彩色薯類花色苷功能研究及開發(fā)利用

肖繼坪，王瓊，白磊，郭華春

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)薯類作物研究所，云南昆明650201）

彩色薯類花色苷功能研究及開發(fā)利用

肖繼坪，王瓊，白磊，郭華春*

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)薯類作物研究所，云南昆明650201）

概述了近幾年研究比較多的彩色馬鈴薯、紫甘薯和紫山藥等彩色薯類的花色苷生物活性功能和開發(fā)利用的最新研究狀況，闡明了彩色薯類作為功能性食品的巨大潛力，為薯類作物的合理開發(fā)與高效利用提供一定的理論參考。

彩色馬鈴薯；紫甘薯；紫山藥；花色苷；功能；利用

薯類作物（root and tuber crops）是指地下的根或莖顯著膨大，且貯藏有豐富的碳水化合物（主要是淀粉）、通過人工選擇馴化栽培的植物群的總稱。薯類作物主要有馬鈴薯、甘薯、薯蕷（山藥）、木薯、魔芋等［1］。隨著近幾年人們對彩色食品的偏愛，世界的研究熱點也逐漸轉(zhuǎn)向紅色、藍(lán)色、紫色等薯皮或薯肉的薯類作物，如彩色馬鈴薯、紫甘薯、紫山藥等。

彩色薯類之所以呈現(xiàn)出鮮艷的色彩是因為花色苷在塊莖、塊根表皮、肉中積累所致?；ㄉ帐亲匀唤缫活悘V泛存在于植物中的水溶性天然色素［2］，屬于黃酮多酚類化合物，由花色素和糖以糖苷鍵結(jié)合而成，是一類具有保健功能的活性成分［3］，它具有抗氧化［4-6］、清除自由基［7-8］、預(yù)防心血管疾病、降血脂、保肝［9-10］、抗炎癥［11］、防癌抗癌的保健功能［12-13］?；ㄉ毡憩F(xiàn)出的這種多重疾病預(yù)防和健康促進功效引起了人們的廣泛關(guān)注，使得彩色薯類具有更高的營養(yǎng)和經(jīng)濟價值，在食品、化妝品、保健品等許多新領(lǐng)域得到開發(fā)利用。本文將對近幾年研究比較多的彩色馬鈴薯、紫甘薯和紫山藥等彩色薯類的花色苷生物活性功能和開發(fā)利用做一概述。

1　彩色馬鈴薯

1.1彩色馬鈴薯花色苷生物活性功能

1）抗氧化活性

Brown等的研究結(jié)果表明紅肉和紫肉馬鈴薯的氧自由基清除能力（ORAC）和血漿鐵離子還原能力（FRAP）比白肉和黃肉馬鈴薯高2～3倍［14-15］。Han等用5%醋酸提取淺紫色的Kitamurasaki（KM）和黑紫色的Hokkai no.92（H92）這兩個彩色馬鈴薯品種中的花色苷，用HP-20樹脂純化，收集的粗提液經(jīng)濃縮，冷凍干燥成粉。體外實驗結(jié)果表明黑紫色馬鈴薯品種H92花色苷凍干粉的DPPH自由基清除能力要比淺紫色馬鈴薯品種KM強，小鼠體內(nèi)實驗結(jié)果也表明兩種著色程度不同的紫色蒸馬鈴薯薄片的抗氧化能力均高于對照。兩種紫色馬鈴薯花色苷混合物主要成分經(jīng)分析型HPLC-MS、制備型HPLC、核磁共振確定均為矮牽牛色素3-［6-O-（4-O-E-p-香豆酰-O-α-吡喃鼠李糖苷）-β-D-吡喃葡萄糖苷］-5-O-β-D-吡喃葡萄糖苷［4］。Lachman等對捷克和瑞士的15個紅、紫色馬鈴薯品種的總花色苷和水解后的花色素含量及它們的抗氧化性（ABTS，F(xiàn)RAP，DPPH）進行了測定，結(jié)果表明總花色苷和水解后的花色素含量與抗氧化性高度正相關(guān)。15個彩色馬鈴薯的總花色苷含量在0.7 mg/100 g～74.3 mg/100 g FW之間，且各個品種富含的花色素種類有很大差異，它們的抗氧能力也各不相同，因此，彩色馬鈴薯是一種人類飲食中潛在的優(yōu)異抗氧劑素材［6］。

2）抗炎癥活性

Kaspar等通過讓18歲～40歲的健康男性分組每天食用150 g簡單烹飪過的白、黃、紫馬鈴薯6周，檢測各組人員血液中的總花色苷含量、8-羥化脫氧鳥苷（8-OHdG）引起的DNA損傷、蛋白氧化、脂質(zhì)過氧化、C反應(yīng)蛋白（CRP）、炎性細(xì)胞因子等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)食用黃馬鈴薯組人員血液中的酚類物質(zhì)和類胡蘿卜素含量比白馬鈴薯組的高，紫馬鈴薯組人員血液中的酚類物質(zhì)和總花色苷含量最高；食用黃、紫馬鈴薯組人員血漿中的8-OHdG濃度和白介素-6水平比較白馬鈴薯組的低，紫馬鈴薯組人員血漿中的CRP濃度比白馬鈴薯組的低，因此，該結(jié)果說明成人食用紫馬鈴薯可以減少炎性反應(yīng)和DNA的損傷［11］。

3）抗癌作用

目前的研究表明彩色馬鈴薯能防治至少4種癌癥，但是防癌機理還不明確。首先，謝慶華等從彩色馬鈴薯薯片加工過程中產(chǎn)生的薯皮及薯漂洗色液中提取花色苷粗提物，該粗提物對人紅細(xì)胞白血病細(xì)胞株K562具有明顯的抑制作用，而對低分化人胃腺癌細(xì)胞株BGC-823的生長卻無抑制作用，這說明彩色馬鈴薯花色苷可以用來開發(fā)天然的新型抗白血病藥劑［16］。其次，2006年Hayashi等又用同種方法獲得紅色品種Inca Red和紫色品種Inca Purple的花色苷混合物，這2個品種的花色苷混合物均可以引起人類胃癌KATO III細(xì)胞的凋亡和DNA的損害；他們再分別用這兩個品種的花色苷混合物和蒸馬鈴薯喂養(yǎng)得了胃癌的小鼠，發(fā)現(xiàn)Inca Red和Inca Purple的花色苷混合物對小鼠胃癌生長的抑制率分別為46.2%和38.5%，而蒸馬鈴薯的抑制率分別為47.6%和38.1%。因此，Hayashi等認(rèn)為人類可以通過食用大量的新鮮彩色馬鈴薯來預(yù)防和輔助治療胃癌［3］。再次，馬鈴薯花色苷能抑制前列腺癌細(xì)胞的增殖［13］，在乳腺癌的防治中也能發(fā)揮一定的功效［17］。

4）改善結(jié)腸內(nèi)環(huán)境

彩色馬鈴薯花色苷可能對維持良好的結(jié)腸內(nèi)環(huán)境有益處。Han等的研究發(fā)現(xiàn)紅肉馬鈴薯能顯著提高盲腸中乳酸菌的含量和次級膽汁酸排泄物，而紫肉馬鈴薯能明顯提高大鼠糞便中總膽汁酸排泄物和次級膽汁酸排泄物含量［18］，而膽汁酸是癌誘變劑的前體之一，在腸內(nèi)細(xì)菌的作用下還可能轉(zhuǎn)變成致癌或促癌物質(zhì)［19］，因此，彩色馬鈴薯花色苷能有效改善結(jié)腸內(nèi)環(huán)境，預(yù)防癌癥發(fā)生。

5）抗病毒活性

Hayashi等用3%的三氟乙酸（TFA）水溶液和70%乙醇提取紅皮紅肉品種Inca Red的花色苷，XAD-7樹脂純化得到花色苷混合物，并用制備型HPLC獲得了主要的花色苷成分，經(jīng)鑒定為天竺葵色素3-［6-O-（4-O-E-p-香豆酰-O-α-吡喃鼠李糖苷）-β-D-吡喃葡萄糖苷］-5-O-β-D-吡喃葡萄糖苷，功能實驗還表明花色苷混合物和天竺葵色素葡萄糖苷單體均具有抗流感病毒A和B的功效，且花色苷混合物的抗流感病毒性更好。因此，推測該結(jié)果可能是花色苷混合物中各種花色苷作用的疊加或者協(xié)同作用的結(jié)果［20］。

非支配排序BBO算法采用非支配分層方法，通過虛擬HSI在多目標(biāo)問題中建立了一個統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，使得在各方面都更優(yōu)的棲息地有更大的機會將信息共享給其他棲息地。非支配排序BBO算法在優(yōu)化過程的后期具有更好的挖掘能力，搜索范圍全面，可保證求得最優(yōu)解集，但收斂速度較慢。

6）護肝作用

Han等研究了紫馬鈴薯花色苷提取物對D-半乳糖胺引起的大鼠肝損傷的保護作用。研究結(jié)果表明，花色苷提取物能抑制半乳糖胺引起的血清中腫瘤壞死因子а（TNF-а）、乳酸脫氫酶（LDH）、丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶（ALT）和谷草轉(zhuǎn)氨酶（AST）的升高，它也可能阻止了大鼠肝臟中硫代巴比妥酸反應(yīng)物和谷胱甘肽的變化以及脂質(zhì)過氧化反應(yīng)和炎癥反應(yīng)［21］。此外，Han等還發(fā)現(xiàn)紅馬鈴薯花色苷提取物能降低半乳糖胺的含量和抑制亞麻酸的氧化反應(yīng)。因此，紅馬鈴薯花色苷通過減少體內(nèi)谷胱甘肽的消耗也能對D-半乳糖胺引起的大鼠肝損傷起到一定的保護作用［22］。

1.2彩色馬鈴薯花色苷的開發(fā)利用

黃洪媛等對紫色馬鈴薯顆粒全粉的生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)較適工藝為二次蒸煮+回填制粉，其中二次蒸煮的最佳工藝條件為浸鈣質(zhì)量濃度30× 10-6g/mL、預(yù)煮溫度和時間為70℃，28 min、蒸煮時間32 min，回填制粉最佳工藝條件為乳化劑添加量0.30%、回填比例1∶2、攪拌時間2.5 min。以色澤（E值）和碘藍(lán)值為檢測指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)80、100、120目的紫色馬鈴薯全粉中80目中的游離淀粉含量最低，顏色保留最好［23］。隨后，崔璐璐等通過正交實驗優(yōu)化紫馬鈴薯全粉加工過程，將紫馬鈴薯進行分揀清洗、去皮、切片護色、蒸煮、60℃下干燥10 h，粉碎60目～80目，紫馬鈴薯全粉得率為20.69%；產(chǎn)品為深紫色，顆粒組織均勻細(xì)膩，具有濃郁的鮮薯泥香味，有潤滑的沙質(zhì)口感，無其他雜質(zhì)；紫馬鈴薯全粉中淀粉占54.50%，蛋白質(zhì)占7.30%，總多酚含量為466.40 mg/100 g，花青素含量為348.03 mg/100 g，其中花青素保存較多；在此過程中，蒸煮和干燥處理對花青素影響最大，盡量縮短蒸煮和干燥時間并控制干燥溫度［24］。陳杰華等將紫薯汁按300 mL/L原汁加入2 g/L檸檬酸、120 g/L蔗糖和9 g/L蜂蜜可以獲得色澤和風(fēng)味俱佳的紫馬鈴薯飲料［25］。劉家艷等的研究表明：冷凍干燥的馬鈴薯比自然干燥和熱風(fēng)干燥的色澤好，呈淡紫色，有光澤，花青素含量為0.05 mg/g；當(dāng)紫色馬鈴薯粉、豆奶粉和白砂糖的比例為7∶4∶3時，紫色馬鈴薯營養(yǎng)粉花青素和蛋白質(zhì)含量較高，營養(yǎng)適宜，制得的馬鈴薯營養(yǎng)粉成品中，水分含量平均為3.8%，蛋白質(zhì)含量平均為13.5%，感官優(yōu)良、沖調(diào)性好，具濃郁的馬鈴薯香味和豆奶香味［26］。

2　紫甘薯

2.1紫甘薯花色苷生物活性功能

1）抗氧化活性

2）抗癌作用

陳永強等研究了紫甘薯汁的抗腫瘤活性及其誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞HepG2凋亡機制。Alamar Blue法證明了不同濃度的紫甘薯汁對SGC-7901，HO-8910和HepG2細(xì)胞的增殖具有抑制作用，且呈濃度依賴性；5%和10%濃度組的紫甘薯汁作用HepG2細(xì)胞48 h后，利用倒置顯微鏡、熒光顯微鏡、掃描電鏡能觀察到細(xì)胞皺縮和凋亡小體的出現(xiàn)；瓊脂糖凝膠電泳可見凋亡細(xì)胞呈典型的梯狀DNA條帶；并用RT-PCR和Western blot法檢測了紫甘薯汁對HepG2細(xì)胞中凋亡相關(guān)因子的表達(dá)情況［31］。

3）保肝作用

Choi等的研究表明紫薯花色苷能消弱二甲基亞硝胺所引發(fā)的小鼠肝臟纖維化，從而起到保肝的作用［32］。隨后Hwang等的研究證明紫薯花色苷之所以具有保肝的作用是因為它能激活由Nrf2介導(dǎo)的氧化和化學(xué)應(yīng)激的防御性轉(zhuǎn)導(dǎo)通路合成抗氧化酶類，緩解細(xì)胞的氧化傷害；并且它能減少炎性基因COX-2和iNOS基因的表達(dá)［33］。

4）抗高血糖和降血壓作用

用紫甘薯中提取的單體3-O-｛6-O-（E）-咖啡酰-2-O-［6-O-（E）-阿魏酰-B-D-吡喃葡糖基］-β-D-吡喃葡糖苷｝-［5-O-（β-D吡哺葡糖苷）］-芍藥素及麥芽糖處理雄性小鼠，30 min后小鼠體內(nèi)的血糖濃度下降16.5%，這可能是紫甘薯花色苷抑制了а-葡糖苷酶的作用，從而導(dǎo)致血糖濃度降低。此外，還有研究表明紫甘薯花色苷具有抑制血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE）活性，ACE具有血管末稍收縮功能，可以降低血管外周阻力，從而起到降低血壓的功效［34］。

5）抗病毒活性

雷用東等純化了紫甘薯花色苷并使其作用于感染了豬傳染性胃腸炎病毒（TGEV）的豬睪丸（ST）細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)20 μg/mL的花色苷就能抑制TGEV的增殖，且在安全濃度范圍（60 μg/mL）內(nèi)呈濃度劑量效應(yīng)，且花色苷對TGEV的預(yù)防效果比治療效果更明顯。因此，紫甘薯花色苷在20 μg/mL～60 μg/mL濃度范圍內(nèi)對TGEV有很好的抗病毒功效［35］。

2.2紫甘薯花色苷的開發(fā)利用

在日本，紫甘薯釀成的燒酒，制成的各種冰淇淋、果汁、奶制品飲料和糕點已成為家喻戶曉的尋常食物［36］。

圖1　由紫甘薯品種“Ayamurasaki”制成的飲料［36］Fig.1Juices made from purple-fleshed sweet potato cultivar‘Ayamurasaki’［36］

國內(nèi)對紫甘薯的開發(fā)和利用正處于實驗室研究階段，已經(jīng)投放市場的產(chǎn)品不多，只有紫薯脯、紫薯粉絲、紫薯自發(fā)粉等。目前，在實驗室研究階段，朱紅等探討了穩(wěn)定劑和糖酸比對紫甘薯乳飲料的影響，采用正交試驗法對紫甘薯乳飲料的最佳工藝條件進行了研究，他們在紫甘薯漿液中添加白砂糖、檸檬酸、脫脂奶粉和穩(wěn)定劑，開發(fā)出了營養(yǎng)豐富、口感較好的紫甘薯乳飲料［37］。沈昌以果膠酶、淀粉酶及糖化酶處理紫甘薯醪并以此開發(fā)出了新型糯米酒，得到的新型糯米酒既有糯米酒的保健功能又融人了紫甘薯花色苷這一功能性成分，使紫甘薯糯米酒富有鮮艷的色澤同時增加了保健功能，極具開發(fā)前景［38］。潘潤淑等研究了紫甘薯面條的加工技術(shù)，產(chǎn)品的最佳配方為：面粉80%，薯粉20%，食鹽2%，卡拉膠1.25%，氧化淀粉3.25%。在此工藝條件下，產(chǎn)品斷條率0%，烹煮損失率10.7%［39］。余小領(lǐng)等以紫甘薯為原料，經(jīng)調(diào)配、過濾、滅菌等過程加工而成的果凍呈淺桃紅色、色澤美觀、安全、甜酸滑爽、營養(yǎng)豐富［40］。楚文靖等采用正交試驗法對紫甘薯酒的發(fā)酵條件進行了研究，結(jié)果表明，最優(yōu)發(fā)酵參數(shù)為發(fā)酵液pH 3.8，酵母接種量3%，發(fā)酵溫度18℃，此條件下，可得到澄清透亮、口感較好的紫甘薯酒［41］。杜連啟等通過單因素試驗和正交試驗對可沖調(diào)紫薯粉的配方進行研究，結(jié)果表明，最佳配方為紫薯粉粒度70目，加糖量40%，加花生仁粉量4O%，水溫90℃［42］。鄭清等以紫甘薯和全脂奶粉為主要原料，對紫甘薯酸奶的生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，結(jié)果表明：紫甘薯最佳護色工藝為85℃4 min，凝固型紫甘薯酸奶的最佳配方為：紫甘薯果肉3%，接種量4%，白砂糖7.5%，乳粉用量為13%，此條件下生產(chǎn)出的酸奶凝乳均勻、酸甜適口［43］。

3　紫山藥

3.1紫山藥花色苷生物活性功能

倪勤學(xué)等優(yōu)化了紫山藥色素的提取工藝，得到的粗提液清除DPPH自由基的IC50為98.14 μg/mL，說明紫山藥花色苷具有抗氧化的活性［44］。宋曙輝等的研究表明紫山藥具有降低大鼠血糖、膽固醇、低密度脂蛋白、甘油三酯、MDA含量，提高GSH-Px、SOD、CAT活性的趨勢，具有一定的抗氧化作用［45］。

3.2紫山藥花色苷的開發(fā)利用

紫山藥中的淀粉經(jīng)過糖化、發(fā)酵可以轉(zhuǎn)化成酒精，發(fā)酵過程中產(chǎn)生濃郁的發(fā)酵香氣。張紅雨等通過控制酒精發(fā)酵程度生產(chǎn)出了低醇且富含花青素、薯蕷皂等多種生物活性物質(zhì)的功能性紫山藥飲料［46］?？讘c新以紫山藥，紫甘薯和牛乳為原料，研發(fā)出一種集營養(yǎng)與保健為一體的新型保健飲料—紫山藥紫甘薯保健酸乳，并對其生產(chǎn)過程中的護色，發(fā)酵原料配比和發(fā)酵工藝參數(shù)分別進行了正交試驗篩選，結(jié)果表明：紫山藥紫甘薯最佳護色條件為檸檬酸0.4%，VC1.3%，氯化鈣0.30%，護色時間2 h；發(fā)酵原料最佳配比V（紫山藥原漿）∶V（紫甘薯原漿）=2∶1、原料乳添加量為25%、糖添加量為4%；最佳發(fā)酵工藝參數(shù)為發(fā)酵時間7 h、發(fā)酵溫度43℃、接種量4%［47］。

綜上所述，彩色薯類均具有抗氧化活性，而抗氧化活性被視為花色苷的基礎(chǔ)生物活性，清除自由基這一作用與花色苷抗癌、抗炎、抗病毒、保肝等生理作用息息相關(guān)。紫甘薯里的花色苷含量最多，因此紫甘著的抗氧化作用也是最強的。紫甘薯中還含有硒、鐵、鈣等，有抗疲勞和補血的功效，特別是硒，具有增強機體免疫力的作用。紫甘薯里纖維素含量也很高，可以促進腸胃蠕動，改善胃腸環(huán)境。紫馬鈴薯和紫山藥中的鈣、鉀等營養(yǎng)成分的含量更高，不僅可以增加人體的抵抗力，還有益于脾、肺、腎等功能。目前，彩色薯類中開發(fā)利用較好的也是紫甘薯，國外已開發(fā)出紫薯燒酒、冰淇淋、果汁、奶制品飲料和糕點等產(chǎn)品并在市場上占有一定的份額，國內(nèi)紫薯果脯、紫薯粉絲、紫薯自發(fā)粉等也已投放市場，紫薯飲料、酒、果凍、酸奶等已在研制階段。紫馬鈴薯全粉、面條、飲料、紫山藥飲料等也在逐漸開發(fā)中。此外，彩色薯類來源廣、產(chǎn)量高、成本低、適應(yīng)性好，因此，彩色薯類是人們隨手可得的天然抗氧化性食材。

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The Function and Utilization of Colored Root and Tuber Crops

XIAO Ji-ping，WANG Qiong，BAI Lei，GUO Hua-chun*
（Tuber＆Root Crops Research Institute，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，Yunnan，China）

This paper summarized the latest research progress about the anthocyanin bioactive function and utilization of colored potato，purple sweet potato and purple yam in recent years.It is indicated that the colored root and tuber crops had huge potential as a kind of functional food in human nutrition.It can provide a theoretical reference for the rational development and utilization of the colored root and tuber crops with high efficiency.

pigmented potato；purple sweet potato；purple yam；anthocyanins；function；utilization

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.13.034

2014-06-13

國家自然科學(xué)資金“彩色馬鈴薯花色苷主要單體的抗氧化活性研究”（31401439）；云南省教育廳科學(xué)研究基金“彩色馬鈴薯花色苷的提取及抗氧化活性初探”（2013Y466）；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-10）

肖繼坪（1982—），女（漢），講師，博士，主要從事于彩色馬鈴薯品質(zhì)及遺傳特性等相關(guān)研究。