超聲波輔助提取紫薯花青素及抗氧化性研究

田喜強，董艷萍

（綏化學院 食品與制藥工程學院，黑龍江 綏化 152061）

花青素是一類水溶性類黃酮化合物[1]，其抗氧化性能是維生素C的20倍、維生素E的50倍。花青素對100多種疾病有預防和治療作用[2-4]，被譽為繼水、蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質之后的第七大必需營養素[5-7]。隨著食品著色劑（合成色素）安全性的降低，天然色素作為食品著色劑在世界范圍的使用量不斷增加，越來越多的天然色素被研發，近年來，人們對花青素提取進行了較深入的研究，取得了可喜的成果[8-12]。目前，已開發成功的花青素有葡萄皮紅色素、蘿卜紅色素、紫玉米色素、紫甘藍色素等[13]，這些色素穩定性差，且含雜質多，因此其的應用和開發受到一定的限制，紫薯色素具有純天然效應和營養功能，應用于食品中安全性高，具有很強的抗氧化活性和穩定性[14-15]，對人體無害而成為研究熱點。本研究在超聲波輔助條件下，考察了提取紫薯中花青素的最佳工藝，對提取的紫薯花青素進行了抗氧化性研究，探討了花青素的抗氧化性能，為紫薯花青素的進一步應用提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯：市售，干燥粉碎后過80目篩。乙酸、硫酸鹽鐵、水楊酸、乙醇均為分析純：天津市濱海科迪化學試劑有限公司。抗壞血酸：上海博湖生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

TU-1901紫外可見分光光度計：北京普析通用公司；KQ300VDE雙頻超聲清洗儀：昆山超聲儀器公司；RE52A旋轉蒸發儀：上海亞榮儀器公司；G-903 MB數顯鼓風干燥箱：天津市泰斯特儀器公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 紫薯花青素的提取工藝流程

將新鮮的紫薯洗凈瀝干→切成薄片60℃烘箱中干燥至質量恒定→粉碎→篩分（80目篩）→稱取適量紫薯粉→超聲處理（乙酸浸提）→抽濾→色素粗提液→旋轉蒸發→冷凍干燥→色素粗提物。

1.3.2 實驗設計

以紫薯為實驗材料，分析提取溫度、浸提時間、料液比和提取液濃度對花青素提取的影響。在確定了超聲功率為300W、最佳溶劑為乙酸的水溶液條件下，對料液比（g/mL）、提取液濃度、水浴溫度（℃）、浸提時間（min）4個因素進行實驗設計。參照楊朝霞[16]的方法，將一定量的花青素樣品溶于pH為3.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉的緩沖溶液中，并測定其最大吸收波長下的花青素吸光度值，利用朗伯-比爾定律換算。

提取料液比的影響：量取10mL、15mL、20mL、25mL、30mL的15%乙酸，分別加入1.0g紫薯粉，在300W功率超聲60min，保持水溫為40℃條件下浸提，減壓過濾，收集濾液，得到的沉淀再分別加入等體積上述溶液提取，將濾液合并，定容至100mL。通過紫外分光光度計在波長525nm處測定其吸光度值，確定料液比。

提取液體積分數的影響：量取20mL體積分數為5%、10%、15%、20%、25%的乙酸，分別加入1.0g紫薯粉，在300W功率超聲60min，40℃恒溫超聲提取，減壓過濾，收集濾液，沉淀利用20mL上述溶液再次溶解提取，將濾液合并，定容至100mL。通過紫外分光光度計在波長525nm處測定其吸光度值，確定乙酸最佳濃度。

水浴溫度的影響：量取20mL的15%乙酸，加入1.0g紫薯粉，在300W功率下超聲，水浴溫度分別控制在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃恒溫浸提60min，減壓過濾，收集濾液，得到的沉淀分別加入20mL上述溶液溶解提取，將濾液合并，定容至100mL。通過紫外分光光度計在波長525nm處測定其吸光度值，確定最好的水浴提取溫度。

提取時間的影響：量取20mL的15%乙酸，加入1.0g紫薯粉，在300W功率超聲，保持水浴40℃恒定浸提，時間分別為30min、45min、60min、75min、90min，減壓過濾，收集濾液，沉淀再利用20mL上述溶液溶解提取，合并濾液，定容至100mL。稀釋2倍后，通過紫外分光光度計在波長525nm處測定其吸光度值，確定最佳提取時間。

1.3.3 花青素抗氧化性實驗

清除羥基自由基實驗：取1mL 8mmol/L硫酸亞鐵、1mL 8mmol/L的水楊酸-乙醇和1mL樣品放入反應器，然后加入1mL 8.8mmol/L的過氧化氫，在38℃水浴中反應40min。利用二次蒸餾水作參比液，空白對照品以超純水代替樣品，對照品以抗壞血酸代替樣品，每個處理重復3次。在520nm波長處測吸光度值，3次取平均值，羥基自由基清除率按下式計算：

式中：A0、A1分別為空白與樣品的平均吸光度值。

2 結果與分析

2.1 花青素最大吸收波長的確定

取一定量紫薯花青素提取液用15%乙酸溶液稀釋至適當濃度，使用紫外可見分光光度法在400～700nm波長范圍內測試吸光度，確定花青素提取液的最大吸收波長。使用TU-1901紫外可見分光光度計對紫薯中花青素提取液進行掃描。平行掃描3次，結果如圖1，花青素提取液最大吸收波長為525nm。

圖1 紫薯花青素的紫外掃描圖Fig.1 UV scan of purple potato anthocyanins

2.2 料液比的影響

料液比對紫甘薯花青素提取量的影響見圖2。在300W超聲輔助下，以體積分數15%的乙酸溶液為提取液，固定提取時間和提取溫度，改變提取的料液比進行紫薯花青素的提取，在波長525nm處測定其吸光度值。由圖2可知，在提取料液比1∶10～1∶25的區間內吸光度值隨乙酸體積分數的增大而升高，在料液比為1∶25時達到最大吸收，當料液比超過這個值時吸光度值減小，說明最適提取料液比為1∶25。而且提取料液比超過1∶25，過濾和提取后溶劑的回收會有較大的困難。因此，料液比最佳值為1∶25。

圖2 料液比對紫薯花青素提取的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on anthocyanin extraction

2.3 乙酸體積分數的影響

圖3 乙酸體積分數對紫薯花青素提取的影響Fig.3 Effect of the acetic acid volume fraction on anthocyanin extraction

改變乙酸體積分數對紫薯花青素進行提取情況見圖3。由圖3可知，用乙酸作提取溶液時，當乙酸體積分數為15%提取效果最好，體積分數＜15%時，隨著乙酸體積分數的增大，提取效率增加，但體積分數大于15%時，提取效率呈下降的趨勢，且變化不大，所以確定體積分數15%的乙酸溶液為花青素最佳提取液。

2.4 水浴溫度的影響

溫度對提取效果的影響見圖4。由圖4可知，20～40℃溫度范圍內，溶液的吸光度值隨水浴溫度的升高而增加，表明花青素提取效果隨溫度升高而變好。隨著溫度的升高，增加可溶性物質的溶解度和擴散速度，在40～60℃范圍內，吸光度值不穩定，花青素的提取率低于40℃時的提取率，并且對能源的消耗較高。同時當溫度過高，一些不穩定成分就可能變質或分解，因此，水浴40℃為最適宜提取溫度。

圖4 水浴溫度對紫薯花青素提取效果的影響Fig.4 Effect of water bath temperature on anthocyanin extraction

2.5 提取時間的影響

不同提取時間對紫薯花青素提取的影響見圖5。由圖5可知，提取時間在30～60min內變化時，隨提取時間增加花青素溶出的更多。60min花青素的提取量達到最大。然而，在提取時間60～90min內變化時，吸光度值隨提取時間增加而降低。可能是因為花青素發生水解的速率過大，導致吸光度值下降。所以，60min為最佳提取時間。

圖5 提取時間對紫薯花青素提取效果的影響Fig.5 Effect of extraction time on anthocyanin extraction

2.6 清除羥基自由基效果

花青素對羥基自由基的清除率結果見圖6。由圖6可知，低質量濃度下花青素清對羥基自由基清除率顯著強于抗壞血酸。在pH為7.0 時，質量濃度為0.1mg/mL的花青素對羥基自由基清除率達到50%，而抗壞血酸的質量濃度為0.2mg/mL對羥基自由基清除率才達到50%。所以，花青素清除羥基自由基的能力明顯強于抗壞血酸。

圖6 抗壞血酸和花青素清除羥自由基的能力比較Fig.6 Comparison of the scavenge hydroxyl radicals ability between ascorbic acid and anthocyanins

3 結論

紫薯富含天然花青素，其色澤鮮艷，且具有顯著的自由基清除能力，防突變，是不可多得的兼具營養、保健和著色等功能的生理活性物質。本實驗通過對紫甘薯中花青素提取工藝優化及抗氧化性研究，結果表明，在功率300W超聲波輔助下，采用體積分數為15%乙酸作為提取劑，在溫度40℃、時間60min、料液比1∶25條件下花青素提取效果最好。而且pH=7.0 時，花青素清除羥基自由基的能力強于抗壞血酸。0.1mg/mL的花青素清除羥基自由基達到50%，且低濃度下花青素清除羥基自由基的效率明顯優于抗壞血酸。

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