紫甘薯红色素

紫甘薯的块根和茎叶中浸提出来的一种天然红色素

紫甘薯红色素(PSPC，purple sweet potato color)是从紫甘薯的块根和茎叶中浸提出来的一种天然红色素，属于花色苷类物质，由花青素与糖发生糖苷化反应得到。

研究历史

国外对紫甘薯研究较早，大约始于20世纪中期。但是，紫甘薯的结构一直是国外学者所研究的焦点，后期则更多的研窥其生理功能和抗氧化活性。日本对PSPC的提取、鉴定和理化性质等已作了一些研究。国内学者陆国权等1996年即开始对该色素进行系统的研究，现已取得显著进展。有资料报道，酰基化的色素分子可以使色素的稳定性提高，而紫甘薯色素分子是酰基化的色素分子，所以其稳定性较强，应用前景广泛。

组成成分

紫甘薯属旋花科一年生草本植物，是由日本培育出的一种优良甘薯品种，其肉质紫红，其中所含色素为花色素苷，称为紫甘薯色素。

紫甘薯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。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],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

PSPC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。

理化性质

外观和色调

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，且产晶中无甘蓝红色素和胡萝卜素产品中难以除尽的异昧(李浩明，高蓝，2003)，1%色素液呈红色。

溶解性能

PSPC纯品为紫红色固体粉末,，是一种水溶性色素。因其结构中含多个酚羟基，故易溶于水、无水乙醇、甲醇、丙酮,不溶于石油醚和菜油等。又因PSPC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。

光谱特性

紫甘薯红色素在不同介质中呈现不同的光谱特性。

pH的影响

pH值对PSPC的光谱特性影响很大，在不同的介质中呈现不同的光谱特性，只在酸性条件下λ=530nm处出现特征吸收峰。随着pH的升高，PSPC的吸收峰向长波方向移动。当pH为11时，吸收峰反而向400nm方向移动，说明介质pH对其吸收峰位有影响。只要pH值不变，其特征吸收峰也不变。

稳定性影响因素

PSPC因其所具有的酰化基团使它较一般花色苷对光、热、空气等的感应要小，性质也更为稳定。

温度

温度对PSPC的影响似乎与pH有关。当pH为3时，该色素对热表现出相对稳定性；当pH为5时，且较长时间高温，色素稳定性有所下降，但下降幅度并不大，说明其耐热性较强。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。

Oliver等人认为在花色苷的结构互变中，AH→B→C的反应是一吸热反应，升高温度将促使反应向B或C方向进行。研究表明当温度高于100℃时，单糖苷花色苷降解主要从脱糖苷反应开始，随后，脱去单糖苷的花色苷元进行开环及以后的降解反应，最后生成棕褐色的物质及部分沉淀物；当温度低于100℃时，单糖苷花色苷降解的途径很多，但可以肯定的是,最后都将生成棕褐色的物质及部分沉淀物。这极有可能是发生了羰氨反应，生成焦糖。

光照

PSPC在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。

金属离子对

Fe2+、Al3+、Fe3+、K+、Cu2+、Mg2+、Ca2+等常见金属离子对紫甘薯红色素没有显著影响，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PSCP颜色的结论，因为Fe3+本身也有颜色。

食品添加剂

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。PSCP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，PSCP抗氧化性性较弱，而抗还原性较强。

NaCl

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，PSCP的最大吸收峰吸光强度也增大。

分离提纯

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）超滤法：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。

PSPC的提取

紫甘薯色素的提取主要有溶剂法和发酵法。实际生产中大多采用溶剂法，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。发酵法提取是将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。

除了常规的萃取方法外，还可以使用微波、超声波等辅助技术，用来提高色素的提取率。

PSPC的纯化

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：

紫甘薯红色素纯化的目的是除去提取物中的杂质，诸如糖类、淀粉、蛋白质、鞣质等。如杂质含量较高，多呈浸膏状，难成粉末，保质期短。未去除杂质的浸膏状甘薯红色素的色价也较低。又因其水溶性的特点，使得同样是水溶性的糖类成为PSPC纯化过程中一个很难以除掉的杂质。因此，为了提高产品的色价，必须对其粗体液进行纯化。

对于水溶性的色素，可采用分级醇沉法除去杂质。但醇沉过程中会伴有吸附和包夹，致使色素有不同程度的损失。分级醇沉要比一次醇沉所得产品纯度高。对PSPC进行精制纯化，可采用AB28大孔吸附树脂动态过柱法。此法可除去糖类等水溶性杂质及大部分脂溶性杂质，降低PSPC的吸潮性，提高纯度。70%的酸化乙醇洗脱后，经喷雾干燥或真空冷冻干燥即可得到紫红色固体粉末——PSPC纯品。其中，真空冷冻干燥的方法可减少PSPC的损失量。

纯化后的PSPC色价显著提高，杂质含量大大减少，性质也较为稳定，保质期长。国内有几家色素厂已采用陆国权的方法分离提纯PSPC，即采用0.5%柠檬酸作提取剂，物料比1∶200，60℃恒温，浸提1h。浸提得到的粗制品，经减压浓缩，AB28大孔树脂吸附，70%乙醇洗脱，喷雾干燥或真空冷冻干燥后得到紫红色固体粉末———PSPC纯品。

作用用途

生理功能

紫甘薯红色素除可作为一种天然的着色剂之外，由于其结构特点，还具有一定的生理功能。

抗突变性

用精制的紫番薯花色素苷对沙门氏菌（SalmonellatyphimyriumTA98）的突变性进行了研究，发现提纯后的紫番薯花色素苷有较强的抗突变能力。

抗氧化作用

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。PSPC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。另外，PSPC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。

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

紫甘薯汁对大鼠和人肝功能障碍有缓解作用，通过对大鼠和人的体内试验发现：紫甘薯汁能明显缓解由四氯化碳所引发大鼠的各种肝功能障碍。有资料表明凡肝功能偏高，病程在五年以内的患者，通过定量使用紫番薯汁，各项肝功能指标均有所下降，平均下降22%。

抗肿瘤功能

癌症是威胁人类生命和健康的主要疾病，人体细胞的癌变过程是一个极其复杂而且漫长的过程，受多种内外环境和理化因子的影响，其中关键是体内各种酶的变化。癌症之所以可怕，就是因为它具有浸润周围组织和转移到身体的其他部位的能力。

人类癌症的预测在一定程度上与肿瘤的生长有关，但主要还是取决于肿瘤的入侵性和肿瘤细胞数目的转移。一般认为，抑制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。因花色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PSPC属于花色苷物质，所以推测PSPC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。

除了以上功能外，PSPC还有抗高血糖功能，对心血管疾病也有一定的作用。

抗高血糖功能

日本学者从紫甘薯I pomoea batatas L.c v. A yamurasaki的块根中分离出来的一种二酰基花青素能够通过α-葡糖苷酶的抑制作用而达到降低血糖的作用。10mg/kg最小剂量的这种二酰基花青素即可降低人体内的血糖水平。

工业应用

食品行业上的应用

在消费者眼中，具有诱人的色泽，是食品的重要感官指标。它可以通过刺激消化液的分泌、增加食欲来吸引消费者。但是天然食品在加工保存的过程中极易褪色或变色，因此为了改善食品的色泽，常常在加工的过程中添加食用色素，以改善其感官性质。

由于化学合成色素的毒副作用越来越受到重视，使得天然色素的应用成为必然的发展趋势。PSPC在从紫甘薯直接浸提的过程中未采用任致使色素产生有害变化的手段或药剂，为天然无毒制品。根据联合FAO/WHO的规定，可用作安全无毒的食品添加剂，其用量未作限量性规定，以满足所需要的着色度为限。因其耐热性好，能够经受食品工业上的巴氏法消毒，且具有醇溶及水溶性的特点，可用作食品的红色至紫红色着色剂而添加到水基的食品如冰淇淋、奶制品饮料、果汁饮料、奶酪、水产品、果冻、谷物等食品中以及用于色拉装饰等。

陆国权等人曾将PSPC直接加入市售的“孔府家酒”白酒，“西湖”啤酒，“太一”矿泉水和“雪碧”碳酸饮料中，发现适量的PSPC能使饮品颜色均匀美观，清澈透亮，即使在室内放置90d，外观也几乎无变化，仅是光密度略有减少。Bassa I A等通过试验证明甘薯花青素在饮料中的稳定性超过商品色素（Enocyanin）及黑莓色素。又因其耐光性好，经PSPC着色的食品无需遮光材料包装。

另外，服用天然植物提取物作为调节身体健康的补充剂已成为时尚。紫甘薯红色素具有抗氧化、抗肿瘤等生理作用，因而可以作为保健食品的功能配料来使用。

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。

化妆品行业上的应用

化妆品加工业中使用的着色剂，既要求美观，又要求安全无毒害。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。而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。而大多数化妆品中所使用的色素多为化学合成色素，长期使用会产生蓄积作用，对机体造成潜在的危害。已经有研究证明，化妆品中的色素可导致皮肤过敏，色素沉着，甚至引发哮喘等。而PSPC取自天然，不仅色彩鲜艳、自然、独具魅力，而且还具有上述多种保健功能，因此有望取代化学合成色素（如酸性大红）而广泛应用于口红、胭脂、洗发水等化妆品。

安全性评价

凌关庭将紫甘薯红色素按饲料量0.06%，1.23%和5%的比例混入饲料，对F344系大鼠经口饲养13周，无可见影响，即其无影响量可达到饲料量的5%。

产品指标

保存方式：存放在一个密封性好的容器里，防止潮湿、强光照射、高温。

保质期：粉末（2年）、液体（8个月）

表1 感官要求

表2 理化指标

重金属

重金属应符合表3的规定

表3 重金属指标

卫生指标

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