中国黑米花色苷研究现状及展望

王艳龙，石绍福，韩 豪，刘 新，李新生，2，3

（1.陕西理工学院 生物科学与工程学院，2.陕西省资源生物重点实验室，3.陕西省黑色有机食品工程技术研究中心，陕西 汉中 723000）

黑米花色苷（anthocyanin）属于黄酮多酚类化合物，是由花青素（anthocyanidin）与各种糖以糖苷键结合形成的糖苷，存在于黑稻的果实、茎、叶器官的细胞液中[1-2]。郭红辉等[3]研究发现黑米成熟过程中会在种皮内积聚形成大量花色苷色素，从而使其糙米呈现出棕红色、紫红色、紫黑色乃至黑色等颜色。曾盔等[4]研究发现，花色苷类物质除了赋予植物丰富的色彩外，还具有抗氧化、抗炎、降血脂以及抑制肿瘤生成等生理功能，同时花色苷作为一种较为安全的天然色素，在食品工业也显示出广阔的应用前景。钟岩等[5]认为黑米的生理保健作用主要是与黑米中富含的黑米花色苷色素有关。由于食品加工业中常用的人工合成色素的安全性越来越多地受到人们的关注，因此，天然色素的开发研究已成为食品研究领域的热点。随着黑色食品的兴起，以及黑米花青苷色素的工业化生产和应用的实现，使食品工业对黑米花色苷的需求量日益增加，因此开展不同黑稻中花色苷种类的组成分析、花青苷的药理学研究、黑米花色苷工业化生产技术及稳定性等方面的研究就显得十分必要了。本文就近年来我国黑米花色苷类色素有关研究工作做一综述。

1 黑米花色苷组分研究

黑米花色苷是由花青素在自然状态下与各种单糖结合而成的糖苷化合物，而且一般是几种花色苷并存[6]。钟丽玉等[7]以上海农业科学院提供的黑全梗91-53为材料，采用纸色谱，紫外-可见扫描及气相色谱结合的方法，对黑米色素的分子结构进行了鉴定。结果表明，黑米色素由5种化合物组成，已鉴别出2种分别是矢车菊花色素-3-鼠李糖苷和芍药花色素-3-阿拉伯糖苷。苏金为[8]用岩黑稻、岩紫糯 2个黑米稻品种糙米为材料，经组分分离鉴定认为花青素-3-葡萄糖及花青素-3-鼠李葡萄糖可能是构成色素的组分。夏效东等[9]用高效液相色谱法测定黑米皮提取物中花色苷的成分及含量。结果表明黑米皮提取物中矢车菊花色素-3-葡萄糖苷和芍药花色素-3-葡萄糖苷的含量分别为25.7%和1.7%。Zhang等[10]对黑米提取物进行结构解析，结果表明黑米提取物含有4种花色苷类化合物，分别是锦葵素、天竺葵素-3.5-二葡萄糖苷、矢车菊素-3-葡萄糖苷和矢车菊素-3，5-二葡萄糖苷，根据黑米色素的理化性质分析，推断黑米色素（苷）以花青素和翠雀素占主导。张福娣等[11]的研究结果表明，黑米花色苷的基本结构与花青素-3-葡萄糖和花青素-3-鼠李葡萄糖相似。王庆等[12]采用等度洗脱的反相高效液相色谱法分析黑米皮花青素及其色素在人体内的代谢转化情况，结果表明黑米皮中花青素总含量约为2.31%，其中矢车菊素-3-葡萄糖苷占1.87%，芍药素-3-葡萄糖苷占 0.44%。孔令瑶等[13]采用液质联用技术（LC-MS）与毛细管电泳电化学检测（CE-ED）对黑米色素进行定性分析，结果表明黑米色素组分分别是矢车菊素-3-葡萄糖苷和芍药素-3-葡萄糖苷。Park等[14]采用高效液相色谱法和紫外可见分光光度法对花色素提取物进行定性、定量分析。结果表明黑米花青素包括矢车菊素-3-葡萄糖苷，花青素-3-葡萄糖苷，锦葵素-3-葡萄糖苷，天竺葵素-3-葡萄糖苷和飞燕草素-3-葡萄糖苷。其中矢车菊素-3-葡萄糖苷的含量约占95%，花青素-3-葡萄糖苷含量约占5%。Mikihlemori等[15]利用高效液相色谱法-光电二极管阵列检测法（HPLC-PDA）和电喷雾质谱法研究了黑米色素的组成和热稳定性。结果表明黑米花色苷色素主要成分是矢车菊素-3-葡萄糖苷（572.47 μ g/g，占 91.13%）及花青素-3-葡萄糖苷（29.78 μ g/g，占4.74%）。Konishi[16]用 3%三氟醋酸溶液从紫黑米中提取花青苷，毛细管电泳显示，紫黑米提取物中有一种花青苷，经柱色谱纯化后确定它为矢车菊素-3-葡萄糖苷。

综上所述，以黑米、黑米皮或黑稻秆为实验材料，色素提取物的组分有：矢车菊素-3-葡萄糖苷、矢车菊素-3，5-二葡萄糖苷、矢车菊素-3-鼠李糖苷、芍药素-3-葡萄糖苷、芍药素-3-阿拉伯糖苷、天竺葵素-3，5-二葡萄糖苷、锦葵素、锦葵素-3-半乳糖苷等8种。由于黑稻品种不同，材料处理方法不同，提取目的要求不同，市场流通的黑米提取物的花色苷成分也因此有所不同。目前对于不同黑稻品种中花色苷组分分析和比较方面的研究报道极少。

2 黑米花色苷的药理学研究

黑米色素的主要成份是黄酮花色苷类化合物，具有多种生理功能[6]。胡秋林[17]以纯化的黑米色素为材料，用小白鼠做动物营养实验。结果表明黑米色素能提高其抗疲劳能力和抗缺氧能力。夏效东等[18]研究黑米花色苷提取物对ApoE基因缺陷小鼠动脉粥样硬化晚期斑块的影响。结果表明黑米花色苷提取物能显著降低小鼠血清的总胆固醇、总甘油三酯以及低密度脂蛋白胆固醇水平，同时减少无名动脉处的斑块面积，降低斑块中基质金属蛋白酶的含量。表明黑米花色苷提取物能抑制小鼠动脉粥样硬化晚期斑块的进一步发展。杨靖亚等[19]认为花青素是黄酮类化合物，具有很好的抗氧化效果，能有效地抑制癌细胞的浸润和转移。秦玉等[20]观察黑米花色苷提取物胶囊治疗高脂血症的临床疗效。结果表明黑米花色苷提取物胶囊具有明显的辅助降血脂作用。胡艳等[21]研究黑米花色苷提取物对高脂膳食诱导大鼠肥胖的影响。结果表明黑米花色苷提取物能够改善高脂膳食诱导的大鼠肥胖相关指标。Hu等[22]用体外模型实验证实黑米中提取花色苷与一种含已知比例的矢车菊-3-葡萄糖苷和花青素-3-葡萄糖苷的混合物的抗氧化活性和清除自由基能力相同；可通过抑制小鼠巨噬细胞中氧化氮合酶的表达来减少细胞毒性。这项研究表明，黑米中含有的抗氧化和抗炎特性的花色苷色素，在保健食品或功能性食品的配方应用上具有很大的潜力。Itani等[23]对6个水稻品种（2种红米，2种紫黑米和2种白米）的抗氧化活性和活性物质的不同分布进行了比较。与白色去壳大米相比，红色和紫黑色去壳大米的乙醇提取物具有较高的清除超氧阴离子和自由基能力。这些活性物质大多存在于果皮和种皮，即米糠中。有色大米中多酚远比白米丰富，而且其含量与其抗氧化作用是相关的。在红色和紫色大米中，主要活性物质分别是单宁酸和花青素。Zhang等[24]分析了黑米总抗氧化能力和清除活性氧自由基能力及其与总黄酮和花色苷含量的相关性。黑米的总抗氧化能力和清除自由基能力分别与其中的总黄酮和花色苷含量之间呈现极显著（P＜0.01）正相关性，表明黑米的抗氧化作用与其中所含的黄酮和花色苷类物质关系密切。

此外，黑米色素对铁、酮、锌等具有络合作用。经常食用黑米或黑米制品，就可补充铁，从而防止缺铁性贫血的产生。目前，其药理学作用研究大多都处于动物试验阶段。由于黑米花色苷提取物成分复杂，它的药理作用是某一种成分，还是某几种成分联合起作用还不十分清楚。

3 黑米花色苷的提取、纯化研究

3.1 黑米花色苷提取研究

黑米色素提取受浸提时间、温度、料液比、溶剂、pH值等诸多因素的影响。王银定等[25]对影响黑米色素提取的因素进行正交试验得到最佳的条件组合为浸提温度40℃、浸提时间1 h、物料比 1∶50、浸提剂为 50%乙醇溶液。刘敬兰等[26]研究了黑米色素的提取方法及酸度、温度、光照等因素对其稳定性的影响。结果表明，在65℃左右，酸度越高，浸泡时间越长，提取量越大。以0.05 mol/L盐酸溶液浸提2次，得色素胶质，提取率约为5.0%。刘锋等[27]将黑米加入浸提罐中用水在20～40℃静置浸泡；分别加入乙醇溶液，并加热到40～50℃；循环浸提、真空蒸馏浓缩、经喷雾干燥得到粉末状花色苷产品。赵权等[28]以黑米为原料，通过单因素试验和正交试验，最佳提取条件为75%乙醇溶液，料液比1∶8，温度30℃，时间30 min，在此条件下提取2次，黑米花色素苷的浸提率可达94.40%。张名位等[29]采用的最佳工艺条件则为60%乙醇溶液、料液比1∶4、温度60℃、时间4 h，在此条件下，1次浸提率达71.4%，2次浸提率达 13.63%，2次合计达85%以上。黄丽莎等[30]用乙醇-水作溶剂从黑稻秆中萃取黑米色素。结果表明在pH 2时，温度70℃，时间60 min，60%乙醇溶液萃取的效果最好，萃取率为31.59%。曾盔等[4]以黑米为原料，研究了影响黑米色素提取率的因素（提取剂的种类、浓度、温度、pH值、时间等）。结果表明以70%乙醇溶液（pH 2），在70℃，每次提取 90 min，提取率最高。张福娣等[11]研究了以膳食黑米为原料制取黑米色素的工艺步骤。采用正交试验法获得的最佳浸提温度80℃，时间30 min，料液比1∶10，浸提剂为50%乙醇溶液。钟岩等[5]对黑色素提取条件进行了研究，结果表明最佳提取条件为50%乙醇溶液，料液比1∶10，pH 1.0的条件下，80℃水浴中浸提30 min。

目前，黑米花色苷类物质提取的材料主要有黑米、黑米皮和黑稻秆。一般选择的提取溶剂主要有乙醇（多用50%～80%乙醇溶液）和少量的无机酸（盐酸、硫酸等）或有机酸（柠檬酸、醋酸等）。花色苷存在于植物细胞的液泡中，被细胞壁、细胞膜包裹，为提高色素得率，常采用加热、酶制剂（如淀粉酶、果胶酶、纤维素酶和蛋白酶等）、超声波、机械破碎、微波、冷冻和脉冲电场等技术破坏细胞壁和细胞膜，提高组织细胞的渗透性，缩短提取时间，提高色素得率，改善产品的质量。在应用过程中常将这些辅助方法组合使用，能够提高色素的得率，但是辅助技术的使用条件、能源消耗等问题还需要深入研究。

3.2 黑米花色苷的分离纯化研究

可用于黑米花色苷分离纯化的技术主要有大孔树脂分离技术，凝胶色谱技术，高速逆流色谱技术，膜技术等。张名位等[29]以总抗氧化能力为活性跟踪指标，在去除黑米皮抗氧化提取物中的杂质时，选用石油醚或正己烷进行脱脂处理。通过静态与动态吸附性能比较，从8种大孔吸附树脂中筛选出对黑米皮抗氧化活性物质吸附性能最好的树脂为NKA-Ⅱ，最佳解吸剂为70%乙醇溶液。经NKA-Ⅱ吸附分离后，黑米皮抗氧化提取物的总抗氧化能力提高4.00倍，总花色苷含量提高4.01倍。张晴[31]通过大孔吸附树脂精制后，黑米色素的花色苷含量可达23.7%，色价为83，纯度远远高于现行国家标准。侯方丽等[32]比较了5种大孔吸附树脂对黑米皮花色苷的吸附纯化效果。结果表明AB-8大孔树脂对黑米皮花色苷具有较好的吸附和解吸能力，是吸附纯化黑米皮花色苷的最佳树脂类型，其最佳工艺参数为：上柱液 pH 2，样品质量浓度1.0 mg/mL，吸附流速1.0mL/min，以70%乙醇为解吸剂，洗脱速度为1.0mL/min。

目前，采用大孔树脂已成为黑米花色苷色素分离纯化的主流。由于溶剂法提取的黑米色素液仍含有较多的糖、有机酸等杂质，产品质量差、稳定性低，应用困难。为获得纯度高、质量稳定的产品，提取技术及纯化方法还需进一步改进。

4 黑米花色苷的稳定性研究

黑米花色苷稳定性涉及到花色苷本身的结构、浓度、质量以及外界因素如光强度、温度、pH值、二氧化硫、辅色剂、酶、抗坏血酸、糖及其降解产物、金属离子和金属离子综合作用下的分子聚合、异构和降解等因素的影响。王锋等[2]认为花色苷的苷元（花青素）是2-苯基苯并吡喃阳离子结构或黄烊盐的多羟基和甲氧基衍生物。由于缺少电子而使它具有强烈的反应性，加上母核上连接有多个羟基，使其不稳定，花色苷的稳定性发生变化的具体表现是颜色发生变化，黑米花色素褪色和失调严重影响了其应用。李莉蓉等[33]用比色法研究了外界因素及5种杀菌工艺对黑米、黑大豆、黑玉米种皮花色苷稳定性的影响。在避光、自然光和日光灯条件下稳定性最好的是黑大豆花色苷，其次是黑米花色苷，最差的是黑玉米花色苷。在相同温度条件下黑米和黑大豆花色苷的稳定性较好，黑玉米花色苷的稳定性较差。孔令瑶等[13]在色素结构改造方面，研究了补充辅色素、脂酰化、与某些金属离子络合和与花青苷结合进行糖基转化等可使黑米花色素稳定性提高。食品中的护色主要就是利用花色苷的共色保护作用实现的。这些研究对于改善色素的稳定性及其在食品加工中的应用具有重要意义。

提高花色苷稳定性，主要采用使花色苷色素处于酸性环境，尽量避光，在较低温度下贮存、添加合适的稳定剂等。在色素结构改造方面，研究的主要内容包括补充辅色剂、脂酰化、金属离子络合和与花青定苷结合进行糖基转化等，使黑米色素稳定性提高。但黑米花色苷在食品和医药工业应用中的稳定性问题仍需深入研究。

5 展 望

总之，黑米花色苷类色素作为一种天然食用色素，安全、无毒、无异味、色彩鲜艳、资源丰富，而且具有一定的营养和药理作用，在食品、医药、化妆品等方面有着较大的应用潜力。但黑米花色苷类色素的工业化生产尚处于起步阶段。

目前，对于不同黑稻品种中花色苷组分的分析和比较方面的研究报道较少；药理学作用研究大多都处于动物试验阶段，其药理作用是某一种成分，还是某几种成分联合起作用还不十分清楚；为获得纯度高、质量稳定的产品，还需对黑米花色苷提取技术及纯化方法进一步改进。

弄清不同黑稻品种中花青苷的种类、分布和含量，筛选花色苷含量高、稳定性好的黑稻品种，阐明黑米花色苷的药理作用，开发新的提取、分离纯化技术，以便更好的去除杂质提高色素品质，解决黑米色素应用的稳定性等问题仍然是今后研究的重点。

[1] 吴三桥，史隋孝，丁锐，等.黑米中花青苷色素的测定方法研究[J].氨基酸和生物资源，2002，24（3）：66-68.

[2] 王锋，邓洁红，谭兴和，等.花色苷及其共色作用研究进展[J].食品科学，2008，29（2）：472-476.

[3] 郭红辉，凌文华.黑米花色苷研究进展[J].食品研究与开发，2008，29（3）：133-135.

[4] 曾盔，黄斌，王洁，等.黑米黑色素的提取与精制[J].食品科学，2006，27（12）：304-307.

[5] 钟岩，李泽鸿，邵明富.黑米色素的提取方法及稳定性研究[J].北方园艺，2008，（10）：71-73.

[6] 曹小勇，李新生.黑米花色素苷类色素研究现状及展望[J].氨基酸和生物资源，2002，24（1）：3-6.

[7] 钟丽玉，胡秋林.黑米色素分子结构解析[J].中国粮油学报，1996，11（6）：26-35.

[8] 苏金为.黑米色素的提取和组分分析[J].福建农业大学学报，1999，28（2）：22-26.

[9] 夏效东，凌文华，郑琳，等.HPLC法测定黑米皮提取物中花色苷成分及含量[J].食品科学，2006，27（2）：206-208.

[10]Zhang Ming-wei，Guo Bao-jiang，Zhang Rui-fen et al.Separation，purification and identificatioo of antioxidant compositions in black rice[J].Agric Sci China，2006 ，5（6）：153-160.

[11]张福娣，苏金为，蔡碧琼.黑米色素提取工艺及其性质表征[J].福建农林大学学报：自然科学版，2006，35（1）：93-97.

[12]王庆，郭红辉，张名位，等.高效液相色谱法分析黑米皮花青素及其体内代谢产物[J].食品科学，2006，27（5）：212-215.

[13] 孔令瑶，汪云，曹玉华，等.黑米色素的组成与结构分析[J].食品与生物技术学报，2008，27（2）：25-29.

[14]Park Y S，Kim S J，Chang H I.Isolation of anthocyanin from black rice（Heugjinjubyeo）and screening of its antioxidant activities[J].Korean J Microbiol Biotechnol，2008，36（1）：55-60.

[15]Mikihlemori，Eunmikoh，Alysone M.Influence of cooking on anthocyanins in black rice（Oryza sativa L.japonica var.SBR）[J].J Agric Food Chem，2009，57（5）：1908-1914.

[16]Konishi T.Antioxidant activity of anthocyanin extract from purple black rice[J].J Med Food ，2001 ，4（4）：211-218.

[17]胡秋林.黑米色素药理动物实验研究报告[J].武汉食品工业学院学报，1997，（3）：10-12.

[18]夏效东，凌文华，夏敏，等.黑米花色苷提取物对ApoE基因缺陷小鼠动脉粥样硬化晚期斑块的影响[J].食品科学，2006，27（3）：213-215.

[19]杨靖亚，吴宏忠，胡怿，等.天然抗氧化剂-抗癌转移的新途径[J].中国临床药理学与治疗学，2007，12（4）：366-370.

[20]秦玉，凌文华.黑米花色苷提取物胶囊对高血脂症病人的降血脂作用[J].食品科学，2008，29（10）：540-542.

[21]胡艳，郭红辉，王庆，等.黑米花色苷提取物对高脂膳食诱导大鼠肥胖形成的影响[J].食品科学，2008，29（2）：376-379.

[22]Hu C，Zawistowski J，Ling W H，et a1.Black rice（Oryza sativa L.indica）pigmented fraction suppresses both reactive oxygen species and nitric oxide in chemical and biological model systems[J].J Agric Food Chem ，2003 ，51（18）：5271-5277.

[23]Itani T ，Tatemoto H，Okamoto M ，et al.A comparative study on antioxidative activity and polyphenol content of colored kernel rice Japanese[J].日本食品科学工学会言志，2002，49（8）：540-543.

[24]Zhang Ming-wei，Guo Bao-jiang，Chi Jian-wei，et al.Antioxidations and their correlations with total flavones and anthocyanin contents in different black rice varieties[J].Agric Sci China ，2005 ，38（7）：1324-1331.

[25]王银定，王朝晖，严淑玲.黑米红色素的提取条件及其性质研究[J].河北大学学报：自然科学版，1995，15（4）：101-104.

[26]刘敬兰，陈连文.黑米色素的提取和稳定性的初步研究[J].河北师范大学学报：自然科学版，1995，19（2）：71-74.

[27]刘锋，李崇，张冀鲁.一种从黑米中提取天然色素花色苷的方法：中国，200710056592[P].2008-11-12.

[28]赵权，王军.黑米花色素苷提取工艺的研究[J].安徽农业科学，2009，37（3）：920-921.

[29]张名位，郭宝江，池建伟，等.黑米皮抗氧化活性物质的提取与分离工艺研究[J].农业工程学报，2005，21（6）：135-139.

[30]黄丽莎，佘小漫，彭莉萍，等.从黑稻秆中提取黑米色素[J].韶关学院学报：自然科学版 ，2003，24（6）：59-61.

[31]张晴.黑米色素提取精制工艺的研究[J].青岛大学学报，2000，15（2）：24-26.

[32]侯方丽，张名位，苏东晓，等.黑米皮花色苷的大孔树脂吸附纯化研究[J].华南师范大学学报：自然科学版，2009，1：100-104.

[33]李莉蓉，张名位，刘邻渭，等.3种黑色作物种皮花色苷稳定性比较[J].农业机械学报 ，2007（5）：391-395.