黑米色素的提取工藝及生物活性研究進(jìn)展

李昌文，張麗華，縱偉

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，鄭州 450002；2.河南省食品生產(chǎn)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心， 鄭州 450002；3.河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點實驗室，鄭州 450002)

黑米是一種重要的糧食作物，黑米中含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，例如含有較高的蛋白質(zhì)、必需氨基酸、維生素以及人體必需的礦物質(zhì)元素等。另外，黑米中還含有一種重要的生物活性成分黑米色素。許多研究表明黑米色素是花青苷類色素，其是多酚類物質(zhì)的一種，分析表明黑米花色苷主要是芍藥素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-葡萄糖苷等[1-5]。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對黑米色素進(jìn)行了大量研究，本文對黑米色素的提取工藝和生理活性功能研究等進(jìn)行了論述。

1 黑米色素的提取工藝研究進(jìn)展

1.1 溶劑法提取黑米色素

溶劑法提取黑米色素的工藝流程一般為：黑米→除雜、粉碎→黑米粉末→溶劑浸提→抽濾→浸提液→蒸餾→黑米色素濃縮液→干燥→黑米色素粗品。

研究表明許多因素影響溶劑法提取黑米色素的提取效果，這些因素包含提取溶劑的選擇、溶劑的濃度、提取溫度、提取時間、料液比例、pH值、黑米的粉碎程度等。不同的溶劑對黑米黑色素的萃取效果差異很大，鐘巖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、異戊醇等溶劑中，其中在甲醇、乙醇中提取效果最好；實驗還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劑乙醇提取法與溶劑用水提法得率相差不大，而且提取溫度降低，提取時間也減少[7]。因此，黑米色素的提取一般都選擇乙醇作為提取溶劑。不同研究者采用溶劑法提取黑米色素的工藝參數(shù)不同，這主要是因為采用的原料及實驗設(shè)計參數(shù)不一致引起的。例如張福娣等研究得出當(dāng)提取溫度為80 ℃、提取時間為30 min、料液比為1∶10、50%乙醇(體積分?jǐn)?shù))時，黑米黑色素的提取率最高[8]。吳素萍研究認(rèn)為黑米色素的最佳工藝參數(shù)為：50%乙醇(體積分?jǐn)?shù))、黑米粉碎度50目、溫度80 ℃、pH 3、料液比1∶5、提取時間30 min[9]。季云琪等采用醇溶法提取黑米色素的最佳提取工藝參數(shù)為：95%乙醇(體積分?jǐn)?shù))、料液比1∶50、溫度60 ℃、時間90 min、pH 1.8，此時黑米色素提取率高達(dá)2.71%[10]。郭梅等研究表明黑米色素的最佳提取工藝參數(shù)為：95%乙醇(體積分?jǐn)?shù))、料液比1∶45、pH 3.0、提取溫度80 ℃、提取時間90 min[11]。Alessandra等采用響應(yīng)面分析方法得到溶劑法提取黑米花色苷的工藝參數(shù)為：酸化的乙醇(乙醇∶1 mol/L檸檬酸為1∶80)、提取溫度34.7 ℃、時間81 min、料液比1∶30，在此條件下黑米花色苷的提取量為116.58 mg/100 g[12]。溶劑法提取黑米色素投資較少，但黑米色素產(chǎn)品存在溶劑殘留、產(chǎn)品純度不高等缺點。

1.2 微波輔助提取黑米色素

微波輔助提取黑米色素的工藝流程一般為：黑米→除雜、粉碎→黑米粉末→加入提取劑→微波輔助提取→抽濾→提取液→蒸餾→黑米色素濃縮液→干燥→黑米色素粗品。

研究表明，與有機溶劑法相比，采用微波輔助提取技術(shù)有助于黑米色素提取率的提高，同時提取時間縮短，提高黑米色素產(chǎn)品品質(zhì)等。影響微波輔助提取黑米色素的因素主要有微波功率、微波時間、料液比例、提取溶劑的濃度及pH等。張吉祥等研究了微波法提取黑米色素的工藝參數(shù)，結(jié)果表明：影響微波法提取黑米色素的最關(guān)鍵因素是提取劑乙醇的濃度，微波法提取黑米色素的最優(yōu)工藝參數(shù)為80%乙醇(體積濃度)、微波功率480 W、微波時間120 s、料液比例1∶20，在此條件下，黑米色素的提取率高達(dá)3.2%[13]。袁博等建立了黑米色素提取的回歸統(tǒng)計模型，研究認(rèn)為微波時間對黑米色素的提取率影響不顯著或影響較小，這可能是由于設(shè)計實驗時微波時間選擇的范圍較小引起的[14，15]。馬萍等通過建立黑米色素提取的多元回歸統(tǒng)計模型，分析得到提取黑米色素的最優(yōu)組合為80%乙醇(體積分?jǐn)?shù))、料液比1∶18、微波時間9 s，此時黑米黑色素提取率為4.97%[16]。王心哲等以蒸餾水為提取溶劑，以黑米中花色苷得率為指標(biāo)，采用正交實驗研究得到微波輔助提取黑米花色苷的最優(yōu)組合為：微波作用功率600 W、微波作用時間7.5 min、pH 5、料液比1∶4，此時黑米花色苷的得率為1.28%[17]。以上研究表明微波輔助提取是一種較好的黑米色素提取方法。

1.3 超聲輔助提取黑米色素

超聲輔助提取黑米色素的工藝流程一般為：黑米→除雜、粉碎→黑米粉末→加入提取劑→超聲輔助提取→抽濾→提取液→蒸餾→黑米色素濃縮液→干燥→黑米色素粗品。

超聲輔助提取也是一種較好的提取天然活性物質(zhì)的方法，具有節(jié)能、環(huán)保、效率高等特點，超聲輔助提取技術(shù)可用于黑米色素的提取。影響超聲輔助提取黑米色素的主要因素有超聲波功率、超聲提取時間、提取溫度、料液比例、溶劑濃度及pH等。陳小全等比較了溶劑法和超聲輔助提取黑米色素的區(qū)別，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲輔助提取法具有提取效率高、節(jié)能、不影響黑米色素基本性質(zhì)等特點；超聲輔助提取黑米色素的最優(yōu)組合工藝為：超聲提取時間5 min、超聲波功率70 W、溫度60 ℃、料液比1∶8[18]。孫曉俠等以黑米皮為原料，研究了黑米皮色素的超聲輔助提取工藝，確定了黑米皮色素的超聲輔助提取工藝條件：80%乙醇(體積分?jǐn)?shù))、pH值1.5、料液比1∶40、浸提溫度50 ℃、超聲提取時間60 min、超聲波功率128 W[19]。超聲輔助提取黑米花色苷工藝方便、快捷，是一種較好的提取黑米黑色素的方法[20]。

1.4 酶法輔助提取黑米色素

酶法輔助提取黑米色素的工藝流程一般為：黑米→除雜、粉碎→黑米粉末→加酶酶解→溶劑提取→抽濾→提取液→蒸餾→黑米色素濃縮液→干燥→黑米色素粗品。

酶法提取的優(yōu)點是反應(yīng)條件比較溫和。利用生物酶(一般是纖維素酶或復(fù)合生物酶)先處理黑米粉末，可以使黑米細(xì)胞壁分解，黑米黑色素快速溶出，提高黑米色素的提取率。在黑米粉的酶解處理階段，酶的種類、酶的用量、酶解溫度、酶解時間和酶解的pH值是影響酶法輔助提取黑米色素的重要因素。劉永吉等以黑米皮為原料，研究得出纖維素酶輔助溶劑提取黑米花色苷的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：纖維素酶量2.0%、酶解時間128.8 min、酶解溫度38.7 ℃、80%乙醇(體積分?jǐn)?shù))、料液比1∶10、提取溫度50 ℃、提取時間40 min，此時黑米花色苷的提取量為21.9 mg/g[21]。

1.5 超臨界CO2萃取法提取黑米色素

超臨界CO2萃取法提取黑米色素的工藝流程一般為：黑米→除雜、粉碎→黑米粉末→試樣裝入萃取斧→超臨界CO2萃取→加乙醇收集萃取物→抽濾→提取液→蒸餾→黑米色素濃縮液→干燥→黑米色素粗品。

超臨界CO2萃取法提取黑米色素具有產(chǎn)品純度高、工藝操作簡單等優(yōu)點，但前期投資較大。在超臨界CO2萃取工藝過程中,萃取溫度、流量、壓力、時間是影響超臨界CO2萃取法提取黑米色素的主要因素。劉妍研究得出超臨界CO2萃取法提取黑米花色苷的最優(yōu)工藝參數(shù)為：萃取溫度38 ℃、萃取壓力45 MPa、萃取時間3 h、流體流量20 kg/h，在此條件下，黑米花色苷原液含量達(dá)到86.8%[22]。

1.6 協(xié)同提取工藝提取黑米色素

超聲波協(xié)同微波技術(shù)提取可以縮短提取時間、提高提取率等。影響協(xié)同提取工藝提取黑米黑色素的因素有超聲功率、超聲時間、微波功率、微波時間、溶劑濃度等。劉振春等利用超聲波協(xié)同微波技術(shù)提取黑米原花青素，研究得到超聲波協(xié)同微波提取黑米原花青素工藝參數(shù)為：82%丙酮(體積分?jǐn)?shù))、超聲作用時間54 min、微波作用功率480 W，此時黑米原花青素的提取率為2.411%[23]。

2 黑米色素的主要生物活性功能研究進(jìn)展

近年來有關(guān)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、保肝護(hù)腎、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質(zhì)的開發(fā)一直是天然產(chǎn)物化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。孫玲等通過體外模擬得到了黑米色素對自由基O2-·有較強的清除能力且濃度越大清除效果越好[24]。張名位、石娟、朱曉莉等通過體內(nèi)實驗研究證實攝入一定量的黑米花色苷可以提高肝臟總抗氧化能力、谷胱甘肽過氧化物酶活力和超氧化物歧化酶活性，并能顯著降低丙二醛含量[25-27]。李新華等研究表明黑米黑色素對·OH、DPPH自由基均具有很好的清除作用，同時對O2-·也有一定的清除作用[28]。王巧娥等對純化后不同部位的黑米花色苷的抗氧化活性進(jìn)行了比較，研究發(fā)現(xiàn)水可溶部分的抗氧化能力最強[29]。Huang等學(xué)者也研究認(rèn)為黑米皮中起抗氧化作用的物質(zhì)主要是黑米花色苷[30]。這些研究表明黑米色素可以作為理想的天然抗氧化劑來源。

2.2 具有降低血脂能力

近年來高血脂人群越來越多，嚴(yán)重影響了人們的身體健康，急需開發(fā)研究出純天然、無副作用的降血脂物質(zhì)。許多研究表明黑米色素具有較好的降低血脂的能力，張名位等研究表明攝入一定量黑米花色苷可以顯著降低高脂血癥大鼠的血脂水平，動脈粥樣硬化指數(shù)也顯著降低。秦玉等發(fā)現(xiàn)患者服用黑米花色苷后可以降低總膽固醇、甘油三酯含量，其具有較好的降低血脂能力[31]。劉明達(dá)等通過動物實驗表明黑米花色苷能顯著降低動物血脂，主要血清指標(biāo)總膽固醇、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等研究得出攝入一定量的黑米提取物可以顯著降低小鼠血清指標(biāo)總膽固醇、甘油三酯含量[33]。因此，黑米色素可以作為理想的天然降血脂物質(zhì)。

2.3 具有保肝護(hù)腎功能

有研究報道黑米色素具有保肝護(hù)腎功能，例如侯方麗等研究得出攝入一定量的黑米皮花色苷后對因四氯化碳引起的肝損傷有明顯的改善作用，這種作用機制可能是黑米黑色素具有較好的抗氧化活性和清除自由基能力[34]。侯召華研究認(rèn)為黑米花色苷能緩解酒精性肝損傷，其可以顯著降低血清中谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶、丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶和γ-谷氨酸轉(zhuǎn)氨酶活性[35]。牛娟娟研究也得到黑米花色苷有一定的護(hù)肝功能，其可以顯著降低血清中谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶、丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶活性。Jang等研究發(fā)現(xiàn)攝入一定量的黑米提取物可以顯著降低小鼠脂肪肝變性癥狀。郝杰研究表明黑米花色苷提取物通過清除氧化自由基，可以對氧化應(yīng)激性腎毒性和應(yīng)激性肝毒性發(fā)揮一定保護(hù)功能[36]。這些研究表明黑米色素還可以用于保肝護(hù)腎產(chǎn)品的開發(fā)。

2.4 具有其他生物活性作用

黑米色素還可以用于其他醫(yī)藥行業(yè)，有研究報道黑米花色苷還具有抗哮喘作用，牛海峰、王天宇等研究得到黑米花色苷可以較好地抑制哮喘小老鼠肺部炎癥細(xì)胞浸潤現(xiàn)象，因此黑米花色苷具有一定的抗哮喘作用[37,38]。此外，還有一些研究報道黑米提取物可以較好地抑制許多種類癌細(xì)胞的生長、增殖，具有防癌、抗癌等功能[39,40]。董波等研究認(rèn)為黑米矢車菊色素對糖尿病也有預(yù)防和治療作用[41]。

3 展望

我國黑米資源豐富，黑米深加工和綜合利用具有廣闊的前景，而黑米色素具有較好的生理活性功能，是一種理想的天然色素，因此食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)對黑米色素的需求量越來越大。但對黑米色素的研究和應(yīng)用仍然需要相關(guān)科研工作者進(jìn)一步努力，例如研究開發(fā)效果更好的黑米色素提取、分離、純化技術(shù)，通過物理、化學(xué)、生物技術(shù)等方法提高黑米色素的品質(zhì)，進(jìn)一步研究黑米色素的生物活性、構(gòu)效關(guān)系、作用機理，開發(fā)研制高品質(zhì)的黑米色素功能性食品、藥品等。