檸檬酸—乙醇法提取紫甘薯花青素工藝的優(yōu)化

摘要：以紫甘薯（Ipomoes batats L.）為原料，采用檸檬酸—乙醇法提取花青素，通過單因素及正交試驗探討了提取劑中檸檬酸與乙醇體積比、檸檬酸濃度、液料比、提取溫度和提取時間等因素對花青素提取效果的影響，優(yōu)化提取工藝。結(jié)果表明，各因素對紫薯花青素提取的影響由大到小依次為液料比、檸檬酸濃度、提取溫度、提取時間，優(yōu)化的提取工藝條件為檸檬酸與乙醇體積比10∶1、檸檬酸濃度70 g/L、提取溫度70 ℃，提取時間2.0 h，液料比20∶1（V∶m，mL/g）。

關(guān)鍵詞：紫甘薯（Ipomoes batats L.）；花青素；提取；檸檬酸—乙醇法

中圖分類號：S531；Q946.83+6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）23-5448-04

Optimization of Extraction Technology of Anthocanin from Purple Sweet Potato by Citric Acid-Ethanol Method

FAN Ting1，HE Jian-jun2，CHEN Xue-ling2，GUAN Jian2，MEI Xin2

（1.Chutian College， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430205， China； 2.Agro-Processing Sub-Centers of Hubei Innovation Center of Agricultural Science/Institute for Farm Products Processing and Nuclear-Agricultural Technology， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China）

Abstract： Using purple sweet potato（Ipomoes batats L.） as material， anthocyanin was extracted by citric acid-ethanol method. Single factor tests and orthogonal design were conducted to study the effects of volume ratio of citric acid to ethanol， citric acid concentration， liquid to solid ratio， extraction temperature and extraction time on yield of anthocyanin so as to optimize the extraction technology. The results indicated that the effect of factors on extraction yield of anthocyanin ranking from largest to smallest were liquid to solid ratio， citric acid concentration， extraction temperature， extraction time. The optimal anthocyanin extraction technology of citric acid-ethanol method from purple sweet potato was the volume ratio of citric acid and ethanol， 10∶1； citric acid concentration， 70 g/L； extraction temperature， 70 ℃； extraction time， 2.0 h； ratio of liquid to solid， 20∶1（V∶m，mL/g）.

Key words： purple sweet potato（Ipomoes batats L.）； anthocyanin； extraction； citric acid-ethanol method

甘薯（Ipomoes batats L.）屬旋花科一年生或兩年生蔓生草本植物。紫甘薯肉質(zhì)塊根呈紫紅色，是甘薯的特有品種，除具有普通甘薯的營養(yǎng)成分外還含有豐富的花青素。花青素又稱花色素，是一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，屬類黃酮化合物。自然條件下花青素主要以糖苷形式存在，常與一個或多個葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖等通過糖苷鍵形成花色苷。花青素在酸性條件下呈紅色或紫色，熱、光、氧穩(wěn)定性較好，其顏色的深淺與花青素的含量呈正相關(guān)，具有優(yōu)越的著色性能，已作為食品添加劑應(yīng)用于配料酒、飲料、冰激凌、果醬、糕點等產(chǎn)品[1，2]。此外，花青素還具有清除自由基、抗氧化、抗衰老、消炎、抗癌以及預(yù)防心血管系統(tǒng)疾病等多種生理功效[3，4]，現(xiàn)已被廣泛用于食品、保健品、藥品和化妝品等領(lǐng)域。

已有的花青素提取方法大致可以分溶劑提取法、微生物發(fā)酵法、酶解法[5，6]。溶劑提取法較為常見，常用到很多輔助手段，如微波[7]、超聲波[8]等，提取劑以甲醇、乙醇、丙酮等有機溶劑為主，考慮到提取過程中甲醇及丙酮殘留對花青素應(yīng)用的負(fù)面影響，也有用酸化乙醇替代有機溶劑提取紫薯花青素的報道[9，10]。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，對檸檬酸—乙醇法提取紫甘薯花青素工藝進(jìn)行優(yōu)化，旨在摸索出紫甘薯花青素高效、無有毒提取劑殘留的提取工藝，為紫甘薯花青素大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮紫甘薯（購自超市）清洗后切成厚2～3 mm的薄片，40 ℃下烘干，粉碎，過40目篩，所得紫薯粉于4 ℃條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

主要試劑乙醇、檸檬酸均為化學(xué)純。主要儀器包括GZX-9240 MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；恒溫振蕩器SHA-B，常州國華電器有限公司；UV-2800紫外可見分光光度計，尤尼科（上海）儀器有限公司；LXJ-ⅡB離心機，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 紫薯花青素的提取工藝流程 紫薯粉→提取劑懸浮→恒溫水浴振蕩提取→離心→抽濾→花青素提取液。

1.2.2 單因素試驗 設(shè)計單因素試驗分別考察提取劑中檸檬酸與乙醇體積比、提取劑中檸檬酸濃度、液料比、提取溫度和提取時間對提取率的影響。①提取劑中檸檬酸與乙醇體積比。將5 g/L和10 g/L的檸檬酸溶液與95%的乙醇（體積分?jǐn)?shù)，下同）分別以5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1、10∶1、11∶1和12∶1的體積比混合，配成檸檬酸—乙醇提取液。將提取液按10∶1（V∶m，mL/g，下同）的液料比與2.5 g紫薯粉混合，60 ℃避光振蕩提取2.0 h，提取液4 500 r/min離心10 min，上清液經(jīng)濾紙抽濾后用提取液定容至100 mL，在525 nm下測定稀釋液吸光度[11]。②提取劑中檸檬酸濃度。分別配制濃度為10、20、40、50、60、70、80、90、100 g/L的檸檬酸溶液，與95%的乙醇按10∶1的體積比混合，配成不同檸檬酸濃度的檸檬酸—乙醇提取液。提取液按20∶1的液料比與2.5 g紫薯粉混合，60 ℃避光振蕩提取2.0 h，提取液4 500 r/min離心10 min，上清液經(jīng)濾紙抽濾后用提取液定容至100 mL，測定A525 nm。③提取劑與原料的液料比。將70 g/L的檸檬酸溶液與95%的乙醇按10∶1的體積比混合配成檸檬酸—乙醇提取液，提取液分別按10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1的液料比與2.5 g紫薯粉混合，于60 ℃下避光振蕩提取2.0 h，提取液4 500 r/min離心10 min，上清液經(jīng)濾紙抽濾后用提取液定容至100 mL，測定A525 nm。④提取溫度。將70 g/L的檸檬酸溶液與95%的乙醇按10∶1的體積比混合配成檸檬酸—乙醇提取液，提取液按20∶1的液料比與2.5 g紫薯粉混合，分別于40、50、60、 70、80、90 ℃避光振蕩提取2.0 h，提取液4 500 r/min離心10 min，上清液經(jīng)濾紙抽濾后用提取液定容至100 mL，測定A525 nm。⑤提取時間。將70 g/L的檸檬酸溶液與95%的乙醇按10∶1的體積比混合配成檸檬酸—乙醇提取液，提取液按20∶1的液料比與2.5 g紫薯粉混合，60 ℃避光振蕩提取時間分別為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 h，提取液4 500 r/min離心10 min，上清液經(jīng)濾紙抽濾后用提取液定容至100 mL，測定A525 nm。

1.2.3 正交試驗 在單因素試驗基礎(chǔ)上采用L9（34）正交試驗進(jìn)一步探討提取劑中檸檬酸質(zhì)量濃度、液料比、提取溫度、提取時間對紫甘薯花青素提取效果的影響，摸索最優(yōu)提取工藝。正交試驗因素與水平見表1。

1.2.4 統(tǒng)計方法 所有試驗均重復(fù)3次，試驗數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，用DPS 7.55統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析，用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗，以P<0.05為顯著性檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 提取劑中檸檬酸和乙醇體積比對花青素提取的影響 根據(jù)朗伯—比爾定律，吸光度與濃度成正比，吸光度越大，溶液中花青素含量越高，說明提取效果越好[12]。研究表明，檸檬酸與乙醇的體積比對花青素的提取效果有顯著影響（圖1），當(dāng)檸檬酸與乙醇體積比小于10∶1時，提取液的A525 nm隨著檸檬酸與乙醇體積比的升高呈上升趨勢，各處理間存在顯著差異（P<0.05）；當(dāng)體積比大于10∶1時，提取液的A525 nm隨著檸檬酸與乙醇體積比的升高略有上升，但處理間差異不顯著。其他條件相同時，檸檬酸濃度為10 g/L時提取液的A525 nm顯著高于檸檬酸濃度為5 g/L時。

2.1.2 提取液中檸檬酸濃度對花青素提取的影響 提取液中檸檬酸的濃度對紫薯花青素的提取有顯著的影響（圖2）。當(dāng)檸檬酸濃度低于60 g/L時提取液的A525 nm隨著檸檬酸濃度升高顯著上升（P<0.05）；檸檬酸濃度高于60 g/L時A525 nm隨著檸檬酸濃度升高而上升，但處理間無顯著性差異。這說明檸檬酸濃度為60 g/L時提取液中的pH環(huán)境已足以維持提取液中的花青素結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2.1.3 提取溫度對花青素提取的影響 提取溫度對紫薯花青素檸檬酸—乙醇法的提取效果有顯著的影響（圖3）。從圖3可以看出，提取溫度由40 ℃上升到70 ℃時提取液A525 nm顯著升高（P<0.05）。提取溫度高于70 ℃時提取液的A525 nm降低，花青素含量下降，可能是因為高溫下花青素結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

2.1.4 提取時間對花青素提取的影響 提取時間對檸檬酸—乙醇法提取紫甘薯花青素的提取效果有顯著影響（圖4）。隨著提取時間延長，提取液的A525 nm呈先上升后下降趨勢，提取時間為1.0 h時A525 nm最低，與其他處理間存在顯著差異（P<0.05）。提取時間長于2.0 h，各處理A525 nm間無顯著差異。提取時間超過4.0 h時提取液A525 nm下降，可能是因為長時間高溫提取會破壞花青素結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。2.1.5 液料比對花青素提取的影響 隨著液料比的升高，花青素提取液的A525 nm呈上升趨勢（圖5）。但當(dāng)液料比高于20∶1時，A525 nm雖有所上升，但各處理間A525 nm沒有顯著差異。通常情況下，液料比升高，提取劑與原料接觸充分，花青素提取率隨之升高，但當(dāng)液料比升高到一定程度時，花青素已經(jīng)充分溶出，繼續(xù)加大提取劑用量不僅不能提高花青素得率，還造成花青素濃縮回收困難，增加提取成本。

2.2 正交試驗結(jié)果

在單因素試驗基礎(chǔ)上選取提取溫度、提取時間、檸檬酸濃度、液料比等4個因素進(jìn)行正交試驗，結(jié)果見表2。極差分析結(jié)果表明，各因素對檸檬酸—乙醇法提取紫薯花青素的影響由大到小依次為液料比、檸檬酸濃度、提取溫度、提取時間。最佳因素水平組合為A2B2C3D3，即提取溫度70 ℃、提取時間2.0 h、檸檬酸濃度70 g/L、液料比30∶1，在此條件下提取液的A525 nm為2.68，與正交試驗最優(yōu)組合（處理5）A2B2C3D1所得提取液A525 nm（2.65）沒有顯著差異。因此，檸檬酸—乙醇法提取紫甘薯花青素的最佳工藝條件確定為提取溫度70 ℃、提取時間2.0 h、檸檬酸濃度70 g/L、液料比20∶1。

3 結(jié)論

紫甘薯花青素提取條件大多是在50～70 ℃下提取1～2 h[13，14]。王關(guān)林等[15]對紫甘薯花青素幾種提取劑進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，1%鹽酸甲醇提取效果最好，稀檸檬酸和稀鹽酸的提取效果次之，但甲醇具有毒性，使得該方法提取的花青素不宜在食品、藥品、化妝品中大規(guī)模應(yīng)用，而如鹽酸、硫酸之類強酸會導(dǎo)致花青素水解[9]。本試驗在前人研究基礎(chǔ)上采用檸檬酸—乙醇法提取紫甘薯花青素，通過單因素試驗和正交試驗對影響提取效果的相關(guān)因素如提取劑中檸檬酸與乙醇體積比、提取溫度、提取時間、提取劑中檸檬酸濃度、液料比等進(jìn)行探討，正交試驗結(jié)果表明，各因素中液料比對提取效果的影響最大，檸檬酸濃度和提取溫度次之，提取時間的影響最小。綜合單因素試驗及正交試驗結(jié)果得檸檬酸乙醇法提取紫甘薯花青素最佳工藝條件為提取劑中檸檬酸與乙醇體積比10∶1、檸檬酸濃度70 g/L、提取溫度70 ℃、提取時間2.0 h、液料比20∶1。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳克偉，馬 越，趙曉燕，等.花青素類色素提取純化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國食品添加劑，2008（S1）：147-150.

[2] 凌關(guān)庭.食品添加劑手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.543-545.

[3] KONG J M， CHIA L S， GOH N K， et al. Analysis and biological activities of anthocyanins[J]. Phytochemistry，2003，64（5）：923-933.

[4] ZHU H M， ZHAO M. Study on chemical constituents and antioxidant activity of anthocyanins from Ipomoea batatas L. （purple sweet potato） [J]. Chemistry and Industry of Forest Products，2009， 29（1）：39-45.

[5] 孫建霞，張 燕，胡小松，等. 花青素的提取、分離以及純化方法研究進(jìn)展[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2008，34（8）：111-117.

[6] 李金林，劉林勇，涂宗財，等.生物酶法提取紫甘薯花色苷的研究[J].江西食品工業(yè)，2009（4）：25-27.

[7] 許正虹，高彥祥，石素蘭，等.微波輔助萃取紫甘薯色素的研究[J].食品科學(xué)，2005，26（9）：234-239.

[8] 顧紅梅，張新申，蔣小萍. 紫薯中花青素的超聲波提取工藝[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2004，16（3）：404-405.

[9] ESCRIBANO-BAIL？魷N M T， SANTOS-BUELGA C， RIVAS-GONZALO J C. Anthocyanins in cereals[J]. Journal of Chromatography A，2004，1054（1-2）：129-141.

[10] MARKAKIS P. Anthocyanins as Food Colors[M]. New York： Academic Press，1982.163-207.

[11] 朱洪梅，韓永斌，顧振新，等.大孔樹脂對紫甘薯色素的吸附與解吸特性研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22（5）：153-156.

[12] 廖素鳳，陳劍雄，黃志偉，等.響應(yīng)曲面分析法優(yōu)化葡萄籽原花青素提取工藝的研究[J].熱帶作物學(xué)報，2011，32（3）：554-559.

[13] 陸國權(quán)，唐忠厚. 腳板薯花青素提取及其純化技術(shù)研究[J].糧油食品科技，2006，14（1）：34-35.

[14] 王兆雨，徐美玲，朱蓓薇. 藍(lán)莓花青素的提取工藝條件[J].大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2007，26（3）：196-198.

[15] 王關(guān)林，岳 靜，李洪艷，等. 甘薯花青素的提取及其抑菌效果分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38（11）：2321-2326.