黑豆皮色素提取工藝及功能活性研究進展

肖秀嬋，李強林，周箏，趙二勞，楊潔

(1.成都工業(yè)學院 建筑與環(huán)境工程學院，成都 611730；2.忻州師范學院 化學系，山西 忻州 034000)

黑豆又稱烏豆、冬豆子，為豆科植物大豆的黑色種子，是我國珍稀的優(yōu)良糧油作物資源，在我國各地廣泛種植，尤以東北、華北和西北等地為多，我國資源豐富[1,2]。黑豆中含有大量營養(yǎng)物質(zhì)，有藥食同療作用。黑豆皮是黑豆的種皮，為黑豆加工生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，約占豆粒的10%，含有多種功能成分[3]。色素是黑豆皮中的重要功能成分之一，在食品、調(diào)味品、醫(yī)藥、衛(wèi)生等領域有潛在的應用前景和價值。目前，國內(nèi)有關黑豆皮色素(包括花色苷與花青素)的研究很多，但鮮有相關研究總結(jié)報道，而有關黑豆皮色素的應用研究報道則甚少。研究黑豆皮色素的提取工藝及其功能活性，對高值化開發(fā)應用黑豆皮，有效拉長黑豆產(chǎn)業(yè)鏈，提高黑豆經(jīng)濟價值具有重要的實際意義?；诖?，本文梳理概述了近10年來國內(nèi)黑豆皮色素提取工藝及功能活性相關研究，展望了其研究方向，為黑豆皮的合理開發(fā)及其深入研究應用提供了參考和借鑒。

1 黑豆皮色素提取工藝

近10年來，有關黑豆皮色素提取方法的研究國內(nèi)僅有溶劑提取法、酶解法、超聲輔助提取法、微波輔助提取法和協(xié)同輔助法。

1.1 溶劑提取法

溶劑提取是依據(jù)相似相溶原理，選擇適當?shù)娜軇?，通過滲透、擴散等傳質(zhì)，盡量多地將目標成分溶出，而控制其他成分溶出的一種提取方法[4]。黑豆皮色素溶劑的提取工藝流程大致為：黑豆皮粉末→加入溶劑→浸提→抽濾→提取液→干燥→黑豆皮色素粗品。采用溶劑法提取黑豆皮色素，主要常用的溶劑為乙醇或酸化乙醇。

近10年來，國內(nèi)有關溶劑提取黑豆皮色素的研究相對較多。如：鄭麗娜等研究了黑豆皮紅色素的乙醇浸提，正交試驗優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)為：乙醇濃度50%，料液比1∶100 (g/mL) ，pH 1.0，溫度60 ℃，時間90 min，浸提3次，黑豆皮紅色素浸膏的提取率達78%左右[5]。丁潔等采用酒石酸浸提黑豆皮中花色苷，確定的最佳工藝條件為：酒石酸質(zhì)量分數(shù)40%，料液比1∶30(g/mL)，浸提溫度60 ℃，浸提時間150 min，花色苷提取量為14.32 mg/g[6]。翟碩等研究了黑豆皮花色苷的乙醇/硫酸銨雙水相萃取，優(yōu)化的最佳萃取工藝條件為：乙醇質(zhì)量分數(shù)30%，硫酸銨質(zhì)量分數(shù)22%，pH 3.0，料液比1∶56 (g/mL)，固定萃取溫度為常溫(25 ℃)和萃取時間60 min。該工藝下，花色苷得率為2.81 mg/g[7]。黑豆皮色素的溶劑提取，考慮其溶解性，一般采用有機溶劑提取。溶劑提取黑豆皮色素操作簡便，一次性經(jīng)費投入少，色素提取率較高。但由于該方法溶劑用量大，所提色素純度不高，提取時間長，提取效率不高，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)應用要求，僅限于實驗室研究。

1.2 酶解法

酶解法是根據(jù)植物細胞壁的構(gòu)成，選擇相應的酶，降解和破壞黑豆皮細胞壁組成，減少傳質(zhì)阻力，加快有效成分溶出，提高提取率[8]。黑豆皮色素酶解工藝流程一般為：黑豆皮粉末→加入酶和溶劑→提取→酶滅活→抽濾→提取液→干燥→黑豆皮色素粗品。

近10年來，國內(nèi)有關酶解黑豆皮色素的研究僅有2篇文獻。孫曉俠等[9]研究了黑豆皮中色素的纖維素酶解工藝，通過單因素試驗結(jié)合正交試驗優(yōu)化的最佳工藝為：以pH 4.5的檸檬酸-檸檬酸三鈉緩沖液為溶劑，料液比1∶20 (g/mL)，纖維素酶用量80 U/mL，酶解溫度50 ℃，酶解時間120 min，酶解次數(shù)3次。此工藝條件下，黑豆皮色素提取率可達到96.8%，與溶劑浸提相比，提取率提高了8.2%。褚盼盼等[10]研究了黑豆皮紅色素雙酶輔助提取，正交試驗優(yōu)化的最佳工藝為：雙酶用量(果膠酶2 mg+纖維素酶1 mg)，料液比1∶25 (g/mL)，pH 3.6，酶解溫度55 ℃，酶解時間120 min，提取次數(shù)2次。在此條件下，黑豆皮紅色素提取率為26.60%。黑豆皮色素酶解法是一種反應條件溫和、無有機溶劑殘留、提取率較高的提取方法。為提高色素的提取率，可采用多種酶協(xié)同破壞黑豆皮細胞壁，促使色素類成分快速溶出。該法的主要問題是提取時間相對較長，提取過程對溫度、pH的控制要求嚴格，成本較高。因此，不太適用工業(yè)化生產(chǎn)應用，目前僅用于實驗室研究。

1.3 超聲輔助提取法

超聲輔助提取是在溶劑提取的基礎上，輔以超聲波，利用超聲波的空化、機械等效應，破壞黑豆皮細胞壁，提高細胞通透性，加速有效成分擴散、溶出，提高有效成分的提取率[11]。黑豆皮色素超聲輔助提取工藝流程一般為：黑豆皮粉末→加入溶劑→超聲輔助提取→抽濾→提取液→干燥→黑豆皮色素粗品。

近10年來，國內(nèi)有關超聲輔助提取黑豆皮色素的研究相對較多。如：王玲麗等[12]研究了黑豆皮中色素的超聲輔助乙醇提取，響應面法優(yōu)化的最佳提取工藝為：在超聲功率400 W、提取溫度50 ℃的條件下，以濃度55%的乙醇為提取劑，pH值1.4，料液比1∶36 (g/mL)，超聲提取63 min，黑豆皮色素吸光度值為0.622。盧春曉等[13]研究了黑豆皮花色苷超聲輔助乙酸提取，響應面優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)為：乙酸濃度30%，料液比1∶10 (g/mL)，超聲功率90 W，提取溫度30 ℃，提取時間30 min，黑豆皮花色苷提取率為0.575%。褚盼盼等[14]研究了不同方法提取黑豆皮花青素，得出黑豆皮花青素提取率超聲輔助水提>乙醇浸提>水浸提，超聲輔助提取花色苷提取率可達20.50%。超聲輔助提取黑豆皮色素較溶劑提取法可顯著縮短提取時間，提高色素提取率，效率較高，是一種方便快捷的黑豆皮色素提取方法。但因尚未解決超聲波對環(huán)境污染以及超聲設備工業(yè)放大等問題，目前僅用于實驗室研究。

1.4 微波輔助提取法

微波輔助提取是利用在微波場中，微波的選擇性加熱，破壞黑豆皮細胞或細胞膜，促使色素類成分快速溶出，以提高色素的提取率。黑豆皮色素微波輔助提取工藝流程一般為：黑豆皮粉末→加入溶劑→微波輔助提取→抽濾→提取液→干燥→黑豆皮色素粗品。

近10年來，國內(nèi)有關黑豆皮色素微波輔助提取的研究不多。如：戴坤等[15]研究了黑豆皮紅色素微波輔助乙醇提取，發(fā)現(xiàn)料液比對紅色素提取影響顯著，各因素對紅色素提取率影響的大小順序為料液比>微波功率>微波時間。優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)為：以濃度50%乙醇為提取劑，料液比1∶84 (g/mL)，微波功率400 W，微波時間3 min。袁園等[16]研究了黑豆皮花青素微波輔助酸性乙醇提取，正交試驗優(yōu)化的最佳工藝：乙醇濃度70%，用鹽酸調(diào)pH值至1.0，微波功率300 W，料液比1∶40 (g/mL)，提取溫度70 ℃，提取時間8 min，黑豆皮花青素提取率為4.887 mg/g。黑豆皮色素的微波輔助提取操作簡便、選擇性好、提取時間短、提取率高，是一種良好的提取技術，但工業(yè)化應用還需解決微波設備的放大問題。

1.5 協(xié)同輔助提取法

協(xié)同輔助提取是采用兩種或兩種以上方法共同提取，可實現(xiàn)方法優(yōu)勢互補，相互協(xié)同，有利于提高有效成分的提取率。協(xié)同輔助提取法是近年來人們關注的一種新型提取技術。協(xié)同輔助提取法的流程一般是：黑豆皮粉末→加入溶劑→提取(不同方法分別提取或聯(lián)合提取)→抽濾→提取液→干燥→黑豆皮色素粗品。

近10年來，國內(nèi)有關黑豆皮色素協(xié)同輔助提取的研究較少。宋巖等[17]研究了黑豆皮花色苷的果膠酶協(xié)同超聲輔助提取，確定的工藝條件為：首先酶解處理原料，果膠酶用量10 μg/g，pH 4.0，在溫度50 ℃下酶解45 min，再在料液比1∶30(g/mL)，超聲功率280 W，溫度50 ℃條件下超聲輔助提取30 min。該工藝下，黑豆皮中花色苷的提取率為4.95 mg/g。蘇適等[18]采用離子液體協(xié)同超聲輔助乙醇提取黑豆皮花青素，響應面法優(yōu)化的最佳工藝條件為：以70%乙醇稀釋的離子液體(1-己基-3-甲基咪唑溴鹽)為提取劑，離子液體濃度0.9 mol/L，料液比 1∶53 (g/mL)，超聲功率300 W，提取溫度43 ℃，提取時間45 min。在此工藝下，黑豆皮中花色苷得率為4.12 mg/g。綜上，幾種方法協(xié)同提取雖工藝條件相對復雜，但提取時間短、效率高，可明顯提高黑豆皮色素的提取率，工業(yè)化應用前景誘人，值得深入研究。

2 黑豆皮色素功能活性

2.1 抗氧化

有關黑豆皮色素抗氧化的研究相對較多。如：何晨陽等[19]通過測定小鼠肝勻漿脂質(zhì)過氧化程度、肝線粒體腫脹度、紅細胞溶血抑制能力及·OH清除能力，研究了黑豆皮花色苷體外抗細胞脂質(zhì)過氧化作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黑豆皮花色苷可抗肝勻漿脂質(zhì)過氧化，抑制肝線粒體腫脹，保護紅細胞溶血及清除·OH，且均具有明顯的量效關系，表明黑豆皮花色苷具有較強的抗脂質(zhì)過氧化能力。蘇適等研究表明黑豆皮花青素在一定的濃度范圍內(nèi)對·OH的清除能力優(yōu)于Vc。機體內(nèi)過量的自由基會氧化損傷機體細胞，導致人體疾病或衰老，清除體內(nèi)過量自由基、抗氧化，有益人體健康。黑豆皮色素可有效清除自由基，具有抗氧化功能活性。

2.2 抗腫瘤

白金晶[20]的細胞增殖實驗得出黑豆皮花青素抑制肝癌HepG2 細胞的效果最顯著，具有時間-劑量相關性，進一步研究發(fā)現(xiàn)黑豆皮花青素通過抑制JAK2/STAT3信號通路致使肝癌HepG2、SMMC7721細胞發(fā)生凋亡，起到抗腫瘤作用。李新[21]采用MTT法研究了黑豆皮花青素對不同腫瘤細胞的增殖有抑制作用，發(fā)現(xiàn)黑豆皮花青素對3種供試腫瘤細胞(MCT7、HCT-116和HepG2)的增殖都有抑制作用，且具有劑量依賴性，而對正常FHC細胞增殖無影響，表明黑豆皮花青素有抗腫瘤作用。

2.3 降血糖

張繼曼等[22]通過對正常小鼠組和四氧嘧啶造模的糖尿病小鼠組腹腔注射黑豆皮花青素的研究發(fā)現(xiàn)，黑豆皮花色苷可以明顯降低糖尿病小鼠血糖和血清中MDA與CAT含量，提高血清中SOD和GSH-PX含量，同時提高了血清中胰島素含量。表明黑豆皮花色苷具有降低糖尿病小鼠高血糖作用，認為其降血糖作用可能與促進胰島素分泌和清除自由基有關。趙艷威等[23]的研究表明，黑豆皮花青素對ACFs的形成具有明顯的抑制作用，且呈劑量依賴性，可明顯降低糖尿病大鼠的血糖水平。

2.4 降血脂

陳萍等[24]對黑豆皮中花青素降血脂作用進行了動物試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑豆皮花青素能夠降低大鼠血清中TC、TG、LDL-C和Apo-B水平，升高血清中HDL-C水平，降低動脈粥樣硬化指數(shù)AI1、AI2，且能提高心臟指數(shù)，對脾臟指數(shù)和肝臟指數(shù)的增加有一定的抑制作用，說明黑豆皮花青素有顯著的降血脂作用。

2.5 抗菌

褚盼盼等采用濾紙片法對3種不同方法(傳統(tǒng)有機溶劑提取、水浸提和超聲輔助法)提取的黑豆皮花青素體外抗菌實驗研究發(fā)現(xiàn)，水浸提的黑豆皮花青素對枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈均最大，抑菌效果最好。對抑菌率的比較發(fā)現(xiàn)，隨水浸提黑豆皮花青素濃度增加，對3種供試菌的抑菌率增強，當花青素濃度為0.3 g/mL時，對枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制率分別為79.75%、74.50%和81.60%，達到最高，表明黑豆皮花青素具有明顯的抗菌性。

3 結(jié)語與展望

我國食品工業(yè)的快速發(fā)展為黑豆皮色素的開發(fā)利用提供了機遇和空間，豐富的黑豆資源和黑豆皮色素具有的多種功能活性為研究開發(fā)黑豆皮色素提供了一定的資源優(yōu)勢和廣闊的應用前景。近10年來，我國學者對黑豆皮色素的提取與功能活性進行了不少研究，取得了一定成果，已彰顯出黑豆皮色素在食品、醫(yī)藥、飲料及化妝品等領域潛在的應用前景和價值。但總體而言，黑豆皮色素相關研究還不是很充分，黑豆皮色素的提取僅限于實驗室研究，其功能活性的研究也很有限，功能活性的量效、構(gòu)效關系尚不明確。作用機制還未理清，一些功能活性尚未涉及，特別是關于黑豆皮色素的應用研究甚少，不足以支撐黑豆皮色素的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。今后，在黑豆皮色素提取研究中，一方面可參考、借鑒其他天然產(chǎn)物中色素提取的成熟工藝技術，另一方面可開展一些現(xiàn)代提取技術的應用研究，創(chuàng)新黑豆皮色素的提取工藝，實現(xiàn)黑豆皮色素的高效提取。在黑豆皮色素功能活性的研究中，要多方面、系統(tǒng)研究其功能活性，明晰其量效關系、構(gòu)效關系，理清其作用機理，為黑豆皮色素的開發(fā)應用奠定理論基礎。要加強黑豆皮色素在食品、調(diào)味品、醫(yī)藥、衛(wèi)生等領域的應用研究，深入研究其應用的穩(wěn)定性、可靠性、方便性。由此實現(xiàn)黑豆皮色素的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，使黑豆皮色素在促進人類健康幸福生活中發(fā)揮更加積極的作用。