香蕉皮黃色素的提取工藝及穩(wěn)定性研究
2015-10-20 01:39:47王凌云等
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年9期
王凌云等
摘要：以香蕉皮為原材料，通過(guò)單因素試驗(yàn)和L9（34）正交試驗(yàn)對(duì)其黃色素的提取工藝進(jìn)行研究，并研究了該色素提取液在光照、氧化劑和還原劑、不同溫度、不同pH值、常用配料、常用食品添加劑等條件處理下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：香蕉皮黃色素最佳提取條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)為85%，提取溫度60 ℃，料液比1 g ∶10 mL，提取時(shí)間3 h，提取2次。該色素對(duì)光、氧化劑、還原劑、蔗糖、食鹽、檸檬酸、山梨酸鉀、亞硝酸鈉、苯甲酸鈉、維生素C耐性較強(qiáng)；對(duì)熱不穩(wěn)定，在70 ℃以上極易褐變；在pH值>6.0時(shí)不穩(wěn)定，顏色發(fā)生陡然變化；且該色素對(duì)六偏磷酸鈉不穩(wěn)定。試驗(yàn)為天然黃色素的開(kāi)發(fā)和利用以及香蕉皮廢棄資源的利用提供了一定的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：香蕉皮；黃色素；提取工藝；穩(wěn)定性
中圖分類號(hào)： TS264.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）09-0316-05
香蕉（Musa nanalour）屬于芭蕉科（Musace）芭蕉屬（Musa），是典型的熱帶經(jīng)濟(jì)作物，也是人們最喜歡的水果之一。通常人們只食用香蕉果肉，占香蕉30%～40%質(zhì)量的香蕉皮則大多被丟棄，對(duì)香蕉皮資源的開(kāi)發(fā)利用還比較少，目前香蕉皮主要用于制備果膠 、多功能膳食纖維 、飼料添加劑。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，香蕉皮中主要含有酚類、油脂類、有機(jī)酸、縮合鞣質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類，還有多種維生素和無(wú)機(jī)鹽等成分[1-2]，因此香蕉皮極具開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。香蕉皮的利用和開(kāi)發(fā)，既可變廢為寶保護(hù)環(huán)境，又可提高香蕉加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[3]。香蕉皮具有較強(qiáng)的抗氧化性，主要是多酚類物質(zhì)，目前對(duì)提取香蕉皮中的多酚物質(zhì)研究較多[4]。此外，有研究者還探討了香蕉皮黃酮的提取與利用[5]。由于香蕉皮易發(fā)生褐變，因此，香蕉皮黑色素的提取工藝也已成熟[6]。但是，國(guó)內(nèi)對(duì)香蕉皮黃色素的研究還比較少，僅有香蕉皮黃色素的穩(wěn)定性初步研究[7]，未見(jiàn)提取工藝的研究報(bào)道。黃色素是一類重要的天然色素，占市場(chǎng)需求量的60%，具有廣闊的開(kāi)發(fā)實(shí)力及前景。目前國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)的天然黃色素有梔子黃、姜黃和柑橘黃。梔子黃色素用于面類制品著色時(shí)，易發(fā)生綠變，且穩(wěn)定性不高[8]。姜黃素對(duì)還原劑的穩(wěn)定性較強(qiáng)，著色性強(qiáng)，但對(duì)光、熱、鐵離子敏感。柑橘黃對(duì)光很敏感，易褪色，在使用時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)加入抗氧化劑。若能開(kāi)發(fā)一種新來(lái)源的天然黃色素，將是對(duì)食品著色劑中黃色素的補(bǔ)充，故進(jìn)行本研究。
1材料與方法
1.1材料與儀器
1.1.1材料香蕉為市售，八至九成熟，表皮完整且呈亮黃色，無(wú)黑色斑跡。將新鮮香蕉皮刮掉內(nèi)層中軟部分后，用水洗去內(nèi)層的膠狀物，再用濾紙吸干水分，切碎至0.5 cm×0.5 cm大小備用。
1.1.2試劑95%乙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙醚、30%過(guò)氧化氫、無(wú)水亞硫酸鈉、濃鹽酸、氫氧化鈉、蔗糖、氯化鈉、檸檬酸、維生素C、山梨酸鉀、亞硝酸鈉、六偏磷酸鈉、苯甲酸鈉等均為分析純，購(gòu)自成都市科龍化工試劑廠。
1.1.3主要儀器UV1000紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海天美科學(xué)儀器有限公司；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海紅葉設(shè)備有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；JD100-4G電子天平，沈陽(yáng)龍騰電子有限公司；HH-S恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市正基儀器有限公司；KQ-B玻璃儀器氣流烘干器，北京中興偉業(yè)儀器有限公司；DHG-9075A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1提取溶劑的選擇分別稱取10.000 g經(jīng)過(guò)預(yù)處理的香蕉皮塊分裝于6個(gè)250 mL三角瓶中，分別加入蒸餾水、50%乙醇、95%乙醇、乙酸乙酯、丙酮、乙醚各100mL，在室溫下浸提，1 h后在白色背景下觀察其溶液顏色和狀態(tài)。
1.2.2提取工藝研究按照“1.2.1”節(jié)選定的提取劑，分別考察提取劑體積分?jǐn)?shù)、溫度、料液比、提取時(shí)間、提取次數(shù)5個(gè)因素，分別設(shè)定依次遞增的4個(gè)水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)材料為10.000 g經(jīng)過(guò)預(yù)處理的香蕉皮，提取溶液定容到100 mL，以黃色素的最大吸收波長(zhǎng)λmax = 440 nm[7]下測(cè)得吸光度作為試驗(yàn)結(jié)果。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇影響較大的4個(gè)因素進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，最終確定香蕉皮黃色素的最佳提起工藝。
1.2.3穩(wěn)定性研究所用色素溶液均為最佳提取條件下提取得到。
1.2.3.1溫度的影響將20 mL色素提取液分裝于4支50 mL的具塞試管中，分別置于室溫（25 ℃左右）及50 ℃、75 ℃、90 ℃ 的3個(gè)恒溫水浴鍋中，處理2 h后，觀察其顏色的變化并測(cè)定其在440 nm處吸光度。
1.2.3.2pH值的影響將5 mL色素溶液分裝于14支10 mL的具塞試管中，并利用配制好的酸堿液（1 mol/L HCl、1 mol/L NaOH）調(diào)節(jié)色素溶液的pH值使其值為1～14，振蕩30 s，靜置30 min后觀察其顏色變化，并對(duì)顏色變化不大的測(cè)定吸光度。
1.2.3.3光照的影響將20 mL色素提取液分裝于2支50 mL的具塞試管中，分別置于室內(nèi)黑暗、光照2種條件下，溫度均為25 ℃左右，每隔24 h分別對(duì)提取液在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)440 nm處測(cè)定吸光度，連續(xù)測(cè)定7 d。
1.2.3.4蔗糖的影響分別吸取8 mL色素提取液4份置于10 mL具塞比色管中，將已配制好的濃度為1%、5%、10%、15%的蔗糖溶液分別取2 mL加入比色管中，振蕩30 s，靜置2 h 后觀察其顏色變化，并測(cè)定吸光度。
1.2.3.5食鹽的影響分別吸取8 mL的色素提取液5份置于10 mL具塞比色管中，將已配制好的濃度為4%、8%、12%、16%、20%的食鹽溶液分別取2 mL加入已加提取液的比色管中，振蕩30 s，靜置2 h后觀察其顏色變化，并測(cè)定吸光度。
1.2.3.6氧化劑（H2O2）的影響分別配制1.5%、3%、6%、15%的H2O2溶液各2 mL于5個(gè)25 mL的具塞比色管中，并各移取18 mL色素提取液于每支比色管中，振蕩30 s，靜置3 h后觀察其顏色變化，并測(cè)定吸光度。
1.2.3.7還原劑（Na2SO3）的影響分別配制0.1%、0.2%、0.5%、1%的Na2SO3溶液10 mL，并分別移取1 mL于4支25 mL具塞比色管中，再向每支比色管中移取19 mL色素提取液，振蕩30 s，靜置3 h后觀察其顏色變化，并測(cè)定吸光度[26]。
1.2.3.8檸檬酸的影響分別配制1%、2%、3%、4%的檸檬酸溶液各2 mL于4個(gè)10 mL的具塞比色管中，再分別吸取8 mL色素提取液于各比色管中，振蕩30 s，靜置2 h后測(cè)定其吸光度[3]。
1.2.3.9山梨酸鉀的影響分別配制1%、2%、3%、4%的山梨酸鉀溶液各1 mL于4個(gè)10 mL的具塞比色管中，再分別吸取9 mL色素提取液于各比色管中，振蕩30 s，靜置2 h后測(cè)定其吸光度。
1.2.3.10亞硝酸鈉的影響分別配制0.1%、0.3%、0.6%、1%、2%亞硝酸鈉溶液各1 mL于5個(gè)10 mL的具塞比色管中，并分別吸取9 mL色素提取液于各比色管中，振蕩30 s，靜置2 h后測(cè)定其吸光度。
1.2.3.11維生素C、苯甲酸鈉、六偏磷酸鈉的影響溶液配制濃度及操作同“1.2.3.10”節(jié)。
2結(jié)果與分析
2.1提取溶劑選擇
由表1可知，95%乙醇、丙酮和乙醚對(duì)香蕉皮黃色素提取效果均較好，但丙酮、乙醚有害身體健康，從食品安全性考慮，95%乙醇更合適，故初步選用高濃度乙醇為提取劑。
2.2單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1.1乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)色素提取效果的影響分別稱取5000 g經(jīng)過(guò)預(yù)處理的香蕉皮于4個(gè)250 mL的圓底燒瓶?jī)?nèi)，并準(zhǔn)確量取35%、55%、75%、95%乙醇溶液各50 mL于各個(gè)燒瓶中，將燒瓶放置于70 ℃的恒溫水浴鍋中回流1 h，過(guò)濾
表1不同提取劑對(duì)香蕉皮黃色素的浸提效果比較
提取劑提取液顏色與狀態(tài)乙酸乙酯無(wú)色透明水無(wú)色渾濁50%乙醇淺黃澄清95%乙醇亮黃澄清丙酮亮黃澄清乙醚亮黃澄清
濾，收集濾液，所得濾渣轉(zhuǎn)入燒瓶中再量取50 mL相同溶劑回流 1 h，再收集濾液，將2次所得濾液濃縮至50 mL，濃縮液在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)440 nm處測(cè)定其吸光度。以乙醇體積分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)繪制曲線（圖1）。由圖1可知，95%體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液使色素溶出最多，吸光度為0.290，而75%乙醇提取液濃縮后吸光度為0.278，僅次于95%乙醇提取液的色素溶出率。55%乙醇提取液吸光度為0.162，遠(yuǎn)小于75%乙醇提取液吸光度。因此選擇75%的乙醇溶液為香蕉皮黃色素的最佳提取劑。
2.1.2溫度對(duì)色素提取效果的影響按照同樣方法，樣品5.000 g，料液比1 g ∶10 mL，提取劑75%乙醇，回流提取2次，每次1 h，溫度分別設(shè)定25、40、55、70 ℃，提取結(jié)束后 440 nm 測(cè)定提取液吸光度，結(jié)果如圖2所示。低溫條件下色素不易溶出，并且在設(shè)定范圍內(nèi)溫度越高色素提取效果越好，且70 ℃下，其濃縮液吸光度達(dá)到0.286；但一般色素不耐高溫，因此初步確定55 ℃為提取色素的最佳溫度。
2.1.3料液比對(duì)色素提取效果的影響參考梔子黃色素提取工藝最佳料液比是1 g ∶10 mL[8]，故選擇料液比（g ∶mL）為1 ∶5、1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20等4個(gè)水平進(jìn)行香蕉皮黃色素提取，其他條件如“2.1.2”節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果（圖3）表明，料液比為1 g ∶10 mL時(shí)，色素溶出率最大，因此初步確定最佳料液比為1 g ∶10 mL。
2.1.4提取時(shí)間對(duì)色素提取效果的影響在料液比 1 g ∶10 mL、75%乙醇溶液、55 ℃的水浴條件下提取2次，研究了不同提取時(shí)間（1、2、3、4 h）對(duì)香蕉皮黃色素提取效果的影響，結(jié)果（圖4）表明，隨著提取時(shí)間的增加，提取效果越來(lái)越好，但是由于2～4 h間增加的吸光度為0.058，不如1～2 h間增加的多，1～2 h間增加的吸光度有0.068。從節(jié)省能源及時(shí)間來(lái)看，選擇2 h為最佳提取時(shí)間。
2.1.5提取次數(shù)對(duì)色素提取效果的影響按照前面步驟得到的最佳條件，在料液比1 g ∶10 mL、75%乙醇溶液、55 ℃的水浴條件下提取2 h，分別測(cè)定提取1、2、3、4次的提取液的吸光度，結(jié)果（圖5）表明，隨著提取次數(shù)的增多，提取效果越好，特別是提取2次較提取1次增加的吸光度較多，增加達(dá)到0.210，而提取3次和4次也有增加，但是增加的效果不大，分別為0.130和0.040；因此，選取2次為最佳提取次數(shù)。
2.3正交試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.3.1正交試驗(yàn)因素水平的確定根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，乙醇體積分?jǐn)?shù)、溫度、料液比、提取時(shí)間4個(gè)因素都對(duì)香蕉皮色素的提取影響較大，而提取次數(shù)相比其他4個(gè)因素影響不大，因此本試驗(yàn)固定提取次數(shù)為2次，以乙醇體積分?jǐn)?shù)、溫度、料液比和提取時(shí)間為因素，每個(gè)因素設(shè)定3個(gè)水平，進(jìn)行4因素3水平正交試驗(yàn)（表2）。
2.3.2正交試驗(yàn)結(jié)果與分析由表3可知，RC>RB>RA>RD，即提取時(shí)間影響最大，其次是溫度，再次是乙醇體積分?jǐn)?shù)，影響最小的是料液比。從正交試驗(yàn)的直觀分析看，提取效果最好的條件是A3B2C3D1，即乙醇體積分?jǐn)?shù)85%，溫度60 ℃，提取時(shí)間3 h，料液比1 g ∶10 mL；但從每個(gè)因素看，最佳條件是每個(gè)因素的k最大值的條件，即A3B3C3D3，具體為，乙醇體積分?jǐn)?shù)85%，溫度70 ℃，提取時(shí)間3 h，料液比 1 g ∶20 mL。對(duì)這2個(gè)條件做驗(yàn)證試驗(yàn)，提取過(guò)程如“1.2.1”節(jié)，吸光度分別為0.476、0.493。A3B3C3D3比A3B2C3D1提取效果好，但吸光度差值較小，為0.017，僅提高了3.57%。由表4可知，0.01
合分析，從香蕉皮中提取黃色素的最佳條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)85%，溫度60 ℃，料液比1 g ∶10 mL，提取時(shí)間3 h。
2.4穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果
2.4.1溫度的影響結(jié)果由表5可見(jiàn)，該色素在70～90 ℃之間不穩(wěn)定，且高溫下色素已被破壞，而25～50 ℃之間，色素保持相對(duì)穩(wěn)定。故該色素在50 ℃左右及以下都較穩(wěn)定，但當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃以上，色素就不穩(wěn)定。因此，使用時(shí)應(yīng)限制其溫度在50 ℃左右或更低溫度。
表5不同溫度對(duì)色素提取液的影響
溫度（℃）吸光度溫度（℃）吸光度250.243700.351500.255900.430
2.4.2pH值的影響結(jié)果由表6可知，在pH值為1～6之間，提取液顏色無(wú)明顯變化，但是pH值=7時(shí)，顏色發(fā)生了突變，由黃色變?yōu)槌赛S色，且隨著pH值的增大，顏色逐漸加深，直至pH值=14時(shí)提取液變?yōu)樯罴t色。表明該色素提取液在弱酸性條件下較穩(wěn)定，在中性偏堿性或堿性條件下都極不穩(wěn)定。故該色素不應(yīng)加入堿性溶液中，其最佳pH值條件為 4～6。
表6不同pH值對(duì)色素提取液的影響
pH值吸光度pH值溶液顏色10.1957淡橙黃色20.2018淡橙紅色30.2089橙紅色40.21210橙紅色50.26711淡紅色60.28312淡紅色13深紅色14深紅色
2.4.3光照的影響結(jié)果圖6為色素提取液在黑暗和光照下1周內(nèi)吸光度的變化，可見(jiàn)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，色素吸光度的差值逐漸增大，但到7 d時(shí)，吸光度相差僅為0.051，故短時(shí)間內(nèi)（7 d）光照對(duì)色素穩(wěn)定性影響不大。
2.4.4食品配料（蔗糖、食鹽）對(duì)色素的影響由圖7、圖8可知，蔗糖、食鹽等常用的食品配料對(duì)色素穩(wěn)定性影響均較小，且蔗糖在5%低濃度時(shí)色素顏色增加，吸光度增大，對(duì)香蕉皮黃色素有增色作用。因此可在食品中添加低濃度蔗糖以保持色素的著色力。將香蕉皮黃色素添加到食品中，食品中原有蔗糖、食鹽等成分不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。
2.4.5氧化劑（H2O2）與還原劑（Na2SO3）對(duì)色素的影響H2O2為強(qiáng)氧化劑。由圖9可知，在H2O2濃度低于6%的條
件下，色素非常穩(wěn)定，直至濃度達(dá)到15%才使色素提取液的吸光度有少許下降，由最初的0.266下降到0.223，可見(jiàn)H2O2對(duì)色素的穩(wěn)定性影響不大，即該色素的耐氧化性較強(qiáng)。Na2SO3為食品中常見(jiàn)的抗氧化劑和護(hù)色劑。由圖10可知，在較低濃度下（0.1%～1.0%范圍內(nèi)）亞硫酸鈉對(duì)色素穩(wěn)定性幾乎無(wú)影響，且對(duì)色素有一定的保護(hù)作用，故在食品加工中可同時(shí)加入該色素與低濃度的亞硫酸鈉。但由于亞硫酸鈉具有弱堿性，而該色素在堿性條件下極不穩(wěn)定，因此在含有該色素的食品中不可加入高濃度的亞硫酸鈉，防止色素變質(zhì)。
2.4.6檸檬酸、山梨酸鉀對(duì)色素的影響由圖11可知，加入不同濃度的檸檬酸，色素的吸光度未發(fā)生明顯變化，而檸檬酸
具有還原性，可見(jiàn)檸檬酸在提取液中對(duì)色素有一定的保護(hù)作用；因此，檸檬酸作為食品中常用的酸味劑和抗氧化劑可與香蕉皮黃色素同時(shí)使用。隨著添加防腐劑山梨酸鉀濃度的增大，色素吸光度逐漸增大，可見(jiàn)一定濃度的山梨酸鉀會(huì)使色素的著色力增強(qiáng)；因此，若在食品加工中同時(shí)加入該色素和一定濃度的山梨酸鉀，后者對(duì)前者有增強(qiáng)著色力的效果。
2.4.7亞硝酸鈉、維生素C、苯甲酸鈉對(duì)色素的影響由圖12可知，在濃度范圍為0.1%～2.0%內(nèi)的亞硝酸鈉、維生素C、苯甲酸鈉溶液中，色素的吸光度變化均不大，且吸光度均較高，可見(jiàn)，亞硝酸鈉、維生素C、苯甲酸鈉對(duì)色素的穩(wěn)定性基本無(wú)影響。這3種食品添加劑中，亞硝酸鈉、維生素C均具有還原性，能夠很好地抑制色素的氧化，使其保持穩(wěn)定；苯甲酸鈉是酸性防腐劑，香蕉皮黃色素對(duì)苯甲酸鈉穩(wěn)定與該色素在酸性條件下穩(wěn)定相吻合。故在食品加工中一定濃度（0.1%～2.0%）的亞硝酸鈉、維生素C、苯甲酸鈉可分別與該色素配合使用。
2.4.8六偏磷酸鈉對(duì)色素的影響將5種不同濃度（0.1%～2.0%）的六偏磷酸鈉溶液加入色素提取液，保存2 h后觀察色素的顏色與狀態(tài)變化，結(jié)果（表7）表明，隨著六偏磷酸鈉濃度的增大，色素越來(lái)越不穩(wěn)定；因此，六偏磷酸鈉或含有六偏磷酸鈉的復(fù)合磷酸鹽等食品添加劑不可與該色素同時(shí)使用。
表7不同濃度的六偏磷酸鈉對(duì)色素的影響
六偏磷酸鈉濃度
（%）顏色及狀態(tài)六偏磷酸鈉濃度
（%）顏色及狀態(tài)0.1黃色渾濁1.0白色渾濁0.3淡黃色渾濁2.0白色渾濁0.6淡黃色渾濁
3結(jié)論
本試驗(yàn)采用熱回流提取法對(duì)香蕉皮黃色素的提取工藝進(jìn)行了研究。通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)確定香蕉皮黃色素的最佳提取工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)85%，溫度60 ℃，料液比1 g ∶10 mL，提取時(shí)間3 h，提取次數(shù)2次。為進(jìn)一步研究該色素的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)行了色素對(duì)溫度、pH值、光照等條件的穩(wěn)定性試驗(yàn)，及色素對(duì)某些常見(jiàn)食品配料和食品添加劑的穩(wěn)定性影響。該色素對(duì)光較穩(wěn)定，且氧化劑和還原劑都對(duì)其影響不大，大多數(shù)常見(jiàn)的添加劑（除六偏磷酸鈉）也可與色素同時(shí)加入食品中，不影響色素的穩(wěn)定性。但是只有在一定的溫度和酸堿度下才保持穩(wěn)定，溫度若高于70 ℃，則很不穩(wěn)定，pH值>6時(shí)色素也極不穩(wěn)定，在pH值為7～14之間，色素顏色發(fā)生了劇烈變化，從黃色變?yōu)榧t色。因此在應(yīng)用該色素時(shí)應(yīng)注意溫度、pH值等條件。
香蕉皮黃色素較穩(wěn)定，可與大部分食品添加劑配合使用，作為食品著色劑有極高的利用價(jià)值；但該色素的純化、結(jié)構(gòu)、毒理試驗(yàn)及具體使用還有待進(jìn)一步研究。
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