韓 瑜，景笑沛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北 滄州 061000）

紫薯又稱黑薯，屬旋花科一年生或兩年生蔓生草本植物[1]，呈紫色或深紫色，是甘薯的特有品種，除了具有普通甘薯的營養(yǎng)成分如維生素（VB1、VB2、VC和VE）、礦物質(zhì)（Ca、Mg、K 和Zn）、蛋白質(zhì)、碳水化合物、淀粉、果膠和膳食纖維等，還富含硒元素和花青素[2-3]?；ㄇ嗨厥且活愄烊坏乃苄陨兀瑢儆邳S酮類化合物[4]，在自然狀態(tài)下，它常與植物體內(nèi)各種單糖結(jié)合形成糖苷，并以這種形式存在，又稱花色苷[5]?；ㄇ嗨刈鳛橐环N天然的食用性色素，能直接穩(wěn)定地被血液吸收[2]，與合成色素相比，具有無毒無害、安全性高的優(yōu)勢[6-8]，同時花青素還具有抗氧化活性以及抗誘變性，對人體有降血脂、保護(hù)肝臟功能、改善視力等生理功能[9-13]。紫薯花青素主要存在于紫薯的莖葉和塊根當(dāng)中[14]，通常成熟紫薯中花青素類色素的含量為0.2%～0.8%，有些品種能高達(dá)1.2%[15]，其成分主要為矢車菊色素和芍藥色素[4]。由于紫薯花青素具有?；鶊F(tuán)，相比于紅甘藍(lán)、葡萄皮和紫玉米等植物中不具有?；鶊F(tuán)的花青素它對光、熱、空氣等的敏感度更低，性質(zhì)更為穩(wěn)定[4,16]。而且從紫薯中提取花青素解決了以藍(lán)莓、葡萄、草莓等為原料所帶來的生產(chǎn)季節(jié)性強、造價高等問題，有很高應(yīng)用價值[17]，所以紫薯中花青素的提取成為當(dāng)今研究熱點。本文詳細(xì)地總結(jié)了溶劑提取、酶提取、微波輔助提取、超聲波輔助提取以及聯(lián)合提取各種工藝的特點。

1 紫薯花青素的提取工藝

1.1 溶劑提取

溶劑提取法是紫薯花青素的常規(guī)提取方法，也是應(yīng)用最為廣泛的方法[15]，可對紫薯鮮樣或經(jīng)過冷凍干燥后粉碎成粉末的紫薯粉進(jìn)行萃取。

花青素是水溶性的黃酮類化合物，萃取劑一般選用強極性溶劑，如醇、水等或者它們的混合劑[18]。由于花青素在酸性條件下較為穩(wěn)定[19]，所以通常在提取過程中加入檸檬酸、鹽酸等對提取劑進(jìn)行酸化處理。

目前對溶劑法提取花青素的研究主要針對兩個方面：一是提取劑的選取，二是提取條件的優(yōu)化選擇。表1 對溶劑提取法提取紫薯花青素的現(xiàn)有研究進(jìn)行了總結(jié)，其中畢云鳳等[20]和謝程程[21]對提取劑選取進(jìn)行了研究。

從表1 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：酸性甲醇與酸性乙醇的提取效果最理想，但由于甲醇具有毒性，對人體有害，酸性乙醇為最佳提取劑[20-21]，乙醇的酸化一般使用檸檬酸，降低了鹽酸、硫酸等強酸導(dǎo)致的水解效應(yīng)；提取料液比一般為1:10～1:20，提取溫度60 ℃左右，提取次數(shù)1～3 次為宜。另外，楊國才等[27]用檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液法，通過考察4 種不同品種紫薯花青素提取試驗驗證了其鮮樣的提取率高于干樣這一結(jié)論，在60 ℃下提取1 次最高可得到25.72 mg/100 g 花青素。

表1 溶劑提取法提取紫薯花青素方法一覽

溶劑提取法具有操作方法簡單、操作設(shè)備簡易等優(yōu)點，但同時存在有一定毒性的提取溶劑殘留問題[28]、提取時間長等缺點[8]，所以科研工作者也在不斷探索新的提取方法。

1.2 酶提取

酶提取是利用酶的作用將細(xì)胞壁分解，讓細(xì)胞內(nèi)花青素迅速滲透擴散出來，達(dá)到提取目的。

李繼偉等[28]用pH 為7 的去離子水作提取液，加入纖維素酶，通過正交試驗得出0.32 mg/g 酶的添加量，料液比為1:40、50 ℃不經(jīng)恒溫水浴直接提取一次，花青素提取率達(dá)到5.05 mg/g，這種方法解決了有機溶劑作提取劑在后續(xù)工藝有殘留的問題；郭城等[29]在單因素試驗基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法優(yōu)化纖維素酶提取紫薯花色苷色素的工藝條件，得出在溫度

48 ℃、加酶量0.9%、料液質(zhì)量濃度0.13 g/mL 條件下提取70 min，花色苷色素提取率可達(dá)到1.9751 mg/g；田麗君等[30]通過單因素試驗對α-淀粉酶和纖維素酶最佳提取工藝條件進(jìn)行確定，結(jié)果分別為酶添加量為40U/mL，pH 為6，溫度為80℃提取40 min以及酶添加量為100U/mL，pH 為5，溫度為50 ℃提取1 h 為宜，并通過空白試驗對比得出在α-淀粉酶和纖維素酶的聯(lián)合作用下，紫薯花青素得率不僅高于空白試驗，而且高于兩種酶單一作用時的得率。

酶法提取紫薯花青素具有提取率高、提取條件溫和等優(yōu)點，但也存在成本高、提取技術(shù)要求高等不足特點，相關(guān)研究還亟待加強，離工業(yè)化生產(chǎn)還有一段距離。

1.3 微波輔助提取

微波輔助提取是利用微波輻射使植物細(xì)胞表面出現(xiàn)孔洞和裂紋，細(xì)胞外溶劑順利進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，溶解并釋放出細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物，加快提取過程的進(jìn)行[18]。

微波輔助提取技術(shù)是基于溶劑提取進(jìn)行的，史光輝等[16]比較了酸性甲醇、酸性乙醇、酸性丙酮和酸性水溶液作為提取劑的提取率，得出酸性乙醇為最優(yōu)提取劑，同時通過單因素及響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝參數(shù)得出62%乙醇溶液，pH 為2，料液比1:22.40，52 ℃，微波功率400 W 下提取4 min，經(jīng)過3次提取，提取率可達(dá)（93.64±0.69）%、粗提物中花青素含量（9.58±0.20）mg/g；余凡等[31]用檸檬酸作提取劑，通過正交試驗得出提取劑濃度為10%，料液比1:15，微波功率75 W，提取溫度30 ℃，提取時間15 min 為最優(yōu)；陳小婕等[32]以響應(yīng)面法優(yōu)化紫薯中花青素的提取條件，得出最佳工藝為用質(zhì)量濃度8.05 g/L 的檸檬酸，在料液比1∶30.9、微波能量密度28.36 W/mL 下提取80.7 s，此條件下可得232.14 mg/100 g花青素，并得出能量密度是影響微波輔助提取紫薯花青素提取量的最顯著因素的結(jié)論。

微波輔助提取技術(shù)借助外界能量破碎植物細(xì)胞，使得細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)更便于提取從而增加了提取率、大大縮短了提取時間，同時通過此方法還可獲得高純度紫薯淀粉、富含膳食纖維的紫薯濾渣及富含紫薯蛋白的副產(chǎn)物，使紫薯原料得到充分利用，降低了生產(chǎn)成本[16]。

1.4 超聲波輔助提取

利用超聲波提高提取效率主要歸因于超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)?？栈浅暡ㄌ幚磉^程中氣泡產(chǎn)生、生長和內(nèi)爆的結(jié)果。氣泡在植物材料表面塌陷，釋放出高壓和高溫，產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致微裂縫的形成，有效的實現(xiàn)了傳質(zhì)和溶劑的滲透作用。超聲波同時也產(chǎn)生機械效應(yīng)，允許溶劑更好的穿透細(xì)胞，增加了固液相之間的接觸表面積。這些綜合效應(yīng)都有利于花青素的提取[33]。

超聲波輔助提取法也是基于溶劑提取法，田妍基等[34]比較了0.2%鹽酸、含0.2%鹽酸的70%乙醇、0.1%鹽酸以及6%檸檬酸做提取劑的提取率，得出0.2%鹽酸最佳，正交試驗得出料液比1∶20，溫度60℃，時間80 min 最優(yōu)；許青蓮等[35]、顧紅梅[37][36]和肖海峻等[37]不同團(tuán)隊均用0.1%酸化的95%乙醇作提取液，前兩個團(tuán)隊通過正交試驗分別得出鹽酸乙醇比為55:45，料液比1:10，溫度60 ℃，時間15 min，超聲波頻率100 Hz 及鹽酸乙醇比為40:60，料液比1:40，時間30 min，超聲波頻率40 Hz 為最優(yōu)，肖海峻等通過響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝，得出提取溫度49℃，提取時間15 min，料液比1:41 為最佳，此條件下在520 nm 波長下測定其吸光度可達(dá)1.45，Ching-Yi Lien 等[38]優(yōu)化了酸性乙醇提取紫薯花青素工藝，發(fā)現(xiàn)升高溫度以及增加提取時間均可增加提取量，但會耗費更多的能量，同時花青素具有熱敏感性，溫度不宜過高，得出超聲波頻率43kHz，功率150W，25℃提取22 min 為宜；唐偲琦等[4]用0.5%硫酸做提取劑，采用超聲波法提取紫薯花青素，料液比1:120，溫度60 ℃下可得3.6716 mg/g 花青素；Yunjie Yin 等人[39]利用超聲波輔助硫酸銨-乙醇兩相萃取法提取紫薯花青素，得出超聲波頻率20 kHz，52.48 ℃提取48.19min 最佳。

相比溶劑提取法和微波助提取法，超聲波助提法提取的紫薯花青素在提取含量、對酸堿、氧化劑、還原劑、紫外線及食品添加劑的穩(wěn)定性方面均為最優(yōu)方法，微波助提法提取花青素在熱穩(wěn)定方面表現(xiàn)最優(yōu)[3]。

超聲波與微波助提在原理上相似，均為破碎細(xì)胞加速萃取，只是破碎細(xì)胞的方式不同，由于具有萃取時間短、提取效率高、適用范圍廣、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，兩種方法均得到廣泛應(yīng)用，但也存在因設(shè)備要求較高而使工業(yè)化生產(chǎn)受限的問題[18]。

1.5 聯(lián)合提取技術(shù)

由于每種方法都具有自身優(yōu)勢與局限性，所以多種技術(shù)的聯(lián)合使用已經(jīng)成為一種趨勢。徐穎等[8]采用超聲波輔助纖維素酶對紫薯花青素進(jìn)行提取，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，得出提取時間35 min，提取溫度60 ℃，料液比1∶36，纖維素酶添加量2.5 mg/g 紫薯粉，可提取2.003 mg/g 花青素；張慢等[7]分別用鹽酸-乙醇浸提法、微波法、超聲波法、酶-超聲波輔助提取方法提取紫薯粉中的花青素，酶-超聲波輔助同步提取法與單純鹽酸-乙醇浸提法相比，花青素提取率提高了2.73 倍，而提取時間縮短了75%，與單純微波法和超聲波法相比，花青素得率分別提高了32.4%和17.8%；楊旸[40]和顧紅梅等[17]比較了超聲波與凍結(jié)溶解結(jié)合法和常規(guī)溶劑提取法的能力，均得出結(jié)合法的提取效率遠(yuǎn)高于溶劑提取。Li-Zhen Lu 等[41]采用微波烘烤和酸性電解水聯(lián)合作用提取紫薯花青素，兩種方法的結(jié)合具有操作簡單、成本低、萃取率高等優(yōu)點，其提取率達(dá)到35.0%，明顯高于不經(jīng)微波作用的提取率以及用95%乙醇作溶劑提取紫薯花青素的提取率，同時也高于采用微波烘烤和95%乙醇聯(lián)合提取的提取率。

1.6 其它

除了以上幾種研究較為深入的提取工藝外，加速溶劑提取技術(shù)、脈沖電場輔助提取等也具有較高的研究價值。加速溶劑提取也是一種溶劑提取技術(shù)，是在較高的溫度和壓力下，改善提取動力、減少提取時間和溶劑體積的方法。Zhan Cai 等[42]以0.1%HCl酸化的80%乙醇水溶液作提取劑，將10 g 紫薯漿液加入100 mL 氧化鋯萃取池中，在350 加速溶劑萃取系統(tǒng)中進(jìn)行萃取，并在相同的條件下采用傳統(tǒng)溶劑提取法和超聲波輔助提取法進(jìn)行紫薯花青素提取，通過比較得出，加速溶劑提取技術(shù)相比于其他兩種方法能提取到更多的二?；ㄇ嗨兀簿褪钦f此種方法提取的花青素具有更高的穩(wěn)定性。脈沖電場輔助提取是基于外部電場作用，誘導(dǎo)真核細(xì)胞膜的電穿孔，增強溶質(zhì)的擴散，從而提高提取率，同時這種方法還具有降低提取溫度、減輕能耗的優(yōu)點[43]。

2 展望

雖然已經(jīng)有很多提取技術(shù)在紫薯花青素的提取上得到了研究與應(yīng)用，但目前仍以效率較低的傳統(tǒng)溶劑提取為主，對更為高效的方法的研究和報道還非常少，使大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)受到限制。另一方面，紫薯花青素的粗提液或濃縮液一般含有較多的雜質(zhì)，如還原糖、淀粉等，這極大地影響了花青素的品質(zhì)特性以及保存儲藏[44]，因此紫薯花青素的純化也是國內(nèi)外的研究熱點。可用于紫薯花青素提純的技術(shù)有大孔樹脂法、高效逆流色譜法、膜過濾、醋酸鉛沉淀法、分級醇沉法等，但目前研究與應(yīng)用最為廣泛的只有大孔樹脂法。如孫健等[44]比較了AB－8、X－5、NKA－9、D4020 四種大孔樹脂的吸附能力，得出AB－8 由于是弱極性的樹脂，在吸附過程中易和色素形成氫鍵，結(jié)合比較牢固而具有最強的吸附能力，其對紫甘薯花青素吸附率可達(dá)95.67%。高效逆流色譜法是一種不使用固體基質(zhì)的液-液分離色譜技術(shù)，具有條件溫和、分離速度快、化合物分離量大、純度高等優(yōu)點[45]，其分離溶劑體系的選擇至關(guān)重要，然而目前缺乏一種明確的方法來比較選擇兩相溶劑系統(tǒng)[46]。膜過濾具有操作成本低、能耗低、不添加化學(xué)試劑等優(yōu)點[47]。但對這些方法的研究尚處于初級階段，相關(guān)的應(yīng)用與報道很少。

紫薯花青素的提取以及純化是其投入并擴大使用的前提，希望未來通過更深入的研究，人們能尋找出更加高效的方法，得到純度更高、價格更低的紫薯花青素，使紫薯花青素得到更為廣泛地開發(fā)與應(yīng)用。