黑玉米粒花青素提取工藝及其生物活性研究進(jìn)展

王燕 龔琛 明建青

作者簡(jiǎn)介：王燕（1985—），女，廣東清遠(yuǎn)人，碩士，主管護(hù)師。研究方向：天然產(chǎn)物開發(fā)與利用。

摘 要：黑玉米粒花青素為黃酮類化合物，其生物活性廣泛，有超強(qiáng)的抗氧化、抗癌、降血脂、降血糖、調(diào)節(jié)胃腸道菌群、減輕心臟毒性等生物活性，在食品、藥品和保健品開發(fā)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)黑玉米粒花青素的提取工藝及其生物活性進(jìn)行綜述，為黑玉米粒花青素的深入研究及黑玉米資源合理開發(fā)利用提供參考。

關(guān)鍵詞：黑玉米粒；花青素；提取工藝；生物活性；研究進(jìn)展

Research Progress on Extraction Technology and Biological Activities of Black Corn Kernel Anthocyanins

WANG Yan， GONG Chen， MING Jianqing

（The Sixth Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University， Qingyuan Peoples Hospital， Qingyuan 511518， China）

Abstract： Black corn kernels anthocyanin is a flavonoid compound with a wide range of biological activities， and has strong biological activities such as anti-oxidation， anti-cancer， blood lipid lowering， blood sugar lowering， regulating gastrointestinal flora， and reducing cardiac toxicity. It has a broad application prospect in the development of food， medicine and health care products. This paper reviews the extraction process and biological activity of anthocyanins from black corn kernels， providing a reference for the further study of black corn kernel anthocyanins and the rational exploitation and utilization of black corn resources.

Keywords： black corn kernel; anthocyanin; extraction technology; biological activities; research progress

黑玉米（Zea mays L.）又名黑糯米、紫玉米，由秘魯傳入我國(guó)，屬被子植物門單子葉植物綱的禾本目玉蜀黍?qū)僦参颷1]。黑玉米號(hào)稱玉米之王，是玉米的一種特殊類型，因富含大量黑色素而呈現(xiàn)黑色。黑玉米全身都是寶，黑玉米粒、穗軸、須、苞葉、秸稈均能被加工利用[2]。黑玉米籽粒中含有黃酮類、多糖類、多酚類等功能活性成分，具有抗氧化、調(diào)節(jié)血脂、降血糖、降血壓和抗癌等功能[3-4]。

花青素（Anthocyanin）是一種廣泛存在于自然界植物中的水溶性天然色素，是植物類黃酮的次生代謝產(chǎn)物[5]，其抗氧化作用是維生素C的30倍、維生素E的50倍，是目前較好的天然抗氧化劑[6]。黑玉米花青素主要聚集于玉米籽粒皮層、莖稈、穗軸、葉片等部位[7]，具有抗氧化性、清除自由基、降血脂以及抑制糖尿病相關(guān)的腎小球血管生成[8-11]等功效，在食品工業(yè)中的應(yīng)用備受關(guān)注。目前對(duì)黑玉米花青素的研究側(cè)重于黑玉米穗軸、莖稈和葉片中花青素的研究，對(duì)黑玉米粒花青素的研究較少。本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外黑玉米粒花青素的提取工藝及其生物活性的研究進(jìn)展，以期為黑玉米粒花青素的深入研究及其在功能食品和藥品等方面的應(yīng)用提供參考。

1 黑玉米粒花青素的提取

提取是研究黑玉米粒花青素的關(guān)鍵，不同的提取方法得到的黑玉米粒花青素分子量、結(jié)構(gòu)特征及生物活性都不相同。目前黑玉米粒花青素的提取方法主要有有機(jī)溶劑提取法、超聲波或微波輔助提取法、超高壓提取法、復(fù)合方法提取法。

1.1 有機(jī)溶劑提取法

花青素因含有極性基團(tuán)，所以易溶于水、甲醇和乙醇等有機(jī)溶劑，酸性溶液可在保存酸性花青素提取物的基礎(chǔ)上破壞細(xì)胞膜來(lái)釋放其中的花青素。常用的有機(jī)溶劑提取法是通過(guò)使用酸-醇混合液進(jìn)行浸提，將黑玉米粒中的花青素溶解出來(lái)。具體提取過(guò)程為先將黑玉米粒研磨成粉末狀，然后將其與酸液和乙醇溶劑混合，經(jīng)過(guò)浸提、過(guò)濾、濃縮等步驟，最終得到黑玉米粒花青素提取物。

由表1可知，采用有機(jī)溶劑法提取黑玉米粒花青素，浸提的溫度通常在40～70 ℃，料液比（g∶mL）為1∶10～1∶20，浸提時(shí)間在60～120 min。在提取過(guò)程中，溶劑種類、浸提時(shí)間、濃度等因素對(duì)提取效果有著一定的影響。采取體積比為1∶1的

0.1 mol·L-1 HCl-95%乙醇溶液進(jìn)行浸提，最高提取率可達(dá)88.02%，提取效果較好。雖然有機(jī)溶劑提取效果較好，但其存在溶劑殘留等問題，會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生一定影響。因此，目前研究人員正在探索新型的綠色提取技術(shù)，以減少對(duì)環(huán)境和人體健康的影響。

1.2 超聲波輔助提取法

花青素通常存在于植物細(xì)胞的液泡內(nèi)，包裹在細(xì)胞壁和細(xì)胞膜上。研究表明超聲波空化可產(chǎn)生巨大的壓力，并產(chǎn)生部分高溫以增加細(xì)胞壁的通透性，細(xì)胞內(nèi)的有效成分迅速釋放并溶解于溶劑，可提高提取效率，縮短提取時(shí)間，節(jié)省成本。由表2可知，采用超聲輔助法提取黑玉米粒花青素，超聲溫度通常在40 ℃，料液比（g∶mL）為1∶4～1∶8，超聲時(shí)間在35～65 min，超聲功率為400 W，提取率最高可達(dá)94.82%。雖然超聲輔助提取黑玉米粒花青素的提取率高，但是提取次數(shù)高達(dá)110次，工藝耗時(shí)耗力，難以推廣應(yīng)用。因此還需要對(duì)超聲輔助提取工藝進(jìn)行研究，在保證黑玉米粒花青素得率的前提下降低超聲提取次數(shù)，優(yōu)化提取工藝。

1.3 微波輔助提取法

常規(guī)加熱是一種由表及里的熱傳導(dǎo)方式，但是微波加熱可以滲透提取溶劑及材料，使整個(gè)體系快速升溫并均勻受熱，其提取速率顯著大于常規(guī)加熱方式。微波輔助提取法克服了傳統(tǒng)方法效率低、植物組織受熱不均勻、提取率低等弊端，被廣泛用于植物活性成分的提取及食品工業(yè)加工等領(lǐng)域。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)微波輔助提取黑玉米粒花青素的研究相對(duì)較少，陳雪等[5]采用微波輔助法提取黑玉米粒花青素，微波時(shí)間1.5 min，微波功率為700 W，酸醇體積比1∶2時(shí)，提取的黑玉米粒花青素溶液吸光度為1.072。目前關(guān)于微波輔助法提取黑玉米粒花青素的研究較少，提取率不高，提取工藝尚不成熟，需進(jìn)一步加強(qiáng)微波輔助法提取黑玉米粒花青素的工藝研究。

1.4 超高壓提取法

超高壓（Ultra High Pressure，UHP）全稱為超高冷等靜壓技術(shù)。超高壓提取技術(shù)是用100～1 000 MPa的流體靜壓力作用于料液，并在預(yù)定壓力下保持一定時(shí)間，打破氫鍵、疏水鍵、離子鍵和細(xì)胞壁，使胞內(nèi)有效成分溶出從而達(dá)到萃取的目的。超高壓非熱傳導(dǎo)操作方便，能維持有效成分的穩(wěn)定性和密閉性，可以提高植物花青素的提取效率。相關(guān)學(xué)者利用超高壓法從紫玉米籽粒中提取花青素，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化紫玉米花青素提取工藝，確定了最優(yōu)工藝條件為超高壓力270 MPa、料液比（g∶mL）1∶35和保壓時(shí)間2 min，在此條件下籽粒總花青素含量為（552.381±9.12）mg/100 g·DW。目前關(guān)于超高壓提取法提取黑玉米粒花青素的研究較少，且提取率相對(duì)不高，工藝尚不成熟，需要對(duì)其提取工藝進(jìn)一步優(yōu)化[16]。

1.5 復(fù)合方法提取法

研究表明，復(fù)合提取法較單一提取法更加有利于植物活性成分的溶出，會(huì)明顯提高提取效率，被廣泛用于植物活性成分的提取。閆家蔭[17]以黑玉米鮮籽粒為試驗(yàn)材料，采用水提法結(jié)合超聲輔助酶法，利用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化了黑玉米粒中花青素提取技術(shù)，得出了提取的最佳參數(shù)為超聲時(shí)間90 min、提取溫度40 °C、料液比（g∶mL）1∶10和纖維素酶濃度52%，在該條件下黑玉米粒花青素的提取率為

6.275 2 mg·g-1。趙芳芳[18]以晉黑糯玉米粒為研究對(duì)象，采用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化超聲波輔助酶法提取花青素的工藝條件，結(jié)果表明在超聲溫度41 ℃、超聲時(shí)間20 min、功率302 W及酶添加量32 mg·g-1的最優(yōu)提取條件下，花青素含量可達(dá)到0.929 mg·g-1。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)黑玉米粒花青素復(fù)合法提取工藝的研究較少，且提取率不高，亟待加強(qiáng)該方面工藝的研究。

2 黑玉米粒花青素的生物活性

植物花青素具有抗氧化抗炎[19]、抑菌[20]、抗癌[21]、保護(hù)肝臟[22]以及改善糖尿病[23]等作用。而黑玉米粒花青素是一種黃酮類花青素，也具有許多有益的生物功能和醫(yī)療應(yīng)用價(jià)值。

2.1 抗氧化

通過(guò)清除自由基或者抑制其產(chǎn)生可以預(yù)防或治療疾病，因此清除或者抑制體內(nèi)自由基也被稱為抗氧化。越來(lái)越多的研究表明，多種植物花青素具有抗氧化能力[24-26]。黑玉米粒花青素也具有極強(qiáng)的抗氧化能力。HU等[27]研究發(fā)現(xiàn)黑玉米籽粒花青素在不同時(shí)期中具有不同的抗氧化能力。徐亞民等[28]研究發(fā)現(xiàn)黑玉米粒花青素濃度在1 mg·mL-1時(shí)，DPPH（1，1-二苯基-2-苦肼基）自由基的清除率為95.61%，超氧陰離子自由基的清除率為77.45%，具有較強(qiáng)的體外抗氧化能力。LI等[29]給蛋雞喂食添加富含花青素的黑玉米粒提取物，發(fā)現(xiàn)可提高蛋雞血漿抗氧化潛能，有利于產(chǎn)蛋，并改善雞蛋中的氨基酸和脂肪酸。由此可見，黑玉米粒花青素?zé)o論體外還是體內(nèi)均具有良好的抗氧化活性，但對(duì)其抗氧化相關(guān)機(jī)制的深入研究相對(duì)缺乏，是今后研究的方向。

2.2 抗癌

隨著癌癥發(fā)生率和死亡率的逐年上升，多種植物花青素因具有預(yù)防癌癥作用而備受關(guān)注[30-32]。研究發(fā)現(xiàn)，黑玉米粒花青素不但可抑制直腸腺瘤和結(jié)直腸癌的發(fā)生率，還可抑制乳腺癌大鼠的乳腺腫瘤細(xì)胞活力誘導(dǎo)其凋亡，具有顯著的抗癌作用[33-34]。LONG等[35]對(duì)36只雄性前列腺癌轉(zhuǎn)基因大鼠喂食紫玉米花青素飼料8周后，發(fā)現(xiàn)可顯著降低前列腺外側(cè)腺癌的發(fā)生率，對(duì)前列腺癌具有化學(xué)預(yù)防作用。由此可見，黑玉米粒花青素具有良好的抗癌效果，對(duì)以后功能性食品的開發(fā)有指導(dǎo)意義。

2.3 降脂

研究發(fā)現(xiàn)富含花青素的黑玉米粒可提高動(dòng)物的抗氧化能力，促進(jìn)了肝臟β的氧化，減少了動(dòng)物的脂肪生成從而達(dá)到降脂作用[8]。WU等[36]研究發(fā)現(xiàn)黑玉米粒花青素可有效增加肥胖小鼠糞便丁酸水平，提高肝臟超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶活性，降低脂質(zhì)過(guò)氧化，下調(diào)腫瘤壞死因子（TNF-α）、白介素6、一氧化氮合酶（iNOS）和核因子κB（Nuclear Factor kappa-B，NF-κB）的基因表達(dá)水平，通過(guò)減輕氧化應(yīng)激和炎癥來(lái)改善飲食導(dǎo)致的肥胖。以上研究說(shuō)明黑玉米粒花青素具有良好的降脂作用，適合肥胖人群食用，研究有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

2.4 抗糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥

糖尿病（Diabetes Mellitus，DM）是一種以血糖高為特點(diǎn)的代謝性疾病，在全球范圍內(nèi)廣泛流行[37]。飲食治療已經(jīng)成為治療糖尿病的新策略。研究發(fā)現(xiàn)，多種植物花青素如黑米花青素[38]、葡萄籽花青素[39]、藍(lán)莓花青素[40]以及黑玉米粒花青素等均具有良好的降糖作用。KANG等[41]發(fā)現(xiàn)富含花青素的紫玉米提取物可通過(guò)干擾系膜細(xì)胞IL-8-Tyk-STAT信號(hào)通路而拮抗巨噬細(xì)胞在糖尿病腎臟中的滲透和積聚，從而治療糖尿病相關(guān)腎小球硬化。LI等[42]發(fā)現(xiàn)黑玉米粒花青素可抑制高糖促進(jìn)的系膜細(xì)胞增殖和基質(zhì)堆積，抑制高糖誘導(dǎo)的系膜纖維化和炎癥，發(fā)揮腎保護(hù)作用。LI等[43]發(fā)現(xiàn)黑玉米粒花青素通過(guò)抑制轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，減少腎小球膠原纖維堆積和結(jié)締組織生長(zhǎng)因子的表達(dá)，抑制腎小球毛細(xì)血管壁濾過(guò)屏障功能的關(guān)鍵蛋白neparin和podocin的蛋白表達(dá)，治療糖尿病腎小球硬化伴蛋白尿和腎濾過(guò)功能障礙，來(lái)延緩糖尿病相關(guān)腎小球硬化。HONG等[44]發(fā)現(xiàn)紫玉米花青素具有抗糖尿病和β細(xì)胞的保護(hù)作用。以上研究結(jié)果表明黑玉米粒花青素具有降血糖和改善糖尿病腎病相關(guān)并發(fā)癥的作用，適合糖尿病患者食用。目前對(duì)糖尿病并發(fā)癥的研究多集中于糖尿病腎病方面，對(duì)糖尿病其他并發(fā)癥相關(guān)的研究較少，今后可對(duì)黑玉米粒花青素在糖尿病其他并發(fā)癥方面的作用進(jìn)行研究，為黑玉米粒的深度開發(fā)提供依據(jù)。

2.5 其他作用

AGRIZZI等[45]研究發(fā)現(xiàn)紫玉米粒花青素可通過(guò)維持腸道絨毛高度、Paneth細(xì)胞數(shù)量和杯狀細(xì)胞直徑，改善盲腸微生物群的變化來(lái)維持腸道形態(tài)和功能。VEREDIANO等[46]發(fā)現(xiàn)紫玉米粒花青素可預(yù)防高脂肪飲食引起的腸道生態(tài)失調(diào)。BHASWANT等[47]發(fā)現(xiàn)紫玉米粒花青素可通過(guò)預(yù)防炎癥損傷減輕或逆轉(zhuǎn)代謝癥候群的生物活性分子，減輕飲食誘導(dǎo)的代謝綜合征。PETRONI等[48]研究發(fā)現(xiàn)給小鼠注射阿霉素誘導(dǎo)心臟毒性后，喂食紫玉米花青素可減輕小鼠的心臟毒性。TIAN等[49]發(fā)現(xiàn)紫玉米花青素可通過(guò)降低血脂參數(shù)和調(diào)節(jié)山羊幾種風(fēng)味相關(guān)基因的豐度來(lái)改善羊肉風(fēng)味。由此可見，黑玉米粒花青素不但具有調(diào)節(jié)腸道菌群、心臟保護(hù)作用，喂食山羊還能改善山羊肉質(zhì)，可應(yīng)用于畜牧業(yè)、食品、保健品等行業(yè)，具有巨大的開發(fā)價(jià)值，值得深入研究。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，黑玉米粒花青素因具有多種生物活性受到廣泛關(guān)注。我國(guó)黑玉米資源豐富，黑玉米粒花青素在功能食品和醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中具有較好的應(yīng)用前景。目前對(duì)黑玉米粒花青素的研究取得了一些進(jìn)展，但仍存在一些問題。①黑玉米粒花青素的提取工藝研究較少，提取率差異較大，提取方法中只有有機(jī)溶劑提取法和超聲波輔助提取法提取的花青素得率較高，其余方法得率都偏低，但是超聲波輔助提取黑玉米粒花青素工藝中超聲提取次數(shù)多達(dá)110次，耗時(shí)耗力，難以推廣應(yīng)用。而微波輔助提取法、超高壓提取法和復(fù)合方法提取法提取的花青素得率都極低，相關(guān)研究也偏少，因此急需將一些新穎的、現(xiàn)代化的天然產(chǎn)物功能成分提取技術(shù)引入黑玉米粒花青素的提取工藝中，優(yōu)化、創(chuàng)新黑玉米粒花青素的提取工藝，以提高產(chǎn)量和效率。②目前對(duì)黑玉米粒花青素生物活性的研究多數(shù)是利用富含花青素的黑玉米全粉來(lái)進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，由于全粉不但包含花青素、還包含多糖、多酚等生物活性物質(zhì)，所以在今后對(duì)黑玉米粒花青素的生物活性研究中，應(yīng)先對(duì)花青素進(jìn)行純化后再進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以提高體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和說(shuō)服力。③應(yīng)整合資源，加大對(duì)黑玉米粒花青素其他生物活性的研究，使黑玉米粒花青素在促進(jìn)人類健康中發(fā)揮積極的作用。

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