黑莓花色苷提取纯化及抗氧化研究进展

徐 龙，葛林梅，郜海燕，陈杭君

（1.浙江师范大学 化学与生命科学学院,浙江金华 321004；2.浙江省农业科学院食品科学研究所浙江省果蔬保鲜与加工技术研究重点实验室,浙江杭州 310021）

黑莓花色苷提取纯化及抗氧化研究进展

徐 龙1，2，葛林梅2，郜海燕2，陈杭君2

（1.浙江师范大学 化学与生命科学学院,浙江金华 321004；2.浙江省农业科学院食品科学研究所浙江省果蔬保鲜与加工技术研究重点实验室,浙江杭州 310021）

花色苷是一种广泛存在于植物中的功能性水溶色素。黑莓果实中含有丰富的花色苷,具有重要的生物和抗氧化活性,受到食品、药品、化妆品等行业的青睐。本文介绍了黑莓花色苷结构组成,提取、分离纯化方法和抗氧化活性等方面的研究现状,为进一步开展黑莓花色苷研究提供参考。

黑莓；花色苷；提取纯化；抗氧化活性

黑莓 （Rubus spp.）是多年生藤本植物,属于蔷薇科（Rosaceae）悬钩子属（Rubus）实心莓亚属。果实柔软多汁,营养丰富,色泽宜人,香味独特,含有人体必需的17种氨基酸和维生素,食之消暑生津、止渴除痰、醒酒提神。更为重要的是,黑莓果实中花色苷等具有抗氧化、抗衰老和抗癌变功能的多酚类物质含量非常丰富［1］,每100 g果实中的花色苷含量为67.4～230.0 mg［2］,大多属于矢车菊类花色苷,其中含量最多的矢车菊-3-O-葡萄糖苷占到花色苷总量的80%以上［3］。因此,黑莓被称之为 “生命之果”,在欧洲许多国家都有着悠久而广泛的栽培历史,是重要的浆果类果树之一［4］。

花色苷 （Anthocyanin）是自然界中广泛存在的一种天然水溶性色素,是花青素与各种糖结合而形成的黄酮多酚类化合物。花色苷主要存在于植物的细胞液中,以天竺葵色素（Pelargonidin）、矢车菊素 （Cyanidin）、飞燕草色素 （Delphinidin）为主,是植物体花、叶、果实和蔬菜呈现一系列颜色,特别是红、紫、蓝等颜色的物质基础。黑莓花色苷提取物在体外具有很强的抗氧化活性,因其有益健康的潜质而被学界重视［5］。研究表明,花色苷抗氧化的途径主要有①抑制自由基的产生或直接清除自由基。花色苷清除自由基的功能主要与其分子中的羟基有关,特别是3-位或3′-、4′-、5′-位羟基有关。②激活抗氧化酶体系。通过激活过氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等来达到清除自由基、抗氧化的效果。③与诱导氧化的金属元素络合,直接降低脂蛋白 （LDL）的氧化程度,或通过抑制Fenton反应从而抑制活性氧自由基产生。

本文概述了近些年国内外学者关于黑莓花色苷组成,提取纯化方法,抗氧化活性及药用价值等方面的研究进展,以期为进一步研究及开发功能性天然色素提供参考。

l 黑莓花色苷的组成

花色苷种类繁多,是果蔬中重要的多酚类物质之一［6］。Stintzing等［7］对野生黑莓果实花色苷组分进行研究,发现黑莓花色苷主要为矢车菊色素,即植物体紫色的主要呈色物质,成分有矢车菊-3-O-葡萄糖苷、矢车菊-3-O-芸香糖苷、矢车菊-3-O-木糖苷、矢车菊-3-O-半乳糖糖苷、天竺葵-3-O-葡萄糖苷、锦葵-3-O-葡萄糖苷等。李倩等［8］的研究也表明,矢车菊-3-O-葡萄糖苷、矢车菊-3-O-阿拉伯糖苷、矢车菊-3-O-芸香糖苷和锦葵色素-3-O-葡萄糖苷等为花色苷主要组分。其中以矢车菊-3-O-葡萄糖苷含量最高,约占花色苷总量的85%［9］。

2 黑莓花色苷的提取

目前,提取花色苷的主要方法有：有机溶剂萃取法、生物酶解法、超声波辅助法、超临界提取法和高脉冲电场辅助提取法等,其中以有机溶剂萃取法最为常见。

2.1 有机溶剂萃取法

花色苷具有酸性和碱性基团,易溶于水、甲醇、乙醇、丙酮等极性溶剂。花色苷在弱碱性溶液和中性溶液中不稳定,可采用酸性甲醇溶液作为溶剂［10］。为防止花色苷降解,提高花色苷溶出率,常在溶剂中加少量的无机酸或有机酸,控制提取液的pH在3.5以下。甲醇的提取率比乙醇高20%,比水高70%［11］。Revilla等［12］比较了葡萄花色苷的几种提取方法,结果表明体积分数1%的HCl-甲醇溶液提取效果最好。赵慧芳等［13］同样认为,1%的HCl-甲醇溶液对黑莓冻果中花色苷的提取效果要优于其他溶剂。但也有研究认为,丙酮的提取效果比酸化甲醇、酸化乙醇更好,而且可以消除果胶的影响,降低提取温度。

由于甲醇、丙酮具有毒性,在食用色素生产中常选用其他无毒或毒性较小的提取刘。Pergola等［14］采用1% （V/V）盐酸-乙醇提取了榨汁后黑莓渣中的花色苷；程林润等［15］以0.2%盐酸水溶液提取紫甘薯花色苷。但盐酸-乙醇溶液在提取花色苷的过程中会改变色素的原始状态,因此生产中以一定浓度的乙醇溶液为最佳。赵伯涛等［16］采用正交试验研究了30%～70%的乙醇溶液对榨汁后黑莓中色素的提取效果,发现最佳提取条件为乙醇浓度70%、温度25℃、提取时间1 h。

影响有机溶剂萃取效果的因素很多,包括溶剂种类、料液比、pH值、温度、提取次数和样品颗粒大小等。溶剂萃取法投资量少,设备简单易操作。目前,已经有许多研究分别采用甲醇、乙醇、丙酮与水进行配比,对各种来源的花色苷进行萃取,为今后的工业化生产提供理论基础。

2.2 生物酶解法

由于花色苷存在于细胞内或吸附在细胞壁上,使得对花色苷的提取较为困难。针对细胞壁的主要成分,可采用纤维素酶和果胶酶对细胞壁进行降解,使细胞内的成分溶出,以达到提取目的。研究表明,采用纤维素酶或果胶酶水解均能达到提取果实中花色苷的目的,其中以纤维素酶的提取效果较佳,且使用2种酶复合提取效果要优于单独使用1种酶［17-18］。刘瑞军等［19］优化了酶解加酸提取越橘花色苷的条件,即酶用量2%、温度为55℃、酶解时间1 h。卢锋波等［20］对黑莓花色苷的酶解提取工艺条件进行优化,结果表明在加酶量为0.21%、酶解温度42.7°C、酶解1.46 h时,花色苷产量最高。大量试验共同表明,影响生物酶解萃取效率的主要因素有加酶量、酶解温度和酶解时间。

2.3 超声波辅助提取法

超声波是指频率大于20 000 Hz的机械波,在媒介中传播可以产生多种效应,如空化效应、机械效应和热效应。在对花色苷进行提取时,超声波能促使细胞壁破裂,从而使有效成分从细胞液中释放出来。此法操作简单、提取率高、提取速度快,且所提取成分的结构不易受到破坏。影响超声波辅助提取的因素主要有超声波功率、超声时间、超声温度。

徐怀德等［21］使用超声波辅助法提取黑莓果实中花色苷,优化后的工艺参数为,超声波功率526.9 W,时间30.5 min,提取温度70.9℃。陈钢等［22］以75%乙醇作溶剂,在料液比1∶20（V/m）的条件下超声 35 min,黑莓花色苷的得率为0.365 mg·g-1。孟宪军等［23］认为蓝莓花色苷最佳提取参数为,以52.28%体积分数的乙醇作为提取液,提取温度39.27℃,提取时间37.17 min。

2.4 超临界CO2提取法

超临界CO2提取技术以超过临界温度和压力的流体作为溶剂,是近几年发展起来的一种新技术。与传统的溶剂萃取相比,其安全性好、提取时间短、得率高、萃取量大,特别适用于提取或精制热敏性和易氧化的物质。影响超临界 CO2提取效率的因素有萃取力、萃取温度和萃取时间等。张树宝［24］利用超临界CO2提取技术对大花葵花色苷进行萃取,优化的提取条件为：料液比1∶25,萃取压力25 MPa,萃取温度60℃,萃取时间45 min。研究表明,超临界CO2提取法可以代替传统的有机溶剂萃取法来提取花色苷,且CO2安全价廉,无污染,无溶剂残留,有利于热敏性物质萃取,特别适用于医药和食品工业。

2.5 高压脉冲电场辅助提取法

高压脉冲电场 （PEF）辅助提取法是一种新兴的提取技术,目前已经开始应用于食品加工中,尤其是液态食品的灭酶杀菌。其原理是高压脉冲电场施加给细胞膜的脉冲电压超过了细胞膜本身的电位,从而击穿细胞膜,提高细胞膜的通透性,使细胞内的有效成分充分释放出来［25］。张燕等［26］研究了高压脉冲电场处理对红莓花色苷提取过程的影响,结果表明,PEF处理对红莓果实液泡细胞膜的损伤比冷冻-解冻过程的机械损伤更显著,有利于提高膜的通透性,使花色苷从细胞内充分释放。金声琅等［27］用高压脉冲电场技术辅助提取番茄皮渣中的番茄红素,提取率能达到96.7%,是常规有机溶剂提取率的2.4倍,是微波辅助法的1.23倍,是超声波辅助法的1.04倍,且处理时间短（16μs）。

超临界CO2提取法与高压脉冲电场辅助提取法都是新兴的提取技术,均具有时间短,得率高等优点。但这2种技术在黑莓花色苷提取上鲜有报道,如何把新兴的提取技术运用到黑莓花色苷的提取上,还需要学者进一步研究。

3 黑莓花色苷的分离纯化

目前,国内外学者围绕花色苷的分离纯化进行了大量研究。Da Costa等［28］用毛细管电泳法分离纯化了黑加仑色素。还有学者利用SePPakeartridge C18柱和高效液相色谱 （HPLC）对花色苷进行纯化［29］。McCallum等［30］用离子交换及倒相分离结合的HPLC方法分析了葡萄中的花色苷。Luque-Rodríguez等［31］用热乙醇溶液从葡萄皮果渣中提取出花色普及其他酚类物质,并用分光光度法及HPLC将提取出的物质进行定性及定量分析。Renault等［32］用离心分配色谱法将白葡萄及黑加仑中的花色苷进行纯化。Du等［33］用高速反相电流色谱法分离了从越桔中提取的花色苷。

黑莓花色苷大多采用树脂进行纯化。闫宁环［34］研究了18种大孔吸附树脂对黑莓色素的吸附特性,结果表明HPD-100A树脂的吸附效果最好,与徐怀德等［35］研究结果一致。 王悦宏［36］分别以磺酸基阳离子树脂、HPD400大孔吸附树脂、HPD600大孔吸附树脂和聚酷胺树脂作为柱层析的填料,精制黑莓色素的粗提物,得率依次为HPD400树脂＞HPD600树脂＞磺酸基阳离子树脂＞聚酷胺树脂,依色价排序则为磺酸基阳离子树脂＞聚酷胺树脂＞HPD600树脂＞HPD400树脂。赵慧［37］在用大孔树脂纯化黑莓提取物中的花色苷时发现,以AB-8大孔树脂作为吸附剂较好。张丽霞等［38］研究同样表明,大孔树脂AB-8对黑莓花色苷具有较好的吸附与解吸能力。在此条件下产品的得率为 1.22%,花色苷回收率 75.45%,纯度86.50%。

4 黑莓花色苷的抗氧化活性及药用研究

自由基可导致脂肪、蛋白质、核酸和糖分子的氧化损害,是一些疾病的重要病因。花色苷是最有效的天然水溶性自由基清除剂之一,能有效吸收羟自由基 （·OH）、超氧阴离子 （O2-·）和H2O2等,可防止大分子物质的氧化损伤,具有很强的清除自由基的能力［39］。同时花色苷还通过激活抗氧化防御体系,例如激活过氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等来达到抗氧化效果。因此,富含花色苷的水果都具有很强的抗氧化活性,如黑莓［40］, 蓝莓［41］和山核桃等［42］。

Koca等［43］对不同品种的黑莓和蓝莓果实的抗氧化活性进行研究,以FRAP（ferric reducing antioxidant power）作为体现果实抗氧化能力的指标,结果表明：黑莓和蓝莓中花色苷含量分别为0.95～1.97 mg·g-1和0.18～2.94 mg·g-1,总酚含量分别为1.73～3.79 mg·g-1和0.77～5.42 mg·g-1。野生蓝莓的花色苷和总酚含量比野生黑莓的要高,然而野生黑莓的抗氧化活性比野生蓝莓要强,野生黑莓的抗氧化活性范围为 35.05～70.41μmol·g-1,而野生蓝莓的活性范围为7.41～57.92μmol·g-1。Wang等［44］使用MJ对3种品种黑莓进行处理 （涂抹 0.1 mm和 0.01 mm）,对黑莓的抗氧化活性及抗癌作用进行评估。结果表明,与对照相比,MJ处理能够有效提高果实的抗氧化活性,0.1 mm处理效果最好,可将果实的抗氧化活性由28.0～30.9 mmol·g-1提升至31.8～38.1 mmol·g-1。Bowen-Forbes等［45］以黑莓和草莓为试验对象,研究了果实的花色苷组成,抗氧化活性及抗癌性能等。结果显示,黑莓与草莓果实中均含丰富的花色苷物质,每100 g鲜果含146～2 199 mg花色苷,具有很强的抗氧化能力,所提取出的花色苷在50μg·m L-1时能抑制50%以上的油脂过氧化反应,很好地维持果实品质。

黑莓具有调节代谢机能、延缓衰老、消除疲劳和提高免疫力等作用［46］；同时黑莓花色苷还具有抗突变及抗肿瘤的作用。此外,研究发现,花色苷能够抑制癌细胞生长,另外还具有抑制胃溃疡、延迟血小板凝集、提高视力、改善微循环等功能［47］,被誉为 “紫色生命果”。不同产地黑莓的不同溶剂提取物抑制COX-2表达的作用也不同,其中黑覆盆子的抑制效果最强,达7 l%,成分分析表明起作用的主要是花色苷类化合物［48］。以矢车菊色素-3-O-葡萄糖苷等花色苷为主的黑莓提取物能抑制人体结肠直肠癌细胞HT-29、乳腺癌细胞MCF-7及血癌细胞HL-60的生长,其中对HT-29细胞的抑制效果最为明显,且抑制效果与浓度呈依赖关系,黑莓提取物的这种抗癌作用可能与其活性成分刺激细胞产生ROS而杀死细胞有关［49］。Bowen-Forbes等［45］发现花色苷浓度为50μg·m L-1时能有效控制油脂过氧化反应,对肠癌、乳房癌、胃癌和肺癌的抑制率分别能达到50%,24%,37%和54%。越来越多的研究表明,黑莓花色苷能提高人体的抗氧化应激能力,从而实现对人体的保护作用,然而目前黑莓药用价值方面的开发较少,仍有待进一步的深入研究。

5 总结与展望

目前,评价和筛选功能性天然色素已成为生物学、医学和食品科学研究的新热点。花色苷类色素不仅是一种安全可靠的天然食用色素,而且由于其特殊的分子结构和理化性质,可抑制自由基产生、清除自由基、中断自由基反应链,在机体内不同的微环境和代谢生化反应链中起到抗氧化作用,有助人类健康,因此受到食品、药品和化妆品等行业和青睐,引起学者的广泛关注。

虽然各国学者对黑莓花色苷的研究取得了一定的成就,但目前研究较多的单一提取、纯化方法利弊不一,提取效率仍较低,不能满足工业化生产需求。因此,研究开发新型高效的黑莓花色苷提取、分离纯化技术,最终实现工业化生产显得尤其重要。黑莓花色苷被誉为 “紫色生命果”,然而其在食品行业中的研究还较少,今后可重点开发相关饮料、酒类及果酱等,增加产品的附加值。目前,虽然研究发现花色苷具有很强的抗氧化、抗衰老和抗癌功能,但是其生理功能的作用机制尚未明晰。而且目前大多数抗氧化研究均以体外清除自由基效果评价为主,难以全面体现其抗氧化作用的生物学意义,因此需加强相关机理的研究。对于花色苷的抗氧化特性,可通过健康群体和高危群体进行长期人体研究,调查黑莓花色苷预防慢性疾病的作用,研究确定黑莓花色苷的安全、可容忍和预防疾病的摄入量,为保健药品开发提供依据。

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（责任编辑：高 峻）

S 663.2

：A

：0528-9017（2014）04-0550-05

文献著录格式：徐龙,葛林梅,郜海燕,等.黑莓花色苷提取纯化及抗氧化研究进展 ［J］.浙江农业科学,2014（4）：550-554.

2014-01-15

“十二五”农村领域国家科技支撑计划项目 （2012BAD38B05）；国家公益性行业 （农业）科研专项 （201303073）

徐 龙 （1988-）,男,硕士研究生,江西上饶人,研究方向为食品物流与质量控制。E-mail：xu long0213@163.com。

郜海燕 （1958-）,女,浙江杭州人,研究员,博士生导师,研究方向为食品科学与工程。E-mail：spshy@163.com。