精飲料，研究表明蒸煮可以有效滅活紫甘薯內與花色苷降解相關的酶，有利于色素的保護，并且縮短發酵時間，然而風味不如生紫甘薯制備的酒精飲料，且能源消耗較大。他們又采用蒸煮紫甘薯及生紫甘薯生產酒精飲料并進行分析比較，研究表明蒸煮紫甘薯生產的酒精飲料抗氧化及抗突變能力均優于生紫甘薯制備的酒精飲料，并且前者酰化花色苷居多，后者含大量非酰化花色苷，并指出多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶是造成花色苷降解及脫酰作用的主要酶[49]。在后來的研究中Saigusa等[50]又專門研究了生紫甘薯生產發酵酒精飲料的工藝，發現紫甘薯打漿后會出現明顯的降解，不過采用檸檬酸或乳酸將pH值調到3.0后再打漿花色苷很穩定，并且添加檸檬酸后進行發酵，異戊醇和異丁醇等高級醇的生成量增加，風味良好。不過研究還發現采用pH3.0的檸檬酸酸化無法抑制β-葡萄糖苷酶的活性，導致飲料中酰化花色苷的含量減少，乳酸對于β-葡萄糖苷酶的抑制效果要好些，不過產品風味不如加檸檬酸。Tsukui等[51]將紫甘薯花色苷加入含焦亞硫酸鉀的100%蘋果汁中，采用葡萄酒酵母進行發酵，先在25℃條件下發酵7d，然后10℃陳釀120d獲得富含紫甘薯花色苷的蘋果酒，雖然發酵前期花色苷降解較快、不過陳釀階段花色苷降解較少，最終產品中花色苷較為穩定。

3.6 其他

在日本紫甘薯還被用來生產面條、面包、果醬、薯片、糕點及航天食品等。在我國，近幾年紫甘薯相關食品的開發不斷升溫，目前國內新開發的紫甘薯產品有紫甘薯飲料、面條、薯片、果脯、保健果凍等。

另外，紫甘薯葉也是一種值得開發的食品原料，在非洲和日本，人們一直有食用甘薯葉的習慣，甘薯干葉中蛋白質含量高達27%，并且富含膳食纖維及鉀、鈣、鎂、鋅等礦物質，其酚類含量及抗氧化性比白菜、菠菜、花椰菜等許多蔬菜還要高很多[1]。

4 結 語

基于幾千年的發展，人類的傳統飲食對于健康具有重要意義，然而近二三十年來食品的工業化使得人類逐漸改變了傳統的飲食習慣導致營養平衡的紊亂，從而使得肥胖、肝炎、高血壓、高血糖、動脈硬化和癌癥等慢性病的發病率逐年上升。基于紫甘薯及其花色苷的優越性，越來越多的紫甘薯食品將出現在人們的日常飲食中。

細胞培養技術得到的紫甘薯愈傷組織中花色苷含量可以達到普通細胞含量的3倍之多，其他酚類的含量也比普通貯藏根要高出2～3倍。而且采用不含銨根離子的培養液所獲得的紫甘薯色素酰化程度更高、色素更穩定[52]。細胞培養技術生產周期短、色素含量高、若能成功應用于紫甘薯色素及相關食品的生產，必將取得良好的經濟效益。

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Research Progress on Purple Sweet Potato and Its Anthocyanins

PENG Qiang，GAO Yan-xiang*，YUAN Fang
(College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstrac：Purple sweet potato (PSP) contains a variety of functional components, such as anthocyanins, chlorogenic acid and isochlorogenic acid. Therefore, PSP is endowed with multiple physiological functions including antioxidation, antimutation, hepato-protection, antihypertension, antihyperglycemia, antihyperlipidemia, memory enhancing, and antibacterial activities. Varied foods and food materials have been developed from PSP both at home and abroad. Therefore, PSP can be recommended as a superior cash crop for the production of foods of health benefits. In order to provide theoretical basis for better exploration of PSP resources, the research progress on physicochemical property, physiological functions, development and application of PSP and its anthocyanins in recent years is summarized in this paper.

purple sweet potato；anthocyanins；physical and chemical properties；functional properties；application

TS202.1

A

1002-6630(2010)23-0401-05

2010-01-21

彭強(1986—)，男，碩士研究生，研究方向為農產品加工與貯藏。E-mail：eric22nd@163.com

*通信作者：高彥祥(1961—)，男，教授，博士，研究方向為食品添加劑與功能配料加工。E-mail：gyxcau@126.com