紫甘薯色素抗菌與抗氧化作用研究進(jìn)展

胡林子，馬永全，于 新，*

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧沈陽110161；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東廣州510225）

紫甘薯色素抗菌與抗氧化作用研究進(jìn)展

胡林子1，2，馬永全2，于 新2，*

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧沈陽110161；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東廣州510225）

主要就紫甘薯色素的抗菌與抗氧化活性研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，涵蓋紫甘薯色素的成分與特性、提取與純化方法、抗菌與抗氧化機理及研究現(xiàn)狀，以期為紫甘薯的綜合利用拓展方向。

紫甘薯，色素，抗氧化，抑菌

從十九世紀(jì)中期第一種人工合成有機色素問世以來，合成色素被大量應(yīng)用于食品工業(yè)中。然而，隨著這些應(yīng)用的普及，人們開始逐漸認(rèn)識到部分合成色素具有潛在的致畸、致癌及其他毒副作用，合成色素的安全性日趨受到質(zhì)疑［1］。天然色素愈來愈受到人們重視，國外不少企業(yè)已自覺傾向于使用天然色素，因此，開發(fā)安全可靠、穩(wěn)定高效的天然色素已顯得十分迫切和尤為重要。紫甘薯系旋花科番薯屬植物，其皮、肉呈紫紅色，是甘薯中的特有品種，除富含淀粉、蛋白質(zhì)、鋅、硒和維生素C等外，花色苷類色素含量豐富。紫甘薯色素是從紫甘薯的塊根和莖葉中浸提出來的一種紅色素，屬于?；幕ㄇ嗨仡悾ㄅc糖結(jié)合稱為花色苷）色素［2］，其色澤鮮亮自然，無毒，無特殊氣味，對光熱較穩(wěn)定，且具有抗氧化、抗突變、保護(hù)肝臟、預(yù)防心血管疾病等藥理和保健功能，是一種理想的天然食用色素資源［3-5］。目前，國內(nèi)外對紫甘薯的研究與開發(fā)已取得顯著成就，本文主要就紫甘薯色素的抗菌與抗氧化活性研究進(jìn)展進(jìn)行了綜合論述，旨在為紫甘薯的綜合利用提供參考。

1 紫甘薯色素的化學(xué)成分與特性

紫甘薯塊根中花青素的成分比較復(fù)雜，主要的花色苷為芳香簇有機酸?；幕ㄉ眨?］。以C6-C3-C6為基本骨架，具有類黃酮的典型結(jié)構(gòu)，其主要花色苷元為矢車菊素和芍藥素［7-8］，而且主要為單?；螂p?；ㄇ嗨兀?］，其中芍藥素是矢車菊素的甲基化衍生物。紫甘薯色素在紫甘薯細(xì)胞中以與糖縮合成糖苷的形式存在于液泡中。主要呈色成分為花青素類的氰錠?；咸擒占凹谆ㄇ嗨仵；咸擒眨?0］。紫甘薯中形成花色苷的糖苷主要是葡萄糖苷、槐糖苷和蕓香苷，主要酰基是咖啡酸和阿魏酸［6］。

紫甘薯色素為水溶性花色苷類色素［11］，易溶于水、甲醇、乙醇等，不溶于丙酮、乙酸乙酯、乙醚和石油醚；在pH3.0以下，為鮮艷的深紅色，隨著pH的升高，溶液顏色漸漸由淺紅向紫紅、紫色、紫藍(lán)色、藍(lán)色過渡。但只要維持在酸性條件下就可以得到較為理想的鮮艷紅色［12-13］。紫甘薯色素對光、熱、氧化劑、金屬離子的穩(wěn)定性較強［14-15］，但常見金屬離子中的Fe3+和Fe2+會引起紫甘薯色素的較大損失［16］。紫甘薯色素具有提高視覺靈敏性，抑制脂質(zhì)過氧化，防止血小板聚集，維持血管正常的通透性，預(yù)防糖尿病以及抗腫瘤、抗突變和抗輻射等多種生理功能，是理想的食用天然色素。

2 提取與純化

2.1 提取

紫甘薯紅色素的提取主要有溶劑法和發(fā)酵法。由于其在中性或弱堿性溶液中不易被提取且不太穩(wěn)定，目前多采用酸性溶劑提取法，酸性溶劑可破壞紫甘薯細(xì)胞膜，溶解水溶性的紫甘薯紅色素［3］。常見的提取劑有醋酸、鹽酸、硫酸、甲酸、檸檬酸、乙醇等［17-18］。

許正虹等［19］利用微波法從紫甘薯粉中萃取色素，通過響應(yīng)面法確定最佳萃取工藝參數(shù)為：微波輻射功率700W（溫度70℃），輻射時間6.37min，液固比15∶1，濃度為0.3%的鹽酸水溶液提取，總花色苷含量為71.25mg/100g。

李新華等［20］采用溶劑浸提法、超聲波萃取法和微波萃取法提取紫甘薯紅色素并進(jìn)行了效果比較。結(jié)果表明：溶劑浸提法雖提取率較高，但提取時間較長；超聲波萃取法的提取率較低，且需要多次提??；微波萃取法具有短時高效的特點，在1.0%的檸檬酸水溶液，料液比1∶40，微波輻射功率700W，輻射時間45s的條件下，提取3次，提取量可達(dá)到9.469mg/g。韓永斌［6］選用酶法預(yù)處理-酵母菌發(fā)酵法提取紫甘薯花色苷。研究顯示，果膠酶處理可顯著提高花色苷的提取率。適宜的酶解條件為溫度35℃，pH4.0時，果膠酶添加量為80U/mL，酶解時間120min，花色苷含量達(dá)到105μg/mL，是未添加果膠酶的2.3倍。α-淀粉酶處理的適宜條件為：起始pH5.5、加酶量200U/mL、60℃水浴下保溫60min。糖化酶的適宜處理條件為：起始pH4.5、糖化酶添加量200U/mL、60℃水浴下保溫2h，淀粉基本降解為還原糖，花色苷損失最少。采用響應(yīng)面法優(yōu)化的酵母發(fā)酵條件：酵母接種量為10%、溫度27℃，初始pH為3.0時，經(jīng)過72h發(fā)酵，花色苷產(chǎn)量達(dá)到66.6μg/mL。與傳統(tǒng)鹽酸化乙醇提取法相比，紫甘薯花色苷含量減少了14.39%，但色價增加了49u。

2.2 純化紫甘薯紅色素提取物中的雜質(zhì)，諸如糖類、淀粉、蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)等含量較高，多呈浸膏狀，難成粉末，保質(zhì)期短，未去除雜質(zhì)的浸膏狀甘薯紅色素的色價也較低［3］。為提高產(chǎn)品的色價和純度，擴大其應(yīng)用范圍，必須對其粗提液進(jìn)行純化。目前純化主要有以下幾種方法［9，21］：

2.2.1 樹脂法 將色素粗提取液經(jīng)陽離子交換樹脂處理去雜，以鹽酸酸化乙醇為洗脫液交換洗脫，最后通過濃縮干燥制得色素純品，得率高達(dá)89.4%。

2.2.2 超濾法（膜分離法） 用檸檬酸進(jìn)行粗提后，通過樹脂進(jìn)行純化，用乙醇洗脫，蒸餾出乙醇后的色素液再經(jīng)超濾膜處理，以除去蛋白質(zhì)、淀粉等雜質(zhì)，隨后用反滲透膜濃縮得純化的紅色素。綜合前人的研究成果分析得，膜過濾效果不盡理想，雜質(zhì)去除率不算太高，而花青素的截流率太高，會造成花青素大量的損失。

2.2.3 醋酸鉛沉淀法 因使用大量的醋酸鉛，不適合用于食品和藥品級花青素提取。

2.2.4 分級醇沉法 多次反復(fù)調(diào)整乙醇濃度，使大分子物質(zhì)如多糖、淀粉和蛋白等沉淀、過濾，從而得較純的紫甘薯花青素溶液。但分級醇沉法的過程較繁瑣，消耗乙醇量大，并會伴有吸附和包夾，致使色素有不同程度的損失。

3 抗菌活性

3.1 抗菌機理

通過對紫甘薯花青素化學(xué)結(jié)構(gòu)分析可知，紫甘薯花青素屬類黃酮類化合物，其分子結(jié)構(gòu)上有較多的酚羥基，這些官能團與蛋白質(zhì)或酶通過氫鍵方式結(jié)合，破壞蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)而變性或失去活性，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)的固縮和解體［22］。

韓永斌等［23］研究紫甘薯花色苷對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌機制顯示，從菌體蛋白SDSPAGE電泳分析可以看出，花色苷對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的蛋白表達(dá)未見有明顯影響，沒有特征性條帶的消失，僅對部分蛋白質(zhì)的合成量有影響，表明花色苷可以抑制菌體細(xì)胞內(nèi)某些蛋白質(zhì)的合成。從生長曲線和透射電鏡觀察得出，經(jīng)紫甘薯花色苷作用4h后的實驗組可以明顯地看到菌體變形，細(xì)胞質(zhì)稀釋，出現(xiàn)明顯的質(zhì)壁分離。隨花色苷作用時間延長，細(xì)胞質(zhì)解體，形成小空泡，并連接成大空泡，成為空腔，細(xì)胞死亡。表明紫甘薯花色苷的抑菌作用可能是通過增強細(xì)胞膜的通透性，使細(xì)胞異常生長，抑制對數(shù)生長期的細(xì)胞分裂，使細(xì)胞質(zhì)稀薄、解體，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

王關(guān)林等［24］以大腸桿菌為供試菌，研究了紫甘薯花青素的抑菌作用機理。透射電鏡觀察到，紫甘薯花青素作用后，大腸桿菌菌體出現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)壁分離，細(xì)胞質(zhì)固縮并解體成空泡、細(xì)胞致死。表明紫甘薯花青素與蛋白質(zhì)結(jié)合反應(yīng)。SDS-PAGE分析顯示，紫甘薯花青素作用菌體后，大分子量蛋白譜帶的量明顯減少，直至消失，進(jìn)一步表明這些蛋白質(zhì)主要是大分子蛋白。菌株的生長曲線分析中觀察到紫甘薯花青素作用主要發(fā)生在對數(shù)生長期，即細(xì)胞分裂增殖期。因此推測這些蛋白或酶很可能與細(xì)胞分裂有關(guān)。

3.2 抗菌作用研究進(jìn)展

現(xiàn)今對紫甘薯紅色素的抑菌活性的研究仍以體外實驗為主。利用紫甘薯紅色素體外抑菌性能，可以考慮將其作為新型防腐劑應(yīng)用于食品行業(yè)或用于新藥的研發(fā)。

岳靜等［25］通過紫甘薯紅色素對金黃色葡萄球菌和大腸埃希氏菌的抑制實驗，對紫甘薯紅色素的體外抑菌性能進(jìn)行了初探，結(jié)果顯示，5mg/mL的紫甘薯紅色素溶液對金黃色葡萄球菌的抑菌圈為14.6mm，對大腸埃希氏菌的抑菌圈為11.9mm，并且隨著藥劑濃度的增大，抑菌效果更明顯。

韓永斌等［23，26］研究了紫甘薯花色苷色素抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、啤酒酵母和黑曲霉的作用。結(jié)果表明：紫甘薯花色苷色素對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最低抑制濃度分別為800μg/mL和200μg/mL，并且其抑菌效果與濃度呈正相關(guān)，而對啤酒酵母和黑曲霉無抑制作用。

王關(guān)林等［24］對紫甘薯花青素的抑菌活性證實紫甘薯花青素對金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌和大腸桿菌有不同程度的抑制作用，并且隨著濃度的增加抑菌圈明顯變大。其中金黃色葡萄球菌對紫甘薯花青素的敏感性最強，濃度為0.625mg/mL時抑菌圈仍很大，而相同濃度的紫甘薯花青素對綠膿桿菌沒有明顯抑菌圈。通過液體倍比稀釋法測得對金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌和大腸桿菌，紫甘薯花青素的MIC（mg/mL）分別為0.186、1.25和1.25，MBC（mg/mL）分別是0.373、1.25和1.25。

4 抗氧化活性

現(xiàn)代研究證明，抗氧化活性是花青素類色素的一項顯著的生理功能［27］，花青素同時也是一種較好的氧自由基清除劑。其抗氧化作用是VE的50倍，是VC的20倍。而且，它還具有其他抗氧化劑所不可比擬的體內(nèi)活性，是社會公認(rèn)的抗衰老營養(yǎng)補充食品［28］。

4.1 抗氧化機理

花色苷抗氧化的主要活性基團是分子中的酚羥基［29］，而紫甘薯紅色素的主要化學(xué)組分為帶有?；氖杠嚲哲蘸蜕炙庈眨浣Y(jié)構(gòu)中有多個酚羥基，是羥基供體，同時也是一種自由基清除劑。因而紫甘薯紅色素不僅能和蛋白質(zhì)結(jié)合防止過氧化，而且還能提供質(zhì)子，有效清除脂類自由基，切斷脂類氧化的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，起到防止脂質(zhì)過氧化的作用［3，30-31］。

4.2 抗氧化作用研究進(jìn)展

4.2.1 體外抗氧化作用 迄今為止，國內(nèi)外眾多學(xué)者對紫甘薯花色苷進(jìn)行了體外抗氧化活性的研究，發(fā)現(xiàn)紫甘薯花色苷在體外活性氧模型中表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)倪€原力和清除羥自由基的能力，并且隨著濃度的增加而增強［3，31］。

姚鈺蓉［8］分別采用·OH、O2-·和DPPH·三種抗氧化模型，驗證了紫甘薯花青素的抗氧化活性，紫甘薯花青素在各個抗氧化體系中表現(xiàn)出一定的清除自由基能力。相同濃度下，紫甘薯花青素粗品和純品對·OH、O2-·和DPPH·的清除能力均存在一定差異，但都隨濃度的增大而增強。當(dāng)花青素純品濃度達(dá)到5mg/mL時，與抗壞血酸相比，對·OH、O2-·和DPPH·清除率分別為100%、75%、99%。

呂曉玲等［31］采用熒光化學(xué)發(fā)光法研究了紫甘薯花色苷對活性氧（O2-·、·OH和H2O2）的清除作用。結(jié)果表明，在低濃度時，紫甘薯花色苷就能顯著地清除O2-·；濃度為1.5mg/mL時，清除率達(dá)到76.3%；濃度為3mg/mL時，清除率為82.5%。但同濃度的紫甘薯花色苷清除效果略低于抗壞血酸。且對·OH也具有較強的清除能力，清除率隨濃度的增大而增強。對H2O2的清除效果，濃度＜0.25mg/mL時，與抗壞血酸相當(dāng)，濃度 ＞0.25mg/mL時，則低于抗壞血酸。

Choong C Teow等［32］運用ORAC（氧化自由基吸收能力），ABTS［2，2′-邊氮基-雙（3-乙基苯并噻吡咯啉-6-磺酸）］和DPPH等方法測定紫甘薯的抗氧化性，研究表明甘薯的紫色越深，含有的色素越多，則抗氧化性越強。

朱紅梅等［33］測定了紫甘薯總花色苷在 O-2·、DPPH·和亞油酸體系的還原力和抗氧化活性。研究顯示，在質(zhì)量濃度均為0.5g/L時，花色苷、L-AA和BHT的還原力分別為0.572、0.460和0.121，花色苷清除DPPH·自由基的半數(shù)抑制濃度（IC50）和清除的IC50分別為6.94、3.68mg/L。此外，紫甘薯花色苷能較好地抑制脂質(zhì)過氧化。

王霞等［34］研究了紫甘薯花色苷（APSP）中兩種主要成分組分Ⅰ（矢車菊素-3-槐糖苷-5-葡糖苷）和Ⅱ（芍藥素-3-槐糖苷-5-葡糖苷）的抗氧化活性，采用魯米諾化學(xué)發(fā)光法測定其清除O2-·、·OH和H2O2的能力。結(jié)果表明，紫甘薯花色苷組分Ⅰ和Ⅱ均具有較強的清除O2-·、·OH和H2O2的能力。

4.1.2 體內(nèi)抗氧化作用 Suda等［35］對紫甘薯中?；ㄇ嗨厣炙幧?3-咖啡酰槐糖苷-5-葡糖苷在小鼠體內(nèi)的吸收利用進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，在小鼠血漿中直接檢測到芍藥色素-3-咖啡?；碧擒?5-葡糖苷。按38.9μmol/kg體重的紫甘薯花青素給小鼠灌胃，30min后血漿中的抗氧化劑水平由58.0± 12.0mol/L增至 89.2±6.8mol/L，抗氧化能力顯著提高。

Cho J等［36］對紫甘薯花色苷（SPA）和蘑菇提取物（CME）對脂質(zhì)過氧化反應(yīng)、DPPH·和認(rèn)知缺陷的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明SPA和CME具有相似的DPPH·清除能力。但只有SPA可對老鼠大腦勻漿中脂質(zhì)過氧化有效地抑制，而且通過對乙醇處理過的老鼠被動性能測試得出SPA能明顯地提高認(rèn)知水平。

王杉等［37］研究證實，紫薯色素能顯著改善老齡小鼠血清總抗氧化能力（T-AOC），且低劑量紫薯色素（100mg/kg bw）的改善效果隨給藥時間的增加而加強；紫薯色素可顯著抑制老齡小鼠血清中MDA（丙二醛）的生成和提高血清中SOD（超氧化物歧化酶）和全血GSH-Px（谷胱甘肽過氧化物酶）的活性。

5 展望

目前，國內(nèi)外已開發(fā)出大量植物基源天然色素，其中烏飯樹果色素、藍(lán)錠果色素、葡萄皮色素，已廣泛應(yīng)用到食品工業(yè)中，而紫甘薯色素尚未得到廣泛應(yīng)用。紫甘薯具有生物產(chǎn)量高，穩(wěn)產(chǎn)性好，營養(yǎng)價值高，且抗旱、耐瘠，污染少，是無公害的綠色產(chǎn)品。近年來，花色苷的生理功能得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并且已取得了大量研究成果。主要集中在抗氧化、消除自由基功能、改善血清以及肝臟中脂肪含量作用、抗變異作用、防止生物體內(nèi)過氧化作用、抗菌作用以及其它的生理功能［38］，因而在食品添加劑、保健品和醫(yī)藥工業(yè)方面有廣闊的應(yīng)用前景。紫甘薯中的花色素具有原料來源廣、色素產(chǎn)量高、提取成本低等優(yōu)勢，以紫甘薯生產(chǎn)的天然食用色素安全、無毒、無異味、色彩鮮艷，且具有一定的營養(yǎng)和藥理作用，在食品、飲料、化妝品、醫(yī)藥等方面有著較大的應(yīng)用潛力。因此，有必要大力加快紫甘薯色素生化活性的研究，以實現(xiàn)紫甘薯資源的產(chǎn)業(yè)化綜合利用。

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Research development of antioxidant and antimicrobial effect of purple sweet potato pigment

HU Lin-zi1，2，MA Yong-quan2，YU Xin2，*
（1.College of Food Science，Shenyang Agricultural Unversity，Shenyang 110161，China；2.College of Light Industry and Food Science，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China）

The research progress in antioxidant and antimicrobial activity of purple sweet potato pigment was synthetically discussed，including composition and properties of the pigment，the extraction and purification methods，the antioxidant and antimicrobial mechanism and research status.The purpose was to promote the development of comprehensive utilization of purple sweet potato.

lpomoea batatas L.cv.；pigment；antioxidant；antimicrobial

TS201.1

A

1002-0306（2011）02-0389-04

2010-02-22 *通訊聯(lián)系人

胡林子（1985-）女，碩士研究生，研究方向：糧食、油脂及植物蛋白質(zhì)工程。