黑玉米粒花青素提取工艺及其生物活性研究进展

王燕 龚琛 明建青

作者简介：王燕（1985—），女，广东清远人，硕士，主管护师。研究方向：天然产物开发与利用。

摘 要：黑玉米粒花青素为黄酮类化合物，其生物活性广泛，有超强的抗氧化、抗癌、降血脂、降血糖、调节胃肠道菌群、减轻心脏毒性等生物活性，在食品、药品和保健品开发方面具有广阔的应用前景。本文对黑玉米粒花青素的提取工艺及其生物活性进行综述，为黑玉米粒花青素的深入研究及黑玉米资源合理开发利用提供参考。

关键词：黑玉米粒；花青素；提取工艺；生物活性；研究进展

Research Progress on Extraction Technology and Biological Activities of Black Corn Kernel Anthocyanins

WANG Yan， GONG Chen， MING Jianqing

（The Sixth Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University， Qingyuan Peoples Hospital， Qingyuan 511518， China）

Abstract： Black corn kernels anthocyanin is a flavonoid compound with a wide range of biological activities， and has strong biological activities such as anti-oxidation， anti-cancer， blood lipid lowering， blood sugar lowering， regulating gastrointestinal flora， and reducing cardiac toxicity. It has a broad application prospect in the development of food， medicine and health care products. This paper reviews the extraction process and biological activity of anthocyanins from black corn kernels， providing a reference for the further study of black corn kernel anthocyanins and the rational exploitation and utilization of black corn resources.

Keywords： black corn kernel; anthocyanin; extraction technology; biological activities; research progress

黑玉米（Zea mays L.）又名黑糯米、紫玉米，由秘魯传入我国，属被子植物门单子叶植物纲的禾本目玉蜀黍属植物[1]。黑玉米号称玉米之王，是玉米的一种特殊类型，因富含大量黑色素而呈现黑色。黑玉米全身都是宝，黑玉米粒、穗轴、须、苞叶、秸秆均能被加工利用[2]。黑玉米籽粒中含有黄酮类、多糖类、多酚类等功能活性成分，具有抗氧化、调节血脂、降血糖、降血压和抗癌等功能[3-4]。

花青素（Anthocyanin）是一种广泛存在于自然界植物中的水溶性天然色素，是植物类黄酮的次生代谢产物[5]，其抗氧化作用是维生素C的30倍、维生素E的50倍，是目前较好的天然抗氧化剂[6]。黑玉米花青素主要聚集于玉米籽粒皮层、茎秆、穗轴、叶片等部位[7]，具有抗氧化性、清除自由基、降血脂以及抑制糖尿病相关的肾小球血管生成[8-11]等功效，在食品工业中的应用备受关注。目前对黑玉米花青素的研究侧重于黑玉米穗轴、茎秆和叶片中花青素的研究，对黑玉米粒花青素的研究较少。本文综述了近年来国内外黑玉米粒花青素的提取工艺及其生物活性的研究进展，以期为黑玉米粒花青素的深入研究及其在功能食品和药品等方面的应用提供参考。

1 黑玉米粒花青素的提取

提取是研究黑玉米粒花青素的关键，不同的提取方法得到的黑玉米粒花青素分子量、结构特征及生物活性都不相同。目前黑玉米粒花青素的提取方法主要有有机溶剂提取法、超声波或微波辅助提取法、超高压提取法、复合方法提取法。

1.1 有机溶剂提取法

花青素因含有极性基团，所以易溶于水、甲醇和乙醇等有机溶剂，酸性溶液可在保存酸性花青素提取物的基础上破坏细胞膜来释放其中的花青素。常用的有机溶剂提取法是通过使用酸-醇混合液进行浸提，将黑玉米粒中的花青素溶解出来。具体提取过程为先将黑玉米粒研磨成粉末状，然后将其与酸液和乙醇溶剂混合，经过浸提、过滤、浓缩等步骤，最终得到黑玉米粒花青素提取物。

由表1可知，采用有机溶剂法提取黑玉米粒花青素，浸提的温度通常在40～70 ℃，料液比（g∶mL）为1∶10～1∶20，浸提时间在60～120 min。在提取过程中，溶剂种类、浸提时间、浓度等因素对提取效果有着一定的影响。采取体积比为1∶1的

0.1 mol·L-1 HCl-95%乙醇溶液进行浸提，最高提取率可达88.02%，提取效果较好。虽然有机溶剂提取效果较好，但其存在溶剂残留等问题，会对环境和人体健康产生一定影响。因此，目前研究人员正在探索新型的绿色提取技术，以减少对环境和人体健康的影响。

1.2 超声波辅助提取法

花青素通常存在于植物细胞的液泡内，包裹在细胞壁和细胞膜上。研究表明超声波空化可产生巨大的压力，并产生部分高温以增加细胞壁的通透性，细胞内的有效成分迅速释放并溶解于溶剂，可提高提取效率，缩短提取时间，节省成本。由表2可知，采用超声辅助法提取黑玉米粒花青素，超声温度通常在40 ℃，料液比（g∶mL）为1∶4～1∶8，超声时间在35～65 min，超声功率为400 W，提取率最高可达94.82%。虽然超声辅助提取黑玉米粒花青素的提取率高，但是提取次数高达110次，工艺耗时耗力，难以推广应用。因此还需要对超声辅助提取工艺进行研究，在保证黑玉米粒花青素得率的前提下降低超声提取次数，优化提取工艺。

1.3 微波辅助提取法

常规加热是一种由表及里的热传导方式，但是微波加热可以渗透提取溶剂及材料，使整个体系快速升温并均匀受热，其提取速率显著大于常规加热方式。微波辅助提取法克服了传统方法效率低、植物组织受热不均匀、提取率低等弊端，被广泛用于植物活性成分的提取及食品工业加工等领域。近年来，国内有关微波辅助提取黑玉米粒花青素的研究相对较少，陈雪等[5]采用微波辅助法提取黑玉米粒花青素，微波时间1.5 min，微波功率为700 W，酸醇体积比1∶2时，提取的黑玉米粒花青素溶液吸光度为1.072。目前关于微波辅助法提取黑玉米粒花青素的研究较少，提取率不高，提取工艺尚不成熟，需进一步加强微波辅助法提取黑玉米粒花青素的工艺研究。

1.4 超高压提取法

超高压（Ultra High Pressure，UHP）全称为超高冷等静压技术。超高压提取技术是用100～1 000 MPa的流体静压力作用于料液，并在预定压力下保持一定时间，打破氢键、疏水键、离子键和细胞壁，使胞内有效成分溶出从而达到萃取的目的。超高压非热传导操作方便，能维持有效成分的稳定性和密闭性，可以提高植物花青素的提取效率。相关学者利用超高压法从紫玉米籽粒中提取花青素，在单因素试验的基础上，利用响应面试验优化紫玉米花青素提取工艺，确定了最优工艺条件为超高压力270 MPa、料液比（g∶mL）1∶35和保压时间2 min，在此条件下籽粒总花青素含量为（552.381±9.12）mg/100 g·DW。目前关于超高压提取法提取黑玉米粒花青素的研究较少，且提取率相对不高，工艺尚不成熟，需要对其提取工艺进一步优化[16]。

1.5 复合方法提取法

研究表明，复合提取法较单一提取法更加有利于植物活性成分的溶出，会明显提高提取效率，被广泛用于植物活性成分的提取。闫家荫[17]以黑玉米鲜籽粒为试验材料，采用水提法结合超声辅助酶法，利用响应面试验优化了黑玉米粒中花青素提取技术，得出了提取的最佳参数为超声时间90 min、提取温度40 °C、料液比（g∶mL）1∶10和纤维素酶浓度52%，在该条件下黑玉米粒花青素的提取率为

6.275 2 mg·g-1。赵芳芳[18]以晋黑糯玉米粒为研究对象，采用响应面试验优化超声波辅助酶法提取花青素的工艺条件，结果表明在超声温度41 ℃、超声时间20 min、功率302 W及酶添加量32 mg·g-1的最优提取条件下，花青素含量可达到0.929 mg·g-1。目前国内有关黑玉米粒花青素复合法提取工艺的研究较少，且提取率不高，亟待加强该方面工艺的研究。

2 黑玉米粒花青素的生物活性

植物花青素具有抗氧化抗炎[19]、抑菌[20]、抗癌[21]、保护肝脏[22]以及改善糖尿病[23]等作用。而黑玉米粒花青素是一种黄酮类花青素，也具有许多有益的生物功能和医疗应用价值。

2.1 抗氧化

通过清除自由基或者抑制其产生可以预防或治疗疾病，因此清除或者抑制体内自由基也被称为抗氧化。越来越多的研究表明，多种植物花青素具有抗氧化能力[24-26]。黑玉米粒花青素也具有极强的抗氧化能力。HU等[27]研究发现黑玉米籽粒花青素在不同时期中具有不同的抗氧化能力。徐亚民等[28]研究发现黑玉米粒花青素浓度在1 mg·mL-1时，DPPH（1，1-二苯基-2-苦肼基）自由基的清除率为95.61%，超氧阴离子自由基的清除率为77.45%，具有较强的体外抗氧化能力。LI等[29]给蛋鸡喂食添加富含花青素的黑玉米粒提取物，发现可提高蛋鸡血浆抗氧化潜能，有利于产蛋，并改善鸡蛋中的氨基酸和脂肪酸。由此可见，黑玉米粒花青素无论体外还是体内均具有良好的抗氧化活性，但对其抗氧化相关机制的深入研究相对缺乏，是今后研究的方向。

2.2 抗癌

随着癌症发生率和死亡率的逐年上升，多种植物花青素因具有预防癌症作用而备受关注[30-32]。研究发现，黑玉米粒花青素不但可抑制直肠腺瘤和结直肠癌的发生率，还可抑制乳腺癌大鼠的乳腺肿瘤细胞活力诱导其凋亡，具有显著的抗癌作用[33-34]。LONG等[35]对36只雄性前列腺癌转基因大鼠喂食紫玉米花青素饲料8周后，发现可显著降低前列腺外侧腺癌的发生率，对前列腺癌具有化学预防作用。由此可见，黑玉米粒花青素具有良好的抗癌效果，对以后功能性食品的開发有指导意义。

2.3 降脂

研究发现富含花青素的黑玉米粒可提高动物的抗氧化能力，促进了肝脏β的氧化，减少了动物的脂肪生成从而达到降脂作用[8]。WU等[36]研究发现黑玉米粒花青素可有效增加肥胖小鼠粪便丁酸水平，提高肝脏超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性，降低脂质过氧化，下调肿瘤坏死因子（TNF-α）、白介素6、一氧化氮合酶（iNOS）和核因子κB（Nuclear Factor kappa-B，NF-κB）的基因表达水平，通过减轻氧化应激和炎症来改善饮食导致的肥胖。以上研究说明黑玉米粒花青素具有良好的降脂作用，适合肥胖人群食用，研究有现实指导意义。

2.4 抗糖尿病及其相关并发症

糖尿病（Diabetes Mellitus，DM）是一种以血糖高为特点的代谢性疾病，在全球范围内广泛流行[37]。饮食治疗已经成为治疗糖尿病的新策略。研究发现，多种植物花青素如黑米花青素[38]、葡萄籽花青素[39]、蓝莓花青素[40]以及黑玉米粒花青素等均具有良好的降糖作用。KANG等[41]发现富含花青素的紫玉米提取物可通过干扰系膜细胞IL-8-Tyk-STAT信号通路而拮抗巨噬细胞在糖尿病肾脏中的渗透和积聚，从而治疗糖尿病相关肾小球硬化。LI等[42]发现黑玉米粒花青素可抑制高糖促进的系膜细胞增殖和基质堆积，抑制高糖诱导的系膜纤维化和炎症，发挥肾保护作用。LI等[43]发现黑玉米粒花青素通过抑制转化生长因子-β信号转导，减少肾小球胶原纤维堆积和结缔组织生长因子的表达，抑制肾小球毛细血管壁滤过屏障功能的关键蛋白neparin和podocin的蛋白表达，治疗糖尿病肾小球硬化伴蛋白尿和肾滤过功能障碍，来延缓糖尿病相关肾小球硬化。HONG等[44]发现紫玉米花青素具有抗糖尿病和β细胞的保护作用。以上研究结果表明黑玉米粒花青素具有降血糖和改善糖尿病肾病相关并发症的作用，适合糖尿病患者食用。目前对糖尿病并发症的研究多集中于糖尿病肾病方面，对糖尿病其他并发症相关的研究较少，今后可对黑玉米粒花青素在糖尿病其他并发症方面的作用进行研究，为黑玉米粒的深度开发提供依据。

2.5 其他作用

AGRIZZI等[45]研究发现紫玉米粒花青素可通过维持肠道绒毛高度、Paneth细胞数量和杯状细胞直径，改善盲腸微生物群的变化来维持肠道形态和功能。VEREDIANO等[46]发现紫玉米粒花青素可预防高脂肪饮食引起的肠道生态失调。BHASWANT等[47]发现紫玉米粒花青素可通过预防炎症损伤减轻或逆转代谢症候群的生物活性分子，减轻饮食诱导的代谢综合征。PETRONI等[48]研究发现给小鼠注射阿霉素诱导心脏毒性后，喂食紫玉米花青素可减轻小鼠的心脏毒性。TIAN等[49]发现紫玉米花青素可通过降低血脂参数和调节山羊几种风味相关基因的丰度来改善羊肉风味。由此可见，黑玉米粒花青素不但具有调节肠道菌群、心脏保护作用，喂食山羊还能改善山羊肉质，可应用于畜牧业、食品、保健品等行业，具有巨大的开发价值，值得深入研究。

3 结语

近年来，黑玉米粒花青素因具有多种生物活性受到广泛关注。我国黑玉米资源丰富，黑玉米粒花青素在功能食品和医药产业中具有较好的应用前景。目前对黑玉米粒花青素的研究取得了一些进展，但仍存在一些问题。①黑玉米粒花青素的提取工艺研究较少，提取率差异较大，提取方法中只有有机溶剂提取法和超声波辅助提取法提取的花青素得率较高，其余方法得率都偏低，但是超声波辅助提取黑玉米粒花青素工艺中超声提取次数多达110次，耗时耗力，难以推广应用。而微波辅助提取法、超高压提取法和复合方法提取法提取的花青素得率都极低，相关研究也偏少，因此急需将一些新颖的、现代化的天然产物功能成分提取技术引入黑玉米粒花青素的提取工艺中，优化、创新黑玉米粒花青素的提取工艺，以提高产量和效率。②目前对黑玉米粒花青素生物活性的研究多数是利用富含花青素的黑玉米全粉来进行体内实验，由于全粉不但包含花青素、还包含多糖、多酚等生物活性物质，所以在今后对黑玉米粒花青素的生物活性研究中，应先对花青素进行纯化后再进行体内实验，以提高体内实验的科学性和说服力。③应整合资源，加大对黑玉米粒花青素其他生物活性的研究，使黑玉米粒花青素在促进人类健康中发挥积极的作用。

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