花青素提取工艺研究及前景

张卫波 杨豆 吕宁

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723001）

花青素提取工艺研究及前景

张卫波 杨豆 吕宁

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723001）

本文对目前花青素传统溶剂提取方法及加压、微波、微生物发酵或酶解法、超声波、亚临界水辅助提取方法的相关研究进行了介绍，以此探讨花青素作为饲料添加剂的应用前景，为花青素在动物饲料中的应用提供参考依据。

花青素；饲料添加剂；提取工艺

前言

花青素是一种天然紫色素添加剂，是目前科学界发现的防治疾病、维护人类健康最直接、最有效、最安全的自由基清除剂，其清除自由基的能力是维生素C的20倍、维生素E的50倍。花青素具有小分子结构，其基本结构包含二个苯环，并由一3碳的单位连结(C6-C3-C6)，属于酚类化合物中的类黄酮类。

当前食品工业中所用的色素大多数是合成色素，从安全性上来说多少带有毒性，若长期使用会危害人的健康，因此天然色素就逐渐引起了科研人员的关注。至今国内市场上仍缺乏花青素纯品，因此对花色苷类色素的深入研究和开发有利于提取高纯度的花青素，为实现大批量的工业生产提供了必备的表征条件和理论依据。目前，花青素主要用于人的的保健品，在动物饲料中的应用很少。本文介绍了花青素在国内外的一些常见以及新兴的提取方法，并讨论花青素将来作为料饲添加剂的前景。

1 花青素的提取方法

有机溶剂萃取法是用一种或几种与水不相混溶的有机药剂，从水溶液中选择性地提取有用组分的浸出液处理方法。在提取过程中，有时还要在萃取剂中加入一些调节剂，以使萃取剂的性能更好。在提取黄酮类成分时，多用乙酸乙脂和水的两相萃取。溶剂提取法是花青素较为常规的提取方法，提取溶剂多选择甲醇、乙醇、丙酮、水或者混合溶剂等。

传统的溶剂提取方法提取时间较长，生产效率较低，且热溶剂容易造成花青素降解以及使其生理活性降低。目前，国外提取花青素的传统方法是采用低温(4～8℃)或者常温(25℃)避光条件下用1%HCL甲醇溶液浸提16～20h，或者采用0.5%、1%的三氟乙酸的甲醇溶液，4℃条件下浸提24h。考虑到食品中会残留甲醇的毒性，不利于应用到饲料添加剂上，也有用1%的HCL乙醇溶液代替甲醇溶液。有时为了避免酰基化的花青素水解，也可选择用弱酸如酒石酸、柠檬酸等代替盐酸。而国内则多采用热溶剂(50～70℃)浸提1～2h的方法来提取花青素，溶剂可选择不同浓度的醇溶液或酸化的水溶液。

有机溶剂萃取为全液过程，具有易分离、试剂易再生和操作安全等特点，发展相当迅速，在传统工业生产中应用广泛。但其主要缺点是部分试剂较昂贵，易乳化夹带，成本较高。伴随着科技的发

展，以及新兴技术的不断推出，该方法的应用已经呈现出逐渐下滑的趋势。

加压溶剂萃取，又称加压液体萃取、快速溶剂萃取，它是通过外来压力提高溶剂的沸点，进而增加物质在溶剂中的溶解度以及萃取效率的。

Priscilla C等提取嘉宝果中的花青素，对加压溶剂萃取、超声辅助及索氏提取法进行对比，发现加压溶剂法的提取效果最好。Fan等，研究表明，在80°C左右最有利于花青素的加压溶剂萃取。同时样品质量对加压溶剂萃取的影响较大。随着样品质量增加，提取率逐步降低。

研究显示，加压溶剂萃取具有提取率高、有机溶剂用量少、快速、基质影响小、回收率高和重现性好，且自动化程度高、萃取过程密闭、对人体危害小、环境污染少等优点。但是，其经济成本较高。加压溶剂提取法允许了高温提取，提高了分析物的溶解度，同时溶剂的使用仍会造成环境污染等问题，因此运用水试剂在加压提取中是更好的选择。

微波辅助提取是利用在微波场中，根据吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体或体系中分离，进入到具有较小介电常数、微波吸收能力相对较差的萃取溶剂中。并且微波加热也利用分子极化或离子导电效应直接对物质进行加热。因此，该方法具有热效率高、升温快速均匀的优势，大大缩短了萃取时间，提高了萃取效率。

目前，关于微波辅助提取法对花青素提取率影响因素的研究集中在微波功率、提取时间、温度及料液比等。Liazid等利用微波辅助提取葡萄皮中的花青素，在提取时间5--15min之内，花青素含量都差别不大。超过30min以后，花青素含量降低。Li Yuan等的研究结果表明，随着能量密度增加，花青素得率迅速增加，达到最高点后进入平台期。杨华等选用微波提取方法从紫甘薯中提取花青素，采用两种方法有效结合，克服了各自不足之处，使提取效果更佳。裴志胜等利用超声一微波协同萃取法进一步优化了紫甘薯花青素提取工艺。

微波提取法具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、节省试剂、废液排放量少、操作简单等特点。微波提取法目前己应用在一些生物活性物质的提取中，而其在花青素的提取中应用仍有待发展。但是其受生产安全性差、微波辐射泄漏隐患大等问题的困扰，令微波辅助溶剂萃取法目前尚不能大规模发展。

微生物发酵或酶解法将生物发酵技术应用于花青素的提取之中，是生物科学与化工生产之间的超强渗透与有效结合。此法是利用微生物或酶的作用将细胞壁成分降解，让胞内的花青素成分迅速渗透扩散出来，以利于提取。

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，国内韩永斌等叫发明了一种发酵法提取紫甘薯红色素的生产工艺。Noriaki等利用发酵法得到富含紫苷薯花青素的饮料。

该方法的优点是操作稳定性及可靠性高，环境友好。并且，微生物发酵或酶辅助提取法与传统方法相比明显提高提取率且缩短提取时间，并减少有机溶剂的使用，降低成本。这类方法研究者大都是在实验室进行研究的，尚未成熟以及缺乏相应的大规模生产设备。

超声波是一种机械波，有效频率一般在20～50kHz范围。超声波提取是将超声波产生的空化、振动、粉碎、搅拌等综合效应应用到天然产物成分提取工艺中，通过破坏细胞壁，增加溶剂穿透力，从而提高提取率和缩短提取时间，达到高效、快速提取细胞内容物的过程。超声波提取不对提取物的结构、活性产生影响。

超声波在20世纪50年代后逐渐应用于化学化工生产过程之中，Lien等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。

超声波提取较传统提取方法具有速度快、提取率高、温度低、节约溶剂等多项特点，应用广泛，

不受提取物成分极性、分子质量大小的限制，适用于绝大多数物质有效成分的提取。除此之外，该方法还具有操作简单易行、提取料液杂质少、有效成分易于分离、纯化等特点。综合经济效益显著，是一种辅助传统浸取，实现高效、快速、节能的现代高新技术之一。超声波提取运用前景好、操作简单、快速高效、生产过程清洁无公害。此方法目前还未广泛应用，有待进一步发展，以实现其规模化生产。

在适度的压力下，将水加热到100℃以上、临界温度374℃以下的高温，水仍然保持在液体状态，它的极性会随温度变化而改变，这种水称为亚临界水。亚临界状态下流体微观结构的氢键、离子水合、离子缔合、簇状结构等发生了变化，因此亚临界水的物理、化学特性较之常温常压下的水在性质上有较大差别。常温常压下水的极性较强，亚临界状态下，随着温度的升高，亚临界水的氢键被打开或减弱，从而使水从高到低萃取出来。

通过控制亚临界水的温度和压力，使水的极性在较大范围内变化，从而实现天然产物中的有效成分从水溶性成分到脂溶性成分的连续提取，并可实现选择性提取。对比于其他提取方法，亚临界水提取方法清洁、有效、花青素提取量为传统动态固液萃取的3倍，且产品性能更优，不足之处是工艺条件要求较高。

由于亚临界水萃取是以价廉、无污染的水作为萃取剂，因此，亚临界水萃取技术被视为绿色环保、前景广阔的一项变革性技术。未来将具有强大的竞争力。

2 前景

随着我国人民生活水平的不断提高，人们对食品安全问题日益重视。花青素作为饲料添加剂，不仅能提高动物生产性能，还是一类纯天然、无残留、无污染的天然绿色添加剂，此类饲料添加剂正是未来饲料行业发展的必然趋势。

为了加快我国丰富的花青素资源的综合开发利用，寻求新的高效、快速、方便、自动化分离方法，改进现有的生产提取分离技术显得极为重要。有机溶剂萃取法简单易行，但随着科学技术的不断发展，会慢慢被其他更高效环保的生产工艺所替代。加压溶剂萃取法相关溶剂的使用造成的环境污染依然是限制其发展的主要因素。微波辅助提取法具有绿色环保，提取效率高，时间短等诸多优点。微生物发酵或酶解法操作稳定，可靠性高，节约药品，并降低成本，可加大发展力度。超声波辅助提取因其效益高且无污染的特点是近年来的研究热点。亚临界水提取环保无污染，拥有广阔的发展前景。

新的提取分离方法如超高压辅助提取、高压脉冲电场辅助提取、高速逆流色谱技术等，为工业化提取花青素开辟了新的途径。所以科研人员应该在着力于提取方法的优化的同时，注重设备的改革更新，使设备和提取工艺同步发展，为进一步提高花青素产量奠定基础，使花青素在饲料中更好的发挥其作用。

（略）