彩色薯类花色苷功能研究及开发利用

肖继坪，王琼，白磊，郭华春

（云南农业大学薯类作物研究所，云南昆明650201）

彩色薯类花色苷功能研究及开发利用

肖继坪，王琼，白磊，郭华春*

（云南农业大学薯类作物研究所，云南昆明650201）

概述了近几年研究比较多的彩色马铃薯、紫甘薯和紫山药等彩色薯类的花色苷生物活性功能和开发利用的最新研究状况，阐明了彩色薯类作为功能性食品的巨大潜力，为薯类作物的合理开发与高效利用提供一定的理论参考。

彩色马铃薯；紫甘薯；紫山药；花色苷；功能；利用

薯类作物（root and tuber crops）是指地下的根或茎显著膨大，且贮藏有丰富的碳水化合物（主要是淀粉）、通过人工选择驯化栽培的植物群的总称。薯类作物主要有马铃薯、甘薯、薯蓣（山药）、木薯、魔芋等［1］。随着近几年人们对彩色食品的偏爱，世界的研究热点也逐渐转向红色、蓝色、紫色等薯皮或薯肉的薯类作物，如彩色马铃薯、紫甘薯、紫山药等。

彩色薯类之所以呈现出鲜艳的色彩是因为花色苷在块茎、块根表皮、肉中积累所致。花色苷是自然界一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素［2］，属于黄酮多酚类化合物，由花色素和糖以糖苷键结合而成，是一类具有保健功能的活性成分［3］，它具有抗氧化［4-6］、清除自由基［7-8］、预防心血管疾病、降血脂、保肝［9-10］、抗炎症［11］、防癌抗癌的保健功能［12-13］。花色苷表现出的这种多重疾病预防和健康促进功效引起了人们的广泛关注，使得彩色薯类具有更高的营养和经济价值，在食品、化妆品、保健品等许多新领域得到开发利用。本文将对近几年研究比较多的彩色马铃薯、紫甘薯和紫山药等彩色薯类的花色苷生物活性功能和开发利用做一概述。

1　彩色马铃薯

1.1彩色马铃薯花色苷生物活性功能

1）抗氧化活性

Brown等的研究结果表明红肉和紫肉马铃薯的氧自由基清除能力（ORAC）和血浆铁离子还原能力（FRAP）比白肉和黄肉马铃薯高2～3倍［14-15］。Han等用5%醋酸提取浅紫色的Kitamurasaki（KM）和黑紫色的Hokkai no.92（H92）这两个彩色马铃薯品种中的花色苷，用HP-20树脂纯化，收集的粗提液经浓缩，冷冻干燥成粉。体外实验结果表明黑紫色马铃薯品种H92花色苷冻干粉的DPPH自由基清除能力要比浅紫色马铃薯品种KM强，小鼠体内实验结果也表明两种着色程度不同的紫色蒸马铃薯薄片的抗氧化能力均高于对照。两种紫色马铃薯花色苷混合物主要成分经分析型HPLC-MS、制备型HPLC、核磁共振确定均为矮牵牛色素3-［6-O-（4-O-E-p-香豆酰-O-α-吡喃鼠李糖苷）-β-D-吡喃葡萄糖苷］-5-O-β-D-吡喃葡萄糖苷［4］。Lachman等对捷克和瑞士的15个红、紫色马铃薯品种的总花色苷和水解后的花色素含量及它们的抗氧化性（ABTS，FRAP，DPPH）进行了测定，结果表明总花色苷和水解后的花色素含量与抗氧化性高度正相关。15个彩色马铃薯的总花色苷含量在0.7 mg/100 g～74.3 mg/100 g FW之间，且各个品种富含的花色素种类有很大差异，它们的抗氧能力也各不相同，因此，彩色马铃薯是一种人类饮食中潜在的优异抗氧剂素材［6］。

2）抗炎症活性

Kaspar等通过让18岁～40岁的健康男性分组每天食用150 g简单烹饪过的白、黄、紫马铃薯6周，检测各组人员血液中的总花色苷含量、8-羟化脱氧鸟苷（8-OHdG）引起的DNA损伤、蛋白氧化、脂质过氧化、C反应蛋白（CRP）、炎性细胞因子等指标，发现食用黄马铃薯组人员血液中的酚类物质和类胡萝卜素含量比白马铃薯组的高，紫马铃薯组人员血液中的酚类物质和总花色苷含量最高；食用黄、紫马铃薯组人员血浆中的8-OHdG浓度和白介素-6水平比较白马铃薯组的低，紫马铃薯组人员血浆中的CRP浓度比白马铃薯组的低，因此，该结果说明成人食用紫马铃薯可以减少炎性反应和DNA的损伤［11］。

3）抗癌作用

目前的研究表明彩色马铃薯能防治至少4种癌症，但是防癌机理还不明确。首先，谢庆华等从彩色马铃薯薯片加工过程中产生的薯皮及薯漂洗色液中提取花色苷粗提物，该粗提物对人红细胞白血病细胞株K562具有明显的抑制作用，而对低分化人胃腺癌细胞株BGC-823的生长却无抑制作用，这说明彩色马铃薯花色苷可以用来开发天然的新型抗白血病药剂［16］。其次，2006年Hayashi等又用同种方法获得红色品种Inca Red和紫色品种Inca Purple的花色苷混合物，这2个品种的花色苷混合物均可以引起人类胃癌KATO III细胞的凋亡和DNA的损害；他们再分别用这两个品种的花色苷混合物和蒸马铃薯喂养得了胃癌的小鼠，发现Inca Red和Inca Purple的花色苷混合物对小鼠胃癌生长的抑制率分别为46.2%和38.5%，而蒸马铃薯的抑制率分别为47.6%和38.1%。因此，Hayashi等认为人类可以通过食用大量的新鲜彩色马铃薯来预防和辅助治疗胃癌［3］。再次，马铃薯花色苷能抑制前列腺癌细胞的增殖［13］，在乳腺癌的防治中也能发挥一定的功效［17］。

4）改善结肠内环境

彩色马铃薯花色苷可能对维持良好的结肠内环境有益处。Han等的研究发现红肉马铃薯能显著提高盲肠中乳酸菌的含量和次级胆汁酸排泄物，而紫肉马铃薯能明显提高大鼠粪便中总胆汁酸排泄物和次级胆汁酸排泄物含量［18］，而胆汁酸是癌诱变剂的前体之一，在肠内细菌的作用下还可能转变成致癌或促癌物质［19］，因此，彩色马铃薯花色苷能有效改善结肠内环境，预防癌症发生。

5）抗病毒活性

Hayashi等用3%的三氟乙酸（TFA）水溶液和70%乙醇提取红皮红肉品种Inca Red的花色苷，XAD-7树脂纯化得到花色苷混合物，并用制备型HPLC获得了主要的花色苷成分，经鉴定为天竺葵色素3-［6-O-（4-O-E-p-香豆酰-O-α-吡喃鼠李糖苷）-β-D-吡喃葡萄糖苷］-5-O-β-D-吡喃葡萄糖苷，功能实验还表明花色苷混合物和天竺葵色素葡萄糖苷单体均具有抗流感病毒A和B的功效，且花色苷混合物的抗流感病毒性更好。因此，推测该结果可能是花色苷混合物中各种花色苷作用的叠加或者协同作用的结果［20］。

非支配排序BBO算法采用非支配分层方法，通过虚拟HSI在多目标问题中建立了一个统一的评价标准，使得在各方面都更优的栖息地有更大的机会将信息共享给其他栖息地。非支配排序BBO算法在优化过程的后期具有更好的挖掘能力，搜索范围全面，可保证求得最优解集，但收敛速度较慢。

6）护肝作用

Han等研究了紫马铃薯花色苷提取物对D-半乳糖胺引起的大鼠肝损伤的保护作用。研究结果表明，花色苷提取物能抑制半乳糖胺引起的血清中肿瘤坏死因子а（TNF-а）、乳酸脱氢酶（LDH）、丙氨酸转氨酶（ALT）和谷草转氨酶（AST）的升高，它也可能阻止了大鼠肝脏中硫代巴比妥酸反应物和谷胱甘肽的变化以及脂质过氧化反应和炎症反应［21］。此外，Han等还发现红马铃薯花色苷提取物能降低半乳糖胺的含量和抑制亚麻酸的氧化反应。因此，红马铃薯花色苷通过减少体内谷胱甘肽的消耗也能对D-半乳糖胺引起的大鼠肝损伤起到一定的保护作用［22］。

1.2彩色马铃薯花色苷的开发利用

黄洪媛等对紫色马铃薯颗粒全粉的生产工艺进行了优化，发现较适工艺为二次蒸煮+回填制粉，其中二次蒸煮的最佳工艺条件为浸钙质量浓度30× 10-6g/mL、预煮温度和时间为70℃，28 min、蒸煮时间32 min，回填制粉最佳工艺条件为乳化剂添加量0.30%、回填比例1∶2、搅拌时间2.5 min。以色泽（E值）和碘蓝值为检测指标，发现80、100、120目的紫色马铃薯全粉中80目中的游离淀粉含量最低，颜色保留最好［23］。随后，崔璐璐等通过正交实验优化紫马铃薯全粉加工过程，将紫马铃薯进行分拣清洗、去皮、切片护色、蒸煮、60℃下干燥10 h，粉碎60目～80目，紫马铃薯全粉得率为20.69%；产品为深紫色，颗粒组织均匀细腻，具有浓郁的鲜薯泥香味，有润滑的沙质口感，无其他杂质；紫马铃薯全粉中淀粉占54.50%，蛋白质占7.30%，总多酚含量为466.40 mg/100 g，花青素含量为348.03 mg/100 g，其中花青素保存较多；在此过程中，蒸煮和干燥处理对花青素影响最大，尽量缩短蒸煮和干燥时间并控制干燥温度［24］。陈杰华等将紫薯汁按300 mL/L原汁加入2 g/L柠檬酸、120 g/L蔗糖和9 g/L蜂蜜可以获得色泽和风味俱佳的紫马铃薯饮料［25］。刘家艳等的研究表明：冷冻干燥的马铃薯比自然干燥和热风干燥的色泽好，呈淡紫色，有光泽，花青素含量为0.05 mg/g；当紫色马铃薯粉、豆奶粉和白砂糖的比例为7∶4∶3时，紫色马铃薯营养粉花青素和蛋白质含量较高，营养适宜，制得的马铃薯营养粉成品中，水分含量平均为3.8%，蛋白质含量平均为13.5%，感官优良、冲调性好，具浓郁的马铃薯香味和豆奶香味［26］。

2　紫甘薯

2.1紫甘薯花色苷生物活性功能

1）抗氧化活性

2）抗癌作用

陈永强等研究了紫甘薯汁的抗肿瘤活性及其诱导肝癌细胞HepG2凋亡机制。Alamar Blue法证明了不同浓度的紫甘薯汁对SGC-7901，HO-8910和HepG2细胞的增殖具有抑制作用，且呈浓度依赖性；5%和10%浓度组的紫甘薯汁作用HepG2细胞48 h后，利用倒置显微镜、荧光显微镜、扫描电镜能观察到细胞皱缩和凋亡小体的出现；琼脂糖凝胶电泳可见凋亡细胞呈典型的梯状DNA条带；并用RT-PCR和Western blot法检测了紫甘薯汁对HepG2细胞中凋亡相关因子的表达情况［31］。

3）保肝作用

Choi等的研究表明紫薯花色苷能消弱二甲基亚硝胺所引发的小鼠肝脏纤维化，从而起到保肝的作用［32］。随后Hwang等的研究证明紫薯花色苷之所以具有保肝的作用是因为它能激活由Nrf2介导的氧化和化学应激的防御性转导通路合成抗氧化酶类，缓解细胞的氧化伤害；并且它能减少炎性基因COX-2和iNOS基因的表达［33］。

4）抗高血糖和降血压作用

用紫甘薯中提取的单体3-O-｛6-O-（E）-咖啡酰-2-O-［6-O-（E）-阿魏酰-B-D-吡喃葡糖基］-β-D-吡喃葡糖苷｝-［5-O-（β-D吡哺葡糖苷）］-芍药素及麦芽糖处理雄性小鼠，30 min后小鼠体内的血糖浓度下降16.5%，这可能是紫甘薯花色苷抑制了а-葡糖苷酶的作用，从而导致血糖浓度降低。此外，还有研究表明紫甘薯花色苷具有抑制血管紧张素转换酶（ACE）活性，ACE具有血管末稍收缩功能，可以降低血管外周阻力，从而起到降低血压的功效［34］。

5）抗病毒活性

雷用东等纯化了紫甘薯花色苷并使其作用于感染了猪传染性胃肠炎病毒（TGEV）的猪睾丸（ST）细胞，发现20 μg/mL的花色苷就能抑制TGEV的增殖，且在安全浓度范围（60 μg/mL）内呈浓度剂量效应，且花色苷对TGEV的预防效果比治疗效果更明显。因此，紫甘薯花色苷在20 μg/mL～60 μg/mL浓度范围内对TGEV有很好的抗病毒功效［35］。

2.2紫甘薯花色苷的开发利用

在日本，紫甘薯酿成的烧酒，制成的各种冰淇淋、果汁、奶制品饮料和糕点已成为家喻户晓的寻常食物［36］。

图1　由紫甘薯品种“Ayamurasaki”制成的饮料［36］Fig.1Juices made from purple-fleshed sweet potato cultivar‘Ayamurasaki’［36］

国内对紫甘薯的开发和利用正处于实验室研究阶段，已经投放市场的产品不多，只有紫薯脯、紫薯粉丝、紫薯自发粉等。目前，在实验室研究阶段，朱红等探讨了稳定剂和糖酸比对紫甘薯乳饮料的影响，采用正交试验法对紫甘薯乳饮料的最佳工艺条件进行了研究，他们在紫甘薯浆液中添加白砂糖、柠檬酸、脱脂奶粉和稳定剂，开发出了营养丰富、口感较好的紫甘薯乳饮料［37］。沈昌以果胶酶、淀粉酶及糖化酶处理紫甘薯醪并以此开发出了新型糯米酒，得到的新型糯米酒既有糯米酒的保健功能又融人了紫甘薯花色苷这一功能性成分，使紫甘薯糯米酒富有鲜艳的色泽同时增加了保健功能，极具开发前景［38］。潘润淑等研究了紫甘薯面条的加工技术，产品的最佳配方为：面粉80%，薯粉20%，食盐2%，卡拉胶1.25%，氧化淀粉3.25%。在此工艺条件下，产品断条率0%，烹煮损失率10.7%［39］。余小领等以紫甘薯为原料，经调配、过滤、灭菌等过程加工而成的果冻呈浅桃红色、色泽美观、安全、甜酸滑爽、营养丰富［40］。楚文靖等采用正交试验法对紫甘薯酒的发酵条件进行了研究，结果表明，最优发酵参数为发酵液pH 3.8，酵母接种量3%，发酵温度18℃，此条件下，可得到澄清透亮、口感较好的紫甘薯酒［41］。杜连启等通过单因素试验和正交试验对可冲调紫薯粉的配方进行研究，结果表明，最佳配方为紫薯粉粒度70目，加糖量40%，加花生仁粉量4O%，水温90℃［42］。郑清等以紫甘薯和全脂奶粉为主要原料，对紫甘薯酸奶的生产工艺进行优化，结果表明：紫甘薯最佳护色工艺为85℃4 min，凝固型紫甘薯酸奶的最佳配方为：紫甘薯果肉3%，接种量4%，白砂糖7.5%，乳粉用量为13%，此条件下生产出的酸奶凝乳均匀、酸甜适口［43］。

3　紫山药

3.1紫山药花色苷生物活性功能

倪勤学等优化了紫山药色素的提取工艺，得到的粗提液清除DPPH自由基的IC50为98.14 μg/mL，说明紫山药花色苷具有抗氧化的活性［44］。宋曙辉等的研究表明紫山药具有降低大鼠血糖、胆固醇、低密度脂蛋白、甘油三酯、MDA含量，提高GSH-Px、SOD、CAT活性的趋势，具有一定的抗氧化作用［45］。

3.2紫山药花色苷的开发利用

紫山药中的淀粉经过糖化、发酵可以转化成酒精，发酵过程中产生浓郁的发酵香气。张红雨等通过控制酒精发酵程度生产出了低醇且富含花青素、薯蓣皂等多种生物活性物质的功能性紫山药饮料［46］。孔庆新以紫山药，紫甘薯和牛乳为原料，研发出一种集营养与保健为一体的新型保健饮料—紫山药紫甘薯保健酸乳，并对其生产过程中的护色，发酵原料配比和发酵工艺参数分别进行了正交试验筛选，结果表明：紫山药紫甘薯最佳护色条件为柠檬酸0.4%，VC1.3%，氯化钙0.30%，护色时间2 h；发酵原料最佳配比V（紫山药原浆）∶V（紫甘薯原浆）=2∶1、原料乳添加量为25%、糖添加量为4%；最佳发酵工艺参数为发酵时间7 h、发酵温度43℃、接种量4%［47］。

综上所述，彩色薯类均具有抗氧化活性，而抗氧化活性被视为花色苷的基础生物活性，清除自由基这一作用与花色苷抗癌、抗炎、抗病毒、保肝等生理作用息息相关。紫甘薯里的花色苷含量最多，因此紫甘著的抗氧化作用也是最强的。紫甘薯中还含有硒、铁、钙等，有抗疲劳和补血的功效，特别是硒，具有增强机体免疫力的作用。紫甘薯里纤维素含量也很高，可以促进肠胃蠕动，改善胃肠环境。紫马铃薯和紫山药中的钙、钾等营养成分的含量更高，不仅可以增加人体的抵抗力，还有益于脾、肺、肾等功能。目前，彩色薯类中开发利用较好的也是紫甘薯，国外已开发出紫薯烧酒、冰淇淋、果汁、奶制品饮料和糕点等产品并在市场上占有一定的份额，国内紫薯果脯、紫薯粉丝、紫薯自发粉等也已投放市场，紫薯饮料、酒、果冻、酸奶等已在研制阶段。紫马铃薯全粉、面条、饮料、紫山药饮料等也在逐渐开发中。此外，彩色薯类来源广、产量高、成本低、适应性好，因此，彩色薯类是人们随手可得的天然抗氧化性食材。

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The Function and Utilization of Colored Root and Tuber Crops

XIAO Ji-ping，WANG Qiong，BAI Lei，GUO Hua-chun*
（Tuber＆Root Crops Research Institute，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，Yunnan，China）

This paper summarized the latest research progress about the anthocyanin bioactive function and utilization of colored potato，purple sweet potato and purple yam in recent years.It is indicated that the colored root and tuber crops had huge potential as a kind of functional food in human nutrition.It can provide a theoretical reference for the rational development and utilization of the colored root and tuber crops with high efficiency.

pigmented potato；purple sweet potato；purple yam；anthocyanins；function；utilization

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.13.034

2014-06-13

国家自然科学资金“彩色马铃薯花色苷主要单体的抗氧化活性研究”（31401439）；云南省教育厅科学研究基金“彩色马铃薯花色苷的提取及抗氧化活性初探”（2013Y466）；国家现代农业产业技术体系（CARS-10）

肖继坪（1982—），女（汉），讲师，博士，主要从事于彩色马铃薯品质及遗传特性等相关研究。