堅果果殼棕色素的提取方法·活性及應用

陳雨鑫,王 京,夏一森,劉 柳,孫長霞

(北京林業大學生物科學與技術學院，北京 100083)

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堅果果殼棕色素的提取方法·活性及應用

陳雨鑫,王 京,夏一森,劉 柳*,孫長霞

(北京林業大學生物科學與技術學院，北京 100083)

堅果中含有極其豐富的營養物質，有助于人們的身體健康，而其殼中所含的棕色素作為一種天然色素，具有一定的抗氧化性、抑菌性等特性，有延緩衰老、抑制細菌生長等功能，具有良好的發展前景。對堅果果殼棕色素的提取方法，抗氧化性、抑菌性等特性及其實際應用進行綜述，并對其未來的發展進行展望，以期為堅果果殼的資源利用提供參考。

堅果殼;棕色素;提取方法；活性

堅果果皮堅硬，內含種子，具有極高的營養價值。堅果含有較高的脂肪、蛋白質、礦物質等營養成分，具有降低膽固醇、清除自由基等特性，同時還具有延緩衰老、補腦益智、提高視力等功效，擁有很大的市場價值和廣闊的市場前景,如榛子、板栗、松仁以及核桃、開心果等都是人們所熟知并喜愛的堅果。然而對于堅果果殼的處理，大多數以掩埋、焚燒的方法進行處理，這不僅造成資源的浪費，還會造成環境的污染。近年來，許多學者對堅果果殼進行了研究，研究表明，堅果果殼具有良好的吸附能力[1]、抗氧化性、抑菌性等，可以很好地代替許多食品添加劑中的化學成分，降低人們對食品添加劑會損害身體健康的擔憂。同時，堅果果殼中的棕色素具有養顏、美容、降脂、抗衰老、減肥等重要生理活性功能，在食品、藥品、化妝品等行業中廣泛使用。筆者將從堅果果殼提取、純化、活性等方面對堅果果殼的棕色素研究發展進行闡述，旨在為更好地開發利用堅果果殼提供參考。

1　天然色素的介紹

天然色素是由天然資源獲得的食用色素，主要從動物和植物組織及微生物(培養)中提取的色素，其中植物性著色劑占多數。天然色素不僅具有給食品著色的作用，且部分天然色素具有生理活性，它可以改善食品色澤，增加營養并能提高安全性。天然色素是食品加工過程中決定食品質量的關鍵因素之一，另外在化妝品和醫藥工業中也有廣泛的應用[2]。天然色素大部分從植物中提取，少部分從動物及微生物中提取出來。按其功效成分分類，主要有類胡蘿卜素類色素、黃酮類色素、花青苷類色素、葉綠素類色素等[3]。

雖然合成色素具有色澤鮮艷、著色力強、穩定性好、易于溶解調色、成本較低等優點,但陸續發現合成色素中不少品種具有嚴重的慢性毒性和致癌性[4]。因此，與合成色素相比，天然色素絕大多數無毒無害；許多食用的天然色素中還有人體所必需的物質，如黃酮類的色素中含有去氫氧離子，有助于延緩衰老；天然色素著色力更為自然，更受消費者的喜愛和信賴。但天然色素對自然光、pH、金屬離子等較為敏感，具有應用范圍窄、專用性強等缺點。棕色素作為天然色素之一，可以廣泛應用在食品、化妝品、藥品等領域中。

2　棕色素的化學成分

許多研究人員推測，堅果果殼中棕色素具有抗氧化性、抑菌性、穩定性等，主要是因為在堅果果殼的棕色素中含有黃酮類物質，但目前關于棕色素的具體分子結構沒有定論。王靜[2]對榛子殼中的棕色素進行研究，結果表明榛子殼棕色素屬于黃酮類化合物；陳曉等[5]對山核桃棕色素進行紅外光譜分析，結果表明該棕色素含有苯環和酚羥基；李云雁等[6]對板栗殼色素做了多項定性分析，證明了板栗殼色素為黃酮類物質；賈陸等[3]也在板栗殼化學成分的研究中經過單項預試驗確定從板栗殼中提取出來的色素為黃酮類物質，屬于一般植物原料中難以得到的棕色素系列。李永祥等[7]對板栗殼中色素純化后進行紫外-可見譜和紅外光譜分析，并結合色素的化學性質鑒定，初步推斷板栗殼色素含有苯環及酚羥基，而不具有典型黃酮類色素的結構。張曉云等[8]對蘇芡種殼提取出的棕色素進行了紅外光譜分析，證明棕色素中具有芳香環結構。黃酮類母體、二氫黃酮醇類、花色素類、黃酮類結構圖分別見圖1～4。

圖1　黃酮類母體結構Fig.1　Structure of parent flavonoid

圖2　二氫黃酮醇類結構Fig.2　Structure of dihydro flavonols

圖3　花色素類結構Fig.3　Structure of anthocyan

圖4　黃酮類結構Fig.4　Structure of flavonoid

3　堅果果殼棕色素提取方法

對于堅果果殼中天然色素提取的研究方法有很多，大部分以浸提的方法提取殼中的棕色素，其中包括乙醇提取法、NaHCO3/Na2CO3提取法、超聲波提取法、微波提取法、CO2超臨界萃取等。

3.1浸提法浸提法是將樣品浸泡在溶劑中，將固體樣品中的某些組分浸提出來的方法。因為堅果果殼棕色素具有良好的水溶性，易溶于極性溶劑，而不溶于非極性溶劑，因此根據這一特性，可以采用溶劑浸提法進行提取。段蕊等[9]以不同濃度的乙醇對板栗殼中棕色素進行了提取，結果表明可以比較好地提取出板栗殼中的棕色素。陳連文等[10]利用NaHCO3溶液對板栗殼進行了提取，結果表明在室溫下即可從板栗殼中提取得到棕色素，并且獲得了較高的提取率。張亞平[11]通過對棕色素理化性質的分析，確定了棕色素的提取條件：利用質量分數為2%的NaOH，在溫度80 ℃下提取3 h，就可以獲得較高的提取率。吳雪輝等[12]利用乙醇對板栗殼中的天然食用色素進行了提取，確定較理想的色素提取條件：乙醇體積分數30%，提取溫度90 ℃，提取時間3 h，料液比1∶30 g/mL，提取次數為3次。利用溶劑法提取堅果果殼中的棕色素具有操作過程比較簡單、成本低、提取率較高等特點。

3.2超聲波提取法超聲波提取(也稱為超聲波萃取)以其提取溫度低、提取率高、提取時間短的獨特優勢被具有創新意識者應用于中藥材和各種動、植物有效含量的提取，是替代傳統剪切工藝方法實現高效、節能、環保式提取的現代高新技術手段。超聲波提取有2層含義：超聲技術的應用和藥物中化學成分的提取，即利用超聲波所產生的空化等特殊作用，將藥物中所含化學成分快速高效地提取出來的一項新的提取技術。劉平[13]以板栗殼為原料,采用超聲波法提取板栗殼色素，重點研究了提取劑、提取時間、提取溫度、超聲波功率、固液比和提取次數對色素提取率的影響。當提取溫度70 ℃，提取時間90 min，固液比1∶15 g/mL，超聲波功率500 W，提取2次時，超聲波法提取板栗殼色素的提取率可達11.64%。吳春華等[14]采用超聲波法從核桃殼中提取棕色素，探討了超聲波處理時間、溶劑和固液比對棕色素得率的影響。結果表明，超聲波處理時間為40 min，提取液乙醇濃度為50%，固液比(質量比)為1∶10，產物棕色素的得率較高，產率為7.25%。劉建平等[15]采用超聲波輔助提取技術對山核桃殼中的棕色素進行了提取，通過響應面法優化提取工藝，得到較高的提取率。利用超聲波提取堅果果殼中的棕色素可以提高提取效率，縮短提取時間，降低成本,從節約能源以及技術經濟性的角度來看,超聲波提取法優于傳統浸提法[16]。

3.3微波提取法微波是頻率為300 MHz～300 GHz的高頻電磁波,在微波場中,吸收微波能力的差異使得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體系中分離。微波提取法具有提取時間短、降低能源消耗、減少廢料產生等特點，有著良好的發展前景。吳春華等[17]利用微波提取法對板栗殼棕色素進行了提取，獲得了良好的提取率，其最佳提取工藝條件為乙醇溶液體積分數40%，浸提溫度75 ℃，微波輻照時間13 min，料液比1∶20 g/mL,板栗殼棕色素的得率為7.02%。邱賀媛等[18]利用微波提取技術對油茶果殼中的棕色素進行了提取，最佳提取條件為微波輻照時間240 s、微波功率320 W、乙醇體積分數70%、料液比1∶10 g/mL，該條件下得率可以達到5.92%。

3.4超臨界萃取法超臨界萃取技術(Supercritical Fluid Extraction，SFE)是在超臨界狀態下將超臨界流體與待分離的物質接觸，使其有選擇性地依次將極性大小、沸點高低和相對分子質量大小不同的成分萃取出來[19-22]。SFE一般用CO2做萃取劑，因為臨界狀態的CO2對有機物溶解能力強、選擇性好，且CO2無毒、穩定、易分離、廉價易得、無污染，利于環境保護[20-22]。

左旭乾[23]以板栗殼為研究對象，對乙醇做提取劑的溶劑浸提法和超臨界CO2流體萃取法進行了細致比較，結果表明浸提法的棕色素提取率為4.6%，超臨界CO2流體萃取法的棕色素提取率為21.3%，且棕色素純度為95.3%。利用超臨界萃取技術具有保持分離產品生物活性、提高分離效率和萃取純度、安全無毒、操作簡單、省時高效等眾多優點，所以在食品工業、精細化工、醫藥工業等領域上已展現出良好的應用前景。

3.5酶解法酶工程技術是近幾年用于天然植物有效成分提取的一項生物技術，選用合適的酶可以較溫和地將植物組織分解，加速有效成分的釋放，從而提高提取率[2]。在色素提取的過程中，色素往往被包在細胞壁內部，而大部分植物的細胞壁由纖維素構成[24]，因此常用纖維素酶和果膠酶分解細胞壁，從而增大胞內有效成分向提取介質的擴散,可以提高色素提取效率[25]。徐忠等[26]就利用纖維素酶對千日紅中的花色苷進行了提取，較適宜的提取條件是溫度30 ℃,pH 6.8,酶用量6.0 μg/g,固液比為1∶10 g/mL,提取時間為60 min ；王萍等[27]比較了纖維素酶及果膠酶對黑加侖果渣中花色苷的提取效果，結果表明果膠酶提取黑加侖花色苷的效果好于纖維素酶；趙玉紅等[28]采用酶法對藍靛果果渣中的花色苷進行了提取，比較了單獨使用纖維素酶和纖維素酶與果膠酶復合使用對提取藍靛果果渣中花色苷的影響，結果表明，采用雙酶復合水解比單獨使用纖維素酶花色苷提取率提高3.05倍。這些研究均表明，采用酶法比傳統提取方法得到的色素色價要高,提取效率高，且反應溫和[29]。

3.6其他方法隨著分子技術和生物技術的發展,現在還可以采用分子蒸餾技術提取天然色素[29]；采用解凍-融解法使植物的細胞壁破碎后，細胞內的可溶性物質就會溶出，一般選用乙醇作為提取劑，用于梔子花、紅蘭草、楓葉等提取水-醇兼溶的植物色素類比較適用[30-31]。

4　棕色素活性研究

研究表明，棕色素具有一定的理化活性，如抗氧化性、抑菌性、穩定性等性質。

4.1抗氧化活性陶婧希等[32]對從榛子殼中提取的棕色素對羥基自由基的清除能力及抑菌性進行研究，結果表明，榛子殼棕色素清除羥基自由基的能力弱于抗壞血酸，但當棕色素的濃度達到1.0 mg/mL時，清除羥基自由基達到99.23%，說明榛子殼棕色素具一定的抗氧化活性。同時棕色素對抗脂質體過氧化的能力是同等濃度的抗壞血酸的20%，因此具有抗脂質體過氧化的能力。李莉等[33]研究了不同溶液提取的板栗殼棕色素的抗氧化性，總抗氧化能力隨著樣品濃度的增大而增強,VC的總抗氧化能力最強,醇提板栗殼棕色素,堿提板栗殼棕色素和BHT的總抗氧化能力比較接近；清除DPPH自由基時,VC清除效果最強,以后依次是醇提板栗殼棕色素、堿提板栗殼棕色素和BHT,醇提板栗殼棕色素的IC50值約為0.02 mg/mL,堿提板栗殼棕色素的IC50值約為0.09 mg/mL；清除羥基自由基(·OH)時,隨著樣品濃度增大對·OH的清除作用增強,堿提板栗殼棕色素、醇提板栗殼棕色素、BHT和VC的清除效果比較接近；清除超氧陰離子自由基(O2-·)時,堿提板栗殼棕色素的IC50值約為0.71 mg/mL,醇提棕色素的IC50值約為0.83 mg/mL,清除效果弱于VC和BHT。對2種溶液提取的板栗殼棕色素進行了紅外光譜分析,堿提板栗殼棕色素和醇提板栗殼棕色素的紅外光譜圖存在差異。李德海等[34]對堿提棕色素清除羥基自由基的能力進行了研究，結果表明堿提棕色素清除羥基自由基的能力強于抗壞血酸，從而驗證堅果果殼中的棕色素具有一定的抗氧化能力。

4.2抑菌活性研究證明，堅果果殼中的棕色素具有抑菌性。因此陶婧希等[32]也研究了榛子殼棕色素對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌性，試驗證明棕色素濃度為0.1 mg/mL下，對金黃色葡萄球菌有抑制性，對大腸桿菌無抑制性。李云雁等[35]對板栗殼色素進行了抑菌性的檢測，利用幾種常見的菌種，如細菌、霉菌、酵母菌等，證明了色素對其的抑菌性，并且在熱效應下對抑菌效果無影響。

4.3穩定性及染著率余興華等[36]對板栗殼中棕色素的穩定性進行了研究，結果表明，板栗殼中的棕色素與其他天然色素相比有較強的穩定性；同時也對染著情況進行了分析，結果表明其對蛋白質和淀粉的染著效果優于焦糖色素。王超南等[37]利用從板栗殼中采用堿提法提取的板栗殼色素作為試材，并與標準品焦糖色素進行對比，研究其特性。采用分光光度計測定不同波長下的吸光值和分光測色儀測定L值和a值的方法，重點研究板栗殼色素對蛋白質和淀粉類食品的染著性和在不同pH下的變化，以及色素色率和紅色指數。試驗結果表明，堿提取的板栗殼色素對淀粉和蛋白質有較強染著性，且穩定性很好；板栗殼色素色率低于焦糖色素，但是紅色指數高于焦糖色素；板栗殼色素的色率和紅色指數均隨pH增加而增加。

5　棕色素實際應用

通過對棕色素提取及性質的研究，證明了堅果果殼中的棕色素具有一定的抗氧化性，抑菌性、水溶性良好等特點，可以作為天然的食品添加劑來代替化學食品添加劑，同時也可以作為布料的染料，藥品、化妝品的添加劑等。

5.1食品方面目前，由于食品安全問題的不斷出現，食品安全越來越受到人們的重視。現代研究表明，天然色素可以作為人工合成色素的代替品之一，解決人工色素帶來的危害，而且天然色素具有一定的抗氧化性和降解能力，有助于人們的身體健康。陳連文等[10]利用板栗殼中提取的棕色素，模擬試驗巧克力牛奶和巧克力蛋糕的制作，通過調整用量得到理想的口味。謝治芳等[38]利用板栗殼中的棕色素制作了板栗殼汁飲料，采用現代生物技術解決了板栗在使用過程中產生的廢物，減少了環境污染，同時提高了板栗的經濟價值，對板栗的經濟效應具有重要意義。

5.2制藥方面部分研究證明，堅果果殼的棕色素中含有黃酮類物質，而黃酮類物質具有抗氧化、抗炎、抗癌、抗動脈粥樣硬化、抗過敏、抗突變或抑制血小板凝聚等多種生物學活性[39]。朱福等[40]研究了天然植物中黃酮類物質對心血管疾病的作用，證明其有良好的心血管綜合保護效益,無毒副作用,值得臨床進一步研究應用。同時研究表明，黃酮類化合物(尤其是具有抗癌活性的甲氧基黃酮)能通過抑制CYP1酶的活性,在抑制致癌物激活過程中發揮了重要作用[39]。

5.3染料方面在染料當中，由于天然色素有著良好的水溶性，且著色能力強，因此可以作為布料的染色劑，同時天然色素無毒無害，使人們不因有害添加劑而擔心。浙江理工大學余志成教授等[41]利用板栗殼中提取的棕色素對蛋白質、纖維素、棉綸纖維、紗線以及織物進行染色，有較好的著色效果，并且無過敏、中毒等毒害現象。板栗殼資源豐富，有著良好的應用前景。然而有天然色素如棕色素，其在長期光照條件容易分解，較不穩定，因此具有一定的局限性，成為天然色素作為染色劑的一大障礙。

5.4菌培養方面堅果果殼除了可以提取棕色素應用于食品、藥品、化妝品等當中之外，堅果果殼成粉后還可以用于食用菌的培養。夏艷云[42]對板栗殼粉、棉籽殼粉、木屑培養食用菌做了比較，研究表明，板栗殼粉培養食用菌所得產率高于棉籽殼粉和木屑。秦薇薇等[43]以核桃殼粉代替常用木屑、玉米芯來培養食用菌，發菌速度快，子實體含氮量高，并且核桃殼的價格低廉成為了代替木屑、玉米芯的理想材料。

6　展望

近年來，食用合成色素在食品工業中超量和違規使用，給消費者身體健康帶來嚴重傷害，而天然色素具有安全性高、來源豐富和營養價值高等特點，某些色素還具有藥理保健功能，因此利用天然資源開發天然食用色素成為研究學者的開發重點。我國天然食用色素的研究起步較晚，尚處于天然色素與合成色素并存的狀態。但我國有豐富的植物資源，開發和利用植物天然色素，具有廣闊的發展前景。

堅果殼色素原料成本低，對這類資源的不斷開發有利于山區農民脫貧致富，能使殼類這一副產品得到合理的利用，實現資源的合理開發，具有一定的經濟和社會價值。并且有些堅果殼色素還具有抗氧化或抑菌的功能，而功能性色素的開發在當代社會更是存在著很大的市場潛力，可涉及到各個領域。相信在不久的將來，天然色素在食品、醫藥等方面的應用，必定有著比合成色素更廣闊的前景。

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Extraction Method, Activity and Application of the Brown Pigment of Hardnut Shell

CHEN Yu-xin,WANG Jing,XIA Yi-sen,LIU Liu*et al

(College of Biological Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083)

Nuts with extremely rich nutrients take advantage of people’s health.As a kind of natural pigmen,the brown pigment in the shell of nuts had some properties such as antioxidant,anti-bacteria and anti-aging,and had good development prospect.Therefore,we reviewed the extraction method,antioxidant and antibacterial activity of nut shell brown pigment,and its application prospect and future development,aiming at providing

for the resources utilization of nut shell.

Shell of nuts; Brown pigments; Extraction method; Activity

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(YX2015-07)。

陳雨鑫(1994- )，女，本科生，從事微生物學研究。*通訊作者。

2016-06-03

S 664

A

0517-6611(2016)27-0055-04