花青素作用及提取工艺

周贵凤，李秋华，王金苗，吴秋婷，王祥霖，张 瑶

（四川民族学院农学院，四川 康定 626001）

花青素，又叫花色素，易溶于水，主要由叶绿素转化而来并储存在植物液泡中[1]，是2-苯基苯并吡喃阳离子结构的类黄酮物质，性质特殊，属于类花色苷化合物，其3-羟基与各类单糖键合后可形成不同的花青苷，在酸性溶液中，特征吸收峰是520nm[2]，目前已知的花青素有20多种。花青素因所带羟基数、甲基化、糖基化数目、糖种类、连接位置及生化环境条件（如花青素浓度、共色作用、液泡中pH值等[3-4]）等因素影响而呈现不同颜色。

近年来，花青素提取工艺日趋完善，技术多样，因其特殊的结构和理化性质，被主要运用于医药、保健品、化妆品[5]等领域，但在其他领域如天然食品防腐剂、色素和保健抗癌药物、饲料添加剂等较为少见。本文总结了花青素的作用及其提取工艺，为进一步制备高纯度有效的花青素及其在临床上的开发应用提供参考。

1 花青素作用

1.1 花青素具抗氧化性和清除自由基能力

花青素还原性强，其清除自由基能力是VE的50倍、VC的20倍，表现出较强的抗氧化和清除自由基的能力。羟自由基氧化能力很强，在自然界中仅次于含氟氧化剂，其毒性强、难清除，还可能会造成机体组织器官的损伤，如家禽肉质变质很大程度上是由于自由基生成过多造成。因此，研究花青素的抗氧化性及清除自由基的能力显得尤为重要。为此，不少研究者围绕花青素也做了大量工作。

如赵红岩[6]采用水杨酸捕获法分析检测紫薯中花青素对羟基自由基的清除能力，发现紫薯中的花青素与抗氧化剂2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚（BHT）具有相同的抗氧化活性；尹艳等[7]在明胶膜材料中添加紫薯花青素能显著提高膜的抗氧化活性，对食品氧化和食品变质的研究具有重要意义；古荣鑫等[8]发现在一定相同浓度下，花青素相对于抗坏血酸更能清除自由基，当花青素浓度为5mg/ml时，其清除能力可达100%。

1.2 花青素具有抑菌作用

生活中大部分疾病的发生都与细菌关系密切。细菌可从各方面多角度影响人类的生活，如食物腐败变质，多数是因为食物表面或内部的微生物分解了食物中的蛋白质、碳水化合物、脂肪等营养物质，产生小分子腐败产物并降低食物的营养价值。花青素具有一定的抑菌作用，研究者们发现，不同物质中提取的花青素在不同浓度条件下对不同细菌都呈现出一定的抑菌效果。如紫娟茶中花青素浓度达到10%～20%时，能有效抑制金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的生长繁殖[9]；黑米麸皮的花青素粗提取物在不同的浓度下对红色毛癣菌有较好的抑制作用[10]；此外，蓝莓中提取的花青素对大肠杆菌也有明显的抑制效果[11]。紫薯花青素对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度（MIC）为800mg/ml和200mg/ml，其抑菌效果与物质浓度呈正相关[12]。

此外，在动物实验中还发现，花青素不仅能不同程度地抑制细菌在体内生长外，还可有效抑制体内致炎因子，对抗炎作用也有一定疗效。如花青素可阻碍促炎细胞因子、氧自由基及细胞黏附分子等基因表达，从而影响核转录因子KB及丝裂原活化蛋白激酶通路，并介导一氧化氮（NO）、环氧合酶-2（COX-2）的表达等[13]发挥抗炎作用。

1.3 花青素能增强免疫能力

花青素主要通过保肝、改善血糖和血脂异常、抗突变和抗癌等方面来提高机体免疫能力。许多研究表明花青素具有保肝的作用，如Suda等[14]研究证明给患有急性肝炎的大鼠饲喂含大量花青素的紫薯饮料后，可降低血清中谷氨酸-草醋酸转氨酶和谷氨酸-焦葡萄糖酸转氨酶的浓度，并在一定程度上能降低血清及肝脏中的硫化巴比妥反应物和氧化脂蛋白的含量；而紫薯中花青素类相关成分可通过转录因子信号路径诱导抗氧化、抗炎作用来抑制慢性肝损伤[15]，还能抑制α-葡糖苷酶的产生来降低小鼠体内血糖，改善血脂异常情况，促进体内糖脂代谢的良性循环，达到保护肝脏功能的目的[16-17]。癌症的发生在一定程度上与肿瘤的入侵及肿瘤细胞数目有一定关系[18]，花青素可通过诱导细胞凋亡、干扰细胞分裂周期和扰乱信号级联等方式抑制癌细胞的生长和增值[19]。有研究证实在紫甘薯中的花青素可降低人肝癌细胞SUN-387的活性，并表现出核固缩等凋亡特征[20]；而葡萄籽原花青素通过促进Bcl-2的表达和抑制Caspase-9的表达以减少骨细胞凋亡的发生[21]；詹玮等[22]运用不同浓度蓝莓花青素处理Hep G2细胞，与空白组对照，发现处理的癌细胞明显受到抑制，且抑制效果随浓度增加而增强；而王丽[23]用富含花青素主要成分Cy-3-glu的紫甘蓝提取物饲料饲喂患肿瘤小鼠的试验中也说明了花青素确实具有抑制癌细胞生长的作用。此外，还发现脾细胞在蓝莓花青素的作用下能不断增殖，并协同ConA促使小鼠脾细胞分泌干扰素及白细胞介素[24]，通过这两种物质能显著增强机体的免疫能力，有效避免病原菌的侵蚀。

2 花青素提取方法

花青素在许多学者的研究和探索下，提取工艺日趋完善，技术多样成熟，为花青素的提取打下坚实的基础。目前，花青素的提取方法主要包括溶剂浸提法、超声波提取法、微波萃取法、亚临界水提取法等。提取方法由物质中花青素的性质决定，每种方法各有千秋，针对不同的实验环境、实验要求可以选择适当的提取方法，以确保提取的纯度和高效性。

2.1 溶剂浸提法

花青素分子是高度的共轭体系，易溶于水、乙醇、甲醇等稀酸稀碱类极性溶剂，根据相似相溶的原理提取物质中的花青素。虽然花青素能溶于水，但直接用水做溶媒进行提取工艺流程简单，但由于提取效率不高、周期长，该法使用较少，目前主要通过有机溶剂作溶媒进行花青素的提取。如张振文等[13]在光照条件下运用单因素及正交实验法进行试验设计，发现木薯叶花青素在533nm波长下有最大吸收峰，当花青素提取液酸性甲醇料液比为1：20，在温度60℃条件下作用4h，可得到含量为158.78mg/hg的木薯叶花青素；樊婷等[25]采用柠檬酸-乙醇法提取紫甘薯中花青素，探讨了影响花青素提取量的各种因素，结果表明各因素对其有不同程度的影响，由小到大依次为反应时间、作用温度、柠檬酸浓度、料液比例，并发现强酸会导致花青素水解，影响花青素的品质；而甲醇具有毒性，所以在食品、药品等方面的应用受到了很大的限制。李红姣等[26]在研究桑葚花青素的提取工艺优化时，在优化工艺的前提下通过乙醇浸提桑葚花青素得率达6.90%，并在提取液pH=1的条件下能较好地保持花青素的稳定性。有机溶剂浸提法具有操作简便、成本低、提取效率高及可选提取剂广泛等优点，此方法的应用也最为常见。但有机溶剂提取法耗时长效率低、杂质含量高、易破坏热不稳定性物质，造成环境污染等严重问题，目前主要与新型提取方式结合应用，以提高得率[27]。

2.2 超声波提取法

超声波提取法主要是借助超声波在液体中的空化、扰动、击碎和搅拌等效应来加速植物中有效成分的浸出提取，使花青素快速进入溶剂中，提高花青素提取效率[28]。近年来，超声波提取法也被广为使用，经过实验证明其能达到较好的效果。陈华国等[29]在红布林花青素提取工艺研究中发现，在乙醇浓度为50%，超声30.0min，盐酸用量0.74%，溶剂用量1：11.4的条件下，花青素提取量能达到2118.2μg/g；黄红雨等[30]分别用乙醇提取法和超声波辅助提取法进行紫苏叶中花青素的提取中，通过两者对比，发现超声波辅助提取法比乙醇提取法高0.37倍，提取时间缩短了88.67%，所需温度条件减低，节约了消耗的成本。超声波辅助提取法具在时间和溶剂用量上相比于其他提取方法具有很大优势，并且萃取效率得到了提高，避免了花青素高温条件下易氧化分解的不足[31]，但该法需在一定的仪器设备和专业的操作技术为基础上进行，对实验条件要求较高，故还应结合实际选择合适的提取方法。

2.3 微波萃取法

微波辅助萃取技术主要利用不同物质之间存在的介电常数的差异，利用微波的热效应对样品和溶剂加热，再根据物质成份对微波的吸收能力不同，从而使得需要萃取的物质在微波场中能从基体中分离出来，进入介电常数小、微波吸收能力差的萃取液中[5]，该方法主要运用于植物物料萃取精油和中草药成分中多糖、黄酮等的提取。当然，目前也有部分学者用于物质中花青素萃取具有较高的提取率。如许相雯[32]利用微波辅助萃取蓝莓中的花青素，结果发现，在最佳提取条件下，加拿大蓝莓中花青素萃取率高达88.56%，并与热回流萃取相比，微波萃取更有利于花青素的提取，且萃取率较为稳定；薛宏坤等[33]采用遗传算法-神经网络优化微波萃取蓝莓中花青素得出最佳提取工艺，在微波强度155 W/g、萃取时间53 s、乙醇浓度56%、料液比1：30条件下，花青素萃取率为85.12%。此法较之曲面法，具有更强的预测和优化能力，花青素得率优化值高于曲面法的83.32%；唐杰等[34]用微波萃取提取蓝莓果渣中花青素确定了最佳实验条件：以酸性乙醇为提取剂，萃取时间70s、萃取功率560W、料液比1：20，花青素萃取量为2.98mg/g，此法充分提取出蓝莓果渣中的花青素，提高了蓝莓果渣的利用率，合理利用了资源，较之传统的提取方法，对环境的污染程度更小；陈长应等[35]通过微波萃取黑荞麦中花青素，并用高效液相色谱法检测到花青素含量在0.04～0.28mg/mL，回收率为99.0%～100.2%。微波辅助萃取法能耗低、效率高、简便快速、环境污染小，在一定条件下，能够充分满足对花青素的提取要求，但微波辐射也易促进物质中各组分的扩散速度而造成有效成分的降解，此外，提取时的溶剂浓度、温度、pH值及固液比值等对花青素的萃取率具有很大影响，因此，使用该法提取花青素时需要注意把握好各环节实验条件。

2.4 亚临界水提取法

亚临界水与常温常压下的水在性质上有较大区别，它具有较强的溶解有机物能力和分解能力，类似于有机溶剂，利用其特性，可有效的提取植物中的有效物质。邓丽娟等[36]研究亚临界水提取法提取黑枸杞花青素中，在料液比为1：30（g/ml），压力为9 Mpa，温度120℃条件下提取18 min，可得到含量为6 862.4 mg/kg的花青素。较之微波法，亚临界水提法具有较高的得率，与传统回流法比较，效果也很好。李超等[37]采用超声强化亚临界提取脱籽葡萄籽中原花青素，发现所得原花青素抗氧化能力显著，此法与传统的索氏提取法和热回流提取相比，大大地缩短了提取时间，得到更多有效的原花青素。亚临界水在适度的温度和压力条件下对中极性和非极性有机物具有一定的溶解能力，用之提取花青素，具有绿色高效、环保健康的特点，在很大程度上减少了提取液中其他物质的清除过程，加之其具有提取时间短、提取效果好的优点，在众多的提取方法中，具有很大的推广价值。但亚临界水对温度较为敏感，其极性会随温度变化而发生改变，因此，控制提取过程中的温度控制就显得尤为重要。

此外，还有酶解法[38-39]、超临界流体萃取法[40]等。花青素易受外界环境因素的影响，故其提取效率会因物质种类、提取方法、理化环境等多种因素共同决定。如在紫茄皮花青素研究中就发现，青花素对温度、酸碱度、光照极为敏感[41]，因此，在提取花青素的过程中，应充分注意各项试验条件对花青素提取率及其活性的影响。在适当情况下。另外，由于上述提取方法利弊不一，可根据实际情况将几种方法结合起来，如酶解法联合超声波辅助法提取蓝莓渣中的花青素[42]，利用各自优点来提取花青素，可取得较好的成效。

3 结语

近年来，食品安全和药物滥用问题备受社会关注。花青素绿色安全，它独特的化学结构赋予其多种生理功能，花青素分子质量小，易溶于水，进入机体后可被机体快速吸收，并能穿过血脑屏障，对大脑和神经组织起一定的保护作用，生物利用度良好[18]；再加上多数物质中的花青素天然可食用，今后将其应用于化妆品、保健品[5]、天然食品防腐剂、色素、保健抗癌药物、饲料添加剂[43]，甚至于在兽医临床上改善屠宰后家禽肉质、延长保质期、增强动物免疫力等方面都具有广阔的应用前景。当然，对于花青素的提分离纯化等方面研究我国起步较晚，多数企事业单位还处于较为传统的提取方法，极大地制约了花青素资源的开发利用。通过最近几十年的努力，随着超高压辅助提取、加压溶剂萃取及高压脉冲电场辅助提取等方法的应用，为花青素产业化发展开辟的新的途径，但如何进行高效、便捷、自动化分离、提纯花青素还需进一步研究，有关花青素资源的开发利用还具有巨大的探索空间和发展潜质。