黑枸杞中花青素的提取技术概述_马久强.pdf

52023 年 2 月黑枸杞中花青素的提取技术概述黑枸杞中花青素的提取技术概述马久强，王晓泽，秦帅，宋维君*（青海大学化工学院，青海西宁，810000）摘 要：黑枸杞是我国一种耐高温、耐盐碱、耐寒抗旱、生命力顽强的沙漠戈壁地区药用植物品种，广泛分布于中国西北地区。花青素作为一种天然的食用色素，其安全无害、来源广泛，具有一定的营养和药理作用。现有实验已经表明黑枸杞是花青素含量最多的植物。本文结合近几年花青素提取研究，综述了花青素的提取技术和纯化方法的研究进展。关键词：黑枸杞；花青素；提取技术；纯化技术中图分类号：TS218；TQ914.1 文献标志码：A 文章编号：1008-3103（2023）01-0005-04Review of Anthocyanins Extraction Techniques from Lycium Ruthenicun MaJiu-qiang,WangXiao-ze,QinShuai,SongWei-jun*（SchoolofChemicalEngineering,QinghaiUniversity,XiningQinghai810000,China）Abstract：lyciumruthenicumisakindofsalinity-tolerant,cold-tolerantanddrought-resistant,tenaciousdesertmedicinalplantvarietiesinChina,widelydistributedinnorthwestChina.Anthocyaninsasanaturalfoodcoloring,itssafetyandharmless,awiderangeofsources,withacertainnutritionalandpharmacologicaleffects.Existingexperimentshaveshownthatlyciumruthenicumaretheplantscontainingthemostanthocyanins.Thispapersummarizestheprogressofthestudyofanthocyaninextractiontechniquesandpurificationmethods.Keywords：lyciumruthenicum；anthocyanins；extractiontechniques；purificationmethods基金资助：青海大学大学生创新创业训练项目计划 17 号（2021-QX-17）；青海省科技厅应用基础项目（2020-ZJ-702）。作者简介：马久强（2000），男，汉族，辽宁盘锦人，青海大学本科生；通讯作者：宋维君（1980），女，青海西宁人，博士研究生，主要研究方向为盐湖资源综合利用。0 引言黑枸杞为茄科，枸杞属，多为棘刺灌木，是我国最古老的药食同源性植物1，在抗氧化、抗衰老、保护视力、保护血管、延缓细胞老化、抗菌消炎、减少胆固醇等方面作用显著，因此常作为营养保健食品和传统的药材被广泛应用。黑果枸杞果实为紫黑色，是我国一种耐高温、耐盐碱、耐寒抗旱、生命力顽强的沙漠戈壁地区药用植物品种，广泛分布于中国西北地区，例如甘肃、新疆、青海、宁夏、西藏等地2。根据藏医药医疗实验与理论结合的 四部医典 记录，黑枸杞早在几百年前就已经被用于明目、降血压、治疗心脑血管疾病和增强人体免疫功能。全球现发现的枸杞属植物有 80 余种，主要分布在热带和亚热带地区，其中，欧洲 3 种、大洋洲 1种、亚美利加洲 45 种、非洲 6 种，在中国有 5 个种，即宁夏枸杞（L.barbarumL.）、枸杞（或称中华枸杞）（L.chinenseMill.）、黑果枸杞（L.ruthenicumMurr.）、柱筒 枸 杞（L.cylindricumKuangetA.M.Lu）、新 疆 枸 杞（L.dasystemumPoiark.）和 3 个变种3，但只有中华枸杞、宁夏枸杞、黑果枸杞被用作药材广泛使用，其被用作药物和功能食品已经有 2000 余年的历史，其中超过九成用的都是宁夏枸杞。成熟的宁夏枸杞干燥果实被称为中药枸杞子，是历版 中华人民共和国药典 中的基源药物。黑枸杞因耐盐碱、抗寒性、抗旱能力强的特DOI:10.14127/ki.jiangxihuagong.2023.01.00262023 年第 1 期（总第 165 期）点，已经成为土壤荒漠化条件下的理想种植植物，其能降低土壤的盐碱度，对治理环境污染、修复沙漠生态系统具有重要意义。黑枸杞作为一种被广泛使用的药用植物，也可以被用作营养食品、食品饮料的原料，对少数民族医学的发展产生了重要的影响。目前，对黑枸杞的科学研究大致分为以下三个方面：（1）利用采取植物化学方法的技术手段，对黑枸杞中的化合物进行提取、分离、鉴定；（2）利用分子生物学的技术手段探讨黑枸杞起源、遗传变异及其与其他生物之间的关系；（3）对黑果枸杞中化合物成分和药理成分进行分析4。1 黑枸杞的营养成分1.1 花青素花青素（Anthocyanidins）属于酚类化合物中的类黄酮，又称花色苷，基本结构是带有羟基或甲氧基的 2-苯基苯并吡喃环（如图 1）5。在自然界中，花青素是一种易溶于水的纯天然色素，广泛存在于自然界植物体内，在不同 pH 下因结构不同而呈现颜色差异，在 pH小于 7、酸性条件下为黄烊盐呈现红色，在 pH 大于 7、碱性条件下结构为醌式结构呈现蓝色，在强碱性环境下结构为拟碱式和查耳酮式呈现无色（如图 2）6。据不完全统计，有 27 个科 73 个属的植物体内含花青素，黑枸杞、蓝莓、葡萄、覆盆子、草莓、紫甘蓝、紫茄皮都是花青素的良好来源，其中黑果枸杞中含有的花青素含量最多，是人类生活环境中花青素含量最高的植物。随着当今社会的进步和国民经济的不断提高，绿色发展、人与自然和谐共生的理念深入人心，消费者日益关注合成色素的安全性问题，各国也对合成色素进行了严格的控制，天然色素在食品、医药等行业中的应用越来越受人民群众的欢迎7，由于花青素作为天然的食用色素，其安全无害、来源广泛、具有一定的营养和药理作用，故而引起了人们对花青素在食品工业中应用的关注。研究表明，花青素具有很强的抗氧化活性，是一种良好的抗氧化剂和自由基清除剂，具有抗肿瘤、抗癌、抗动脉粥样硬化、预防糖尿病、预防近视等功效。图 2 不同 pH 下花青素结构和颜色变化情况1.2 甜菜碱甜菜碱是一种易溶于水的季铵型生物碱，化学名称为 1-羧基-N，N，N-三甲氨基乙内酯，又称甜菜素，广泛存在于自然界动植物体内，是一种天然的营养物质8。甜菜碱作为黑枸杞中的主要药用成分之一，它具有作为甲基供体、降压、抗肿瘤、抗脂肪肝、调节体内渗透压的功能9，且其氯化物铝盐还具有防溃疡、促进创伤愈合、止汗、除异味的功效。蛋氨酸是育肥猪重要的氨基酸，而甜菜碱则能够取代蛋氨酸，从而缩短了胆碱作为甲基供体向甜菜碱的氧化转化过程周期，降低了饲料粗蛋白水平，减少了昂贵的蛋白质来源，提高了育肥猪的日增重，降低采食量，降低育肥猪的热量消耗，从而降低了饲养成本，提高经济效益10。1.3 酚酸类化合物目前通过对黑果枸杞子的定性、定量分析可以得知：黑果枸杞中含有十一类酚酸类化合物，分别是绿吉酸、水杨酸、苯甲酸、五倍子酸、香草酸、2，4-二羟基苯甲酸、4-羟基肉桂酸、白藜芦酸、桂皮酸、鞣花酸和咖啡酸，其中绿吉酸含量最高11,12。2 花青素的提取技术2.1 溶剂萃取法溶剂萃取法是提取花青素的最常用的方法，也是报道最多的方法之一，因为花青素结构在 pH 大于 7 的溶液中不稳定，所以溶剂提取法是先对含有花青素的果图 1 常见的花青素结构（天竺葵色素：R1=R2=H；矢车菊色素：R1=OH、R2=H；锦葵色素：R1=R2=OCH3；芍药色素：R1=OCH3、R2=H）醌式结构（蓝色）黄烊盐（红色）拟碱式结构（无色）查耳酮式结构（无色）72023 年 2 月黑枸杞中花青素的提取技术概述实进行浸泡后，再用酸性溶液萃取的实验方法。候黔灵等13发现采取 80%的氯化胆碱-柠檬酸水溶液为低共溶剂，在料液比为 20：1、提取开尔文温度为 353K、提取时间 40min 时，从油茶籽壳提取出的花青素含量最高。徐唐芸等14发现摩尔比为 1：20 的氯化胆碱-枸橼酸为低共熔溶剂，发现当低共熔溶剂含水量为 25%，液料比为10：1，提取开尔文温度353K，提取时长为3.0h时，提取花青素的含量最高。白冰瑶等15以尿素和氯化胆碱摩尔比为 2：1 的混合溶剂为低共熔溶剂，采用响应面方法确定从红枣中提取多糖的最优工艺。赵薇16以氯化胆碱-无水乙醇混合溶液为低共熔溶剂从蝶豆花中提取花青素，发现液料比对花青素提取效果影响最大，其次是低共溶剂的摩尔比，而超声时间和超声温度对花青素提取影响相对较小。但溶剂提取法在提取花青素时具有提取时间长、提取花青素产率低、提取花青素稳定性差的缺点。2.2 酶辅助提取法酶辅助提取法（EAE）的原理是通过对植物细胞壁的网络结构进行水解，增加细胞的通透性，使细胞结构变得松散，进而使植物中的目标提取物得到释放，从而提高提取产率，通常用纤维素酶和果胶酶提取花青素。酶辅助提取法虽然具有作用条件温和、高效的特点，但酶的成本相对于大量的原材料而言较高。李彩霞等17以酶用量、酶解时间、酶解温度等单因素实验探索从黑枸杞中提取花青素的最优工艺。郑覃等18利用果胶酶对黑枸杞中的花青素进行提取，在果胶酶用量为 1、温度为 49，乙醇浓度为 80%，料液比为 1：21 时，提取花青素的含量最高。2.3 双水相提取法双水相提取法是相对于传统的有机相-水相溶剂萃取的一种全新的萃取方法。当两种亲水性，化学结构不同的聚合物、一种聚合物与另一种亲液盐在一定热力学条件下，静置之后自发形成两个互不相溶的双水相系统。裴朝阳等人使用 EOPO/K2HPO4双水相体系提取的葡萄籽原花青素，因原花青素在两相中含量分配极不均匀，故原花青素主要集中在 EOPO，难以分离，裴朝阳等19在温度诱导相中添加无机盐 MgCl2，将原花青素从 EOPO 相中转移到水相，后又经纯化提高原花青素的纯度。2.4 高压脉冲电场法高压脉冲电场（PEF）是一种不同于物理、化学、生物的非热特性破壁新技术，提取原理是利用外加的高压电流瞬时破壁，使样品的细胞膜或细胞壁的通透性发生变化，使样品中的目标产物更容易从细胞里溶出而被提取，此方法最早被应用于食品杀菌。由于高压脉冲电场法具有快速、高效、能耗低、产热少、穿透能力强、不易引起目的产物变形等特点，在成分提取领域也有着广泛的应用。刘子豪等20研究高压脉冲电场对花青素提取的影响，发现在电场强度 25kVcm-1、液料比50：1gmL-1、温度308K、乙醇体积分数70%时，从黑果腺肋花楸中花色苷的提取率最大。2.5 微波辅助萃取法微波辅助萃取法（MAE）是一种用频率在 300MHz300GHz 之间的高频电磁波瞬时渗透加热的方法，将花青素从样品基体中分离进入溶剂，具有穿透能力强、选择性好和加热均匀等优点。在高频电磁波辐射的作用下，植物细胞组织通过离子迁移和偶极子旋转引起分子运动，这种快速运动会在物质内部微粒之间发生摩擦、碰撞并产生大量的热能，从而导致组织和细胞壁破裂，使溶质从细胞中流出。因此，微波辅助提取法可以在提高花青素的提取率的同时缩短提取花青素所需要的时间。张元德等21利用微波辅助萃取的手段探索发现在电磁波功率为 70W、质量分数为 75%的乙醇为提取溶剂、萃取时长为 20min、液料比为 50：1、浸泡时间为20h 时从黑枸杞中提取花青素的含量最高。2.6 超声辅助提取法超声辅助萃取法（UAE）是在溶剂提取的同时利用有效频率在 2050kHz的机械波对目标进行作用。在空化、振动、破碎、搅拌的作用下，植物细胞内部会产生高温高压，激发化学反应使细胞组织膨胀，进而破坏细胞壁和增强传质，使细胞中目的提取物渗透/扩散速度加快，释放出目标提取物的含量也提高。但超声辅助萃取的方法可能会破坏目标提取物的结构，使其活性降低。冯小雨等22利用超声波辅助提取的方法，从超声时间、超声功率、超声温度、乙醇浓度及液料比等方面探索从黑枸杞中提取花青素的最优工艺，发现超声温度、液料比和乙醇浓度对从黑枸杞中提取花青素的影响显著。3 花青素纯化方法3.1大孔树脂吸附法大孔树脂的吸附原理与其结构密切相关，由于大孔树脂具有孔径大、外表面积大的特点，使得待分离纯化溶液流经大孔结构时与树脂吸附剂产生范德华力82023 年第 1 期（总第 165 期）和氢键作用，从而实现待提纯溶液的分离和提纯。范明 霞 等23比 较 AB-8、S-8、LSA-10、D101、HPD100、HPD400 七类大孔树脂对葡萄籽中原花青素的吸附性能，发现 AB-8 大孔树脂的纯化效果最好，其次是 LSA-10 和 D101。之后对七种大孔树脂进行解吸处理，发现经过 AB-8 型大孔树脂纯化后待纯化液中原花青素的纯度最高。随后，王宏等24研究 AB-8 型大孔树脂对黑枸杞中花青素的吸附行为，发现适用 Elovich 动力学吸附模型，吸附过程是多分子层吸附，但是粒子内部扩散模型因受到分子扩散的影响，使得吸附机理变得复杂，通过对实验数据的拟合和对比，发现 Freundlich 模型更加适用。大孔树脂吸附法操作简单、树脂可以进行循环利用，成本也比较低，适合工业化生产，但是树脂种类繁多，使用前需进行预处理且纯化效率不高。3.2 凝胶色谱法凝胶色谱法又叫凝胶色谱技术，亦称体积排阻色潽法，是一种根据待纯化液体各组分分子尺寸不同进行分离纯化的技术。我们将流动相为水溶液的称为凝胶过滤色谱，流动相为有机溶液的称为凝胶渗透色谱，多孔材料为固定相。待纯化液体中尺寸大于多孔材料微孔的组分，因不能进入填料微孔而最先流出，在色谱中最早出现，相反，尺寸小于多孔材料微孔的组分，因能够进入微孔且渗透到微孔的深度不同，故而保留时间较长。李莹等25用采用凝胶色谱技术对从高粱外种皮提取的原花青素进行纯化，待纯化溶液流过凝胶色谱得到分离色谱图，后将分离色谱图划分为六个区域，经紫外光谱分析检测确定五个组分为原花青素，一个组分为黄酮，将原花青素进行高效液相色谱分析，与标准样品色谱图确定各原花青素的结构。凝胶色谱法相较于大孔树脂吸附法分离效果更好、产物纯度更高，但凝胶的价格昂贵，使用成本高。3.3 高速逆流色谱法高速逆流色谱法是利用两液相物质作为固定相和流动相，待纯化液体在两互不相溶的相中的分离能力不同，为实现分离的一种分离纯化方法。郭丹妮等26将葡萄糖凝胶色谱和高速逆流色谱结合，对蓝莓中的花青素进行纯化处理，以甲基叔丁基醚-正丁醇-乙腈-水（体积比为 1：3：1：5）为两相溶剂体系，待纯化花青素溶液流经高速逆流色谱，得到了纯度较高的花青素溶液。该纯化技术具有分离效率高、溶剂消耗少的特点，但是由于设备成本较高，关于高速逆流色谱法分离纯化的文献较少。4 结论黑枸杞是自然界中含有花青素含量最多的植物，素有“软黄金”的美名。花青素作为一种天然植物色素，也具有抗衰老、美容护肤、预防近视、保护血管等功效。本文主要介绍了六种提取花青素的技术，以及三种将花青素分离纯化的技术，也介绍了这九种提取、分离纯化技术的优点和缺点，我们可以在今后的研究中将技术进行结合，探索出一种工艺简单、提取效率高、对环境无影响的可适用于工厂大批量生产的技术。参 考 文 献1 齐海丽，吕云皓，杨双铭，等.黑枸杞果醋发酵工艺条件优化 J.中国酿造，2021，40（12）：204-210.2 董雨荷，胡文忠，连俊辉，等.黑果枸杞活性成分及其药理作用的研究进展 J.广东化工，2020，47（23）：48-49+54.3 刘建飞，巩媛，杨军丽，等.枸杞属植物中生物碱类成分研究进展 J.科学通报，2022，67（Z1）：332-3504 刘超.黑枸杞花色苷的提取及其稳定性和抗氧化活性的研究 D.重庆大学，20185 全文彬，纪昊垚，麦梓锋，等.花青素对眼部保护作用及其机制的研究进展 J/OL.食品与发酵工业：1-102022-09-30.6 TANAKA，SASAKI，OHMIYA.Biosynthesisofplantpigments：anthocyanins，betalainsandcarotenoids J.PLANTJ，2008，2008，54（4）（-）：733-749.7 刘兴海，邱诗波，杜桂涛，等.天然色素的提取、稳定性改进及其应用进展探究 J.数字印刷，2022（01）：1-25.8 潘菲，韩晓萍.五产区间黑果枸杞甜菜碱的含量测定及比较研究 J.西南民族大学学报（自然科学版），2022，48（03）：283-289.9 史蓉，李婷婷，王蓉，等.枸杞甜菜碱检测方法及提取工艺的优化 J.食品工业，2020，41（06）：115-120.10 薄欣宇，杨孟哲，任战军，等.甜菜碱对猪不同生长发育阶段影响的研究进展 J.中国畜禽种业，2022，18（08）：18-20.11 Chen S，Zeng Z，HuN，et al.Simultaneousoptimizationoftheultrasound-assistedextractionforphenoliccompoundscon-tentandantioxidantactivityofLyciumruthenicumMurr.fruitusingresponsesurfacemethodology J.FoodChem，2018，242：1-8.12 Zhang G，Chen S，Zhou W，et al.Rapid（下转第 12 页）122023 年第 1 期（总第 165 期）定 216，空运、海运和道路运输 3 种运输方式的货运鉴定结果都可作为非受限性货物，铁路运输由于没有相应的特殊规定，因此只能划分为 UN3175含易燃液体的固体，类包装。样品 911 为非独立包装，所含液体大于 10mL，且明显可见游离液体，故而四种运输方式都划分为 UN3175含易燃液体的固体，类包装。样品 13、14 属于气雾剂或喷雾器（气溶胶），点火距离试验结果均 75cm，属于易燃气雾剂。样品 13、14的容量分别为 120mL 和 245mL，4 种运输方式均被划分为 UN1950，区别在于不同的运输方式所用的技术名称有所不同。样品 14 虽然在点火距离试验中 75cm 处发生点火，但由于所含成分无毒且容量不大于 50mL，带有防意外释放的保护装置，根据 IMDGCode特殊规定 190和 JT/T617-2018 特殊规定 190，海运和道路运输两种运输方式的货运鉴定结果都可作为非受限性货物，空运和铁路运输由于没有相应的特殊规定，因此只能划分为UN1950 气溶胶，易燃和 UN1950喷雾罐类。参 考 文 献1 中华人民共和国国家卫生与计划生育委员会消毒供应中心：第 1 部分管理规范：WS310.1-2016 S.2016.2 张强，禹伟腾，王佳莉，等.常见日用含酒精消费品涉危判定探讨 J.广东化工，2021，48（16）：127-129.3 陈俊彬，李滢舟，李心恬，等.含氯消毒剂危险性分类和运输规范探讨 J.中国口岸科学技术，2020（08）：60-66.4 罗嵩，李晓，孙波.新冠肺炎疫情期间有关酒精消毒产品使用的舆情研究 J.中国消毒学杂志，2021，38（6）：425-431.5 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