黑米色素的提取工艺及生物活性研究进展

李昌文，张丽华，纵伟

(1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，郑州 450002；2.河南省食品生产与安全协同创新中心， 郑州 450002；3.河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，郑州 450002)

黑米是一种重要的粮食作物，黑米中含有大量的营养物质，例如含有较高的蛋白质、必需氨基酸、维生素以及人体必需的矿物质元素等。另外，黑米中还含有一种重要的生物活性成分黑米色素。许多研究表明黑米色素是花青苷类色素，其是多酚类物质的一种，分析表明黑米花色苷主要是芍药素-3-葡萄糖苷和矢车菊素-3-葡萄糖苷等[1-5]。近年来，国内外许多学者对黑米色素进行了大量研究，本文对黑米色素的提取工艺和生理活性功能研究等进行了论述。

1 黑米色素的提取工艺研究进展

1.1 溶剂法提取黑米色素

溶剂法提取黑米色素的工艺流程一般为：黑米→除杂、粉碎→黑米粉末→溶剂浸提→抽滤→浸提液→蒸馏→黑米色素浓缩液→干燥→黑米色素粗品。

研究表明许多因素影响溶剂法提取黑米色素的提取效果，这些因素包含提取溶剂的选择、溶剂的浓度、提取温度、提取时间、料液比例、pH值、黑米的粉碎程度等。不同的溶剂对黑米黑色素的萃取效果差异很大，钟岩等研究表明黑米色素可以溶于水、丙酮、甲醇、乙醇、乙醚、正丁醇、异戊醇等溶剂中，其中在甲醇、乙醇中提取效果最好；实验还表明黑米色素在乙酸乙酯及氯仿中不溶解[6]。牛娟娟等研究表明溶剂乙醇提取法与溶剂用水提法得率相差不大，而且提取温度降低，提取时间也减少[7]。因此，黑米色素的提取一般都选择乙醇作为提取溶剂。不同研究者采用溶剂法提取黑米色素的工艺参数不同，这主要是因为采用的原料及实验设计参数不一致引起的。例如张福娣等研究得出当提取温度为80 ℃、提取时间为30 min、料液比为1∶10、50%乙醇(体积分数)时，黑米黑色素的提取率最高[8]。吴素萍研究认为黑米色素的最佳工艺参数为：50%乙醇(体积分数)、黑米粉碎度50目、温度80 ℃、pH 3、料液比1∶5、提取时间30 min[9]。季云琪等采用醇溶法提取黑米色素的最佳提取工艺参数为：95%乙醇(体积分数)、料液比1∶50、温度60 ℃、时间90 min、pH 1.8，此时黑米色素提取率高达2.71%[10]。郭梅等研究表明黑米色素的最佳提取工艺参数为：95%乙醇(体积分数)、料液比1∶45、pH 3.0、提取温度80 ℃、提取时间90 min[11]。Alessandra等采用响应面分析方法得到溶剂法提取黑米花色苷的工艺参数为：酸化的乙醇(乙醇∶1 mol/L柠檬酸为1∶80)、提取温度34.7 ℃、时间81 min、料液比1∶30，在此条件下黑米花色苷的提取量为116.58 mg/100 g[12]。溶剂法提取黑米色素投资较少，但黑米色素产品存在溶剂残留、产品纯度不高等缺点。

1.2 微波辅助提取黑米色素

微波辅助提取黑米色素的工艺流程一般为：黑米→除杂、粉碎→黑米粉末→加入提取剂→微波辅助提取→抽滤→提取液→蒸馏→黑米色素浓缩液→干燥→黑米色素粗品。

研究表明，与有机溶剂法相比，采用微波辅助提取技术有助于黑米色素提取率的提高，同时提取时间缩短，提高黑米色素产品品质等。影响微波辅助提取黑米色素的因素主要有微波功率、微波时间、料液比例、提取溶剂的浓度及pH等。张吉祥等研究了微波法提取黑米色素的工艺参数，结果表明：影响微波法提取黑米色素的最关键因素是提取剂乙醇的浓度，微波法提取黑米色素的最优工艺参数为80%乙醇(体积浓度)、微波功率480 W、微波时间120 s、料液比例1∶20，在此条件下，黑米色素的提取率高达3.2%[13]。袁博等建立了黑米色素提取的回归统计模型，研究认为微波时间对黑米色素的提取率影响不显著或影响较小，这可能是由于设计实验时微波时间选择的范围较小引起的[14，15]。马萍等通过建立黑米色素提取的多元回归统计模型，分析得到提取黑米色素的最优组合为80%乙醇(体积分数)、料液比1∶18、微波时间9 s，此时黑米黑色素提取率为4.97%[16]。王心哲等以蒸馏水为提取溶剂，以黑米中花色苷得率为指标，采用正交实验研究得到微波辅助提取黑米花色苷的最优组合为：微波作用功率600 W、微波作用时间7.5 min、pH 5、料液比1∶4，此时黑米花色苷的得率为1.28%[17]。以上研究表明微波辅助提取是一种较好的黑米色素提取方法。

1.3 超声辅助提取黑米色素

超声辅助提取黑米色素的工艺流程一般为：黑米→除杂、粉碎→黑米粉末→加入提取剂→超声辅助提取→抽滤→提取液→蒸馏→黑米色素浓缩液→干燥→黑米色素粗品。

超声辅助提取也是一种较好的提取天然活性物质的方法，具有节能、环保、效率高等特点，超声辅助提取技术可用于黑米色素的提取。影响超声辅助提取黑米色素的主要因素有超声波功率、超声提取时间、提取温度、料液比例、溶剂浓度及pH等。陈小全等比较了溶剂法和超声辅助提取黑米色素的区别，结果发现超声辅助提取法具有提取效率高、节能、不影响黑米色素基本性质等特点；超声辅助提取黑米色素的最优组合工艺为：超声提取时间5 min、超声波功率70 W、温度60 ℃、料液比1∶8[18]。孙晓侠等以黑米皮为原料，研究了黑米皮色素的超声辅助提取工艺，确定了黑米皮色素的超声辅助提取工艺条件：80%乙醇(体积分数)、pH值1.5、料液比1∶40、浸提温度50 ℃、超声提取时间60 min、超声波功率128 W[19]。超声辅助提取黑米花色苷工艺方便、快捷，是一种较好的提取黑米黑色素的方法[20]。

1.4 酶法辅助提取黑米色素

酶法辅助提取黑米色素的工艺流程一般为：黑米→除杂、粉碎→黑米粉末→加酶酶解→溶剂提取→抽滤→提取液→蒸馏→黑米色素浓缩液→干燥→黑米色素粗品。

酶法提取的优点是反应条件比较温和。利用生物酶(一般是纤维素酶或复合生物酶)先处理黑米粉末，可以使黑米细胞壁分解，黑米黑色素快速溶出，提高黑米色素的提取率。在黑米粉的酶解处理阶段，酶的种类、酶的用量、酶解温度、酶解时间和酶解的pH值是影响酶法辅助提取黑米色素的重要因素。刘永吉等以黑米皮为原料，研究得出纤维素酶辅助溶剂提取黑米花色苷的最优工艺参数组合为：纤维素酶量2.0%、酶解时间128.8 min、酶解温度38.7 ℃、80%乙醇(体积分数)、料液比1∶10、提取温度50 ℃、提取时间40 min，此时黑米花色苷的提取量为21.9 mg/g[21]。

1.5 超临界CO2萃取法提取黑米色素

超临界CO2萃取法提取黑米色素的工艺流程一般为：黑米→除杂、粉碎→黑米粉末→试样装入萃取斧→超临界CO2萃取→加乙醇收集萃取物→抽滤→提取液→蒸馏→黑米色素浓缩液→干燥→黑米色素粗品。

超临界CO2萃取法提取黑米色素具有产品纯度高、工艺操作简单等优点，但前期投资较大。在超临界CO2萃取工艺过程中,萃取温度、流量、压力、时间是影响超临界CO2萃取法提取黑米色素的主要因素。刘妍研究得出超临界CO2萃取法提取黑米花色苷的最优工艺参数为：萃取温度38 ℃、萃取压力45 MPa、萃取时间3 h、流体流量20 kg/h，在此条件下，黑米花色苷原液含量达到86.8%[22]。

1.6 协同提取工艺提取黑米色素

超声波协同微波技术提取可以缩短提取时间、提高提取率等。影响协同提取工艺提取黑米黑色素的因素有超声功率、超声时间、微波功率、微波时间、溶剂浓度等。刘振春等利用超声波协同微波技术提取黑米原花青素，研究得到超声波协同微波提取黑米原花青素工艺参数为：82%丙酮(体积分数)、超声作用时间54 min、微波作用功率480 W，此时黑米原花青素的提取率为2.411%[23]。

2 黑米色素的主要生物活性功能研究进展

近年来有关黑米色素的主要生物活性功能研究主要是抗氧化活性、清除自由基、降血脂、保肝护肾、防癌、抗癌等生物活性。

2.1 具有抗氧化活性和清除自由基能力

具有抗氧化活性和清除自由基能力的天然活性物质的开发一直是天然产物化学领域的研究热点之一。孙玲等通过体外模拟得到了黑米色素对自由基O2-·有较强的清除能力且浓度越大清除效果越好[24]。张名位、石娟、朱晓莉等通过体内实验研究证实摄入一定量的黑米花色苷可以提高肝脏总抗氧化能力、谷胱甘肽过氧化物酶活力和超氧化物歧化酶活性，并能显著降低丙二醛含量[25-27]。李新华等研究表明黑米黑色素对·OH、DPPH自由基均具有很好的清除作用，同时对O2-·也有一定的清除作用[28]。王巧娥等对纯化后不同部位的黑米花色苷的抗氧化活性进行了比较，研究发现水可溶部分的抗氧化能力最强[29]。Huang等学者也研究认为黑米皮中起抗氧化作用的物质主要是黑米花色苷[30]。这些研究表明黑米色素可以作为理想的天然抗氧化剂来源。

2.2 具有降低血脂能力

近年来高血脂人群越来越多，严重影响了人们的身体健康，急需开发研究出纯天然、无副作用的降血脂物质。许多研究表明黑米色素具有较好的降低血脂的能力，张名位等研究表明摄入一定量黑米花色苷可以显著降低高脂血症大鼠的血脂水平，动脉粥样硬化指数也显著降低。秦玉等发现患者服用黑米花色苷后可以降低总胆固醇、甘油三酯含量，其具有较好的降低血脂能力[31]。刘明达等通过动物实验表明黑米花色苷能显著降低动物血脂，主要血清指标总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白含量下降，高密度脂蛋白含量升高[32]。Jang等研究得出摄入一定量的黑米提取物可以显著降低小鼠血清指标总胆固醇、甘油三酯含量[33]。因此，黑米色素可以作为理想的天然降血脂物质。

2.3 具有保肝护肾功能

有研究报道黑米色素具有保肝护肾功能，例如侯方丽等研究得出摄入一定量的黑米皮花色苷后对因四氯化碳引起的肝损伤有明显的改善作用，这种作用机制可能是黑米黑色素具有较好的抗氧化活性和清除自由基能力[34]。侯召华研究认为黑米花色苷能缓解酒精性肝损伤，其可以显著降低血清中谷氨酰胺转氨酶、丙氨酸转氨酶和γ-谷氨酸转氨酶活性[35]。牛娟娟研究也得到黑米花色苷有一定的护肝功能，其可以显著降低血清中谷氨酰胺转氨酶、丙氨酸转氨酶活性。Jang等研究发现摄入一定量的黑米提取物可以显著降低小鼠脂肪肝变性症状。郝杰研究表明黑米花色苷提取物通过清除氧化自由基，可以对氧化应激性肾毒性和应激性肝毒性发挥一定保护功能[36]。这些研究表明黑米色素还可以用于保肝护肾产品的开发。

2.4 具有其他生物活性作用

黑米色素还可以用于其他医药行业，有研究报道黑米花色苷还具有抗哮喘作用，牛海峰、王天宇等研究得到黑米花色苷可以较好地抑制哮喘小老鼠肺部炎症细胞浸润现象，因此黑米花色苷具有一定的抗哮喘作用[37,38]。此外，还有一些研究报道黑米提取物可以较好地抑制许多种类癌细胞的生长、增殖，具有防癌、抗癌等功能[39,40]。董波等研究认为黑米矢车菊色素对糖尿病也有预防和治疗作用[41]。

3 展望

我国黑米资源丰富，黑米深加工和综合利用具有广阔的前景，而黑米色素具有较好的生理活性功能，是一种理想的天然色素，因此食品工业和医药工业对黑米色素的需求量越来越大。但对黑米色素的研究和应用仍然需要相关科研工作者进一步努力，例如研究开发效果更好的黑米色素提取、分离、纯化技术，通过物理、化学、生物技术等方法提高黑米色素的品质，进一步研究黑米色素的生物活性、构效关系、作用机理，开发研制高品质的黑米色素功能性食品、药品等。