紫甘薯紅色素

紫甘薯紅色素(PSPC，purple sweet potato color)是從紫甘薯的塊根和莖葉中浸提出來的一種天然紅色素，屬於花色苷類物質，由花青素與糖發生糖苷化反應得到。

紫甘薯紅色素色澤鮮艷自然，無毒，無特殊氣味，具有抗突變、抗氧化、緩解肝功能障礙、抗腫瘤、抗高血糖等營養、藥理和保健功能，是一種理想的天然食用色素資源。

研究歷史

國外對紫甘薯研究較早，大約始於20世紀中期。但是，紫甘薯的結構一直是國外學者所研究的焦點，後期則更多的研窺其生理功能和抗氧化活性。日本對PSPC的提取、鑑定和理化性質等已作了一些研究。國內學者陸國權等1996年即開始對該色素進行系統的研究，現已取得顯著進展。有資料報導，醯基化的色素分子可以使色素的穩定性提高，而紫甘薯色素分子是醯基化的色素分子，所以其穩定性較強，套用前景廣泛。

組成成分

紫甘薯屬旋花科一年生草本植物，是由日本培育出的一種優良甘薯品種，其肉質紫紅，其中所含色素為花色素苷，稱為紫甘薯色素。

紫甘薯所含的花青素為類黃酮系化合物，以C₆—C₃—C₆為基本骨架，具有類黃酮的典型結構。PSPC的主要成分為矢車菊素（Cy，Cyanidin）[R=H,R’=OH]和芍藥素(Pe,Peonidin)[R=H],其中芍藥素是矢車菊素的甲基化衍生物。

YGM	1a	1b	2	3	4b	5a	5b	6
R1	H	H	H	H	Me	Me	Me	Me
R2	Caf	Caf	Caf	Caf	Caf	Caf	Caf	Caf
R3	PHB	Caf	H	Fer	Caf	PHB	H	Fer

註：Caf 咖啡酸，Fer 阿魏酸；PHB對羥基苯甲酸

PSPC在紫甘薯細胞中以與糖縮合成糖苷的形式存在於液泡中，主要呈色成分為花青素類的氰錠醯基葡糖苷及甲基花青素醯基葡糖苷。

理化性質

外觀和色調

紫甘薯紅色素的固態呈紫黑色，其稀酸液為鮮艷透亮的深紅色，且產晶中無甘藍紅色素和胡蘿蔔素產品中難以除盡的異昧(李浩明，高藍，2003)，1%色素液呈紅色。

溶解性能

PSPC純品為紫紅色固體粉末,，是一種水溶性色素。因其結構中含多個酚羥基，故易溶於水、無水乙醇、甲醇、丙酮,不溶於石油醚和菜油等。又因PSPC所含花青素分子中的吡喃環上有一4價氧原子，具有鹼性的性質，而同時又有酚羥基，具有酸的性質，故亦能溶於稀酸和稀鹼。

光譜特性

紫甘薯紅色素在不同介質中呈現不同的光譜特性。

pH的影響

pH值對PSPC的光譜特性影響很大，在不同的介質中呈現不同的光譜特性，只在酸性條件下λ=530nm處出現特徵吸收峰。隨著pH的升高，PSPC的吸收峰向長波方向移動。當pH為11時，吸收峰反而向400nm方向移動，說明介質pH對其吸收峰位有影響。只要pH值不變，其特徵吸收峰也不變。

穩定性影響因素

PSPC因其所具有的醯化基團使它較一般花色苷對光、熱、空氣等的感應要小，性質也更為穩定。

溫度

溫度對PSPC的影響似乎與pH有關。當pH為3時，該色素對熱表現出相對穩定性；當pH為5時，且較長時間高溫，色素穩定性有所下降，但下降幅度並不大，說明其耐熱性較強。因此，為減少對色素的破壞，使用時，應儘量避免高溫和長時間受熱。

Oliver等人認為在花色苷的結構互變中，AH→B→C的反應是一吸熱反應，升高溫度將促使反應向B或C方向進行。研究表明當溫度高於100℃時，單糖苷花色苷降解主要從脫糖苷反應開始，隨後，脫去單糖苷的花色苷元進行開環及以後的降解反應，最後生成棕褐色的物質及部分沉澱物；當溫度低於100℃時，單糖苷花色苷降解的途徑很多，但可以肯定的是,最後都將生成棕褐色的物質及部分沉澱物。這極有可能是發生了羰氨反應，生成焦糖。

光照

PSPC在氧化劑或還原劑存在時，顏色變化不大，但光密度有所變化，添加還原劑NaHSO₃光密度增加1.3%；而增加氧化劑H₂O₂，其光密度則減少8.2%，可初步確定該色素抗氧化性較弱，而抗還原性較強。

金屬離子對

Fe²⁺、Al³⁺、Fe³⁺、K⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等常見金屬離子對紫甘薯紅色素沒有顯著影響，所以在實際生產中可以不用考慮所用容器的材質。但是，當加入Fe溶液呈紫褐色，但是不能得出Fe可以增強PSCP顏色的結論，因為Fe³⁺本身也有顏色。

食品添加劑

在pH為3時，添加山梨酸鉀對該色素的顏色及吸收峰均不會造成影響，光密度變化也極小，這說明防腐劑在食品使用濃度範圍內對色素的穩定性幾乎不造成影響。PSCP在氧化或還原劑存在時，顏色變化不大，但是光密度有所變化。添加NaHSO₃時，顏色變化小，但光密度有所增加，添加還原劑H2O2時，同樣，其顏色變化不大，但光密度卻有所下降。由此可見，PSCP抗氧化性性較弱，而抗還原性較強。

NaCl

由於鹽可以防止新鮮原料腐爛，故在實際生產中常有使用。研究發現，隨NaCl濃度的增加，PSCP的最大吸收峰吸光強度也增大。

分離提純

花青素的提取工藝主要有三大類：（1）溶劑萃取法：用含有酒精的酸性溶液提取後，再經過濾、濃縮等工藝得到最終的產品；（2）超濾法：將酸性溶液浸提、過濾後的溶液用超濾膜濃縮；（3）吸附精製法：將酸性溶液浸提、過濾後的溶液用大孔吸附樹脂吸附精製後再濃縮或噴霧乾燥得到最終產品。

以上方法各有利弊，溶劑法工藝簡單，但產品質量不理想，色素純度低，溶解性差；超濾法產品質量好，但是對設備要求高，成本大，提取率低；吸附精製法工藝複雜，但是得到產品質量好，回收率高。

PSPC的提取

紫甘薯色素的提取主要有溶劑法和發酵法。實際生產中大多採用溶劑法，所用提取劑有醋酸、鹽酸、硫酸、甲酸、檸檬酸、乙醇等，由於食品色素要求安全性高，而檸檬酸是食品工業中常用的酸性介質，故使用檸檬酸作為提取劑比較合適。發酵法提取是將一定量的紫甘薯洗淨，蒸熟後冷卻、粉碎，與一定量的米調製的一次醪混合，發酵幾天，調製二次醪，過濾二次醪，減壓濃縮，可得濃縮色素液。

除了常規的萃取方法外，還可以使用微波、超音波等輔助技術，用來提高色素的提取率。

PSPC的純化

紫甘薯色素粗提取液需經過純化處理，將其中蛋白質、澱粉等大分子物質以及溶液中大部分糖類、金屬離子等小分子去除。常用純化方式主要有：

紫甘薯紅色素純化的目的是除去提取物中的雜質，諸如糖類、澱粉、蛋白質、鞣質等。如雜質含量較高，多呈浸膏狀，難成粉末，保質期短。未去除雜質的浸膏狀甘薯紅色素的色價也較低。又因其水溶性的特點，使得同樣是水溶性的糖類成為PSPC純化過程中一個很難以除掉的雜質。因此，為了提高產品的色價，必須對其粗體液進行純化。

對於水溶性的色素，可採用分級醇沉法除去雜質。但醇沉過程中會伴有吸附和包夾，致使色素有不同程度的損失。分級醇沉要比一次醇沉所得產品純度高。對PSPC進行精製純化，可採用AB28大孔吸附樹脂動態過柱法。此法可除去糖類等水溶性雜質及大部分脂溶性雜質，降低PSPC的吸潮性，提高純度。70%的酸化乙醇洗脫後，經噴霧乾燥或真空冷凍乾燥即可得到紫紅色固體粉末——PSPC純品。其中，真空冷凍乾燥的方法可減少PSPC的損失量。

純化後的PSPC色價顯著提高，雜質含量大大減少，性質也較為穩定，保質期長。國內有幾家色素廠已採用陸國權的方法分離提純PSPC，即採用0.5%檸檬酸作提取劑，物料比1∶200，60℃恆溫，浸提1h。浸提得到的粗製品，經減壓濃縮，AB28大孔樹脂吸附，70%乙醇洗脫，噴霧乾燥或真空冷凍乾燥後得到紫紅色固體粉末———PSPC純品。

作用用途

生理功能

紫甘薯紅色素除可作為一種天然的著色劑之外，由於其結構特點，還具有一定的生理功能。

抗突變性

用精製的紫番薯花色素苷對沙門氏菌（SalmonellatyphimyriumTA98）的突變性進行了研究，發現提純後的紫番薯花色素苷有較強的抗突變能力。

抗氧化作用

脂類的過氧化作用和活性氧的自由基反應，可導致人體細胞氧化損害、老化、致癌和動脈硬化等許多疾病，這均與體內氧化反應有關。通過食用具有抗氧化能力的食物，可防止多種疾病發生。

花青素具有很強的抗氧化劑活性，是一種較好的氧自由基清除劑。花色苷抗氧化作用的主要活性基團是分子中的酚羥基。PSPC的結構中有多個酚羥基，是羥基供體，同時也是一種自由基清除劑。它不僅能和蛋白質結合防止過氧化，而且還能提供質子，有效清除脂類自由基，切斷脂類氧化的鏈式反應，起到防止脂質過氧化的作用。姜平平等對紫甘薯花色苷進行了體外抗氧化活性的研究，發現紫甘薯花色苷在體外活性氧模型中表現出相當的還原力和清除羥自由基的能力，且與濃度呈正比關係。另外，PSPC還具有抗Fe引發的卵磷脂脂質體過氧化、抑制由H₂O₂引發的紅細胞溶血作用的能力。

凌關庭等人曾比較過橙色番薯（富含β-胡蘿蔔素）和紫番薯兩者的榨汁成份發現紫番薯具有很強的超氧化歧化酶（SOD）活性。比較兩者的清除游離氧O₂的能力，結果證明紫番薯汁具有比富含β-胡蘿蔔素的橙色番薯汁更強的O₂清除能力。

緩解肝功能障礙

紫甘薯汁對大鼠和人肝功能障礙有緩解作用，通過對大鼠和人的體內試驗發現：紫甘薯汁能明顯緩解由四氯化碳所引發大鼠的各種肝功能障礙。有資料表明凡肝功能偏高，病程在五年以內的患者，通過定量使用紫番薯汁，各項肝功能指標均有所下降，平均下降22%。

抗腫瘤功能

癌症是威脅人類生命和健康的主要疾病，人體細胞的癌變過程是一個極其複雜而且漫長的過程，受多種內外環境和理化因子的影響，其中關鍵是體內各種酶的變化。癌症之所以可怕，就是因為它具有浸潤周圍組織和轉移到身體的其他部位的能力。

人類癌症的預測在一定程度上與腫瘤的生長有關，但主要還是取決於腫瘤的入侵性和腫瘤細胞數目的轉移。一般認為，抑制膠原降解的試劑可能起到抑制腫瘤細胞的入侵和轉移作用。因花色苷類物質可促進膠原的合成，增加膠原的抵抗性，抑制膠原酶的活性，，而PSPC屬於花色苷物質，所以推測PSPC能起到抑制腫瘤細胞的入侵及轉移效果，具有抗腫瘤的功能。

除了以上功能外，PSPC還有抗高血糖功能，對心血管疾病也有一定的作用。

抗高血糖功能

日本學者從紫甘薯I pomoea batatas L.c v. A yamurasaki的塊根中分離出來的一種二醯基花青素能夠通過α-葡糖苷酶的抑制作用而達到降低血糖的作用。10mg/kg最小劑量的這種二醯基花青素即可降低人體內的血糖水平。

工業套用

食品行業上的套用

在消費者眼中，具有誘人的色澤，是食品的重要感官指標。它可以通過刺激消化液的分泌、增加食慾來吸引消費者。但是天然食品在加工保存的過程中極易褪色或變色，因此為了改善食品的色澤，常常在加工的過程中添加食用色素，以改善其感官性質。

由於化學合成色素的毒副作用越來越受到重視，使得天然色素的套用成為必然的發展趨勢。PSPC在從紫甘薯直接浸提的過程中未採用任致使色素產生有害變化的手段或藥劑，為天然無毒製品。根據聯合FAO/WHO的規定，可用作安全無毒的食品添加劑，其用量未作限量性規定，以滿足所需要的著色度為限。因其耐熱性好，能夠經受食品工業上的巴氏法消毒，且具有醇溶及水溶性的特點，可用作食品的紅色至紫紅色著色劑而添加到水基的食品如冰淇淋、奶製品飲料、果汁飲料、乳酪、水產品、果凍、穀物等食品中以及用於色拉裝飾等。

陸國權等人曾將PSPC直接加入市售的“孔府家酒”白酒，“西湖”啤酒，“太一”礦泉水和“雪碧”碳酸飲料中，發現適量的PSPC能使飲品顏色均勻美觀，清澈透亮，即使在室內放置90d，外觀也幾乎無變化，僅是光密度略有減少。Bassa I A等通過試驗證明甘薯花青素在飲料中的穩定性超過商品色素（Enocyanin）及黑莓色素。又因其耐光性好，經PSPC著色的食品無需遮光材料包裝。

另外，服用天然植物提取物作為調節身體健康的補充劑已成為時尚。紫甘薯紅色素具有抗氧化、抗腫瘤等生理作用，因而可以作為保健食品的功能配料來使用。

製藥行業中的套用

在生產中有時由於某種原因，需要添加人工色素，使得藥品更加容易識別和區分。常用的醫用藥片著色劑有芥菜紅、胭脂紅、靛藍等。雖然這些化學合成色素經國際衛生部門批准許可，但這些均為合成色素，對人體有一定的危害，長期服用，必定產生一定的副作用。因此，可以使用天然紫甘薯紅色素來代替合成色素生產有色藥片。

化妝品行業上的套用

化妝品加工業中使用的著色劑，既要求美觀，又要求安全無毒害。由於面部皮膚受環境影響較大，又處於血液循環末端，營養供應不足，因而是人體最先老化的組織。造成皮膚老化、彈性下降以及乾燥的主要原因是自由基及過量蛋白酶、彈性酶、透明質酸酶攻擊或分解生物分子，使皮膚的支撐能力、保水能力大大下降。而紫甘薯紅色素具有抗氧化、清除自由基能力等作用，因此含紫甘薯紅色素的護膚品可抑制由於紫外線照射產生的氧自由基引起過氧化物的生成，對改善皮膚炎症、抗氧化等有一定的作用。而大多數化妝品中所使用的色素多為化學合成色素，長期使用會產生蓄積作用，對機體造成潛在的危害。已經有研究證明，化妝品中的色素可導致皮膚過敏，色素沉著，甚至引發哮喘等。而PSPC取自天然，不僅色彩鮮艷、自然、獨具魅力，而且還具有上述多種保健功能，因此有望取代化學合成色素（如酸性大紅）而廣泛套用於口紅、胭脂、洗髮水等化妝品。

安全性評價

凌關庭將紫甘薯紅色素按飼料量0.06%，1.23%和5%的比例混入飼料，對F344系大鼠經口飼養13周，無可見影響，即其無影響量可達到飼料量的5%。

產品指標

保存方式：存放在一個密封性好的容器里，防止潮濕、強光照射、高溫。

保質期：粉末（2年）、液體（8個月）

表1 感官要求

項 目	要 求	檢驗方法
色澤	紫紅色或紫黑色	取適量樣品置於清潔、乾燥的白瓷盤或燒杯中，在自然光線下，觀察其色澤和組織狀態，並嗅其味。
組織狀態	粉末或液體

表2 理化指標

項目	指標
	固體產品	液體產品
色價E1%，25px530±2nm ≥	20	5.0
乾燥失重/（%） ≤	5.0	-
灰分/（% ） ≤	3.0	2.0
PH值	2.5~3.5

重金屬

重金屬應符合表3的規定

表3 重金屬指標

項目	指標
鉛（Pb）/（mg/Kg） ≤	2.0
砷 (As) /（mg/Kg） ≤	1.0
汞 (Hg) /（mg/Kg） ≤	0.1

衛生指標

項目	指標
菌落總數/（cfu/g） ≤	10 3
大腸菌群/(MPN/100g)≤	30
黴菌/酵母菌/（cfu/g） ≤	30
沙門氏菌	不得檢出