黑豆皮色素提取工艺及功能活性研究进展

肖秀婵，李强林，周筝，赵二劳，杨洁

(1.成都工业学院 建筑与环境工程学院，成都 611730；2.忻州师范学院 化学系，山西 忻州 034000)

黑豆又称乌豆、冬豆子，为豆科植物大豆的黑色种子，是我国珍稀的优良粮油作物资源，在我国各地广泛种植，尤以东北、华北和西北等地为多，我国资源丰富[1,2]。黑豆中含有大量营养物质，有药食同疗作用。黑豆皮是黑豆的种皮，为黑豆加工生产中的副产品，约占豆粒的10%，含有多种功能成分[3]。色素是黑豆皮中的重要功能成分之一，在食品、调味品、医药、卫生等领域有潜在的应用前景和价值。目前，国内有关黑豆皮色素(包括花色苷与花青素)的研究很多，但鲜有相关研究总结报道，而有关黑豆皮色素的应用研究报道则甚少。研究黑豆皮色素的提取工艺及其功能活性，对高值化开发应用黑豆皮，有效拉长黑豆产业链，提高黑豆经济价值具有重要的实际意义。基于此，本文梳理概述了近10年来国内黑豆皮色素提取工艺及功能活性相关研究，展望了其研究方向，为黑豆皮的合理开发及其深入研究应用提供了参考和借鉴。

1 黑豆皮色素提取工艺

近10年来，有关黑豆皮色素提取方法的研究国内仅有溶剂提取法、酶解法、超声辅助提取法、微波辅助提取法和协同辅助法。

1.1 溶剂提取法

溶剂提取是依据相似相溶原理，选择适当的溶剂，通过渗透、扩散等传质，尽量多地将目标成分溶出，而控制其他成分溶出的一种提取方法[4]。黑豆皮色素溶剂的提取工艺流程大致为：黑豆皮粉末→加入溶剂→浸提→抽滤→提取液→干燥→黑豆皮色素粗品。采用溶剂法提取黑豆皮色素，主要常用的溶剂为乙醇或酸化乙醇。

近10年来，国内有关溶剂提取黑豆皮色素的研究相对较多。如：郑丽娜等研究了黑豆皮红色素的乙醇浸提，正交试验优化的最佳工艺参数为：乙醇浓度50%，料液比1∶100 (g/mL) ，pH 1.0，温度60 ℃，时间90 min，浸提3次，黑豆皮红色素浸膏的提取率达78%左右[5]。丁洁等采用酒石酸浸提黑豆皮中花色苷，确定的最佳工艺条件为：酒石酸质量分数40%，料液比1∶30(g/mL)，浸提温度60 ℃，浸提时间150 min，花色苷提取量为14.32 mg/g[6]。翟硕等研究了黑豆皮花色苷的乙醇/硫酸铵双水相萃取，优化的最佳萃取工艺条件为：乙醇质量分数30%，硫酸铵质量分数22%，pH 3.0，料液比1∶56 (g/mL)，固定萃取温度为常温(25 ℃)和萃取时间60 min。该工艺下，花色苷得率为2.81 mg/g[7]。黑豆皮色素的溶剂提取，考虑其溶解性，一般采用有机溶剂提取。溶剂提取黑豆皮色素操作简便，一次性经费投入少，色素提取率较高。但由于该方法溶剂用量大，所提色素纯度不高，提取时间长，提取效率不高，难以满足工业化生产应用要求，仅限于实验室研究。

1.2 酶解法

酶解法是根据植物细胞壁的构成，选择相应的酶，降解和破坏黑豆皮细胞壁组成，减少传质阻力，加快有效成分溶出，提高提取率[8]。黑豆皮色素酶解工艺流程一般为：黑豆皮粉末→加入酶和溶剂→提取→酶灭活→抽滤→提取液→干燥→黑豆皮色素粗品。

近10年来，国内有关酶解黑豆皮色素的研究仅有2篇文献。孙晓侠等[9]研究了黑豆皮中色素的纤维素酶解工艺，通过单因素试验结合正交试验优化的最佳工艺为：以pH 4.5的柠檬酸-柠檬酸三钠缓冲液为溶剂，料液比1∶20 (g/mL)，纤维素酶用量80 U/mL，酶解温度50 ℃，酶解时间120 min，酶解次数3次。此工艺条件下，黑豆皮色素提取率可达到96.8%，与溶剂浸提相比，提取率提高了8.2%。褚盼盼等[10]研究了黑豆皮红色素双酶辅助提取，正交试验优化的最佳工艺为：双酶用量(果胶酶2 mg+纤维素酶1 mg)，料液比1∶25 (g/mL)，pH 3.6，酶解温度55 ℃，酶解时间120 min，提取次数2次。在此条件下，黑豆皮红色素提取率为26.60%。黑豆皮色素酶解法是一种反应条件温和、无有机溶剂残留、提取率较高的提取方法。为提高色素的提取率，可采用多种酶协同破坏黑豆皮细胞壁，促使色素类成分快速溶出。该法的主要问题是提取时间相对较长，提取过程对温度、pH的控制要求严格，成本较高。因此，不太适用工业化生产应用，目前仅用于实验室研究。

1.3 超声辅助提取法

超声辅助提取是在溶剂提取的基础上，辅以超声波，利用超声波的空化、机械等效应，破坏黑豆皮细胞壁，提高细胞通透性，加速有效成分扩散、溶出，提高有效成分的提取率[11]。黑豆皮色素超声辅助提取工艺流程一般为：黑豆皮粉末→加入溶剂→超声辅助提取→抽滤→提取液→干燥→黑豆皮色素粗品。

近10年来，国内有关超声辅助提取黑豆皮色素的研究相对较多。如：王玲丽等[12]研究了黑豆皮中色素的超声辅助乙醇提取，响应面法优化的最佳提取工艺为：在超声功率400 W、提取温度50 ℃的条件下，以浓度55%的乙醇为提取剂，pH值1.4，料液比1∶36 (g/mL)，超声提取63 min，黑豆皮色素吸光度值为0.622。卢春晓等[13]研究了黑豆皮花色苷超声辅助乙酸提取，响应面优化的最佳工艺参数为：乙酸浓度30%，料液比1∶10 (g/mL)，超声功率90 W，提取温度30 ℃，提取时间30 min，黑豆皮花色苷提取率为0.575%。褚盼盼等[14]研究了不同方法提取黑豆皮花青素，得出黑豆皮花青素提取率超声辅助水提>乙醇浸提>水浸提，超声辅助提取花色苷提取率可达20.50%。超声辅助提取黑豆皮色素较溶剂提取法可显著缩短提取时间，提高色素提取率，效率较高，是一种方便快捷的黑豆皮色素提取方法。但因尚未解决超声波对环境污染以及超声设备工业放大等问题，目前仅用于实验室研究。

1.4 微波辅助提取法

微波辅助提取是利用在微波场中，微波的选择性加热，破坏黑豆皮细胞或细胞膜，促使色素类成分快速溶出，以提高色素的提取率。黑豆皮色素微波辅助提取工艺流程一般为：黑豆皮粉末→加入溶剂→微波辅助提取→抽滤→提取液→干燥→黑豆皮色素粗品。

近10年来，国内有关黑豆皮色素微波辅助提取的研究不多。如：戴坤等[15]研究了黑豆皮红色素微波辅助乙醇提取，发现料液比对红色素提取影响显著，各因素对红色素提取率影响的大小顺序为料液比>微波功率>微波时间。优化的最佳工艺参数为：以浓度50%乙醇为提取剂，料液比1∶84 (g/mL)，微波功率400 W，微波时间3 min。袁园等[16]研究了黑豆皮花青素微波辅助酸性乙醇提取，正交试验优化的最佳工艺：乙醇浓度70%，用盐酸调pH值至1.0，微波功率300 W，料液比1∶40 (g/mL)，提取温度70 ℃，提取时间8 min，黑豆皮花青素提取率为4.887 mg/g。黑豆皮色素的微波辅助提取操作简便、选择性好、提取时间短、提取率高，是一种良好的提取技术，但工业化应用还需解决微波设备的放大问题。

1.5 协同辅助提取法

协同辅助提取是采用两种或两种以上方法共同提取，可实现方法优势互补，相互协同，有利于提高有效成分的提取率。协同辅助提取法是近年来人们关注的一种新型提取技术。协同辅助提取法的流程一般是：黑豆皮粉末→加入溶剂→提取(不同方法分别提取或联合提取)→抽滤→提取液→干燥→黑豆皮色素粗品。

近10年来，国内有关黑豆皮色素协同辅助提取的研究较少。宋岩等[17]研究了黑豆皮花色苷的果胶酶协同超声辅助提取，确定的工艺条件为：首先酶解处理原料，果胶酶用量10 μg/g，pH 4.0，在温度50 ℃下酶解45 min，再在料液比1∶30(g/mL)，超声功率280 W，温度50 ℃条件下超声辅助提取30 min。该工艺下，黑豆皮中花色苷的提取率为4.95 mg/g。苏适等[18]采用离子液体协同超声辅助乙醇提取黑豆皮花青素，响应面法优化的最佳工艺条件为：以70%乙醇稀释的离子液体(1-己基-3-甲基咪唑溴盐)为提取剂，离子液体浓度0.9 mol/L，料液比 1∶53 (g/mL)，超声功率300 W，提取温度43 ℃，提取时间45 min。在此工艺下，黑豆皮中花色苷得率为4.12 mg/g。综上，几种方法协同提取虽工艺条件相对复杂，但提取时间短、效率高，可明显提高黑豆皮色素的提取率，工业化应用前景诱人，值得深入研究。

2 黑豆皮色素功能活性

2.1 抗氧化

有关黑豆皮色素抗氧化的研究相对较多。如：何晨阳等[19]通过测定小鼠肝匀浆脂质过氧化程度、肝线粒体肿胀度、红细胞溶血抑制能力及·OH清除能力，研究了黑豆皮花色苷体外抗细胞脂质过氧化作用，结果发现，黑豆皮花色苷可抗肝匀浆脂质过氧化，抑制肝线粒体肿胀，保护红细胞溶血及清除·OH，且均具有明显的量效关系，表明黑豆皮花色苷具有较强的抗脂质过氧化能力。苏适等研究表明黑豆皮花青素在一定的浓度范围内对·OH的清除能力优于Vc。机体内过量的自由基会氧化损伤机体细胞，导致人体疾病或衰老，清除体内过量自由基、抗氧化，有益人体健康。黑豆皮色素可有效清除自由基，具有抗氧化功能活性。

2.2 抗肿瘤

白金晶[20]的细胞增殖实验得出黑豆皮花青素抑制肝癌HepG2 细胞的效果最显著，具有时间-剂量相关性，进一步研究发现黑豆皮花青素通过抑制JAK2/STAT3信号通路致使肝癌HepG2、SMMC7721细胞发生凋亡，起到抗肿瘤作用。李新[21]采用MTT法研究了黑豆皮花青素对不同肿瘤细胞的增殖有抑制作用，发现黑豆皮花青素对3种供试肿瘤细胞(MCT7、HCT-116和HepG2)的增殖都有抑制作用，且具有剂量依赖性，而对正常FHC细胞增殖无影响，表明黑豆皮花青素有抗肿瘤作用。

2.3 降血糖

张继曼等[22]通过对正常小鼠组和四氧嘧啶造模的糖尿病小鼠组腹腔注射黑豆皮花青素的研究发现，黑豆皮花色苷可以明显降低糖尿病小鼠血糖和血清中MDA与CAT含量，提高血清中SOD和GSH-PX含量，同时提高了血清中胰岛素含量。表明黑豆皮花色苷具有降低糖尿病小鼠高血糖作用，认为其降血糖作用可能与促进胰岛素分泌和清除自由基有关。赵艳威等[23]的研究表明，黑豆皮花青素对ACFs的形成具有明显的抑制作用，且呈剂量依赖性，可明显降低糖尿病大鼠的血糖水平。

2.4 降血脂

陈萍等[24]对黑豆皮中花青素降血脂作用进行了动物试验，结果发现黑豆皮花青素能够降低大鼠血清中TC、TG、LDL-C和Apo-B水平，升高血清中HDL-C水平，降低动脉粥样硬化指数AI1、AI2，且能提高心脏指数，对脾脏指数和肝脏指数的增加有一定的抑制作用，说明黑豆皮花青素有显著的降血脂作用。

2.5 抗菌

褚盼盼等采用滤纸片法对3种不同方法(传统有机溶剂提取、水浸提和超声辅助法)提取的黑豆皮花青素体外抗菌实验研究发现，水浸提的黑豆皮花青素对枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈均最大，抑菌效果最好。对抑菌率的比较发现，随水浸提黑豆皮花青素浓度增加，对3种供试菌的抑菌率增强，当花青素浓度为0.3 g/mL时，对枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率分别为79.75%、74.50%和81.60%，达到最高，表明黑豆皮花青素具有明显的抗菌性。

3 结语与展望

我国食品工业的快速发展为黑豆皮色素的开发利用提供了机遇和空间，丰富的黑豆资源和黑豆皮色素具有的多种功能活性为研究开发黑豆皮色素提供了一定的资源优势和广阔的应用前景。近10年来，我国学者对黑豆皮色素的提取与功能活性进行了不少研究，取得了一定成果，已彰显出黑豆皮色素在食品、医药、饮料及化妆品等领域潜在的应用前景和价值。但总体而言，黑豆皮色素相关研究还不是很充分，黑豆皮色素的提取仅限于实验室研究，其功能活性的研究也很有限，功能活性的量效、构效关系尚不明确。作用机制还未理清，一些功能活性尚未涉及，特别是关于黑豆皮色素的应用研究甚少，不足以支撑黑豆皮色素的产业化生产。今后，在黑豆皮色素提取研究中，一方面可参考、借鉴其他天然产物中色素提取的成熟工艺技术，另一方面可开展一些现代提取技术的应用研究，创新黑豆皮色素的提取工艺，实现黑豆皮色素的高效提取。在黑豆皮色素功能活性的研究中，要多方面、系统研究其功能活性，明晰其量效关系、构效关系，理清其作用机理，为黑豆皮色素的开发应用奠定理论基础。要加强黑豆皮色素在食品、调味品、医药、卫生等领域的应用研究，深入研究其应用的稳定性、可靠性、方便性。由此实现黑豆皮色素的产业化生产，使黑豆皮色素在促进人类健康幸福生活中发挥更加积极的作用。