紫薯花青素提取工艺的研究进展

韩 瑜，景笑沛

（河北农业大学理工学院，河北 沧州 061000）

紫薯又称黑薯，属旋花科一年生或两年生蔓生草本植物[1]，呈紫色或深紫色，是甘薯的特有品种，除了具有普通甘薯的营养成分如维生素（VB1、VB2、VC和VE）、矿物质（Ca、Mg、K 和Zn）、蛋白质、碳水化合物、淀粉、果胶和膳食纤维等，还富含硒元素和花青素[2-3]。花青素是一类天然的水溶性色素，属于黄酮类化合物[4]，在自然状态下，它常与植物体内各种单糖结合形成糖苷，并以这种形式存在，又称花色苷[5]。花青素作为一种天然的食用性色素，能直接稳定地被血液吸收[2]，与合成色素相比，具有无毒无害、安全性高的优势[6-8]，同时花青素还具有抗氧化活性以及抗诱变性，对人体有降血脂、保护肝脏功能、改善视力等生理功能[9-13]。紫薯花青素主要存在于紫薯的茎叶和块根当中[14]，通常成熟紫薯中花青素类色素的含量为0.2%～0.8%，有些品种能高达1.2%[15]，其成分主要为矢车菊色素和芍药色素[4]。由于紫薯花青素具有酰化基团，相比于红甘蓝、葡萄皮和紫玉米等植物中不具有酰化基团的花青素它对光、热、空气等的敏感度更低，性质更为稳定[4,16]。而且从紫薯中提取花青素解决了以蓝莓、葡萄、草莓等为原料所带来的生产季节性强、造价高等问题，有很高应用价值[17]，所以紫薯中花青素的提取成为当今研究热点。本文详细地总结了溶剂提取、酶提取、微波辅助提取、超声波辅助提取以及联合提取各种工艺的特点。

1 紫薯花青素的提取工艺

1.1 溶剂提取

溶剂提取法是紫薯花青素的常规提取方法，也是应用最为广泛的方法[15]，可对紫薯鲜样或经过冷冻干燥后粉碎成粉末的紫薯粉进行萃取。

花青素是水溶性的黄酮类化合物，萃取剂一般选用强极性溶剂，如醇、水等或者它们的混合剂[18]。由于花青素在酸性条件下较为稳定[19]，所以通常在提取过程中加入柠檬酸、盐酸等对提取剂进行酸化处理。

目前对溶剂法提取花青素的研究主要针对两个方面：一是提取剂的选取，二是提取条件的优化选择。表1 对溶剂提取法提取紫薯花青素的现有研究进行了总结，其中毕云凤等[20]和谢程程[21]对提取剂选取进行了研究。

从表1 中数据可以发现：酸性甲醇与酸性乙醇的提取效果最理想，但由于甲醇具有毒性，对人体有害，酸性乙醇为最佳提取剂[20-21]，乙醇的酸化一般使用柠檬酸，降低了盐酸、硫酸等强酸导致的水解效应；提取料液比一般为1:10～1:20，提取温度60 ℃左右，提取次数1～3 次为宜。另外，杨国才等[27]用柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液法，通过考察4 种不同品种紫薯花青素提取试验验证了其鲜样的提取率高于干样这一结论，在60 ℃下提取1 次最高可得到25.72 mg/100 g 花青素。

表1 溶剂提取法提取紫薯花青素方法一览

溶剂提取法具有操作方法简单、操作设备简易等优点，但同时存在有一定毒性的提取溶剂残留问题[28]、提取时间长等缺点[8]，所以科研工作者也在不断探索新的提取方法。

1.2 酶提取

酶提取是利用酶的作用将细胞壁分解，让细胞内花青素迅速渗透扩散出来，达到提取目的。

李继伟等[28]用pH 为7 的去离子水作提取液，加入纤维素酶，通过正交试验得出0.32 mg/g 酶的添加量，料液比为1:40、50 ℃不经恒温水浴直接提取一次，花青素提取率达到5.05 mg/g，这种方法解决了有机溶剂作提取剂在后续工艺有残留的问题；郭城等[29]在单因素试验基础上，通过响应面法优化纤维素酶提取紫薯花色苷色素的工艺条件，得出在温度

48 ℃、加酶量0.9%、料液质量浓度0.13 g/mL 条件下提取70 min，花色苷色素提取率可达到1.9751 mg/g；田丽君等[30]通过单因素试验对α-淀粉酶和纤维素酶最佳提取工艺条件进行确定，结果分别为酶添加量为40U/mL，pH 为6，温度为80℃提取40 min以及酶添加量为100U/mL，pH 为5，温度为50 ℃提取1 h 为宜，并通过空白试验对比得出在α-淀粉酶和纤维素酶的联合作用下，紫薯花青素得率不仅高于空白试验，而且高于两种酶单一作用时的得率。

酶法提取紫薯花青素具有提取率高、提取条件温和等优点，但也存在成本高、提取技术要求高等不足特点，相关研究还亟待加强，离工业化生产还有一段距离。

1.3 微波辅助提取

微波辅助提取是利用微波辐射使植物细胞表面出现孔洞和裂纹，细胞外溶剂顺利进入细胞内，溶解并释放出细胞内产物，加快提取过程的进行[18]。

微波辅助提取技术是基于溶剂提取进行的，史光辉等[16]比较了酸性甲醇、酸性乙醇、酸性丙酮和酸性水溶液作为提取剂的提取率，得出酸性乙醇为最优提取剂，同时通过单因素及响应面法优化提取工艺参数得出62%乙醇溶液，pH 为2，料液比1:22.40，52 ℃，微波功率400 W 下提取4 min，经过3次提取，提取率可达（93.64±0.69）%、粗提物中花青素含量（9.58±0.20）mg/g；余凡等[31]用柠檬酸作提取剂，通过正交试验得出提取剂浓度为10%，料液比1:15，微波功率75 W，提取温度30 ℃，提取时间15 min 为最优；陈小婕等[32]以响应面法优化紫薯中花青素的提取条件，得出最佳工艺为用质量浓度8.05 g/L 的柠檬酸，在料液比1∶30.9、微波能量密度28.36 W/mL 下提取80.7 s，此条件下可得232.14 mg/100 g花青素，并得出能量密度是影响微波辅助提取紫薯花青素提取量的最显著因素的结论。

微波辅助提取技术借助外界能量破碎植物细胞，使得细胞内物质更便于提取从而增加了提取率、大大缩短了提取时间，同时通过此方法还可获得高纯度紫薯淀粉、富含膳食纤维的紫薯滤渣及富含紫薯蛋白的副产物，使紫薯原料得到充分利用，降低了生产成本[16]。

1.4 超声波辅助提取

利用超声波提高提取效率主要归因于超声波产生的空化效应。空化是超声波处理过程中气泡产生、生长和内爆的结果。气泡在植物材料表面塌陷，释放出高压和高温，产生冲击波，导致微裂缝的形成，有效的实现了传质和溶剂的渗透作用。超声波同时也产生机械效应，允许溶剂更好的穿透细胞，增加了固液相之间的接触表面积。这些综合效应都有利于花青素的提取[33]。

超声波辅助提取法也是基于溶剂提取法，田妍基等[34]比较了0.2%盐酸、含0.2%盐酸的70%乙醇、0.1%盐酸以及6%柠檬酸做提取剂的提取率，得出0.2%盐酸最佳，正交试验得出料液比1∶20，温度60℃，时间80 min 最优；许青莲等[35]、顾红梅[37][36]和肖海峻等[37]不同团队均用0.1%酸化的95%乙醇作提取液，前两个团队通过正交试验分别得出盐酸乙醇比为55:45，料液比1:10，温度60 ℃，时间15 min，超声波频率100 Hz 及盐酸乙醇比为40:60，料液比1:40，时间30 min，超声波频率40 Hz 为最优，肖海峻等通过响应面法优化提取工艺，得出提取温度49℃，提取时间15 min，料液比1:41 为最佳，此条件下在520 nm 波长下测定其吸光度可达1.45，Ching-Yi Lien 等[38]优化了酸性乙醇提取紫薯花青素工艺，发现升高温度以及增加提取时间均可增加提取量，但会耗费更多的能量，同时花青素具有热敏感性，温度不宜过高，得出超声波频率43kHz，功率150W，25℃提取22 min 为宜；唐偲琦等[4]用0.5%硫酸做提取剂，采用超声波法提取紫薯花青素，料液比1:120，温度60 ℃下可得3.6716 mg/g 花青素；Yunjie Yin 等人[39]利用超声波辅助硫酸铵-乙醇两相萃取法提取紫薯花青素，得出超声波频率20 kHz，52.48 ℃提取48.19min 最佳。

相比溶剂提取法和微波助提取法，超声波助提法提取的紫薯花青素在提取含量、对酸碱、氧化剂、还原剂、紫外线及食品添加剂的稳定性方面均为最优方法，微波助提法提取花青素在热稳定方面表现最优[3]。

超声波与微波助提在原理上相似，均为破碎细胞加速萃取，只是破碎细胞的方式不同，由于具有萃取时间短、提取效率高、适用范围广、节能环保等优点，两种方法均得到广泛应用，但也存在因设备要求较高而使工业化生产受限的问题[18]。

1.5 联合提取技术

由于每种方法都具有自身优势与局限性，所以多种技术的联合使用已经成为一种趋势。徐颖等[8]采用超声波辅助纤维素酶对紫薯花青素进行提取，进行响应面优化，得出提取时间35 min，提取温度60 ℃，料液比1∶36，纤维素酶添加量2.5 mg/g 紫薯粉，可提取2.003 mg/g 花青素；张慢等[7]分别用盐酸-乙醇浸提法、微波法、超声波法、酶-超声波辅助提取方法提取紫薯粉中的花青素，酶-超声波辅助同步提取法与单纯盐酸-乙醇浸提法相比，花青素提取率提高了2.73 倍，而提取时间缩短了75%，与单纯微波法和超声波法相比，花青素得率分别提高了32.4%和17.8%；杨旸[40]和顾红梅等[17]比较了超声波与冻结溶解结合法和常规溶剂提取法的能力，均得出结合法的提取效率远高于溶剂提取。Li-Zhen Lu 等[41]采用微波烘烤和酸性电解水联合作用提取紫薯花青素，两种方法的结合具有操作简单、成本低、萃取率高等优点，其提取率达到35.0%，明显高于不经微波作用的提取率以及用95%乙醇作溶剂提取紫薯花青素的提取率，同时也高于采用微波烘烤和95%乙醇联合提取的提取率。

1.6 其它

除了以上几种研究较为深入的提取工艺外，加速溶剂提取技术、脉冲电场辅助提取等也具有较高的研究价值。加速溶剂提取也是一种溶剂提取技术，是在较高的温度和压力下，改善提取动力、减少提取时间和溶剂体积的方法。Zhan Cai 等[42]以0.1%HCl酸化的80%乙醇水溶液作提取剂，将10 g 紫薯浆液加入100 mL 氧化锆萃取池中，在350 加速溶剂萃取系统中进行萃取，并在相同的条件下采用传统溶剂提取法和超声波辅助提取法进行紫薯花青素提取，通过比较得出，加速溶剂提取技术相比于其他两种方法能提取到更多的二酰基花青素，也就是说此种方法提取的花青素具有更高的稳定性。脉冲电场辅助提取是基于外部电场作用，诱导真核细胞膜的电穿孔，增强溶质的扩散，从而提高提取率，同时这种方法还具有降低提取温度、减轻能耗的优点[43]。

2 展望

虽然已经有很多提取技术在紫薯花青素的提取上得到了研究与应用，但目前仍以效率较低的传统溶剂提取为主，对更为高效的方法的研究和报道还非常少，使大规模的工业化生产受到限制。另一方面，紫薯花青素的粗提液或浓缩液一般含有较多的杂质，如还原糖、淀粉等，这极大地影响了花青素的品质特性以及保存储藏[44]，因此紫薯花青素的纯化也是国内外的研究热点。可用于紫薯花青素提纯的技术有大孔树脂法、高效逆流色谱法、膜过滤、醋酸铅沉淀法、分级醇沉法等，但目前研究与应用最为广泛的只有大孔树脂法。如孙健等[44]比较了AB－8、X－5、NKA－9、D4020 四种大孔树脂的吸附能力，得出AB－8 由于是弱极性的树脂，在吸附过程中易和色素形成氢键，结合比较牢固而具有最强的吸附能力，其对紫甘薯花青素吸附率可达95.67%。高效逆流色谱法是一种不使用固体基质的液-液分离色谱技术，具有条件温和、分离速度快、化合物分离量大、纯度高等优点[45]，其分离溶剂体系的选择至关重要，然而目前缺乏一种明确的方法来比较选择两相溶剂系统[46]。膜过滤具有操作成本低、能耗低、不添加化学试剂等优点[47]。但对这些方法的研究尚处于初级阶段，相关的应用与报道很少。

紫薯花青素的提取以及纯化是其投入并扩大使用的前提，希望未来通过更深入的研究，人们能寻找出更加高效的方法，得到纯度更高、价格更低的紫薯花青素，使紫薯花青素得到更为广泛地开发与应用。