花青素(anthocyanidins),又称花色素，是自然界一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素，是花色苷(anthocyains) 水解而得的有颜色的背元。水果、蔬菜、花卉中的主要呈色物质大部分与之有关。在植物细胞液泡不同的PH 值条件下，花青素使花瓣呈现五彩缤纷的颜色。已知花青素有20 多种，食物中重要的有6种，即天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛花色素和锦葵色素。自然状态的花青素都以糖苷形式存在，称为花色苷，很少有游离的花青素存在。花青素主要用于食品着色方面，也可用于染料、医药、化妆品等方面。
种类编辑
已知天然存在的花色素有250 多种，存在于27 个科、73 个属的植物中。目前已确定的有20 种花青素，在植物中常见的有6 种，即天竺葵色素( Pg) 、矢车菊色素( Cy) 、飞燕草色素( Dp) 、芍药色素( Pn) 、牵牛花色素( Pt) 和锦葵色素( Mv)。
结构及特性编辑
花青素是糖苷衍生物，基本结构如下:
一般自然条件下游离的花青素极少见，常与一个或多个葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖等通过糖苷键形成花色素，花色素中的糖苷基和羟基还可以与一个或几个分子的香豆酸、阿魏酸、咖啡酸、对羟基苯甲酸等芳香酸和脂肪酸通过酯键形成酸基化的花色素[2] 。
花青素分子中存在高度分子共扼体系，含有酸性与碱性基团，易溶于水、甲醇、乙醇、稀碱与稀酸等极性溶剂中。在紫外与可见光区域均具较强吸收，紫外区最大吸收波长在280 nm 附近，可见光区域最大吸收波长在500 ～ 550 nm 范围内。花青素类物质的颜色随pH 值变化而变化，pH 7 呈红色，pH= 7 ～ 8 时呈紫色，pH > 11 时呈蓝色。[3]
主要来源编辑
花青素广泛存在于开花植物(被子植物)中, 其在植物中的含量随品种、季节、气候、成熟度等不同有很大差别。据初步统计: 在27个科, 73个属植物中均含花青素, 如紫甘薯、葡萄、血橙、红球甘蓝、蓝莓、茄子、樱桃、红莓、草莓、桑葚、山楂、牵牛花等植物的组织中均有一定含量。[4]
最早最丰富的花青素是从红葡萄渣中提取的葡萄皮红色素, 它于1879年在意大利上市[5] , 该色素可通过葡萄酒酒厂的废料-葡萄渣提取。接骨木浆果( Elderberries)中含大量的花青素, 并且都是矢车菊素, 每百克鲜重在200 ~1000 mg。另外, 花青素在大麦、高粱、豆科植物等粮食作物中也广泛存在。研究发现, 葡萄籽与松树皮的提取物中花青素的含量最高。[4]
提取方法编辑
溶剂提取法
溶剂提取是花青素的常规提取方法, 溶剂多选择甲醇、乙醇、丙酮、水或者混合溶剂等。为了防止提取过程中非酰基化的花青素降解, 常在提取溶剂中加入一定浓度的盐酸或者甲酸, 但在蒸发浓缩时这些酸又会导致酰基化的花青素部分或全部的水解。另外, 对于提取物中可能含有脂溶性成分的样品, 需采用有机溶剂如正己烷、石油醚、乙醚等进行萃取 。传统的溶剂提取方法提取时间长, 生产效率较低, 且热溶剂容易造成花青素降解以及生理活性的降低。[6]
国外提取花青素的传统方法是采用低温( 4~8 ℃) 或者常温( 25℃ ) 避光条件下1% HCl 甲醇溶液浸提16~ 20 h, 或者采用01 5%、1% 的三氟乙酸的甲醇溶液, 4 ℃条件下浸提24h 。考虑到食品中残留甲醇的毒性, 也有用1% 的HCl 乙醇溶液代替甲醇溶液 。另外为了避免酰基化的花青素的水解, 也可选择弱酸如酒石酸、柠檬酸代替盐酸。而国内则多采用热溶剂( 50~ 70℃ ) 浸提1~ 2 h 的方式 , 溶剂可选择不同浓度的醇溶液或酸化的水溶液。[6]
加压溶剂萃取法
加压溶剂萃取, 又称加压液体萃取( Pressurized Liquid Extraction, PLE ) 、快速溶剂萃取( Accelerated Solvent Extraction, ASE) , 它是通过外来压力提高溶剂的沸点, 进而增加物质在溶剂中的溶解度以及萃取效率的。
目前PSE 技术对于食品中功能成分的提取主要集中在类黄酮、酚类物质以及其他抗氧化活性成分的研究上。该技术在花青素的提取方面也有报道。采用此技术优化紫甘蓝中花青素的最佳提取工艺, 最佳参数为: 样品21 5 g, 温度99 ℃ , 提取时间7 min, 溶剂为V( 水) BV( 乙醇) BV( 甲醇) = 94:5 : 1。[6]
水溶液提取法
有机溶剂萃取的花青素多有毒性残留且生产过程环境污染大, 有鉴于此, 水溶液提取应运而生。该方法一般将植物材料在常压或高压下用热水浸泡,然后用非极性大孔树脂吸附; 或直接使用脱氧热水提取, 再采用超滤或反渗透, 浓缩得到粗提物。[4]
微生物发酵提取法
此方法将生物发酵技术应用于花青素的提取之中, 是生物科学与化工生产之间的超强渗透与有效结合。微生物发酵法利用微生物或酶让含有花青素的细胞胞壁降解分离, 使细胞胞体内花青素充分溶入到提取液中, 从而增加提取的产率与速率。[4]
其他提取方法
包括高压脉冲电场辅助提取、双水相萃取、超高压辅助提取。前两种可应用于蛋白质、核酸、多糖的提取研究, 而超高压辅助提取已成功用于葡萄中花青素的提取之中, 且对比发现高压辅助提取花青素等多酚类的效率可以提高近50% 。
纯化工艺编辑
目前, 花青素的纯化多采用液相萃取、固相萃取、薄板层析、柱层析、酶法、离子交换法、大孔树脂法、膜分离和综合技术法等。其中大孔树脂吸附是近年来花青素提纯最常用的方法之一[7] , 而新的纯化方法例如高速逆流色谱应用、电泳法还处于起步发展阶段。
鉴定方法编辑
花青素总量测定多采用分光光度法，样品经沸水提取，加酸性乙醇显色，生成特有的刚果红，于波长纳米处测吸光度，该法不受黄酮苷及儿茶素的干扰，但受原花色素、花白素干扰，分析结果往往偏高，灵敏度也不够理想，但是茶叶中花青素总量分析沿用此法; 除此，还可以采用高效液体相色谱法对花青素单一成分结构的鉴定，可以用HPLC 对贵州黑糯米稻米表皮中提取的三种花青素结构进行鉴定[8] ，用UV-VIS、IR、H-NMR 和HPLC 等方法，对蓝靛果中分离出来的纯花青素( 矢车菊素) 的结构进行鉴定[9] 。
应用编辑
抗氧化及清除自由基功能
花青素属于生物类黄酮物质，而黄酮物质最主要的生理活性功能是自由基清除能力和抗氧化能力。研究证明: 花青素是当今人类发现最有效的抗氧化剂，也是最强效的自由基清除剂，花青素的抗氧化性能比VE高50 倍，比VC高20 倍[10] 。紫色甘薯花色苷产品对- OH、H2 O2，等活性氧均具有清除和抑制作用，尤其对- OH 的清除能力强于抗坏血酸，且清除作用与浓度呈剂量关系[11] 。
抗突变功能
花青素的作用不仅使植物呈现五彩缤纷的颜色，也具有降低酶的活性，抗变异等保健功能的活性分子。研究表明有一定花青素浓度的提取物能有效预防不同阶段癌变发生，但花青素的个体作用并不确定，部分原因是与其它酚类物质等稳定成分分离后进行生物测定，花青素易降解。[3]
在食品中的应用
随着科技的发展, 人们对食品添加剂的安全性越来越重视, 天然添加剂的开发利用已成为添加剂发展使用的总趋势。花青素在食品中不但可作为营养强化剂, 而且还可作为食品防腐剂代替苯甲酸等合成防腐剂, 并且可作为食品着色剂应用于平常饮料和食品, 符合人们对食品添加剂天然、安全、健康的总要求
