紫甘薯花青素研究进展

王洪云，张 毅，钮福祥，孙 健，徐 飞，朱 红，岳瑞雪

(江苏徐淮地区徐州农业科学研究所/中国农业科学院甘薯研究所，江苏徐州 221131)

紫甘薯(Ipomoea batatas)是璇花科甘薯属一年或多年生草本植物，由于其富含花青素而受到广泛关注。研究表明，紫甘薯花青素具有着色、营养和保健等多种用途和功能，已广泛应用于食品、药品、化妆品和保健品等领域，是一种极具开发价值的天然色素资源。

1 紫甘薯色素的来源与性质

紫甘薯的块根和茎叶中均含有花青素，其块根中含量非常高，而茎叶中的含量较少。在块根中花青素的分布也不均匀，一般块根外层的含量高于内层。目前，紫甘薯花青素提取的主要原料形式有两种:一是直接使用紫甘薯块根，二是利用紫甘薯全粉。

紫甘薯品种不同，花色素含量也明显不同。国内一直在开展富含花青素的紫甘薯品种筛选培育工作，目前筛选出山包括徐紫甘薯3 号、济黑1 号、宁紫甘薯1 号、烟紫甘薯1 号和广紫甘薯1 号等数百个适合紫甘薯花青素加工的优良品种［1，2］。

紫甘薯花青素(PSPC)具有类黄酮的典型结构，属花色苷类化合物，为非脂溶性色素，易溶于水、稀盐酸和乙醇等，固态颗粒或粉末呈紫红色。在酸性溶液条件下，520nm 处出现特征吸收峰。紫甘薯花青素水溶液在酸性条件下呈稳定的红色，随着pH 值的升高，分子结构发生可逆的变化，溶液颜色由红色变为蓝色，最终直至绿色。作为天然食用色素使用时，紫甘薯色素耐热性好，在食品中的稳定性高，耐光性也较强，可用于食品的红至紫红色着色剂［3］，但在高温或长时间受热时稳定性差，Al3+和Fe3+对该色素有增色作用。

2 紫甘薯花青素的成分与结构

紫甘薯花青素以C6-C3-C6 作为基本骨架，具有2-苯基-苯并吡喃阳离子的典型结构。母核苯环中的取代基、羟基和甲氧基的数量及位置决定了不同成分的具体结构。

1958年，Haborne［4］等首次鉴定得出，紫甘薯花色苷为经咖啡酸酰基化的矢车菊素-3-槐糖苷-5-葡糖苷;1966年，Shi 等［5］鉴定出紫甘薯中主要的两种花色苷为带三分子阿魏酸和一分子咖啡酸的芍药素以及含两分子阿魏酸和一分子咖啡酸的芍药素;1992年，Odake K 等［6］鉴定出紫甘薯的两种花色苷化学结构为被咖啡酸和阿魏酸酰化的矢车菊素和芍药素;1999年，日本的Terahara 等［7］进一步证实了紫甘薯品种“Yamagawamurasaki”含有8 种酰化的花色苷，其中6种为双酰化结构，有4 种为第一次鉴定出来。2000年，Terahara 等［8］又成功地从选育的新品种“Ayamurasaki”块根中鉴定出其中2 种新花色苷的结构。国内对紫甘薯花青素的成分与结构研究起步较晚，毛建霏等［9］已经用高效液相色谱法 (紫外—可见检测器)，建立了紫甘薯中矢车菊素和芍药素的快速定量检测方法。

3 紫甘薯花青素的提取与提纯

3.1 提取方法

传统的提取方法，国内多采用柠檬酸水溶液或乙醇等［10］溶剂浸提法。国外多采用盐酸化甲醇、乙酸或盐酸水溶液等提取［11］，而且已经将丙酮用于了植物色素的提取，因为丙酮可以避免果胶的干扰［12］。

单一的溶剂浸提法提取紫甘薯青素的得率较低，因此常采用一些辅助方法来提高得率。目前，紫甘薯花青素的提取方法主要有超声辅助提取法、加压溶剂萃取法、脉冲电场处理法、微波辅助提取法和生物酶处理法等。

Lien 等［13］使用酸性乙醇提取紫甘薯花青素，发现超声波辅助提取工艺可明显提高提取率，并成功地建立了响应面法模型对萃取工艺进行了改进，钮福祥［14］等发现循环超声波乙醇提取法提取紫甘薯花青素效果最好，并确定了最佳提取条件。Truong［15］等使用加压液体萃取法优化了不同基因型紫甘薯的提取条件。Puértolas［16］等研究了脉冲电场处理对紫甘薯花青素提取率的影响，并用响应面法确定了花青素提取的最佳条件。杨华等［17］选用微波提取方法从紫甘薯中提取花青素，裴志胜等［18］利用超声—微波协同萃取法进一步优化了紫甘薯花青素提取工艺。日本三荣化学工业株式会社最早用生物酶处理法得到一种含淀粉成分非常少的澄清色素液，国内韩永斌等［19］发明了一种发酵法提取紫甘薯红色素的生产工艺。

3.2 提纯方法

紫甘薯花青素溶液通过以上的提取方法进行初提，得到的产品纯度一般比较低，含有较多的多糖、有机酸等杂质。对粗提取液进行提纯，可以获得纯度高且性质稳定的花青素。当前常用的分离纯化方法主要有交换树脂法、膜分离法和高速逆流色谱法等。

国内多采用阳离子交换树脂(AB-8，X-5，NKA-9)，通过吸附去除紫甘薯花青素粗提液中的杂物，使用酸化乙醇为洗脱液进行交换洗脱，最后再通过浓缩干燥制得花青素纯品。孙健等［20］发现AB-8 大孔吸附树脂在吸附能力上明显优于其它树脂，并且确定了AB-8 大孔树脂动态吸附紫甘薯花青素的最优工艺条件。近年来，吴仲贤等［21］利用多级分离膜分离法，对紫甘薯花青素粗提液去杂纯化起到较好的效果。由于高速逆流色谱法(HSCCC)可以完全避免载体对分离效果的影响，成为了目前国际的研究热点。日本Montilla 等［22］已经将高速逆流色谱法应用在日本紫甘薯的分离制备。

4 紫甘薯花青素的功能作用

4.1 对酒精性肝损伤的保护作用

酒精是一种对肝脏有害的常见物质。孙红男等［23］研究表明，紫甘薯花青素对急性和亚急性的酒精性肝损伤有预防作用，并且发现紫甘薯花青素具有一定的解酒效果。闫倩倩等［24］也有相似的研究结果。

4.2 保护大脑，改善记忆作用

花青素能够穿过血脑屏障，存在于大脑的不同区域，可能具有改变信号通路的能力，所以对学习和记忆有重要作用。陆军等［25］评估了紫甘薯色素对软骨藻酸(DA)引起的认知功能障碍的效果，表明紫甘薯色素对DA 诱导认知缺陷具有神经保护作用，可能用于兴奋毒性和其它脑部疾病所致的认知障碍的预防和治疗。王永建等［26］研究表明，紫甘薯色素通过一定程度上阻断ERK、JNK 和NF-κB 信号，抑制促炎症分子的产生，可用于缓解脂多糖(LPS)诱导的急性脑炎。

4.3 保护肝脏和肾脏作用

Choi 等［27］的研究表明，紫甘薯花青素能减轻二甲基亚硝胺(DMN)引起的肝损伤，有保肝和抗肝纤维化的作用。Hwang 等［28］进一步研究，紫甘薯花青素能够激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶，减轻肝脏脂肪堆积。Zhang 等［29］的研究表明，紫甘薯花青素能减缓高脂饮食引起的肝脏胰岛素抵抗，其机理是花青素能阻断氧化应激和内质网应激。单群等［30］研究表明，紫甘薯花青素抑制肾脏的氧化应激，分子机理是抑制炎症小体NLRP3 信号通路的激活。

4.4 抑菌作用

紫甘薯花青素分子结构上有较多的酚羟基官能团，可以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，具有一定的抑菌作用。目前对紫甘薯花青素抑菌活性的研究仍以体外试验为主。王关林等［31］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、大肠杆菌和绿脓杆菌有不同程度的抑制作用，并且抑菌效果与花青素浓度成正相关。韩永斌等［32］也发现紫甘薯花青素可以有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，而对啤酒酵母和黑曲霉无抑制作用。

4.5 抗突变和抗肿瘤作用

紫甘薯花青素可以促进胶原的合成，增加胶原的抵抗，抑制胶原酶的活性，从而抑制肿瘤细胞的入侵和转移。Yoshimot 等［33］对4 种不同颜色甘薯水提物的抗突变活力进行评价，证明紫甘薯中的花色苷色素具有良好的抑制杂环胺类的突变物质的作用。进一步研究后［34］，发现从紫甘薯中分离得到的两种花色苷单体均具有较强的抗突变能力。Zhao 等［35］也发现，紫甘薯花青素具有抗肿瘤活性，且具有抗氧化、降血糖的作用。Lim 等［36］发现，紫甘薯花青素可以预防大肠癌。

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