紫甘薯及其花色苷的研究与开发进展

彭 强，高彦祥*，袁 芳

(中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083)

紫甘薯及其花色苷的研究与开发进展

彭 强，高彦祥*，袁 芳

(中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083)

紫甘薯含有花色苷、绿原酸、异绿原酸等功能成分，具有抗氧化、抗突变、保护肝脏、缓解高血压、高血糖、高血脂、增强记忆、抗菌等生理功能。目前国内外已针对紫甘薯开发出一系列食品及食品工业原料，其生产及应用受到越来越多的关注，是一种很有发展前景的经济作物。本文主要针对紫甘薯及其花色苷的理化性质、生理功能、开发应用及其发展前景加以概述，以期为紫甘薯资源合理开发利用提供参考。

紫甘薯；花色苷；理化性质；生理功能；开发应用

甘薯是世界十大主要粮食作物之一，中国是最大的薯类生产国，约占世界薯类生产总量的65%[1]。甘薯品种主要为白色肉质和黄色肉质，它们富含酚类物质和类胡萝卜素，紫甘薯是日本率先开发的一种特殊品种，不过产量和花色苷含量均较低，长期以来未受到重视。1995年和2001年日本九州农业实验站(KNAES)及日本九州冲绳岛农业研究中心(KONARC)分别通过杂交育种得到了高色素含量、高产量的优良紫甘薯品种阿雅紫(Ayamurasaki，编号为九州113)和紫优(Marasakimasari，编号为九州132)[2-3]。许多学者对紫甘薯进行了广泛研究，发现紫甘薯除具有良好色泽外，其抗氧化性也比其他甘薯高。之后日本九州大学、南九州大学以及KONARC相继对紫甘薯的功能性质进行大量研究，通过体外实验、动物实验或人体临床实验研究发现紫甘薯具有多种生理功能，这使得人们越来越多的意识到紫甘薯的应用价值，并研发出各种紫甘薯食品。

我国自20世纪80年代就从日本引进了紫甘薯品种，并先后培育出适合国内栽培的紫甘薯新品种，如紫薯135、烟紫337黑薯、烟紫薯176、群紫1号黑薯、京薯16号、渝紫1号、徐薯4号等。目前我国东北、河北、山东、江苏、广西、广东等省均有种植，紫甘薯及其色素的加工在国内也受到越来越多的关注。

1 紫甘薯及其色素的理化性质

紫甘薯块根中的花色苷主要为咖啡酸、阿魏酸、对羟基苯甲酸等芳香族有机酸酰化的矢车菊色素和芍药色素，不同紫甘薯品种所含花色苷的种类有所区别，其中在阿雅紫块根中检测到8种花色苷，另外紫甘薯块根中还含有咖啡酰奎宁酸、抗坏血酸、生育酚等抗氧化活性成分[2]。花色苷的合成是在细胞质的内质网中完成的，合成后再转运到液泡内，在液泡内均匀溶于细胞

液或者以球形包含物的形式分散于液泡[4]。紫甘薯花色苷是以球形包含物的形式存在于液泡中，包含物内含有一种相对分子质量约24000的蛋白质(VP24)，Nozue等[5-6]认为VP24在液泡内吸附花色苷并对其稳定性起到重要作用。体外实验研究发现该蛋白很容易与紫甘薯花色苷相结合。

紫甘薯色素粉末呈紫黑色，稀酸液为鲜艳透亮的深红色。易溶于水、甲醇、乙醇等，不溶于丙酮、乙酸乙酯、菜油、乙醚和石油醚，在酸性介质中，其最大吸收波长为520nm左右。紫甘薯色素在pH3时热稳定性、光稳定性均较高，98℃条件下热降解的半衰期为4.6h，光照条件下半衰期为6.5d[7]。但在较高pH值下色素稳定性明显降低，这是因为随着pH值的升高花色苷由红色的黄钅羊盐阳离子向无色的醇型假碱变化[8]。Al3+和Zn2+对紫甘薯色素具有护色作用，而Fe3+对色素具有破坏作用[9]。山梨酸钾在食品使用浓度范围内对色素稳定性几乎没有影响，NaCl可以提高紫甘薯色素溶液的吸光强度[10]。抗坏血酸对于紫甘薯色素具有先保护后又加速降解的作用，原因在于抗坏血酸本身对于紫甘薯色素具有辅色作用及抗氧化作用，但其降解产物对于紫甘薯花色苷的降解具有促进作用[11]。

小白鼠实验及人体临床实验表明紫甘薯花色苷被摄入体内后能够以完整的分子形式吸收进入血清并提高血清的抗氧化能力，这使得通过体外实验所观测到的生理功能也完全有可能通过血液达到预定部位从而在体内实现。不过阿雅紫的8种花色苷中只有矢车菊素-3-咖啡酰槐糖苷-5-葡糖苷(YGM-2)和芍药素-3-咖啡酰槐糖苷-5-葡糖苷(YGM-5b)可以在人体尿液中检测到[12]。

2 紫甘薯的功能性质

2.1 抗氧化

人体代谢过程会产生各种自由基，过量的自由基会攻击蛋白质、脂肪和DNA，导致酶、细胞膜和基因的损伤及功能失调，从而引发炎症、癌症、心血管疾病等。Teow等[13]采用ORAC法、DPPH法和ABTS法对白色、淡黄、黄色、橘黄及紫色肉质的19种甘薯自由基清除能力进行研究，结果表明紫甘薯的抗氧化能力最强。Kano等[14]对阿雅紫提取物进行研究，发现其对DPPH自由基清除能力比紫甘蓝、葡萄皮、接骨木及紫玉米提取物均高，且8种花色苷对DPPH自由基的清除能力均优于抗坏血酸。

2.2 抗癌、抗突变

Yoshimoto等[15-16]采用沙门氏菌(Salmonella typhimurium TA 98)研究了白色、黄色、桔黄及紫色肉质甘薯的抗突变特性，其中紫甘薯的抗突变效果最好，并研究证明这与其所含的花色苷有关。将紫甘薯花色苷纯化分离后进一步研究表明具有矢车菊素结构的花色苷抗突变能力明显优于具有芍药素结构的花色苷。另外，医学研究证实PhIP(吡啶类物质)可以促使DMH(二甲肼)在体内诱导产生结肠癌，Hagiwara等[17]给小白鼠注射DMH后喂养PhIP或PhIP和紫甘薯提取物，喂养32周后进行解剖，发现紫甘薯提取物对于PhIP和DMH引起的结肠癌具有抑制作用。

2.3 保护肝功

四氯化碳对肝脏有损伤作用，其代谢产物三氯甲基自由基(CCl3·)可以引发急性肝炎，诱导肝脏释放大量谷草转氨酶(GOT)和谷丙转氨酶(GPT)。Suda等[18]以大白鼠进行动物实验，研究发现给大鼠喂食四氯化碳后会引发急性肝炎，血清中GOT和GPT激增，但同时喂食紫甘薯饮料的白鼠血清中GOT、GPT的上升受到明显的抑制。随后他们又对45名志愿者进行人体临床实验，并按肝功能异常5年为界分成不满5年和5年以上者两组，实验组每天供给紫甘薯汁120mL，连续44d，结果发现，凡肝功能偏高、病程在5年以内者，各项肝功能指标平均下降20%[19]。后来又对另外一批志愿者进行人体实验，结果表明紫甘薯饮料也可以降低血清中天门冬氨酸转氨酶(AST)、丙氨酸转氨酶(ALT)、特别是γ-谷氨酰基转移酶(GGT)等肝炎指示酶的水平[20]。另外，还有研究表明紫甘薯对于胆固醇及D-半乳糖造成的肝损伤也有明显的抑制作用[21-22]。

2.4 抗高血压

血管紧张素转化酶(ACE)可以催化惰性的血管紧张素Ⅰ转化为活化的血管紧张素Ⅱ，并抑制血管扩张神经和血管舒缓激肽，因此抑制ACE活性对于预防和治疗高血压具有重要意义。Yamakawa等[23]比较了不同甘薯品种对于ACE的抑制效果，研究表明紫甘薯的抑制效果最好。Suda等[19]对高血压志愿者进行人体实验，研究发现12名血压高于140mmHg的受试者中有两名受试者血压下降大于20 mmHg，4名受试者血压下降10～20mmHg。Kobayashi等[24]以紫甘薯提取物喂养患高血压小鼠，以400mg/kg体质量喂养后，在2～8h内血管收缩明显得到改善，并且持续喂养也观察到同样现象，但停止喂养后高血压又会复发。

2.5 抗高血糖

α-葡萄糖苷酶是蔗糖酶和异麦芽糖酶的复合酶，Matsui等[25]采用体外实验研究表明紫甘薯提取物对于α-葡萄糖苷酶(IC50=0.36mg/mL)(酶活性减少50%所需量)有明显的抑制作用，并且发现紫甘薯提取物对于α-淀粉酶(IC50=0.61mg/mL)也有一定的抑制作用。抗高血压药物D-木糖及L-阿拉伯糖通过抑制蔗糖酶的活性来减缓糖尿病，对麦芽糖引起的血糖升高没有效果，而紫甘薯花色苷通过抑制麦芽糖酶活性来降低血糖水平。以大白

鼠进行动物实验，对其喂养紫甘薯花色苷5min后，分别注射等量的麦芽糖、蔗糖或葡萄糖，发现30min后注射麦芽糖的大白鼠其血糖水平比对照组低16%，不过紫甘薯花色苷对于蔗糖和葡萄糖引起的血糖升高没有显著影响。Matsui等[26]又采用双酰化的天竺葵素、矢车菊素、和芍药素研究它们对于α-葡萄糖苷酶的抑制作用，发现天竺葵素的效果最好，这说明B环结构对于α-葡萄糖苷酶的抑制效果有一定的影响。虽然紫甘薯花色苷的ED20值(69mg/kg)(血糖水平减少20%所需量)是降血糖药物阿卡波糖ED20值(2.2mg/kg)的30余倍，不过紫甘薯作为一种保健食品可以长期食用，而且没有依赖性及副作用[27]。

2.6 抗动脉粥样硬化

低密度脂蛋白(LDL)的氧化作用可以导致动脉粥样硬化，紫甘薯花色苷吸收进入血浆可以抑制LDL的氧化[14]。Miyazaki等[28]以富含胆固醇和脂肪的食物喂养大白鼠进行动物实验，实验表明紫甘薯花色苷可以使得动脉粥样斑块的面积减少一半，LPO(氧化脂质，血清中氧化应激标记物)和TBARS(硫代巴比妥酸反应物，肝脏和肾脏中氧化应激标记物)的水平均明显降低。

2.7 增强记忆

Cho等[29]采用紫甘薯的乙醇提取物喂养小白鼠1周，采用被动回避实验观察到实验组小鼠的被动躲避能力与对照组相比明显增强，并进一步分析指出紫甘薯花色苷可以抑制小鼠脑浆中的脂质过氧化作用，这可能是其记忆功能增强的原因所在。另外，D-半乳糖是人体产生的代谢物质，若D-半乳糖含量过高其降解产物会对大脑皮层神经细胞的突触蛋白造成损伤，使得学习和记忆能力下降，Wu等[30]研究发现对大白鼠喂食紫甘薯色素可以使D-半乳糖造成的突触蛋白损伤得到修复，从而恢复大白鼠的空间记忆能力和学习能力。

2.8 抗菌作用

韩永斌等[31-32]研究了紫甘薯花色苷对于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、啤酒酵母和黑曲霉的抑制作用，结果表明紫甘薯花色苷色素对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌均有抑制作用，并与花色苷浓度呈正相关，而对啤酒酵母和黑曲霉无明显抑制作用。通过透射电镜观察和对大肠杆菌生长曲线的分析指出该色素的抑菌作用可能是通过增强细胞膜的通透性，使细胞质稀薄，抑制对数期的细胞分裂，以及造成细胞解体来实现的。

2.9 其他生理功能

王莹[33]采用模拟胃液体系就紫甘薯花色苷对亚硝酸盐的作用进行考察，发现紫甘薯花色苷对亚硝酸盐具有明显的清除作用。紫甘薯除富含花色苷外，还含有丰富的膳食纤维、咖啡奎宁酸、抗坏血酸和生育酚等抗氧化成份，其中咖啡奎宁酸可以抑制HIV病毒，还可以抑制黑色素的生成[34-35]，而膳食纤维、抗坏血酸和生育酚与人体健康有着密切的关系。

3 紫甘薯的开发及应用

3.1 紫甘薯色素

紫甘薯色素提取过程中容易发生褐变，目前工业上紫甘薯色素的提取主要采用柠檬酸、盐酸酸化的水或乙醇作为提取剂。日本专利中公开了一种发酵提取紫甘薯色素的方法，所得的紫甘薯色素色价较高，且可以同时得到乙醇。最近国内学者相继采用微波、超声波、冻结-溶解细胞破壁法等均使得紫甘薯色素的提取率得到提高，其中微波萃取法提取率高且提取时间短，是一种较有应用前景的提取方法[36-38]。

紫甘薯提取液中含有大量淀粉及果胶等物质，需要进一步纯化及精制。对于色素的纯化主要有大孔树脂吸附法、膜分离法、醋酸铅沉淀法和分级醇沉法等。其中应用最多的是大孔树脂吸附法，相关研究指出AB-8大孔树脂较适于紫甘薯色素的纯化[39]。许正虹[37]采用膜与树脂耦合技术对紫甘薯色素进行纯化，将采用微波辅助技术提取得到的紫甘薯色素提取液经过微滤膜初步净化后，再通过大孔树脂进行纯化，有效提高了树脂的吸附效率，并且延长了树脂的使用寿命。

3.2 紫甘薯泥

这是“平日不烧香，临难抱佛脚”的奇例，当然更有常年以来，坚持焚拜供奉的。如原河北省委书记周本顺，倒是“虔诚”，多处豪宅，处处摆着佛堂，每逢初一十五，都按时烧香拜佛。周书记出去，见佛就拜，进庙就捐，家里养的一只乌龟死了，还专门为它手抄经文，连同“神龟”一起隆重落葬呢。又如原四川省委副书记李春城，因为嫌升迁还不快，不仅将家里老坟从东北迁到都江堰“福地”，还在成都新天府广场修建时特地建了“太极图”，据说可以有“神助”。再如原深圳市委政法委书记蒋尊玉，那可是个“信徒”啊，私宅千平，供着几十尊神佛，间间烧着高香，只是搜遍全屋，只有一本小书，还是我佛不齿的“儿童不宜”呢！

甘薯可以被用来做成脱水薯片、菜肴、布丁、馅饼、面包、粥、饮料和婴儿食品等，而这些食品一般是用甘薯泥来进行加工的。商业上，橘色甘薯已经被成功地加工成果泥，然而紫甘薯因其干物质含量高且淀粉特性不同于橘色甘薯，使得其流动性差，不利于泵送和混匀。Walter等[40]研究了紫甘薯淀粉的流变学特性和热力学特性，并试图以加水或酶解的方式改变其流变性，发现两种方式所得的产品差别较小，从经济效益的角度考虑采用加水的方式比较适合工业化生产，加水量最好控制在干物质含量18%～21%。美国近年新兴起一种采用微波对连续流动甘薯泥进行灭菌的技术，该技术生产的甘薯泥货架期长、加工时间短且产品质量好[41]。Steed等[42]将该技术成功运用于紫甘薯泥的生产，生产过程中先将紫甘薯洗净、切片、蒸煮、在混合器中加水调成干物质含量18.1%的浆液，然后采用60kW、915MHz的微波处理。这一工艺使得紫甘薯果泥受热均匀一致，灭菌效果良好，花色苷损失较少，DPPH自由基及氧自由基清除能力损失不明显，同时还发现微波处理后紫甘薯泥的凝胶强度增加。

3.3 紫甘薯乳酸发酵产品

Panda等[43]将紫甘薯蒸熟后打浆与牛奶混合进行乳酸发酵，获得了一种风味良好、颜色诱人、富含花色苷、矿物质及膳食纤维的凝乳。最近，他们又将紫甘

薯采用100℃蒸15min后再经果胶酶酶解，然后采用植物乳杆菌发酵并进行调配，获得了一种风味良好的紫甘薯酸乳[44]。另外，他们还将紫甘薯切丁热烫后采用2%～10% 的NaCl溶液进行盐渍，然后接种植物乳杆菌发酵28d生产出一种富含花色苷的紫甘薯乳酸泡菜[45]。

3.4 紫甘薯红醋

Terahara等[46]采用蒸煮后的紫甘薯酿造出一种具有保健作用的红醋，并检测到一种由紫甘薯花色苷水解得到的咖啡酰槐糖，该成分具有与绿原酸、BHA及α-生育酚相当的抗氧化能力，不过其与花色苷相比分子质量小，可能更有利于人体的吸收，是紫甘薯红醋中一种重要的功能成分。Fukui等[47]研究发现紫甘薯花色苷在pH＜3.0的条件下通过加热的方式也可以产生这种咖啡酰槐糖。

Saigusa等[48]采用蒸煮后的紫甘薯生产发酵酒精饮料，研究表明蒸煮可以有效灭活紫甘薯内与花色苷降解相关的酶，有利于色素的保护，并且缩短发酵时间，然而风味不如生紫甘薯制备的酒精饮料，且能源消耗较大。他们又采用蒸煮紫甘薯及生紫甘薯生产酒精饮料并进行分析比较，研究表明蒸煮紫甘薯生产的酒精饮料抗氧化及抗突变能力均优于生紫甘薯制备的酒精饮料，并且前者酰化花色苷居多，后者含大量非酰化花色苷，并指出多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶是造成花色苷降解及脱酰作用的主要酶[49]。在后来的研究中Saigusa等[50]又专门研究了生紫甘薯生产发酵酒精饮料的工艺，发现紫甘薯打浆后会出现明显的降解，不过采用柠檬酸或乳酸将pH值调到3.0后再打浆花色苷很稳定，并且添加柠檬酸后进行发酵，异戊醇和异丁醇等高级醇的生成量增加，风味良好。不过研究还发现采用pH3.0的柠檬酸酸化无法抑制β-葡萄糖苷酶的活性，导致饮料中酰化花色苷的含量减少，乳酸对于β-葡萄糖苷酶的抑制效果要好些，不过产品风味不如加柠檬酸。Tsukui等[51]将紫甘薯花色苷加入含焦亚硫酸钾的100%苹果汁中，采用葡萄酒酵母进行发酵，先在25℃条件下发酵7d，然后10℃陈酿120d获得富含紫甘薯花色苷的苹果酒，虽然发酵前期花色苷降解较快、不过陈酿阶段花色苷降解较少，最终产品中花色苷较为稳定。

3.6 其他

在日本紫甘薯还被用来生产面条、面包、果酱、薯片、糕点及航天食品等。在我国，近几年紫甘薯相关食品的开发不断升温，目前国内新开发的紫甘薯产品有紫甘薯饮料、面条、薯片、果脯、保健果冻等。

另外，紫甘薯叶也是一种值得开发的食品原料，在非洲和日本，人们一直有食用甘薯叶的习惯，甘薯干叶中蛋白质含量高达27%，并且富含膳食纤维及钾、钙、镁、锌等矿物质，其酚类含量及抗氧化性比白菜、菠菜、花椰菜等许多蔬菜还要高很多[1]。

4 结 语

基于几千年的发展，人类的传统饮食对于健康具有重要意义，然而近二三十年来食品的工业化使得人类逐渐改变了传统的饮食习惯导致营养平衡的紊乱，从而使得肥胖、肝炎、高血压、高血糖、动脉硬化和癌症等慢性病的发病率逐年上升。基于紫甘薯及其花色苷的优越性，越来越多的紫甘薯食品将出现在人们的日常饮食中。

细胞培养技术得到的紫甘薯愈伤组织中花色苷含量可以达到普通细胞含量的3倍之多，其他酚类的含量也比普通贮藏根要高出2～3倍。而且采用不含铵根离子的培养液所获得的紫甘薯色素酰化程度更高、色素更稳定[52]。细胞培养技术生产周期短、色素含量高、若能成功应用于紫甘薯色素及相关食品的生产，必将取得良好的经济效益。

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Research Progress on Purple Sweet Potato and Its Anthocyanins

PENG Qiang，GAO Yan-xiang*，YUAN Fang
(College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstrac：Purple sweet potato (PSP) contains a variety of functional components, such as anthocyanins, chlorogenic acid and isochlorogenic acid. Therefore, PSP is endowed with multiple physiological functions including antioxidation, antimutation, hepato-protection, antihypertension, antihyperglycemia, antihyperlipidemia, memory enhancing, and antibacterial activities. Varied foods and food materials have been developed from PSP both at home and abroad. Therefore, PSP can be recommended as a superior cash crop for the production of foods of health benefits. In order to provide theoretical basis for better exploration of PSP resources, the research progress on physicochemical property, physiological functions, development and application of PSP and its anthocyanins in recent years is summarized in this paper.

purple sweet potato；anthocyanins；physical and chemical properties；functional properties；application

TS202.1

A

1002-6630(2010)23-0401-05

2010-01-21

彭强(1986—)，男，硕士研究生，研究方向为农产品加工与贮藏。E-mail：eric22nd@163.com

*通信作者：高彦祥(1961—)，男，教授，博士，研究方向为食品添加剂与功能配料加工。E-mail：gyxcau@126.com