[科普中国]-紫甘薯色素

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紫甘薯色素主要分布于紫甘薯块根中。紫甘薯又名蕃薯、红薯、甘薯、山芋、番芋、红苕、线苕、白薯、金薯、甜薯、朱薯、枕薯等。常见的多年生双子叶植物，草本，其蔓细长，茎匍匐地面。

紫甘薯色素在紫甘薯细胞中以与糖缩合成糖苷的形式存在于液泡中，主要呈色成分为花青素类的氰锭酰基葡糖苷及甲基花青素酰基葡糖苷。

结构特点紫甘薯色素成分复杂，主要成分为氰定酰基葡糖和甲基花青素酰基葡糖苷。其所含的花青素为类黄酮系化合物，以C6-C3-C6为基本骨架，具有类黄酮的典型结构，即2-苯基苯并吡喃阳离子[R=HOHOCH]。PSPC的主要成分为矢车菊素（Cy，Cyanidin）[R=H,R’=OH]和芍药素(Pe,Peonidin)[R=H]2，其中芍药素是矢车菊素的甲基化衍生物。

注：Caf 咖啡酸，Fer 阿魏酸；PHB对羟基苯甲酸

理化性质外观和颜色紫甘薯红色素的固态呈紫黑色，其稀酸液为鲜艳透亮的深红色，且产品中无甘蓝红色素和胡萝卜素产品中难以除尽的异味，1%色素液呈红色。

溶解特性纯品为红至紫红色粉末，因其结构中含多个酚羟基，是一种水溶性色素，可溶于纯水、甲醇、乙醇、冰醋酸、丙酮、稀盐酸和稀氢氧化钠，不溶于石油醚等有机溶剂。又因紫甘薯色素所含花青素分子中的吡喃环上有一4价氧原子，具有碱性的性质，而同时又有酚羟基，具有酸的性质，故亦能溶于稀酸和稀碱3。

光谱特性紫甘薯色素在不同介质中呈现不同的光谱特性。只有在酸性介质中，波长在520nm处才出现特征吸收峰3。

PH的影响花青素类色素对pH值十分敏感，随着pH的升高，花青素由红色的黄盐阳离子向无色的醇型假碱变化。紫甘薯色素属于花青素类色素，其结构中吡喃环上有四价氧原子，具有碱的性质，而同时又有酚羟基，具有酸的性质，因此颜色受介质酸碱度的影响较大，随着pH值的变化而变化：当pH≤5时，该色素呈稳定的红色；而在pH>5时，其颜色则由红色变成紫色再变成蓝色。此外，当pH为5.0~6.0时，最大吸收波长λmax（nm）下的吸光值最低；其最大吸收波长随着pH的升高而向长波方向移动，但当pH为11时，最大吸收波长反而向400nm移动，说明介质pH对其吸收峰位有影响

稳定性的影响因素由于其所具有的酰化基团，紫甘薯色素与其它花色素苷类色素相比，具有较好的耐热性和耐光性。

加热对色素稳定性的影响实验表明，将紫甘薯色素配制成色素溶液，置于90"C的水浴中加热3h，取出后快速冷却至室温，其特征吸收峰处的ABS(吸光度)值变化不大，表明它对热具有较好稳定性。但该稳定性与溶液pH有关；pH为3时，该色素对热表现出相对稳定性，当pH>6时，色素的热稳定性明显下降，受热温度越高、时间越长，色素的稳定性则越低。因此，为减少对色素的破坏，使用时，应尽量避免高温和长时间受热。

光照对色素稳定性的影响将配制的紫甘薯色素溶液(pH=3)，置于不同光照条件和不同时间进行处理，表现出光稳定性好的特性，与紫葡萄、紫苏、黑米等植物所含的红色素比较，紫甘薯色素的光稳定性最好。

另外，氧化剂或还原剂存在时，颜色变化不大，但光密度有所变化，添加还原剂NaHSO3光密度增加1.3%；而增加氧化剂H2O2，其光密度则减少8.2%，可初步确定该色素抗氧化性较弱，而抗还原性较强3。

金属离子对色素稳定性的影响Fe2+、Al3+、Fe3+、K+、Cu2+、Mg2+、Ca2+等常见金属离子对紫甘薯色素没有显著影响，所以在实际生产中可以不用考虑所用容器的材质。但是，当加入Fe溶液呈紫褐色，但是不能得出Fe可以增强紫甘薯色素颜色的结论，因为Fe3+本身也有颜色。

食品添加剂对色素稳定性的影响在pH为3时，添加山梨酸钾对该色素的颜色及吸收峰均不会造成影响，光密度变化也极小，这说明防腐剂在食品使用浓度范围内对色素的稳定性几乎不造成影响。紫甘薯色素在氧化或还原剂存在时，颜色变化不大，但是光密度有所变化。添加NaHSO3时，颜色变化小，但光密度有所增加，添加还原剂H2O2时，同样，其颜色变化不大，但光密度却有所下降。由此可见，紫甘薯色素抗氧化性性较弱，而抗还原性较强。

NaCl对色素溶液颜色和稳定性的影响由于盐可以防止新鲜原料腐烂，故在实际生产中常有使用。研究发现，随NaCl浓度的增加，紫甘薯色素的最大吸收峰吸光强度也增大。

功能特性紫甘薯红色素除可以作为一种天然的着色剂之外，还具有一定的生理功能，例如，抗突变性、抗氧化作用、抗肿瘤功能等。

抗突变性用紫甘薯色素对沙门氏菌(Salmonella typhimuriumTA98)的突变性实验研究发现，紫甘薯色素具有较强的抗突变效果，可抑制杂环胺、3-氨基-1，4-二甲基-5氢-吡哆-(4，3-b)吲哚、3-氨基-1-甲基-5氢-吡哆-(4，3-b)吲哚和2-氨基-3-甲基咪唑(4，5-f)喹啉等引起的突变作用。实验证明，特别是酰化的花色素昔抗突变作用较强，而脱酰基花色素苷的抗突变能力明显下降。

抗氧化以及清除自由基脂类的过氧化作用和活性氧的自由基反应，可导致人体细胞氧化损害、老化、致癌和动脉硬化等许多疾病，这均与体内氧化反应有关。通过食用具有抗氧化能力的食物，可防止多种疾病发生。

花青素具有很强的抗氧化剂活性，是一种较好的氧自由基清除剂。花色苷抗氧化作用的主要活性基团是分子中的酚羟基。紫甘薯色素的结构中有多个酚羟基，是羟基供体，同时也是一种自由基清除剂。它不仅能和蛋白质结合防止过氧化，而且还能提供质子，有效清除脂类自由基，切断脂类氧化的链式反应，起到防止脂质过氧化的作用。姜平平等对紫甘薯花色苷进行了体外抗氧化活性的研究，发现紫甘薯花色苷在体外活性氧模型中表现出相当的还原力和清除羟自由基的能力，且与浓度呈正比关系4。另外，紫甘薯色素还具有抗Fe引发的卵磷脂脂质体过氧化、抑制由H2O2引发的红细胞溶血作用的能力5。

凌关庭等人曾比较过橙色番薯（富含β-胡萝卜素）和紫番薯两者的榨汁成份发现紫番薯具有很强的超氧化歧化酶（SOD）活性。比较两者的清除游离氧·O2的能力，结果证明紫番薯汁具有比富含β-胡萝卜素的橙色番薯汁更强的·O2清除能力。

缓解肝功能障碍通过对大鼠试验发现，紫甘薯色素能明显缓解由四氯化碳所引发的各种肝功能障碍，在给予大鼠四氯化碳连续5天饲养后，导致试验动物出现急性肝功能障碍，引发各种肝功能指标改变，而在食用含有紫甘薯色素制作的饮料后，能明显抑制病鼠血清中的谷草转胺酶(GOT)和谷丙转胺酶(GPT)的上升，并对血清中的乳酸脱氢酶(LDH)、硫化巴比土酸反应物(TBA-Rs)，肝脏中的TBA-Rs及氧化脂蛋白的增加都有一定的抑制能力，从而减轻四氯化碳引起的肝损伤。有资料表明，人体肝功能指标偏高，病程在5年以内的患者，通过定量使用紫甘薯提取物，各项肝功能指标均有所下降，平均下降达20%左右。6

抗高血糖用从紫甘薯提取物对雄性小鼠进行的试验，30min后小鼠体内的血糖浓度下降16.5%，即便是10mg/kg最小剂量的二酰基花色素苷都可降低体内的血糖水平。紫甘薯色素具有降低血糖的作用，分析原因可能是紫甘薯色素通过对α-葡糖苷酶产生抑制作用，导致血糖浓度的降低。

调节血压研究表明，紫甘薯色素具有抑制血管紧张素转换酶(ACE)活性，ACE具有血管末稍收缩功能，降低血管外周阻力，从而起到降低血压功效。在对45名志愿者服用紫甘薯提取液的试验中，其中有12名收缩压>18．7 kPa(140 mmHg)、舒张压>12.0 kPa(90 mmHg)者，经饮用44天、每天120 ml后，收缩压平均下降10-20mmHg，舒张压平均下降约5 mmHg，降压效果明显。

抗肿瘤胶原降解的试剂可能起到抑制肿瘤细胞的入侵和转移作用，花色素苷类物质可促进胶原的合成，增加胶原的抵抗性，抑制胶原酶的活性。而紫甘薯色素属于花色素苷类物质，所以推测其能起到抑制肿瘤细胞的入侵及转移效果，具有抗肿瘤的功能。

提取、纯化与含量测定花青素的提取工艺主要有三大类：（1）溶剂萃取法：用含有酒精的酸性溶液提取后，再经过滤、浓缩等工艺得到最终的产品；（2）：将酸性溶液浸提、过滤后的溶液用超滤膜浓缩；（3）吸附精制法：将酸性溶液浸提、过滤后的溶液用大孔吸附树脂吸附精制后再浓缩或喷雾干燥得到最终产品。

以上方法各有利弊，溶剂法工艺简单，但产品质量不理想，色素纯度低，溶解性差；超滤法产品质量好，但是对设备要求高，成本大，提取率低；吸附精制法工艺复杂，但是得到产品质量好，回收率高。

提取紫甘薯色素的提取主要有溶剂法和发酵法。目前大多采用溶剂法，所用提取剂有醋酸、盐酸、硫酸、甲酸、柠檬酸、乙醇等，由于食品色素要求安全性高，而柠檬酸是食品工业中常用的酸性介质，故使用柠檬酸作为提取剂比较合适。发酵法提取是籽一定量的紫甘薯洗净，蒸熟后冷却、粉碎，与一定量的米调制的一次醪混合，发酵几天，调制二次醪，过滤二次醪，减压浓缩，可得浓缩色素液。

纯化紫甘薯色素粗提取液需经过纯化处理，将其中蛋白质、淀粉等大分子物质以及溶液中大部分糖类、金属离子等小分子去除。常用纯化方式主要有：(1)树脂法：将色素粗提取液经阳离子交换树脂处理去杂，经盐酸化乙醇交换和浓缩制得色素纯品。(2)超滤法：用柠檬酸的粗提液，经树脂纯化，乙醇洗脱后，将色素液用超滤膜处理除去蛋白质、淀粉等杂质胶体物质，最后再用反渗透膜浓缩得到色素纯品。(3)醋酸铅沉淀法：粗提取液用少量水溶解后，加5%醋酸铅搅拌使色素物质沉淀，将沉淀物用盐酸化食用酒精溶解后，过滤除去白色氯化铅沉淀，将红色溶液蒸馏后干燥，得精制产品。(4)分级醇沉法：在提取和纯化等加工过程中往往会发生天然色素的大量损失，发达国家多采用真空冷冻干燥法来减少色素损失7。但对设备的要求高，同时费用昂贵。

含量测定产品中紫甘薯色素含量测定可以用色价法或产率法测定，前者用普通分光光度计测定，快速准确，简便易行，且不需要标准样品；后者测定结果更为合理精确，不仅可以较准确地反映色素总含量，而且还可以测定并计算出色素各组分含量，但它需要标准样品。

安全性评价凌关庭曾将紫甘薯红色素按饲料量0.06%、1.23%和5.0%比例混入饲料，对F344系大鼠经口饲养13周，无可见影响，即其无影响量可达饲料量的5.0%。

应用紫甘薯色素作为一种天然食用色素，色彩鲜艳、安全无毒、资源丰富，与其它同类色素相比性质更稳定，具有营养和药理兼备特性，在食品、化妆品、医药方面有着较大的应用潜力。

在食品行业中的应用在食品工业中，由于紫甘薯色素耐热性好，能够经受食品工业上的巴氏消毒温度，同时其受金属离子、食品添加剂影响很小，并溶于醇和水溶液。在日本主要用作食品的红色至紫红色着色剂使用，添加到冰淇淋、奶制品饮料、奶酪、水产品、果汁饮料、果冻、腌渍品、饴糖制品、谷物等食品中，因属天然无毒制品，用量无限制性规定，以满足所需着色度为限。同时，由于紫甘薯色素有抗氧化、抗突变等生理作用，因此可以作为保健食品的功能配料使用，并已开始在护肝营养保健品中试用。

在制药行业中的应用在生产中有时由于某种原因，需要添加人工色素，使得药品更加容易识别和区分。常用的医用药片着色剂有芥菜红、胭脂红、靛蓝等。虽然这些化学合成色素经国际卫生部门批准许可，但这些均为合成色素，对人体有一定的危害，长期服用，必定产生一定的副作用。因此，可以使用天然紫甘薯红色素来代替合成色素生产有色药片。

在化妆品行业中的应用由于面部皮肤受环境影响较大，又处于血液循环末端，营养供应不足，因而是人体最先老化的组织。造成皮肤老化、弹性下降以及干燥的主要原因是自由基及过量蛋白酶、弹性酶、透明质酸酶攻击或分解生物分子，使皮肤的支撑能力、保水能力大大下降。由于紫甘薯红色素具有抗氧化、清除自由基能力等作用，因此含紫甘薯红色素的护肤品可抑制由于紫外线照射产生的氧自由基引起过氧化物的生成，对改善皮肤炎症、抗氧化等有一定的作用。此外，它可代替工业中现在使用的合成色素，广泛应用于口红、胭脂、洗发水等化妆品。