微波輔助提取紅菊芋色素及穩定性研究

王麗威,鄭彥山,張曉宇,于濤,吳祥云,孔濤

菊芋,學名Jerusalem artichoke(Helianthus tubeuosus),別名洋姜、鬼子姜、地姜等,為菊科向日葵屬多年生草本植物,地下形成塊莖。按塊莖皮色可分為白皮和紅皮 2個品種。白皮菊芋菊芋菊粉含量較低,水分較多,適宜腌制咸菜,紅皮菊粉含量可達 14%～19%,適宜加工菊粉。菊芋的根系發達,繁殖力強,耐寒、耐旱,生產成本低,產量大。近年來,一些地區將其種植在沙地、荒坡、灘涂、溝沿、鹽堿地等貧瘠的土地,用于防風固沙、保持水土和改良土壤。菊糖,作為世界公認的“雙歧因子”,已經引起廣泛的關注。國內外許多學者在研究從紅菊芋中提取菊糖和進一步降解菊糖生產高果糖漿、低聚果糖或發酵生產乙醇等方面取得了大量的成果,而對于紅菊芋色素的利用還未見報道。花色苷是自然界一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素,屬多酚類化合物,是一類具有保健功能的活性成分。國內外大量研究表明,花色苷具有很強的抗氧化、抗突變、抗腫瘤、抗過敏、抗炎、保護胃黏膜、肝臟及改善視力等多種功能[1-6]。

本文以紅菊芋皮為原料,研究了其紅色素的微波輔助提取工藝及其穩定性,為菊芋的綜合利用提供一條新的途徑。

1 材料與設備

1.1 材料

紅菊芋,產于遼寧省阜新市農業園區,10月上旬采收。新鮮菊芋經清洗、剝皮得到菊芋紅皮,40℃,真空干燥 3～4 d,粉碎,放入干燥器中保存。

1.2 主要儀器

PHS-3C型精密 PH計 (上海精密科學儀器有限公司),DZK W-4恒溫水浴鍋 (上海精密科學儀器有限公司),UV1810PC紫外可見分光光度計 (上海精密科學儀器有限公司),G8023YSL-V1微波爐 (格蘭仕集團),R-200型旋轉蒸發儀 (鞏義市予華儀器有限責任公司)。

2 試驗方法

2.1 提取方法

精確稱取一定量的菊芋外皮粉末放入錐形瓶中,加入一定量的提取劑,置于預熱的微波爐中,提取一定時間后,轉移至離心管中,6 000 r/min離心 5 min,取上清液,得色素粗提液。試驗中以提取液在最大波長下的吸光度值為試驗指標,采用單因素試驗和正交試驗設計,研究乙醇濃度、料液比、微波功率和提取時間等因素對提取效果的影響,其正交試驗因素水平如表1。

表1 因素水平表

2.2 純化方法

將色素粗提液用旋轉蒸發儀在 (40±1)℃,(40±2)r/min的條件下減壓濃縮,得紅色濃漿。調整乙醇體積分數至 80%,沉淀除去糖分和蛋白質;濾液經減壓蒸發去乙醇后,用石油醚萃取,以除去脂溶性的雜質;萃取后得到的水相再用乙酸乙酯萃取,所得水相經減壓蒸發去除殘留的乙酸乙酯,得初步純化的色素。將初步純化的色素按侯方麗等方法用 AB-8大孔吸附樹脂進行純化[7]。

2.3 穩定性試驗方法

取一定量純化的色素樣品經適當稀釋后,分別經過處理,以保存率為試驗指標,研究光、熱對紅菊芋色素穩定性的影響。

2.4 試驗指標測定方法

2.4.1 紅菊芋色素提取液的紫外可見光譜分析

精確稱取 2.000 0 g樣品放入 50 mL容量瓶中,加入 1%HCl-60%乙醇-水溶液 50 mL,在 40℃恒溫水浴中提取 1 h后,用 0.1 moL/L的 NaOH溶液調節pH=0.98,用 pH=0.98的 HCl-NaCl-60%乙醇溶液定容到 100 mL,以 pH=0.98的 HCl-NaCl-60%乙醇溶液為空白對照,在波長 200～700內進行光譜掃描。

2.4.2 花色苷相對含量的測定

用示差法計算溶液中總花色苷含量[8],將試樣分別用 pH值 1.0、pH值 4.5的緩沖液定容至 50 mL,測定 510nm下的吸光值,按下面公式計算花色苷的總含量:

式中:A0,pH值 1.0時花色苷在 510 nm下的吸光度值;A1,pH值 4.5時花色苷在 510 nm下的吸光度值;V,提取液總體積 (mL);n,稀釋倍數;M,cy-3-glu的相對分子質量 (449);ε,cy-3-glu的消光系數,其值為 29 600;m,樣品干重 (g)。

2.4.3 花色苷保存率的測定

保存率 /% =(c處理后/c處理前) ×100

3 結果與分析

3.1 紅菊芋色素最大吸收波長的確定

紅菊芋色素提取液的光譜掃描結果如圖1所示。由圖1可知,該色素在紫外光區 254、281和 296 nm處分別有較強的吸收峰,為花色苷酰基結構的特征吸收峰,在可見光區的 533 nm處可見一個吸收峰,為典型的花青素光譜特性[3-4]。由此確定紅菊芋色素可見光區最大吸收波長為 533 nm。

圖1 紅菊芋色素提取液的可見光譜掃描結果

3.2 提取工藝單因素試驗結果

3.2.1 乙醇濃度對紅菊芋色素提取效果的影響

以不同體積分數的乙醇-2%HCl-水溶液為提取劑,料液比 1∶30,微波功率 320 W下提取 30 s,所得結果如表2。

由表2可知,隨著乙醇體積分數的增加,紅菊芋色素粗提液的OD533值呈先增加后下降的趨勢,乙醇濃度為 60%時達到最大。進一步的方差分析,F=654.272＞F0.01(4,10)=5.99,多重比較結果表明,60%乙醇濃度對紅菊芋色素的提取效果極顯著的高于其他處理 (P＜0.05)。因此,確定紅菊芋色素提取劑的乙醇體積分數為 60%左右合適。

表2 乙醇濃度對紅菊芋色素提取效果的影響

3.2.2 料液比對紅菊芋色素提取效果的影響

以 2%HCl-60%乙醇-水溶液為提取劑,料液比分別為 1∶10、1∶20、1∶30、1∶40和 1∶50,微波功率 320W下提取 30 s,6 000 r/min離心 5 min,取上清,用提取劑定容,取樣,λ=533 nm下測定OD值。結果見表3。

表3 料液比對紅菊芋色素提取效果的影響

由表3可以看出,隨著提取劑的增加,紅菊芋色素粗提液的OD533值呈先增加后下降的趨勢,料液比為 1∶30時達到最大。方差分析和多重比較結果表明 ,F=81.78 ＞ F0.01(4,10)=5.99,料液比為 1∶30、1∶40和 1∶50對紅菊芋色素提取效果影響差異不顯著 ,三者均極顯著的高于 1∶10和 1∶20(P＜0.01),考慮到提取效果和提取劑的成本,確定紅菊芋色素提合適的料液比為 1∶30左右。

3.2.3 微波功率對紅菊芋色素提取效果的影響

以 2%HCl-60%乙醇-水溶液為提取劑,料液比 1∶30,分別在不同微波功率下提取 30 s,結果見表4。

表4 微波功率對紅菊芋色素提取效果的影響

由表4可以看出,隨著微波功率的增大,紅菊芋色素粗提液的OD533值呈先增加后下降的趨勢,功率為 480 W時達到最大。方差分析,F=73.59＞F0.01(4,10)=5.99,多重比較結果表明,480W對紅菊芋色素的提取效果極顯著的高于其他處理(P＜0.01)。這可能是由于隨著微波功率的增大,分子震動加快,摩擦增加,產生的熱效應增加,有利于色素的溶出,但是當功率過大時,其強熱效應則可對色素產生破壞作用。

3.2.4 微波提取時間對紅菊芋色素提取效果的影響

以 2%HCl-60%乙醇-水溶液為提取劑,料液比1∶30,于微波功率為 320 W下分別提取不同時間,結果見表5。

表5 不同微波提取時間對紅菊芋色素提取效果的影響

由表5可以看出,當功率為 320 W時,隨著提取時間的延長,紅菊芋色素的提取效果呈先增加后下降的趨勢,微波提取 40 s時達到最大。這是因為微波作用時間愈長熱效應愈大,當時間過長時,所產生的熱量過高,使部分花色苷發生分解[5-6]。方差分析,F=112.255＞F0.01(4,10)=5.99,多重比較結果表明,微波提取 40 s的色素提取效果極顯著的高于其他處理 (P＜0.01)。因此,合適的微波輔助提取時間為 40 s左右。

3.3 正交試驗結果

在單因素試驗的基礎上,對提取液乙醇濃度、料液比、微波功率、提取時間 4個因素進行正交試驗,所得結果如表6和表7。

表6 正交試驗結果 L9(34)

表7 正交試驗方差分析表

由極差分析和方差分析結果可知,乙醇體積分數(A)、料液比 (B)、微波功率 (C)和提取時間 (D)4個因素對紅菊芋色素提取效果影響極顯著,各因素的主次順序為 B＞A＞C＞D;各因素多重比較結果表明,乙醇體積分數為 60%、料液比為 1∶40與 1∶30、微波功率 480 W、提取時間 50 s顯著高于其他處理 (P＜0.01)。因此,微波輔助法的最佳提取條件為:B2A2C3D3,即 2%HCl-60%乙醇 -水溶液 ,1∶30的料液比,微波功率 480 W,微波提取 50 s。由于該組合在正交試驗中沒有出現,因此需進行驗證試驗,其結果表明,采用該工藝條件提取菊芋紅色素,提取液花色苷相對含量達 29.84 mg/g。

3.4 光熱穩定性結果

3.4.1 光照對紅菊芋色素穩定性的影響

將純化的色素用 1%HCl水溶液稀釋 3倍,分別取 50 mL于容量瓶中,置于自然光下,每隔 24 h取樣,冷卻后用示差法測定其花色苷含量,計算花色苷保存率,并觀察色素顏色變化。結果如表8所示。

表8 紅菊芋色素在自然光照下的保存率

由表8可知,隨光照時間的延長,紅菊芋色素溶液的保存率逐漸降低。放置 7 d后,色素的保存率仍可達到 75.96%,肉眼觀察色素減退不明顯。因此,紅菊芋色素的光穩定性較好。

3.4.2 熱對紅菊芋色素穩定性的影響

將純化的色素用 1%HCl水溶液稀釋 3倍,分別取 50 mL于容量瓶中,置于水浴中處理 4h,取出冷卻后用示差法測定其花色苷含量,計算花色苷保存率,觀察色素顏色變化。結果如表9所示。

表9 紅菊芋色素在不同熱處理條件下的保存率

由表9可知,在 60℃加熱 4h,保存率在 80%以上,隨著溫度的升高,花色苷發生降解,保存率隨之下降,100℃處理 4 h,色素保存率下降至 50%,肉眼可見紅色減退。有研究結果表明[8],花色苷對熱不穩定,但粗提取物比純提取物的熱穩定性好。因此,可以推斷紅菊芋色素應用在食品中時其穩定性會加強,但需要進一步研究。

4 結論

(1)根據紅菊芋色素可見光區光譜掃描結果得知,在可見光區的 533 nm米處有吸收峰,初步確定紅菊芋色素為花色苷。

(2)單因素試驗和正交試驗結果表明乙醇體積分數、料液比、微波功率和微波時間對紅菊芋色素的提取效果影響差異極顯著,各因素影響的主次順序為料液比 ＞乙醇濃度 ＞微波功率 ＞微波時間,適宜提取工藝:提取溶劑為 2%HCl-60%乙醇-水溶液,料液比1∶30,微波功率 480 W,微波提取時間 50 s。

(3)熱和光照對紅菊芋色素的穩定性影響較大,熱處理對紅菊芋色素破壞最為明顯,光照時間越久,保存溫度越高,紅菊芋色素溶液穩定性越差。因此對工業生產的紅菊芋色素,建議在低溫、避光條件下密封保存。菊芋紅色素色調自然,性質較穩定,是一種較為理想的天然色素資源。

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