亞臨界水法提取新鮮紫薯中花色苷

王 鋒，楊騰達(dá)，李 猷，楊巧芳，萬(wàn)端極

（1.湖北工業(yè)大學(xué)膜技術(shù)研究所，湖北武漢430068；2.湖北工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，湖北武漢430068）

紫薯屬旋花科一年生或多年生雙子葉草本植物［1］。新鮮紫薯的含水率為70%左右，纖維素含量一般為8%～13%，花色苷含量高達(dá)0.2mg·g－1。花色苷屬于類黃酮化合物，是一種天然色素，具有抗氧化、抗腫瘤、護(hù)肝、預(yù)防心血管疾病、增進(jìn)視力等保健功效［2］，其清除自由基能力是維生素C 的20倍、維生素E的50倍［3－4］。在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)ㄉ盏男枨罅枯^大。

亞臨界水是指在一定壓力下（低于臨界壓力22.1 MPa），將水加熱到100～374.2 ℃［5］，水體仍然保持液體狀態(tài)，因此，也稱“過(guò)熱水”或“高壓水”，與常壓水相比，其溶解能力和滲透能力都有較大的提高，同時(shí)亞臨界水會(huì)使蛋白質(zhì)、淀粉等變性，有利于后續(xù)的分離、純化［6］，因此，被廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物的提取，具有提取物質(zhì)量好、提取時(shí)間短、安全環(huán)保、成本低等優(yōu)勢(shì)。

目前，已有研究者使用含乙醇的亞臨界水從紫薯粉中提取花色苷，但是利用亞臨界水從新鮮紫薯中提取花色苷的工藝研究鮮有報(bào)道?；诖?，作者在此采用亞臨界水從新鮮紫薯中提取花色苷，以期為新鮮紫薯中花色苷的提取提供新途徑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

新鮮紫薯（寧紫薯1號(hào)），由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘薯研究所育種室提供。

FW80型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，天津泰斯特儀器有限公司；722型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海校光技術(shù)有限公司；HA－1型亞臨界水提取裝置，江蘇華安科研儀器有限公司；TDL－5 型離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；LGJ－10C型高速冷凍干燥機(jī)，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 花色苷的提取

提取工藝流程：新鮮原料→磨漿→絹布過(guò)濾→亞臨界水提取→離心→真空冷凍干燥→花色苷。

1）磨漿：取新鮮紫薯，洗凈，切碎，加2倍原料質(zhì)量的去離子水在高速萬(wàn)能粉碎機(jī)中磨漿，避光，備用。

2）亞臨界水提?。簩⒛ズ玫臐{投入到亞臨界水提取裝置中，壓力設(shè)定為1MPa（因亞臨界提取方法對(duì)壓力的要求較低，一般為1～6 MPa，目標(biāo)物的提取率可通過(guò)改變溫度來(lái)提高［7］），向提取裝置內(nèi)吹入氮?dú)?，以趕走釜內(nèi)空氣，同時(shí)充當(dāng)保護(hù)氣。加入一定的提取劑（去離子水），升高到一定溫度，提取一定時(shí)間后，利用加壓泵使提取物隨亞臨界流體到達(dá)分離釜，通過(guò)減壓、降溫等措施使提取物回到常溫、常壓狀態(tài)。

3）離心分離：將提取液于8 000r·min－1離心20 min，取上清液。

4）冷凍干燥：將上清液放入高速冷凍干燥機(jī)內(nèi)冷凍干燥，即得花色苷。

1.2.2 提取工藝優(yōu)化

首先采用單因素實(shí)驗(yàn)考察提取溫度、提取時(shí)間、液料比（mL∶g，下同）、pH 值對(duì)花色苷提取率的影響，然后采用L9（34）正交實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)提取工藝。

1.2.3 測(cè)定方法

取冷凍干燥后的樣品1g，用去離子水定容到100 mL，調(diào)pH 值為3.0，搖勻。以空白作對(duì)照，用1cm 比色皿在536nm 處測(cè)定吸光度，分別按式（1）、（2）計(jì)算花色苷提取率和色價(jià)（E）。

式中：A為吸光度，通過(guò)稀釋樣品濃度控制吸光度在0.2～0.7范圍內(nèi)；V為最終體積（mL）；DF為稀釋倍數(shù)；W為樣品質(zhì)量（g）；98.2為1%的花色苷1 mol吸光系數(shù)［8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 最大吸收波長(zhǎng)的確定

取冷凍干燥后的樣品，稀釋合適的倍數(shù)，參照文獻(xiàn)［9］，設(shè)定pH 值為3.0。用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在300～600nm 進(jìn)行光譜掃描，結(jié)果如圖1所示。

圖1 花色苷的紫外可見(jiàn)吸收光譜Fig.1 UV－Vis Absorption spectrum of anthocyanins

由圖1可看出，花色苷的紫外可見(jiàn)吸收光譜有2個(gè)吸收峰，分別位于329nm 和536nm 處。由于329 nm 靠近紫外光，因此將536nm 作為花色苷在紫外可見(jiàn)光區(qū)域的最大吸收波長(zhǎng)。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 提取溫度對(duì)花色苷提取率的影響

在提取時(shí)間為15 min、液料比為8∶1、pH 值為3.0的條件下，考察提取溫度對(duì)花色苷提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可看出：隨著提取溫度的升高，花色苷提取率先緩慢上升后下降，在115 ℃時(shí)，提取率達(dá)到最高；在105～130℃之間，提取溫度對(duì)花色苷提取率的影響不顯著；當(dāng)提取溫度超過(guò)130℃時(shí)，花色苷對(duì)高溫較敏感，提取率較低。這可能是由于，溫度升高加快了水分子的對(duì)流，水的極性降低，提高了其溶解能力，提取率相應(yīng)提高；當(dāng)提取溫度超過(guò)115℃后，由于高溫促進(jìn)了水分子對(duì)花色苷的破壞作用或花色苷的降解，導(dǎo)致紫薯中一部分淀粉糊化，阻止亞臨界水對(duì)花色苷的溶解，提取率下降，提取液顏色逐漸加深，在145℃時(shí)變?yōu)樽厣?。因此，選擇提取溫度為115 ℃較為適宜。

圖2 提取溫度對(duì)花色苷提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of anthocyanins

2.2.2 提取時(shí)間對(duì)花色苷提取率的影響

在提取溫度為115 ℃、液料比為8∶1、pH 值為3.0的條件下，考察提取時(shí)間對(duì)花色苷提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 提取時(shí)間對(duì)花色苷提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of anthocyanins

由圖3可看出，花色苷的提取率隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)先上升后下降，當(dāng)提取時(shí)間為13min時(shí)提取率達(dá)到最高。這可能是由于，亞臨界水在高溫高壓下，其溶解能力和滲透能力都有較大的提高，從而在短時(shí)間內(nèi)就可以提高提取率；而長(zhǎng)時(shí)間的高溫高壓會(huì)導(dǎo)致花色苷分解，降低提取率。因此，選擇提取時(shí)間為13 min較為適宜。

2.2.3 液料比對(duì)花色苷提取率的影響

在提取溫度為115 ℃、提取時(shí)間為13min、pH 值為3.0的條件下，考察液料比對(duì)花色苷提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 液料比對(duì)花色苷提取率的影響Fig.4 Effect of liquid－material ratio on extraction rate of anthocyanins

由圖4可看出：在液料比為3∶1～8∶1范圍內(nèi)，花色苷提取率先上升后下降，在液料比為6∶1時(shí)達(dá)到最高；當(dāng)液料比超過(guò)8∶1時(shí)，提取率變化不明顯。這可能是由于：增大液料比，可以增大亞臨界水與花色苷的接觸面積，從而提高花色苷的提取率；但液料比過(guò)大，提取液的固形物含量迅速降低，提取率相應(yīng)降低。另一方面，液料比過(guò)大導(dǎo)致后續(xù)干燥過(guò)程能耗變大；若液料比過(guò)小會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)釜糊鍋，且攪拌困難，使機(jī)器不能正常運(yùn)行。因此，選擇液料比為6∶1較為適宜。

2.2.4 pH 值對(duì)花色苷提取率的影響

在提取溫度為115 ℃、提取時(shí)間為13 min、液料比為6∶1的條件下，考察pH 值對(duì)花色苷提取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 pH 值對(duì)花色苷提取率的影響Fig.5 Effect of pH value on extraction rate of anthocyanin

由圖5可看出，pH 值在2.0～4.0 時(shí)，對(duì)花色苷提取率的影響不是很大，且在pH 值為3.0時(shí)，花色苷提取率達(dá)到最高（0.134 mg·g－1），顏色也較好。這是因?yàn)?，pH 值的變化會(huì)導(dǎo)致其主體骨架由三環(huán)共面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三環(huán)不共面結(jié)構(gòu)，從而引起花色苷色澤的變化。在低pH 值溶液中，呈紅色的2－苯并吡喃鹽以共振結(jié)構(gòu)形式存在，穩(wěn)定性較好；pH 值升高，無(wú)色的假堿比例開(kāi)始上升，加速了花色苷的降解［9］，從而導(dǎo)致提取率降低。因此，選擇pH 值為3.0較為適宜。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以提取溫度（A）、提取時(shí)間（B）、液料比（C）、pH 值（D）為考察因素，以花色苷提取率為考核指標(biāo)，進(jìn)行L9（34）正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化提取工藝，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析Tab.1 Results and analysis of L9（34）orthogonal experiment

由表1可看出，新鮮紫薯亞臨界水法提取花色苷的最佳工藝條件為A2B2C3D2，即提取溫度115 ℃、提取時(shí)間13min、液料比8∶1、pH 值3.0。各因素對(duì)提取率的影響大小依次為：提取溫度（A）＞pH 值（D）＞提取時(shí)間（B）＞液料比（C），提取溫度對(duì)提取率的影響最大。

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在上述最佳工藝條件下，進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，花色苷平均提取率為0.139mg·g－1。表明所得最優(yōu)工藝條件可行。

2.5 與水提法的比較

萬(wàn)瑩等［8］采用水提法提取紫薯中的花色苷，其產(chǎn)品質(zhì)量是用色價(jià)來(lái)表示的。為比較不同方法的提取效果，將本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)提取條件下所得最終產(chǎn)品按文獻(xiàn)［8］中粗提液相同的固含進(jìn)行溶解，對(duì)比色價(jià)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，與文獻(xiàn)水提法相比，在固含相同的情況下，亞臨界水提取法所得產(chǎn)品色價(jià)提高了6.2%。因此，可以考慮將亞臨界水提取與膜技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提升產(chǎn)品色價(jià)。

表2 亞臨界水提取法與水提法的比較Tab.2 Comparison of sub－critical water extraction method and water extraction method

采用亞臨界水提取新鮮紫薯中的花色苷優(yōu)于傳統(tǒng)的熱水浸提法和有機(jī)溶劑法。可能是因?yàn)椋瑏喤R界水提取法在提高水的滲透能力和溶解能力的同時(shí)，避免了由于高溫提取使花色苷變性和分解的缺陷，使新鮮紫薯中的花色苷保留其原有特性，更有利于提取質(zhì)量好、色價(jià)高的花色苷；另一方面，亞臨界水提取法可使蛋白質(zhì)、淀粉等變性，給后續(xù)的分離純化帶來(lái)方便。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)確定亞臨界水提取新鮮紫薯花色苷的最佳工藝條件為：提取溫度115℃、液料比8∶1（mL∶g）、提取時(shí)間13min、pH 值3.0，在此條件下，新鮮紫薯花色苷提取率為0.139mg·g－1，產(chǎn)品色價(jià)提高了6.2%。為花色苷的進(jìn)一步純化和活性研究奠定了基礎(chǔ)，也為紫薯的開(kāi)發(fā)利用提供了參考。

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