甘薯紫色素及提取技术研究进展

肖海峻，施鹏飞，杨新建，田璐，王伟青

（北京农业职业学院食品与生物工程系，北京102442）

甘薯紫色素及提取技术研究进展

肖海峻，施鹏飞，杨新建，田璐，王伟青

（北京农业职业学院食品与生物工程系，北京102442）

紫薯色素主要含花青素类色素，它具有抗氧化、抗突变、减轻肝机能障碍与心血管疾病等作用。本文综述了紫薯色素的有机溶剂提取法、超声辅助提取法、微波提取法各自有缺点及最佳提取工艺参数以及产率的大小，综合分析认为微波提取法效果最好。

紫色素；提取技术；研究进展

紫甘薯（purple sweet potato）属旋花科一年生草本植物，是新近开发出的一类优良特异的甘薯品种，其肉质紫红，外观诱人，具有营养、着色和保健多重作用，引起国内外的广泛关注。本文就紫薯色素的营养价值、应用前景及其提取技术进行综述，为进一步对该色素的开发利用提供依据。

1 紫色素应用前景

紫薯除含有普通甘薯具有的营养价值外，还富含硒元素和花青素。硒是一种人体必需的微量元素，与长寿有关；花青素对100多种疾病有预防和治疗作用，被誉为继水、蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质之后的第七大必需营养素，是维护人类健康最直接、最有效、最安全的自由基清除剂，此外，花青素还能够增强血管弹性，改善循环系统和增进皮肤的光滑度，抑制炎症和过敏，改善关节的柔韧性等功能。基于以上原因，目前紫色素已广泛地应用在食品、化妆品及药品行业。

1.1 食品行业

紫色素耐热性好，能够经受食品工业上的巴氏法消毒，可以溶于醇和水溶液，因此，主要用作食品的红色至紫红色着色剂而添加到冰淇淋、奶制品、饮料、奶酪、水产品、果汁饮料、果冻、谷物等食品中。因属于天然无毒制品，故用量未作限量性规定，以满足所需要的着色度为限。

1.2 化妆品行业

目前，化妆品中所使用的色素多为化学合成色素，长期使用会产生蓄积作用，对机体造成潜在的危害。有研究人员指出，化妆品中的色素可导致皮肤过敏、色素沉着甚至引发哮喘等。由于紫甘薯色素取自天然，不仅色彩鲜艳、自然、独具魅力，而且还具有抗氧化、清除自由基能力等作用，含紫甘薯色素的护肤品可抑制由于紫外线照射产生的氧自由基导致过氧化物的生成，对改善皮肤炎症、抗氧化等有一定的作用。因此紫甘薯色素可取代化学合成色素而广泛应用于化妆品行业。

1.3 药品行业

在生产药品中需要添加人工合成色素如芥菜红、胭脂红、靛蓝等，使得药品更加容易识别和区分。长期服用添加人工合成色素的药品，会对人体有一定的危害。因此，可以使用天然紫色甘薯色素来代替合成色素生产有色药片。

2 紫色素稳定性的影响因素

2.1 pH

在酸性条件下，紫色甘薯色素呈深红色，其吸光度随时间的变化不大，结构稳定；高温和碱性条件能加速紫色甘薯色素的损失，即使回到原来的酸性状态，也难以恢复；碱处理后，紫色甘薯色素的吸光度大幅度下降且吸收峰稍微发生向紫外方向移动。表明，紫色甘薯色素的结构可能受到破坏。根据紫外扫描和红外扫描结果推测，紫色甘薯花色素色泽的变化可能是由于其主体骨架由三环共面结构转化为三环不共面结构[1-3]。

2.2 温度

当pH为3时，该色素对热表现出相对稳定性，当pH为5时，且较长时间高温，色素稳定性有所下降，但下降幅度不大，说明其耐热性较强。但随溶液pH增大，色素对热更为敏感，尤其当pH大于6时，色素的热稳定性明显下降[1-3]。研究还表明，该色素粗提物的耐热性比纯提物的耐热性要高得多[4]。

2.3 光照

紫色甘薯色素在pH为3的条件下，进行室内暗处、室内自然光、室外自然光和紫外光（20 W）等4个不同处理，均放置0、0.5、1、2 h后，其特征吸收峰不变，光密度的变化也很小，说明其光稳定性特好[2]。色素粗提物的光耐受性非常理想，可能是因为色素粗提物中的糖、酸、多酚类物质等可能与色素发生辅色效应而使其稳定性大大提高[4]。日光直射对色素性质的影响与热的作用相似，pH小于等于7时在可见光区仍有吸收，pH大于9时，褪色现象在光照2 d后开始出现。与紫葡萄、紫苏、黑米、紫李和黑豆等所含的红色素比较，紫色甘薯色素的光稳定性最好[5]。

2.4 金属离子

在pH 3时，Na+，Mg2+，Ca2+，Zn2+等金属离子对紫色甘薯色素的稳定性影响很小，Al3+，Cu2+，Fe2+对色素的色调影响不大，而Fe3+，Sn2+对色素的稳定性有影响。Sn2+的加入使色素液颜色加深并生成沉淀，Fe3+的加入使其吸光度明显上升，颜色向黄色变化[2，6]。

2.5 氧化剂和还原剂

紫色甘薯色素在氧化剂或还原剂存在时，颜色变化不大，但光密度有所变化，添加还原剂NaHSO3光密度增加1.3%；而增加氧化剂H2O2，其光密度则减少8.2%，可初步确定该色素抗氧化性相对较弱，而抗还原性较强[2]。

3 紫色素提取工艺研究进展

3.1 提取原料

目前，不同的学者选用的原料不同[7-10]，归纳起来就是两种，一种是利用紫薯成熟的茎叶为原料，提取茎叶中的色素，还有一种以紫甘薯全粉为原料提取。研究表明，紫色甘薯的块根和茎叶中均含有花青素，但块根中含量非常高，而茎叶中的含量很少。在块根中花青素的分布也不均匀，一般表现为块根外层的含量高于内层。紫色甘薯块根外层（包括皮层和表皮，厚约0.5 cm）花青素含量几乎是内层的1.5倍[11]。

3.2 提取方法

提取紫色素的主要方法有有机溶剂提取法、超临界提取法、微波萃取法及超声-微波协同萃取法等几种方法，每种方法都有各自的优缺点。

3.2.1 有机溶剂提取法

有机溶剂提取法是一种常见的色素提取方法，该技术具有提取试剂便宜、设备简单、操作简单易行，提取效率高等优点，但由于通过该法提取的某些产品存在纯度较低和溶剂残留等缺点，影响了其应用范围[12]。

有机溶剂提取法的工艺流程是：新鲜的紫薯→预处理→研磨→浸提→离心（去除固形物）→减压浓缩→真空干燥→粗提产品→纯化→精品，在提取过程中，影响紫色素提取率的因素包括提取时间、提取温度、提取溶剂及溶液的pH。不同学者设定的参数值不用，因此获得最佳提取工艺参数也不同。杨萍以紫甘薯茎叶为原料，采用单因素和3因素3水平正交试验设计，研究结果认为紫薯色素最佳提取工艺参数是：最佳工艺条件为提取剂乙醇用量为60 mL、提取时间24 h、提取温度50℃、提取液的pH为5[12]；而王玲通过正交试验得出紫甘薯色素的最佳提取条件是：使用0.8%柠檬酸溶液作为提取剂，料液比1∶50，提取时间为4 h，温度为60℃，浸提温度和时间对紫甘薯色素的提取率影响较大，提取剂浓度、料液比的影响次之[7]。

3.2.2 超声辅助提取法

近年来，超声提取技术在植物有效成分提取中广泛应用[13-14]，该技术已应用到紫甘薯色素提取中，该技术具有提取时间短、提取量高等特点，同时可防止提取物在长时间高温或空气暴露条件下发生降解、褪色等变化。

超声技术提取法的工艺流程是：原料预处理（洗净、切片、烘干、粉碎、过目）→花青素标准曲线的绘制→待测样品中花青素含量的测定。在提取过程中，影响待测样花青素含量的因素有提取时间、提取温度和料液比。不同的学者设定的参数不同，田其英在单因素试验的基础上，设计响应面对紫甘薯色素提取工艺进行优化，得出采用超声提取的最佳工艺参数是：提取时间40 min，提取温度75℃，液料比10∶1，在此条件下，所得花青素提取率为1.70%[14]；而朱洪梅等在单因素基础上，设计正交试验（34）对提取时间、提取温度和料液比进行优化，认为最佳提取工艺参数是：提取温度70℃，提取时间40 min，料液比1∶10[10]。

3.2.3 微波提取法

微波作为一种新兴的应用技术，近年在植物化学领域得到广泛应用[15]，该技术具有穿透力和选择性强、加热效率高等特点；由于它是一种瞬时穿透式加热方式，在微波场的作用下植物细胞被破壁，从而加快了萃取的速率和有效地提高了产品提取率[15]，同传统方法相比具有提取率高、时间短、能源消耗小等优点，但在提取过程中发现有大量杂质一起提取出来，如核酸、蛋白质等，使得花青素的纯度不高。

微波提取工艺流程是：称取紫甘薯粉→置于离心管中→加入料液比→微波处理→离心→取上清液→定容→紫外分光光度计测定含量。在微波提取技术中，影响紫色素提取率的主要因素是：提取剂、微波辐射功率、微波照射时间、料液比、pH。不同的学者设置不同的参数，杨华在单因素设计的基础上，采用四因素三水平的正交试验对该提取工艺进行优化，研究结果发现最佳提取工艺是：微波功率为700 W，微波时间5 min，液固比为22.5∶1，pH为2.5，采用该工艺提取紫色素，提取率为236.3 mg/100 g[16]。

3.2.4 超声-微波协同萃取法

超声-微波协同萃取技术具有能耗低、效率高、不破坏有效成分的特点[17]，已有报道应用到紫薯紫色素提取方面。

超声-微波协同萃取技术提取的工艺流程是：称取一定量的紫薯粉→加入提取剂→超声-微波协同萃取→离心→取上清液→浓缩后得紫薯色素→测定器含量。影响超声-微波协同萃取法的主要因素是：超声功率、微波功率、料液比、微波时间及pH。王宏兹在单因素的基础上，应用响应面优化最佳工艺，得出最佳提取工艺参数是：超声功率50 W，微波功率135 W，微波时间7.5 min，料液比1∶20[17]。

3.2.5 三种方法提取效率的比较研究

从以上分析可以看出，甘薯紫色素的三种提取方法各有优缺点，且产率也不一样。王琴等以紫甘薯全粉为原料，研究溶剂浸提法、微波萃取法和超声波萃取法对紫甘薯花色苷色素提取效果的影响，结果表明：溶剂浸提法产率较低，提取时间较长；超声波萃取法产率较高，但色素纯度较低；微波萃取法是一种较好的提取方法，产率达5.94%，色价为8.7，其产率是溶剂浸提法的1.24倍，超声波萃取法的1.04倍；其色价是溶剂浸提法的1.12倍，是超声波萃取法的1.16倍[18]。胡梦琳等人采用微波和超声波对紫薯色素提取方法进行对比研究，结果表明，微波提取最佳条件为溶剂50%酸化乙醇、料液比1∶10（g/mL）、辐射时间12 min、温度75℃；超声波提取最佳条件为溶剂60%酸化乙醇、料液比1∶30（g/mL）、超声时间30 min、超声温度60℃，综合分析微波和超声波提取法，该作者认为在最佳条件下清除羟自由基，微波清除效率高，因此微波方法更优[19]。

4 结束语

随着人们生活水平的提高和食品安全意识的增强，食用色素的安全性问题已受到各国政府、生产厂家及消费者的普遍重视。在确认部分合成色素具有潜在的致畸、致癌及其他毒副作用后，不少合成色素在食品中的使用相继在各国受到不同程度的限制，而天然色素作为安全的食用色素则日益受到消费者的青睐。紫色甘薯色素作为一种珍稀的新型天然色素资源，在食品、化妆品及医药等行业中有着广阔的应用前景。在中国，紫色甘薯色素的研究和开发目前还处于起步阶段。

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Research and Progress about Anthocyanins of Purple-Fleshed Sweet Potatoes

XIAO Hai-jun，SHI Peng-fei，YANG Xin-jian，TIAN Lu，WANG Wei-qing
（Department of Food and Bioengineering，Beijing Vocational College of Agriculture，Beijing 102442，China）

Purple fleshed sweet potatoes are ant hocyanin rich foods.Anthocyanin pigments of purple fleshed sweet potatoes show functions of anti oxidation and antimutagenicity，they also can prevent carbon tetrachloride induced acute liver dam age in t he rat and reduce the risk of coronary heart disease.The advantages and disadvantages of extracting methods such as organic solvent method and microwave and ultrasonic and the best technological parameter are summarized in this paper，and the results showed that microwave method are the best way according to the productivity.

anthocyanin；extracting methods；research and progress

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.19.037

2013-04-11

北京农业职业学院博士基金“紫薯色素提取工艺研究”（XY-BS-12-06）

肖海峻（1966—），女（汉），教授，博士，研究方向：植物种质资源的开发利用。