花青素的生理功能及其在乳品工业中的应用

文 / 武学宁 刘瑞敏 刘成玉 高智利 郝素梅 潘玉喜

（1内蒙古包头轻工职业技术学院乳品工程学院；2内蒙古包头骑士乳业有限责任公司）

花青素（Anthocyanidins）属酚类化合物中的类黄酮类，是一种水溶性色素，其色泽随pH不同而改变，由此赋予了自然界许多植物明亮而鲜艳的颜色。目前发现花青素类色素广泛存在于紫甘薯、葡萄、血橙、红球甘蓝、蓝莓、茄子皮、樱桃、红橙、红莓、草莓、桑葚、山楂皮、紫苏、牵牛花等植物组织的表面细胞与下表皮层[1]。花青素作为一种天然食用色素，安全、无毒、资源丰富，而且具有一定营养和药理作用，在食品、化妆、医药方面有着巨大应用潜力。

1 花青素的结构

花青素具有类黄酮的典型结构，2-苯基苯并吡喃阳离子的衍生物[1]，以C6-C3-C6为基本骨架。花青素的结构如图1所示。

现有资料表明花青素有20 余种，在植物中常见的有6 种[2]，表1所示为食品中常见的花青素。

图1 花青素的结构

表1 植物中常见的花青素

2 花青素的化学特性

花青素溶于水和乙醇，不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂，遇醋酸铅试剂会沉淀，并能被活性炭吸附，其颜色随pH值不同而改变[3]。在酸性条件下显色较好，呈红色，在中性、近中性条件下呈无色。在植物体内，花青素常与各种单糖结合形成糖苷，称为花色苷（Anthocyanin）[3]。

3 花青素的提取方法

提取是分离、纯化和利用花青素的主要环节。花青素提取方法是近年来花青素研究领域较为活跃的一个方面，有关的研究报道较多，一些新的提取方法如微波、超声波、超高压等都得到了应用。

3.1 有机溶剂萃取法

溶剂提取是花青素的常规提取方法，多数选择甲醇、乙酮、丙酮或它们的混合溶剂对材料中的花青素进行溶解过滤，通过酸或碱调节溶液酸碱度萃取滤液中的花青素。有机溶剂萃取法已成功地应用于葡萄籽、石榴皮、蓝莓等绝大多数含花青素物质的提取分离[4]。

传统的溶剂提取方法提取时间长，生产效率较低，且热溶剂容易造成花青素降解以及生理活性的降低。另外，有机溶剂萃取的花青素多有毒性残留且生产过程对环境污染大，因此有研究者提出了水溶液提取法。

3.2 水溶液提取法

该方法一般是在常压或高压下用热水浸泡含花青素的原材料，然后用非极性大孔树脂进行吸附；或直接使用脱氧热水提取，再采用超滤或反渗透经浓缩得到粗提物。此法又称为加压溶剂萃取、加压液体萃取。水溶液提取法法设备简单，无污染，产品无毒，但提取出来的花青素纯度低[5]。

3.3 超临界流体辅助提取

超临界流体萃取是利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行提取。在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小不同的成分依次萃取出来[6]。

超临界流体萃取法最大的优点是产品提取率高，可以低温操作，避免了不饱和脂肪酸的氧化分解，溶剂无残留，且作为超临界流体的CO2易得，萃取能耗低。与溶剂提取法相比，省去了溶剂回收以及精炼过程，从而降低了成本，容易实现工业化生产。

3.4 微生物发酵或酶解法

此法是利用微生物或酶的作用将细胞壁成分降解，让胞内的花青素成分迅速渗透扩散出来，以利于提取，从而增加了提取的产率与速率[6]。

4 花青素的生理功能

现代医学试验证明花青素对人体具有多种医疗保健作用。它是一种强有力的抗氧化剂，能够保护人体免受自由基的损伤，花青素还能够增强血管弹性，改善循环系统和增进皮肤的光滑度，抑制炎症和过敏，改善关节的柔韧性。近两年，国内外对于花青素保健功能的研究主要集中在抗癌、心血管保护和美容等方面。

4.1 清除自由基抗氧化作用

科学发现，自由基与100 多种疾病有关，人的寿命长短直接取决于人们抗氧化、抗自由基能力的强弱。花青素是羟基供体，同时也是一种自由基清除剂，它能和蛋白质结合防止过氧化，也能和金属Cu2+等螯合，防止VC过氧化，再生VC，从而再生VE，也能淬灭单线态氧[7]。而且还能提供质子，有效清除脂类自由基，切断脂类氧化的链式反应，起到防止脂质过氧化的作用。因此，花青素可以预防各种自由基产生的疾病，是当今人类发现最有效的抗氧化剂，也是最有效的自由基清除剂，花青素的抗氧化性能比VE高50 倍，比VC高20 倍[8]。

4.2 抗癌作用

体内外的试验表明，花青素在许多方面都显现出降低癌细胞增殖能力和抑制肿瘤形成的功能。它可使乳腺癌细胞凋亡并抑制其转移、抑制前列腺癌；防止结肠癌恶化；防皮肤癌。花青素影响癌变进程的能力可能与其有效的抗氧化能力以及对环氧化酶的抑制等多种机理有关[9]。吕晓玲等人采用荧光化学发光法对紫甘薯花色苷的抗氧化作用进行了研究，结果表明，紫甘薯花色苷对O2-、-OH和H2O2等活性氧（ROS）均具有较强的清除作用，而ROS可参与或导致细胞致癌或促癌过程[10]。曹东旭等人以人肝癌细胞HepG2为模型研究紫甘薯花色苷的抗肿瘤活性，结果表明，高浓度的花色苷可抑制肿瘤细胞的生长，800 μg/mL花色苷处理72 h，抑制率高达80%[11]。

4.3 延缓衰老的功能

花青素还被认为具有调节认知和运动能力，加强记忆，并可预防与年龄相关的神经功能衰退的功能。Cho等将紫甘薯的花青素进行分离纯化，通过用酒精处理过的老鼠来做被动回避实验评定，发现能增强其认知能力，也能有效地抑制老鼠脑组织中脂质过氧化反应[12]。

4.4 降血脂的功能

马淑清等人研究了紫甘薯花色苷对糖尿病大鼠血糖和血脂的影响，采用灌胃的方法对糖尿病大鼠进行治疗，发现花色苷有明显的降糖作用，以1.0%剂量最好，花色苷虽然不能显著提高血清HDL-C（高密度脂蛋白胆固醇），但能显著降低TC（胆固醇）、TG（甘油三酯）和LDL-C（低密度脂蛋白胆固醇），表明也有较强的降脂作用。且治疗过程中肝脏未见明显脂肪变性，肝糖原明显增加，表明花色苷对肝功能和肝细胞膜结构有一定的保护作用[13]。

5 花青素在食品工业中的应用

植物体花青素作为一种天然色素，安全、无毒、资源丰富，具有相当的营养和药理作用，对人类健康影响广泛，花青素在食品中不但可作为营养强化剂，而且可作为食品着色剂应用于平常的饮料和食品中，符合人们对食品添加剂天然、安全、健康的要求。试验证明，甘薯花青素在饮料中的稳定性超过商品色素（Enocyanin）及黑莓色素，又因其耐光性好，经花青素着色的食品无需遮光材料包装。

楚文靖等人以紫甘薯为原料，研究了紫甘薯酒发酵的工艺条件，在最优发酵参数发酵液pH值3.8、酵母接种量3%、发酵温度18 ℃的条件下，研制出澄清透亮、口感好的紫红色甘薯酒，为其开发利用提供了一条途径[14]。

方忠祥等人研究了用紫甘薯制作饮料时的加工工艺，结果表明，新鲜甘薯加3 倍水打浆，用稀盐酸调pH值至4.5～5.0，采用0.03%淀粉酶，0.04%的果胶酶，温度50 ℃，处理30 min，可获得较理想的出汁率和透光度，用甘薯原汁30%，蔗糖8%，柠檬酸0.3%调配，可获得色、香、味俱佳的紫肉甘薯饮料[15]。

6 花青素在乳品工业中的应用展望

花青素耐热性好，能够经受乳品工业中采用的巴氏杀菌工艺，可以溶于醇和水溶液，因此，可以用作红色至紫红色着色剂而添加到冰淇淋、奶酪、酸奶等乳制品中。

李思宁以紫薯和脱脂乳粉为主要原料，选用嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌组成的混合发酵剂进行发酵，得到一种新型的风味酸奶，并以感官评价为考察指标，研究紫薯酸奶的发酵工艺条件。结果表明，紫薯酸奶最佳工艺参数为：白砂糖添加量7%，发酵温度41 ℃，发酵时间6 h。在此条件下，所得的酸奶色泽均匀、组织状态良好、口感细腻，既有发酵乳特有的风味，又有紫薯淡淡的香气。紫薯中的花青素既使产品表现出香芋色，又为产品增添了特有的保健功能[16]。

桑葚也是富含花青素的水果，王超等人以桑葚、脱脂乳为原料，白砂糖、稳定剂等为辅料，采用驯化的保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌进行发酵研制酸奶。试验表明，最佳配方为：白砂糖4%，桑葚∶奶=1∶7，接种量8%，明胶0.25%；采用0.20%抗坏血酸护色，83 ℃、30 min杀菌条件，于42 ℃发酵240 min，所得酸奶色泽微红，组织均匀细腻，无异物，酸甜可口，有乳酸发酵味和桑葚味，风味独特，且具有一定的保健功能[17]。

蓝莓是营养价值很高的野生浆果，含有大量的花青素、有机酸和纤维，近年来关于蓝莓在乳制品中应用的报道非常多。张振海等人以蓝莓汁和酸奶为原料，通过分析和试验得出了蓝莓果汁奶的最佳配方为：发酵酸奶35%，白砂糖7%，蓝莓汁6%，稳定剂0.5%，柠檬酸0.05%，蓝莓香精0.08%[18]。

杨宇、张秀玲等人对蓝莓涂抹型再制干酪工艺参数进行了研究，通过对样品进行质构剖面分析（TPA）、感官评价和微观结构分析，确定了最优的工艺参数及复合乳化盐等因素对样品品质的影响。结果表明，最优工艺是在加热融化过程中添加15%蓝莓果浆，18 个月成熟的Gouda干酪与3 个月成熟的Edam干酪的质量比为1∶2，质量分数为3%的柠檬酸钠与磷酸氢二钠的质量比为5∶1组成的复合乳化盐，加水量60%，在85 ℃水浴加热，转速1 500 r/min下搅拌20 min，4 ℃迅速冷却。所得的蓝莓涂抹型再制干酪的质构与市售涂抹型再制干酪质构最为接近，且风味良好[19]。他们还对蓝莓含量对涂抹型再制干酪的影响进行了研究，发现蓝莓对涂抹型再制干酪的感官、pH值、质构和微观结构产生重要的影响。研究通过感官评价和测定样品的pH值、质构性质（TPA）、微观结构和色差，确定了蓝莓果浆对涂抹型再制干酪的影响。结果表明，蓝莓含量增大使样品pH值下降，微观结构和质构特性发生显著变化。蓝莓带来的纤维过多会对样品中酪蛋白凝胶网络结构造成损坏，添加量在10%较为适宜，纤维过大会破坏酪蛋白的凝胶结构，使样品产生感官缺陷。含新鲜蓝莓果浆的样品呈浅蓝紫色，杀菌果浆花青素损失，样品呈暗粉色[20]。

包头轻工职业技术学院乳品工程学院联合天津科技大学、葫芦岛茂华生物有限责任公司、包头骑士乳业有限责任公司利用包头科技局科研项目，进行紫甘薯花青素酸奶、花青素冰淇淋的研究与开发，取得了阶段性的成果。

7 花青素开发前景及其推广

随着人们生活水平的不断提高，对保健食品、有机食品、绿色食品的关注和需求不断上升。富含天然花青素的食品，正好符合了人们追求的食品目标。当今，在食品、医药卫生等行业色素的用途十分广泛，但人工合成的色素副作用越来越受到关注，花青素具有色素含量高、色素稳定性能好、提取工艺成熟等特点，将具有很强的市场竞争力和很大市场潜力。

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