紫甘薯花青素研究進展

王洪云，張 毅，鈕福祥，孫 健，徐 飛，朱 紅，岳瑞雪

(江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所/中國農業科學院甘薯研究所，江蘇徐州 221131)

紫甘薯(Ipomoea batatas)是璇花科甘薯屬一年或多年生草本植物，由于其富含花青素而受到廣泛關注。研究表明，紫甘薯花青素具有著色、營養和保健等多種用途和功能，已廣泛應用于食品、藥品、化妝品和保健品等領域，是一種極具開發價值的天然色素資源。

1 紫甘薯色素的來源與性質

紫甘薯的塊根和莖葉中均含有花青素，其塊根中含量非常高，而莖葉中的含量較少。在塊根中花青素的分布也不均勻，一般塊根外層的含量高于內層。目前，紫甘薯花青素提取的主要原料形式有兩種:一是直接使用紫甘薯塊根，二是利用紫甘薯全粉。

紫甘薯品種不同，花色素含量也明顯不同。國內一直在開展富含花青素的紫甘薯品種篩選培育工作，目前篩選出山包括徐紫甘薯3 號、濟黑1 號、寧紫甘薯1 號、煙紫甘薯1 號和廣紫甘薯1 號等數百個適合紫甘薯花青素加工的優良品種［1，2］。

紫甘薯花青素(PSPC)具有類黃酮的典型結構，屬花色苷類化合物，為非脂溶性色素，易溶于水、稀鹽酸和乙醇等，固態顆粒或粉末呈紫紅色。在酸性溶液條件下，520nm 處出現特征吸收峰。紫甘薯花青素水溶液在酸性條件下呈穩定的紅色，隨著pH 值的升高，分子結構發生可逆的變化，溶液顏色由紅色變為藍色，最終直至綠色。作為天然食用色素使用時，紫甘薯色素耐熱性好，在食品中的穩定性高，耐光性也較強，可用于食品的紅至紫紅色著色劑［3］，但在高溫或長時間受熱時穩定性差，Al3+和Fe3+對該色素有增色作用。

2 紫甘薯花青素的成分與結構

紫甘薯花青素以C6-C3-C6 作為基本骨架，具有2-苯基-苯并吡喃陽離子的典型結構。母核苯環中的取代基、羥基和甲氧基的數量及位置決定了不同成分的具體結構。

1958年，Haborne［4］等首次鑒定得出，紫甘薯花色苷為經咖啡酸酰基化的矢車菊素-3-槐糖苷-5-葡糖苷;1966年，Shi 等［5］鑒定出紫甘薯中主要的兩種花色苷為帶三分子阿魏酸和一分子咖啡酸的芍藥素以及含兩分子阿魏酸和一分子咖啡酸的芍藥素;1992年，Odake K 等［6］鑒定出紫甘薯的兩種花色苷化學結構為被咖啡酸和阿魏酸酰化的矢車菊素和芍藥素;1999年，日本的Terahara 等［7］進一步證實了紫甘薯品種“Yamagawamurasaki”含有8 種酰化的花色苷，其中6種為雙酰化結構，有4 種為第一次鑒定出來。2000年，Terahara 等［8］又成功地從選育的新品種“Ayamurasaki”塊根中鑒定出其中2 種新花色苷的結構。國內對紫甘薯花青素的成分與結構研究起步較晚，毛建霏等［9］已經用高效液相色譜法 (紫外—可見檢測器)，建立了紫甘薯中矢車菊素和芍藥素的快速定量檢測方法。

3 紫甘薯花青素的提取與提純

3.1 提取方法

傳統的提取方法，國內多采用檸檬酸水溶液或乙醇等［10］溶劑浸提法。國外多采用鹽酸化甲醇、乙酸或鹽酸水溶液等提取［11］，而且已經將丙酮用于了植物色素的提取，因為丙酮可以避免果膠的干擾［12］。

單一的溶劑浸提法提取紫甘薯青素的得率較低，因此常采用一些輔助方法來提高得率。目前，紫甘薯花青素的提取方法主要有超聲輔助提取法、加壓溶劑萃取法、脈沖電場處理法、微波輔助提取法和生物酶處理法等。

Lien 等［13］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［14］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。Truong［15］等使用加壓液體萃取法優化了不同基因型紫甘薯的提取條件。Puértolas［16］等研究了脈沖電場處理對紫甘薯花青素提取率的影響，并用響應面法確定了花青素提取的最佳條件。楊華等［17］選用微波提取方法從紫甘薯中提取花青素，裴志勝等［18］利用超聲—微波協同萃取法進一步優化了紫甘薯花青素提取工藝。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［19］發明了一種發酵法提取紫甘薯紅色素的生產工藝。

3.2 提純方法

紫甘薯花青素溶液通過以上的提取方法進行初提，得到的產品純度一般比較低，含有較多的多糖、有機酸等雜質。對粗提取液進行提純，可以獲得純度高且性質穩定的花青素。當前常用的分離純化方法主要有交換樹脂法、膜分離法和高速逆流色譜法等。

國內多采用陽離子交換樹脂(AB-8，X-5，NKA-9)，通過吸附去除紫甘薯花青素粗提液中的雜物，使用酸化乙醇為洗脫液進行交換洗脫，最后再通過濃縮干燥制得花青素純品。孫健等［20］發現AB-8 大孔吸附樹脂在吸附能力上明顯優于其它樹脂，并且確定了AB-8 大孔樹脂動態吸附紫甘薯花青素的最優工藝條件。近年來，吳仲賢等［21］利用多級分離膜分離法，對紫甘薯花青素粗提液去雜純化起到較好的效果。由于高速逆流色譜法(HSCCC)可以完全避免載體對分離效果的影響，成為了目前國際的研究熱點。日本Montilla 等［22］已經將高速逆流色譜法應用在日本紫甘薯的分離制備。

4 紫甘薯花青素的功能作用

4.1 對酒精性肝損傷的保護作用

酒精是一種對肝臟有害的常見物質。孫紅男等［23］研究表明，紫甘薯花青素對急性和亞急性的酒精性肝損傷有預防作用，并且發現紫甘薯花青素具有一定的解酒效果。閆倩倩等［24］也有相似的研究結果。

4.2 保護大腦，改善記憶作用

花青素能夠穿過血腦屏障，存在于大腦的不同區域，可能具有改變信號通路的能力，所以對學習和記憶有重要作用。陸軍等［25］評估了紫甘薯色素對軟骨藻酸(DA)引起的認知功能障礙的效果，表明紫甘薯色素對DA 誘導認知缺陷具有神經保護作用，可能用于興奮毒性和其它腦部疾病所致的認知障礙的預防和治療。王永建等［26］研究表明，紫甘薯色素通過一定程度上阻斷ERK、JNK 和NF-κB 信號，抑制促炎癥分子的產生，可用于緩解脂多糖(LPS)誘導的急性腦炎。

4.3 保護肝臟和腎臟作用

Choi 等［27］的研究表明，紫甘薯花青素能減輕二甲基亞硝胺(DMN)引起的肝損傷，有保肝和抗肝纖維化的作用。Hwang 等［28］進一步研究，紫甘薯花青素能夠激活單磷酸腺苷活化蛋白激酶，減輕肝臟脂肪堆積。Zhang 等［29］的研究表明，紫甘薯花青素能減緩高脂飲食引起的肝臟胰島素抵抗，其機理是花青素能阻斷氧化應激和內質網應激。單群等［30］研究表明，紫甘薯花青素抑制腎臟的氧化應激，分子機理是抑制炎癥小體NLRP3 信號通路的激活。

4.4 抑菌作用

紫甘薯花青素分子結構上有較多的酚羥基官能團，可以破壞蛋白質分子結構而變性或失去活性，導致細胞質的固縮和解體，具有一定的抑菌作用。目前對紫甘薯花青素抑菌活性的研究仍以體外試驗為主。王關林等［31］對紫甘薯花青素的抑菌活性證實紫甘薯花青素對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和綠膿桿菌有不同程度的抑制作用，并且抑菌效果與花青素濃度成正相關。韓永斌等［32］也發現紫甘薯花青素可以有效抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，而對啤酒酵母和黑曲霉無抑制作用。

4.5 抗突變和抗腫瘤作用

紫甘薯花青素可以促進膠原的合成，增加膠原的抵抗，抑制膠原酶的活性，從而抑制腫瘤細胞的入侵和轉移。Yoshimot 等［33］對4 種不同顏色甘薯水提物的抗突變活力進行評價，證明紫甘薯中的花色苷色素具有良好的抑制雜環胺類的突變物質的作用。進一步研究后［34］，發現從紫甘薯中分離得到的兩種花色苷單體均具有較強的抗突變能力。Zhao 等［35］也發現，紫甘薯花青素具有抗腫瘤活性，且具有抗氧化、降血糖的作用。Lim 等［36］發現，紫甘薯花青素可以預防大腸癌。

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