紫甘薯色素抗菌与抗氧化作用研究进展

胡林子，马永全，于 新，*

（1.沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳110161；2.仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东广州510225）

紫甘薯色素抗菌与抗氧化作用研究进展

胡林子1，2，马永全2，于 新2，*

（1.沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳110161；2.仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东广州510225）

主要就紫甘薯色素的抗菌与抗氧化活性研究进展进行了综述，涵盖紫甘薯色素的成分与特性、提取与纯化方法、抗菌与抗氧化机理及研究现状，以期为紫甘薯的综合利用拓展方向。

紫甘薯，色素，抗氧化，抑菌

从十九世纪中期第一种人工合成有机色素问世以来，合成色素被大量应用于食品工业中。然而，随着这些应用的普及，人们开始逐渐认识到部分合成色素具有潜在的致畸、致癌及其他毒副作用，合成色素的安全性日趋受到质疑［1］。天然色素愈来愈受到人们重视，国外不少企业已自觉倾向于使用天然色素，因此，开发安全可靠、稳定高效的天然色素已显得十分迫切和尤为重要。紫甘薯系旋花科番薯属植物，其皮、肉呈紫红色，是甘薯中的特有品种，除富含淀粉、蛋白质、锌、硒和维生素C等外，花色苷类色素含量丰富。紫甘薯色素是从紫甘薯的块根和茎叶中浸提出来的一种红色素，属于酰化的花青素类（与糖结合称为花色苷）色素［2］，其色泽鲜亮自然，无毒，无特殊气味，对光热较稳定，且具有抗氧化、抗突变、保护肝脏、预防心血管疾病等药理和保健功能，是一种理想的天然食用色素资源［3-5］。目前，国内外对紫甘薯的研究与开发已取得显著成就，本文主要就紫甘薯色素的抗菌与抗氧化活性研究进展进行了综合论述，旨在为紫甘薯的综合利用提供参考。

1 紫甘薯色素的化学成分与特性

紫甘薯块根中花青素的成分比较复杂，主要的花色苷为芳香簇有机酸酰化的花色苷［6］。以C6-C3-C6为基本骨架，具有类黄酮的典型结构，其主要花色苷元为矢车菊素和芍药素［7-8］，而且主要为单酰基或双酰基花青素［9］，其中芍药素是矢车菊素的甲基化衍生物。紫甘薯色素在紫甘薯细胞中以与糖缩合成糖苷的形式存在于液泡中。主要呈色成分为花青素类的氰锭酰基葡糖苷及甲基花青素酰基葡糖苷［10］。紫甘薯中形成花色苷的糖苷主要是葡萄糖苷、槐糖苷和芸香苷，主要酰基是咖啡酸和阿魏酸［6］。

紫甘薯色素为水溶性花色苷类色素［11］，易溶于水、甲醇、乙醇等，不溶于丙酮、乙酸乙酯、乙醚和石油醚；在pH3.0以下，为鲜艳的深红色，随着pH的升高，溶液颜色渐渐由浅红向紫红、紫色、紫蓝色、蓝色过渡。但只要维持在酸性条件下就可以得到较为理想的鲜艳红色［12-13］。紫甘薯色素对光、热、氧化剂、金属离子的稳定性较强［14-15］，但常见金属离子中的Fe3+和Fe2+会引起紫甘薯色素的较大损失［16］。紫甘薯色素具有提高视觉灵敏性，抑制脂质过氧化，防止血小板聚集，维持血管正常的通透性，预防糖尿病以及抗肿瘤、抗突变和抗辐射等多种生理功能，是理想的食用天然色素。

2 提取与纯化

2.1 提取

紫甘薯红色素的提取主要有溶剂法和发酵法。由于其在中性或弱碱性溶液中不易被提取且不太稳定，目前多采用酸性溶剂提取法，酸性溶剂可破坏紫甘薯细胞膜，溶解水溶性的紫甘薯红色素［3］。常见的提取剂有醋酸、盐酸、硫酸、甲酸、柠檬酸、乙醇等［17-18］。

许正虹等［19］利用微波法从紫甘薯粉中萃取色素，通过响应面法确定最佳萃取工艺参数为：微波辐射功率700W（温度70℃），辐射时间6.37min，液固比15∶1，浓度为0.3%的盐酸水溶液提取，总花色苷含量为71.25mg/100g。

李新华等［20］采用溶剂浸提法、超声波萃取法和微波萃取法提取紫甘薯红色素并进行了效果比较。结果表明：溶剂浸提法虽提取率较高，但提取时间较长；超声波萃取法的提取率较低，且需要多次提取；微波萃取法具有短时高效的特点，在1.0%的柠檬酸水溶液，料液比1∶40，微波辐射功率700W，辐射时间45s的条件下，提取3次，提取量可达到9.469mg/g。韩永斌［6］选用酶法预处理-酵母菌发酵法提取紫甘薯花色苷。研究显示，果胶酶处理可显著提高花色苷的提取率。适宜的酶解条件为温度35℃，pH4.0时，果胶酶添加量为80U/mL，酶解时间120min，花色苷含量达到105μg/mL，是未添加果胶酶的2.3倍。α-淀粉酶处理的适宜条件为：起始pH5.5、加酶量200U/mL、60℃水浴下保温60min。糖化酶的适宜处理条件为：起始pH4.5、糖化酶添加量200U/mL、60℃水浴下保温2h，淀粉基本降解为还原糖，花色苷损失最少。采用响应面法优化的酵母发酵条件：酵母接种量为10%、温度27℃，初始pH为3.0时，经过72h发酵，花色苷产量达到66.6μg/mL。与传统盐酸化乙醇提取法相比，紫甘薯花色苷含量减少了14.39%，但色价增加了49u。

2.2 纯化紫甘薯红色素提取物中的杂质，诸如糖类、淀粉、蛋白质、鞣质等含量较高，多呈浸膏状，难成粉末，保质期短，未去除杂质的浸膏状甘薯红色素的色价也较低［3］。为提高产品的色价和纯度，扩大其应用范围，必须对其粗提液进行纯化。目前纯化主要有以下几种方法［9，21］：

2.2.1 树脂法 将色素粗提取液经阳离子交换树脂处理去杂，以盐酸酸化乙醇为洗脱液交换洗脱，最后通过浓缩干燥制得色素纯品，得率高达89.4%。

2.2.2 超滤法（膜分离法） 用柠檬酸进行粗提后，通过树脂进行纯化，用乙醇洗脱，蒸馏出乙醇后的色素液再经超滤膜处理，以除去蛋白质、淀粉等杂质，随后用反渗透膜浓缩得纯化的红色素。综合前人的研究成果分析得，膜过滤效果不尽理想，杂质去除率不算太高，而花青素的截流率太高，会造成花青素大量的损失。

2.2.3 醋酸铅沉淀法 因使用大量的醋酸铅，不适合用于食品和药品级花青素提取。

2.2.4 分级醇沉法 多次反复调整乙醇浓度，使大分子物质如多糖、淀粉和蛋白等沉淀、过滤，从而得较纯的紫甘薯花青素溶液。但分级醇沉法的过程较繁琐，消耗乙醇量大，并会伴有吸附和包夹，致使色素有不同程度的损失。

3 抗菌活性

3.1 抗菌机理

通过对紫甘薯花青素化学结构分析可知，紫甘薯花青素属类黄酮类化合物，其分子结构上有较多的酚羟基，这些官能团与蛋白质或酶通过氢键方式结合，破坏蛋白质分子结构而变性或失去活性，导致细胞质的固缩和解体［22］。

韩永斌等［23］研究紫甘薯花色苷对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌机制显示，从菌体蛋白SDSPAGE电泳分析可以看出，花色苷对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的蛋白表达未见有明显影响，没有特征性条带的消失，仅对部分蛋白质的合成量有影响，表明花色苷可以抑制菌体细胞内某些蛋白质的合成。从生长曲线和透射电镜观察得出，经紫甘薯花色苷作用4h后的实验组可以明显地看到菌体变形，细胞质稀释，出现明显的质壁分离。随花色苷作用时间延长，细胞质解体，形成小空泡，并连接成大空泡，成为空腔，细胞死亡。表明紫甘薯花色苷的抑菌作用可能是通过增强细胞膜的通透性，使细胞异常生长，抑制对数生长期的细胞分裂，使细胞质稀薄、解体，从而导致细胞死亡。

王关林等［24］以大肠杆菌为供试菌，研究了紫甘薯花青素的抑菌作用机理。透射电镜观察到，紫甘薯花青素作用后，大肠杆菌菌体出现严重质壁分离，细胞质固缩并解体成空泡、细胞致死。表明紫甘薯花青素与蛋白质结合反应。SDS-PAGE分析显示，紫甘薯花青素作用菌体后，大分子量蛋白谱带的量明显减少，直至消失，进一步表明这些蛋白质主要是大分子蛋白。菌株的生长曲线分析中观察到紫甘薯花青素作用主要发生在对数生长期，即细胞分裂增殖期。因此推测这些蛋白或酶很可能与细胞分裂有关。

3.2 抗菌作用研究进展

现今对紫甘薯红色素的抑菌活性的研究仍以体外实验为主。利用紫甘薯红色素体外抑菌性能，可以考虑将其作为新型防腐剂应用于食品行业或用于新药的研发。

岳静等［25］通过紫甘薯红色素对金黄色葡萄球菌和大肠埃希氏菌的抑制实验，对紫甘薯红色素的体外抑菌性能进行了初探，结果显示，5mg/mL的紫甘薯红色素溶液对金黄色葡萄球菌的抑菌圈为14.6mm，对大肠埃希氏菌的抑菌圈为11.9mm，并且随着药剂浓度的增大，抑菌效果更明显。

韩永斌等［23，26］研究了紫甘薯花色苷色素抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、啤酒酵母和黑曲霉的作用。结果表明：紫甘薯花色苷色素对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑制浓度分别为800μg/mL和200μg/mL，并且其抑菌效果与浓度呈正相关，而对啤酒酵母和黑曲霉无抑制作用。

王关林等［24］对紫甘薯花青素的抑菌活性证实紫甘薯花青素对金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌和大肠杆菌有不同程度的抑制作用，并且随着浓度的增加抑菌圈明显变大。其中金黄色葡萄球菌对紫甘薯花青素的敏感性最强，浓度为0.625mg/mL时抑菌圈仍很大，而相同浓度的紫甘薯花青素对绿脓杆菌没有明显抑菌圈。通过液体倍比稀释法测得对金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌和大肠杆菌，紫甘薯花青素的MIC（mg/mL）分别为0.186、1.25和1.25，MBC（mg/mL）分别是0.373、1.25和1.25。

4 抗氧化活性

现代研究证明，抗氧化活性是花青素类色素的一项显著的生理功能［27］，花青素同时也是一种较好的氧自由基清除剂。其抗氧化作用是VE的50倍，是VC的20倍。而且，它还具有其他抗氧化剂所不可比拟的体内活性，是社会公认的抗衰老营养补充食品［28］。

4.1 抗氧化机理

花色苷抗氧化的主要活性基团是分子中的酚羟基［29］，而紫甘薯红色素的主要化学组分为带有酰基的矢车菊苷和芍药苷，其结构中有多个酚羟基，是羟基供体，同时也是一种自由基清除剂。因而紫甘薯红色素不仅能和蛋白质结合防止过氧化，而且还能提供质子，有效清除脂类自由基，切断脂类氧化的链式反应，起到防止脂质过氧化的作用［3，30-31］。

4.2 抗氧化作用研究进展

4.2.1 体外抗氧化作用 迄今为止，国内外众多学者对紫甘薯花色苷进行了体外抗氧化活性的研究，发现紫甘薯花色苷在体外活性氧模型中表现出相当的还原力和清除羟自由基的能力，并且随着浓度的增加而增强［3，31］。

姚钰蓉［8］分别采用·OH、O2-·和DPPH·三种抗氧化模型，验证了紫甘薯花青素的抗氧化活性，紫甘薯花青素在各个抗氧化体系中表现出一定的清除自由基能力。相同浓度下，紫甘薯花青素粗品和纯品对·OH、O2-·和DPPH·的清除能力均存在一定差异，但都随浓度的增大而增强。当花青素纯品浓度达到5mg/mL时，与抗坏血酸相比，对·OH、O2-·和DPPH·清除率分别为100%、75%、99%。

吕晓玲等［31］采用荧光化学发光法研究了紫甘薯花色苷对活性氧（O2-·、·OH和H2O2）的清除作用。结果表明，在低浓度时，紫甘薯花色苷就能显著地清除O2-·；浓度为1.5mg/mL时，清除率达到76.3%；浓度为3mg/mL时，清除率为82.5%。但同浓度的紫甘薯花色苷清除效果略低于抗坏血酸。且对·OH也具有较强的清除能力，清除率随浓度的增大而增强。对H2O2的清除效果，浓度＜0.25mg/mL时，与抗坏血酸相当，浓度 ＞0.25mg/mL时，则低于抗坏血酸。

Choong C Teow等［32］运用ORAC（氧化自由基吸收能力），ABTS［2，2′-边氮基-双（3-乙基苯并噻吡咯啉-6-磺酸）］和DPPH等方法测定紫甘薯的抗氧化性，研究表明甘薯的紫色越深，含有的色素越多，则抗氧化性越强。

朱红梅等［33］测定了紫甘薯总花色苷在 O-2·、DPPH·和亚油酸体系的还原力和抗氧化活性。研究显示，在质量浓度均为0.5g/L时，花色苷、L-AA和BHT的还原力分别为0.572、0.460和0.121，花色苷清除DPPH·自由基的半数抑制浓度（IC50）和清除的IC50分别为6.94、3.68mg/L。此外，紫甘薯花色苷能较好地抑制脂质过氧化。

王霞等［34］研究了紫甘薯花色苷（APSP）中两种主要成分组分Ⅰ（矢车菊素-3-槐糖苷-5-葡糖苷）和Ⅱ（芍药素-3-槐糖苷-5-葡糖苷）的抗氧化活性，采用鲁米诺化学发光法测定其清除O2-·、·OH和H2O2的能力。结果表明，紫甘薯花色苷组分Ⅰ和Ⅱ均具有较强的清除O2-·、·OH和H2O2的能力。

4.1.2 体内抗氧化作用 Suda等［35］对紫甘薯中酰基花青素芍药色素-3-咖啡酰槐糖苷-5-葡糖苷在小鼠体内的吸收利用进行了研究。结果显示，在小鼠血浆中直接检测到芍药色素-3-咖啡酰槐糖苷-5-葡糖苷。按38.9μmol/kg体重的紫甘薯花青素给小鼠灌胃，30min后血浆中的抗氧化剂水平由58.0± 12.0mol/L增至 89.2±6.8mol/L，抗氧化能力显著提高。

Cho J等［36］对紫甘薯花色苷（SPA）和蘑菇提取物（CME）对脂质过氧化反应、DPPH·和认知缺陷的影响进行了研究。结果表明SPA和CME具有相似的DPPH·清除能力。但只有SPA可对老鼠大脑匀浆中脂质过氧化有效地抑制，而且通过对乙醇处理过的老鼠被动性能测试得出SPA能明显地提高认知水平。

王杉等［37］研究证实，紫薯色素能显著改善老龄小鼠血清总抗氧化能力（T-AOC），且低剂量紫薯色素（100mg/kg bw）的改善效果随给药时间的增加而加强；紫薯色素可显著抑制老龄小鼠血清中MDA（丙二醛）的生成和提高血清中SOD（超氧化物歧化酶）和全血GSH-Px（谷胱甘肽过氧化物酶）的活性。

5 展望

目前，国内外已开发出大量植物基源天然色素，其中乌饭树果色素、蓝锭果色素、葡萄皮色素，已广泛应用到食品工业中，而紫甘薯色素尚未得到广泛应用。紫甘薯具有生物产量高，稳产性好，营养价值高，且抗旱、耐瘠，污染少，是无公害的绿色产品。近年来，花色苷的生理功能得到国内外学者的广泛关注，并且已取得了大量研究成果。主要集中在抗氧化、消除自由基功能、改善血清以及肝脏中脂肪含量作用、抗变异作用、防止生物体内过氧化作用、抗菌作用以及其它的生理功能［38］，因而在食品添加剂、保健品和医药工业方面有广阔的应用前景。紫甘薯中的花色素具有原料来源广、色素产量高、提取成本低等优势，以紫甘薯生产的天然食用色素安全、无毒、无异味、色彩鲜艳，且具有一定的营养和药理作用，在食品、饮料、化妆品、医药等方面有着较大的应用潜力。因此，有必要大力加快紫甘薯色素生化活性的研究，以实现紫甘薯资源的产业化综合利用。

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Research development of antioxidant and antimicrobial effect of purple sweet potato pigment

HU Lin-zi1，2，MA Yong-quan2，YU Xin2，*
（1.College of Food Science，Shenyang Agricultural Unversity，Shenyang 110161，China；2.College of Light Industry and Food Science，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China）

The research progress in antioxidant and antimicrobial activity of purple sweet potato pigment was synthetically discussed，including composition and properties of the pigment，the extraction and purification methods，the antioxidant and antimicrobial mechanism and research status.The purpose was to promote the development of comprehensive utilization of purple sweet potato.

lpomoea batatas L.cv.；pigment；antioxidant；antimicrobial

TS201.1

A

1002-0306（2011）02-0389-04

2010-02-22 *通讯联系人

胡林子（1985-）女，硕士研究生，研究方向：粮食、油脂及植物蛋白质工程。