樟樹色素研究與應用發(fā)展現(xiàn)狀?

羅忠友 余麗萍 李利芬 吳志剛

（貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025)

樟樹為樟科（Lauraceae）樟屬（Cinnamomum）常綠大喬木，在我國分布范圍廣，種植面積大（368.5 萬hm2以上），品種全（約20 個屬430 種），是重要的用材、經(jīng)濟和生態(tài)等多用途樹種[1-3]。樟樹生長迅速，枝葉繁茂，果實豐富，除可提供優(yōu)質木材外，其皮、根、枝、葉、果均可提取樟腦和樟油等，為香料香精、日用化工、醫(yī)藥衛(wèi)生等領域的重要原料[4]。目前，國內外關于樟樹非木質利用的研究主要集中在樟樹精油的提取、化學成分分析、藥理作用等方面[5-6]。樟樹還含有豐富的天然色素，近年來成為研究熱點。由于樟樹品種和化學類型不同，樟樹色素的化學結構、理化性質、功能活性等特性復雜多樣，因而該資源尚未得到很好的利用。為系統(tǒng)地深入研究樟樹色素，提高其利用率，增加附加值，本文對近年來國內外學者在樟樹色素的化學組成、理化性質、提取方法、純化分離等方面的研究進行綜述，同時對其今后的研究方向與應用發(fā)展趨勢進行展望。

1 化學結構和理化性質

1.1 化學組成

樟樹色素是來源于樟樹果皮和樹葉的植物天然色素。樟樹果成熟后呈亮黑色，果皮中富含紫色素或紅色素(RPCF，Red Pigment fromCinnamomum camphoraFruit)，屬黃酮類花色苷化合物[7]。研究表明：RPCF經(jīng)層析法分離得到芍藥色素-3-阿拉伯糖苷、芍藥色素-3-木糖苷和芍藥色素-3-葡萄糖苷3 種主要單體化合物及其衍生物[8-9]。采用雙水相和大孔樹脂分離RPCF可得到2 種結構單體矢車菊單葡萄糖苷和矢車菊二糖苷[10]。樟樹葉根據(jù)不同的生長狀態(tài)分為綠葉、紅葉和枯葉，從中可提取綠色素、紅色素、棕黑色素等，這是由于葉片中葉綠素、花青素和類胡蘿卜素的含量百分比不同而形成的。當樟樹葉中葉綠素含量大于60%時，葉片顏色為綠色，葉色素由大部分葉綠素a和少量葉綠素b共同組成；在葉片逐漸成熟過程中，葉綠素含量逐漸下降，花青素和類胡蘿卜素含量逐漸增加；當葉綠素含量低于60%時，花青素含量超過類胡蘿卜素葉片為紅色，類胡蘿卜素含量超過花青素則為橙黃色[11]；枯葉提取的色素多為棕黑色。測試表明：上述3 種樟樹葉中含有4 種黃酮苷類化合物，它們分別為槲皮素-3-O-α-L鼠李糖苷、山柰酚-3-O-β-D-葡萄糖-α-L-鼠李糖苷、蕓香苷、槲皮素3-O-β-D-葡萄糖苷[12]。截止目前，發(fā)現(xiàn)的樟樹色素主要單體化合物，主體結構分別為芍藥色素、矢車菊素、葉綠素等。

1.2 理化性質

天然色素的溶解性及其對光、熱、酸、堿、金屬離子、氧化還原劑等影響因子的敏感性決定其應用范圍。田春蓮等[13]研究了pH、金屬離子等因子對樟樹果色素穩(wěn)定性的影響，結果表明：RPCF適宜在酸性條件下使用，強堿會破壞色素的化學結構；當溫度在100 ℃以內時，短時間加熱色素表現(xiàn)較為穩(wěn)定，而加熱120 min以上色素穩(wěn)定性會受到破壞；自然光照射90～120 min對色素的吸光值會有微小影響；幾種常見的金屬離子對RPCF的吸收光譜影響強弱為：Fe3+>Al3+>Mg2+>Ca2+>Na+>K+，其中Fe3+短時間內影響效果顯著，即發(fā)生變色或沉淀；Al3+、Mg2+、Ca2+、Na+和K+則無顯著影響。RPCF易溶于水、甲醇和乙醇，不溶于石油醚、乙醚等有機溶劑；當RPCF加入氧化還原劑時，色素的穩(wěn)定性會受到一定程度的影響；維生素（VC）會有降色作用，且時間越長降色效果越明顯，檸檬酸則有增色效應，而蔗糖、葡萄糖、鹽等食品添加劑無顯著影響[8,14-16]。王春臺等[17]研究表明：樟樹葉棕黑色素在pH為4.0～8.0 的水溶液中對光、熱穩(wěn)定，當pH為3.5 以下時黑色素容易析出。陳秀萍等[18]研究了樟樹葉紅、綠2 種色素的穩(wěn)定性，結果表明：2 種色素對酸、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+、Al3+、還 原 劑（VC、葡萄糖）、蔗糖等均有較高穩(wěn)定性；當pH>8 時，色素顏色會發(fā)生改變；室溫和避光（或室內光線）下色素穩(wěn)定性較好，溫度過高（或長時間陽光照射）會破壞色素的穩(wěn)定性。總體而言，樟樹色素穩(wěn)定性較高，這也為樟樹色素的應用奠定了基礎。

2 提取方法

目前，天然色素主要提取方法有溶劑法、微波輔助法、超聲波輔助法、超臨界CO2萃取法、酶提取法等[19-20]，而樟樹色素常用提取方法為溶劑法、超聲輔助法和微波輔助法。

2.1 溶劑法

溶劑法是利用相似相溶原理在植物原料中加入合適溶劑通過浸漬、煎煮、回流等過程對活性物質進行提取的方法。影響溶劑提取的因素有溶劑種類、用量、料液比、溫度、時間、pH等，色素提取的目的不同，溶劑種類和評價體系的選取也不同，但多以吸光度大小評價色素的提取效果。

研究表明堿提取和酸沉淀的非有機溶劑體系可有效提取樟樹葉棕黑色素[17,21]。蔣益花[22]利用正交試驗法和Duncan法檢驗樟樹葉棕黑色素提取工藝，結果表明：以pH為13的NaOH溶液為提取劑、料液比1∶150 （g/mL）、100 ℃恒溫浸提45 min，在此條件下提取的效果較為理想，提取率達到72.2%。對比水、鹽酸、碳酸鈉、氫氧化鈉4種溶劑對樟樹葉色素的提取效果，發(fā)現(xiàn)NaOH溶液提取效果最好[23-24]，但NaOH屬于強堿性溶劑，提取產(chǎn)生的廢水可能對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，且樟樹色素在酸性條件下表現(xiàn)較為穩(wěn)定。因此，研究者把目光投向安全穩(wěn)定的無毒溶劑，而色素的提取效果與提取劑種類和提取條件密切相關，陳秀萍等[18]對樟樹葉紅、綠2種色素的提取試驗表明：以白醋為溶劑提取的紅色素效果較好，綠色素則以白醋+丙酮為提取劑效果較好。文赤夫等[16]比較石油醚、丁酮、正戊醇、乙醇、甲醇、水對樟樹果紅色素的提取效果，發(fā)現(xiàn)以水提取RPCF效果較好，通過單因素試驗結合正交試驗優(yōu)化獲得適宜的提取工藝為以水為溶劑、料液比1∶25 （g/mL）、pH=1、提取溫度60 ℃、提取時間90 min，其中pH和料液比對RPCF的提取效果影響顯著。與水相比乙醇提取更容易分離，王娜等[25]以正交試驗優(yōu)化提取RPCF的工藝條件，得出乙醇70%、料液比1∶30 （g/mL）、pH=1、溫度80 ℃、時間40 min效果較佳。昝麗霞[26]以BoxBehnken建立三因素三水平模型結合響應面優(yōu)化設計，優(yōu)化香樟果花色苷的提取工藝參數(shù)為：乙醇濃度78.59%、pH=1、料液比1∶15 （g/mL）、提取溫度77.14 ℃、提取時間42.48 min，在此條件下花色苷得率為67.99 mg/100 g。

溶劑法操作簡單、試驗設備要求低，是最早用于提取樟樹色素的方法。但提取時間較長、提取率低，且成本較高，不宜大規(guī)模生產(chǎn)，僅適用于實驗研究。

2.2 超聲波輔助法

超聲波輔助法是利用超聲波產(chǎn)生的空化效應、機械效應和熱效應使溶劑迅速進入植物細胞，將所含物質快速、高效提取的方法，影響超聲波輔助提取樟樹色素的因素有超聲波功率、超聲時間、溫度、料液比、溶劑濃度、pH等。

李聰麗等[27]以乙醇為溶劑，采用超聲波輔助提取香樟果皮中黃酮類色素，通過正交試驗法優(yōu)化提取工藝，結果表明：在乙醇濃度40%、超聲處理35 min、料液比1∶35（g/mL）優(yōu)化條件下，黃酮類色素提取量為3.285 mg/g。Rather等[28]以超聲波水浴法優(yōu)化提取樟樹紅葉、落葉中天然色素，研究表明：當pH=3、溫度70 ℃、時間80 min、料液比為1∶50（g/mL）、超聲頻率80 kHz時色素提取效率較高。Gong等[29]用超聲波輔助乙醇、乙酸、碳酸鈉和纖維素酶提取不同生長狀態(tài)下的樟樹葉色素，結果表明：僅纖維素酶水溶液對色素提取無效，同溫下超聲波輔助法比傳統(tǒng)加熱浴要快，明顯提高鮮葉中葉綠素和花青素的提取率；而用堿性溶劑提取樟樹老葉棕黑色素時，傳統(tǒng)加熱浴比超聲波輔助提取有效。

超聲波輔助法屬于一種物理提取方法，可在一定程度上保護色素化學結構不被破壞。與溶劑提取法相比，該法具有綠色環(huán)保、節(jié)能高效、安全性高、適用范圍廣、雜質少等優(yōu)點，適用于工業(yè)化生產(chǎn)色素。但值得注意的是，超聲波在不均勻介質中傳播容易發(fā)生散射和衰退，對色素提取效果影響較大[30]。

2.3 微波輔助法

微波輔助法是利用微波輻射高頻電磁波穿透萃取介質到達物料細胞內部，通過溫度快速上升、內部壓力增大導致細胞破裂，使細胞內活性物質溶出，經(jīng)過濾、分離得到提取物的方法[31]，影響微波輔助提取樟樹色素的因素有微波功率、微波時間、料液比、溶劑濃度、pH等。

張玉萍等[32]利用微波輔助提取樟樹葉色素，研究微波功率、輻射時間、NaOH用量等對提取效果的影響，單因素試驗結合正交試驗得出微波輔助提取的優(yōu)化工藝為：微波功率595 W、輻射時間11 min、NaOH 0.25 mol/L、料液比1∶20。文赤夫等[33]研究樟樹果實紅色素微波輔助提取條件，用正交試驗優(yōu)化得出微波水浴提取RPCF適宜的工藝條件為：微波功率選中火力檔、提取時間70 s、提取液pH為5，對RPCF提取效果的影響大小為：微波功率＞微波時間＞pH值。與熱水浸提相比，提取時間由90 min減至70 s、溶劑節(jié)省20%、酸用量減少，提取率提高3.29%。

微波輔助法的最大特點是萃取時間短，提取過程快速均勻，節(jié)省溶劑，產(chǎn)率高，但采用該法提取可能會造成局部溫度過高從而破壞樟樹色素的結構穩(wěn)定性，影響其品質。目前，微波輔助提取色素并不具備工業(yè)化條件，僅少量被用于實驗研究。

3 純化分離

上述方法提取樟樹色素多為粗提物，在提取過程中可能會混有精油[34]、蛋白質[35]、木脂素[36]、糖類[37]等少量雜質，這些雜質可能影響樟樹色素的穩(wěn)定性、著色能力和應用效果，限制其應用范圍。對其采取進一步純化分離，可在一定程度上提高色素的穩(wěn)定性和色價，色價是反映天然色素含量高低和產(chǎn)品著色能力強弱的主要指標。目前，天然色素的主要純化分離方法有大孔樹脂吸附法、凝膠層析法、離子交換樹脂法、膜分離法、兩相萃取法等[38]，其中樟樹色素多以大孔樹脂吸附法進行純化分離。

大孔樹脂吸附法是利用大孔樹脂吸附性和篩選性結合原理，通過不同化合物分子在其表面受力不均產(chǎn)生吸附現(xiàn)象，根據(jù)分子量大小不一致及表面吸附力不同使用一定溶劑將其洗脫、分離、純化、除雜、濃縮等達到純化分離目的的方法[39]。桂克印等[40]從靜態(tài)和動態(tài)兩方面評價了D406、D101、D113、AB-8、NKA-II、NKA-9、S-8大孔樹脂對樟樹果紅色素的吸附與解吸附性能，結果表明：當pH為3時，D406非極性樹脂對RPCF吸附效果較好，理想的純化工藝為：以50%乙醇為洗脫液、pH為6、流速為1 BV/h，經(jīng)洗脫純化后RPCF色價提高4.8倍。RPCF經(jīng)D-406大孔樹脂柱后用硅膠薄層析法分離得到4種紅色素和2種黃色素，以正丁醇-濃鹽酸-水（65∶10∶45）為展層劑分離效果較好[41]。王娜等[42]比較了D290、D4020、NKA-2、S-8、D101等8種大孔樹脂對RPCF的吸附和解吸附性能，發(fā)現(xiàn)D-101樹脂吸附和解吸附性能最好；在溫度為35 ℃時上樣吸附，洗脫劑乙醇濃度為70%、pH為1、洗脫溫度為30 ℃的純化工藝條件下洗脫效果較好，RPCF色價提高了31.40%。崔夫知等[43]從6種大孔樹脂中篩選出HPD300，進行分離純化樟樹果中紫色素的研究，結果表明：HPD300樹脂對紫色素的靜態(tài)和動態(tài)吸附量分別為53.58 mg/g和66.34 mg/g，95%乙醇靜態(tài)洗脫紫色素的解吸附率為87.27%；紫色素中原花青素主要由30%乙醇解吸附，洗脫物中原花青素含量達到97.54%，是乙醇提取物中原花青素含量的16.8倍。大孔樹脂的類型和種類是影響樟樹色素純化分離效果的主要因素，其次是上柱液pH值、吸附流速、吸附溫度、解吸液、解吸液流速等。大孔樹脂吸附法以選擇性好、吸附性強、容量大、解析容易、機械強度高、再生處理速度快等優(yōu)點[44]，受到廣大樟樹色素研究者的青睞，但該法僅適用于試驗室小樣的純化分離。

此外，也有研究者使用兩相萃取法對樟樹色素進行純化分離，王春霞[10]以雙水相和大孔樹脂協(xié)同進行RPCF純化分離試驗，結果表明：當硫酸銨濃度超過5.0%時提取液開始分相，增加硫酸銨濃度起促進分相作用；當硫酸銨濃度為30%時，RPCF分離效果最佳，分離得到的RPCF約占香樟果皮質量的18.5%。兩相萃取法具有操作簡便、成本低、分離效果好等優(yōu)點，易于大規(guī)模生產(chǎn)使用。

4 功能活性

4.1 抗氧化性

一直以來天然色素的抗氧化活性和清除自由基能力是開發(fā)天然活性物質的研究熱點，同時也是樟樹色素功能活性研究的主要方向。文赤夫等[33]研究表明，RPCF水溶液在濃度為1～80 mg/L時，清除二苯代苦味酰肼基（DPPH·）活性與濃度呈線性相關，其半清除率濃度（IC50）為42.97 mg/L，相當于VC的34%。桂克印[45]等對比研究RPCF與VC、茶多酚清除羥基自由基（·OH）和DPPH·的活性，結果表明：RPCF清除能力顯著高于其他2 種，經(jīng)光照16 d后其清除自由基能力沒有受到影響。在此基礎上，褚衍亮等[46]研究RPCF的抗氧化活性，結果表明：RPCF表現(xiàn)出一定的清除DPPH·、·OH、超氧陰離子自由基能力和還原能力，但清除DPPH·能力相對較強，清除·OH能力和還原能力比同濃度的VC要差。張航航等[47]采用化學發(fā)光法證實RPCF具有保護DNA損傷活性以及清除活性氧的能力。昝麗霞[26]則用水楊酸比色法和DPPH法證實香樟果花色苷同樣具有良好的抗氧化性。上述研究表明樟樹果紅色素可以作為理想的天然抗氧化劑來源。

4.2 抑菌性

樟樹色素的抑菌性是研究其功能活性的重要方向。樟樹葉棕黑色素對大腸桿菌、金黃葡萄球菌、巨大芽胞桿菌、枯草桿菌及毛霉有較強抑制性，且最小抑菌濃度（MIC50）均低于400 μg/mL（0.04%），也低于食品添加劑1%的要求[17,21]。文赤夫[48]等研究表明，RPCF對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和痢疾桿菌有較強抑制性，且經(jīng)酸、堿、熱處理后無顯著變化；添加0.1 mol/L Zn2+及0.1 mg/mL淀粉、葡萄糖，RPCF的抑菌性略有降低，而添加0.1 mol/mL Cu2+、Fe3+、Ca2+、Na+等金屬離子后，RPCF的抑菌性有所增強；用10 mg/mLRPCF水溶液處理豬肝和豆腐20 min，在37 ℃下放置3 d后，發(fā)現(xiàn)處理樣品的表面沒有微生物生長，未處理樣品明顯有微生物生長且已嚴重腐敗變質。樟樹果花色苷能抑制水和空氣中微生物的生長，將其作為食品添加劑可在一定程度上起到防止腐敗的作用[8]。

4.3 降血糖

α-葡萄糖苷酶抑制劑常被應用于餐后治療Ⅱ型糖尿病，具有降低血糖等功效?；ㄇ嗨丶捌涮擒諏δc道α-葡萄糖苷酶和胰腺α-淀粉酶有較強抑制性，與醫(yī)藥上常用于治療糖尿病的阿卡波糖具有協(xié)同增效作用[49]。Chen等[50]以樟樹果3 種主要色素對α-葡萄糖苷酶進行體外抑制實驗，發(fā)現(xiàn)矢車菊素（IC50 為5.293×10-3mM）對α-葡萄糖苷酶抑制活性遠大于阿卡波糖（IC50 為1.644 mM），而矢車菊素-3-蕓香苷和矢車菊素-3-O-葡萄糖苷無抑制性；動力學分析表明：矢車菊素以競爭方式抑制α-葡萄糖苷酶，兩者之間通過一個催化位點附近的幾個殘基π-π堆積和氫鍵相互作用。樟樹果中矢車菊素在降血糖方面具有潛在優(yōu)勢。

4.4 保健功能

植物色素往往具有多種藥用和保健功能，樟樹提取物已被證明有抗氧化、抑菌、抗癌、殺蟲、抗炎等多種藥理作用[6]。毒理性試驗表明：RPCF對果蠅和小鼠生長均無負面影響，且在一定程度上可延緩果蠅衰老、提高繁殖能力和生命活力[25,42]。目前的研究表明RPCF尚無毒副作用，具有開發(fā)保健食用色素的潛力。

5 應用

目前，有關樟樹色素的應用研究主要在紡織品染色方面，而食品、醫(yī)藥衛(wèi)生等方面相對較少。樟樹色素作為染料可在一定程度上解決天然染料原料供應不足、染色牢度差、穩(wěn)定性低以及色彩單調等問題。大量研究表明，樟樹色素染色真絲綢（蠶絲）、羊毛、棉等織物具有一定的染色牢度、防紫外線和抗菌性能，使用金屬媒染劑（或生物媒染劑）進行媒染可提高染色織物的耐摩擦、耐皂洗及耐日曬色牢度[51-57]。Gong等[58]用樟樹葉提取的葉綠素、花青素和深棕色素染色真絲和羊毛后發(fā)現(xiàn)，真絲和羊毛織物（葉綠素除外）的耐光、耐洗和耐摩擦色牢度有所增強，這是因為樟樹葉中富含的酚羥基對光和堿性條件敏感，從而產(chǎn)生增色效應。Rather等[28]以樟樹葉色素染色羊毛開發(fā)一種可應用于生物醫(yī)學領域的彩色抗菌纖維，結果表明：彩色抗菌纖維表現(xiàn)出良好的抗菌性和耐洗性，當使用Cu2+、Fe2+、Al3+鹽預染色時，彩色抗菌纖維的抗菌性略微有減小而耐洗性增強。王春霞[10]以香樟果色素染色多孔SiO2制備一種防紫外彩色SiO2印花織物，發(fā)現(xiàn)彩色織物的可見光-近紅外光譜反射曲線與沙土色偽裝涂料一致，因此，可作為軍事偽裝材料應用。此外，有研究者用樟樹色素敏化太陽能電池[59-60]，也有研究者將其用于飲料、果酒等著色[18]。

6 展望

隨著人們環(huán)保和健康意識的增強，綠色環(huán)保、安全無毒、可再生可降解的天然色素贏得人們的青睞，天然色素替代合成色素是今后發(fā)展的必然趨勢，這為大力開展樟樹色素的研究和應用提供了機遇。筆者認為未來在樟樹色素研究方面應著眼于以下幾方面：

1）改進提取工藝或借鑒其他色素成熟的現(xiàn)代高效提取與純化分離技術，解決其提取率和純化分離品質及生產(chǎn)經(jīng)濟成本問題。

2）系統(tǒng)研究并探明樟樹色素化學結構與功能活性的關系，理清作用機理與量效、構效的關系，選用現(xiàn)代高新技術（如微膠囊化、色素分子結構修飾等）提高其穩(wěn)定性，擴大應用范圍。

3）加強樟樹色素以紡織品為主等交叉領域的應用研究（如醫(yī)用紡織品等），逐步拓展至化妝品、制革、染發(fā)等行業(yè)；充分挖掘其在食品包裝、果酒飲料著色、治療糖尿病等食品醫(yī)藥領域的應用潛力，進一步研究其功能活性、藥理作用等。

總體來說，樟樹色素是一類來源豐富的木本植物天然色素，具有的強大功能體系以及著色力強、穩(wěn)定性高、色彩多樣等優(yōu)點，賦予其巨大的應用潛力和利用價值。樟樹色素資源在高檔紡織品、保健食品、醫(yī)藥衛(wèi)生等領域的開發(fā)利用，可以降低大量樟樹果葉廢棄物的浪費及其對環(huán)境的污染，發(fā)揮其在生態(tài)、經(jīng)濟、社會等方面的作用。