響應(yīng)面試驗優(yōu)化紫薯皮色素提取工藝及其穩(wěn)定性分析

海妮·巴音達(dá)，阿不都拉·阿巴斯*（新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

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響應(yīng)面試驗優(yōu)化紫薯皮色素提取工藝及其穩(wěn)定性分析

海妮·巴音達(dá)，阿不都拉·阿巴斯*
（新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

通過Box-Behnken試驗設(shè)計和響應(yīng)面分析法，對紫薯皮色素的提取條件進(jìn)行了優(yōu)化，并且研究了各種物理及化學(xué)因素對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響。結(jié)果，得出最佳提取條件為：酸醇體積比1∶1（0.5%檸檬酸酸化）、料液比1∶60（g/mL）、提取溫度50 ℃、提取時間20 min。在此優(yōu)化方案條件下，理論吸光度預(yù)測值為0.843，實際吸光度為0.838。紫薯皮色素的穩(wěn)定性研究結(jié)果顯示：日光暴曬條件下光穩(wěn)定性比較差，自然光和避光條件下，穩(wěn)定性良好；4～60 ℃的溫度范圍內(nèi)具有非常好的熱穩(wěn)定性；紫薯皮色素在含有K+、Ca2+、Na+、Zn2+等金屬離子的溶液中表現(xiàn)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，在含有Mg2+、Cu2+、Mn2+、Fe3+等金屬離子的溶液中產(chǎn)生沉淀；酸性條件有利于紫薯皮色素的穩(wěn)定性，而堿性條件不利于紫薯皮色素的穩(wěn)定性；最大安全使用范圍內(nèi)，紫薯皮色素穩(wěn)定性幾乎不會受到苯甲酸、山梨酸等一系列常用食品添加劑溶液的影響，可作為食品著色劑。

紫薯皮；色素；響應(yīng)面法；穩(wěn)定性

紫薯是1990年中國從日本引進(jìn)的紫甘薯的新品種，呈紡錘形的薯塊，含有大量花青素的薯皮和薯肉均呈現(xiàn)出鮮艷誘人的紫紅色［1-5］。食品感官品質(zhì)的重要影響因素是色澤［6-8］，食用色素有兩種，一種是天然色素，另一種是人工合成色素［9-13］。人工合成色素的安全性隨著科技的成長和發(fā)展越來越被人們所質(zhì)疑，以至于它被使用的數(shù)目和種類受到了各種限制［14-18］，很多國度已經(jīng)開始禁用一些人工合成色素，開始普遍關(guān)注來自大自然的天然色素，天然色素有良好的保健作用并且安全性高，沒有任何副毒作用，安全性高并具有一定的保健作用［19-21］。

紫薯皮色素是從紫薯皮中提取的天然的水溶性紅色素，屬于花青素類［22］，存在于紫薯的塊根、莖、葉和紫薯皮中［23］，花青素類色素具有抗突變、抗輻射、抗氧化和抗癌活性，調(diào)節(jié)血壓［24-25］等特性，對多種疾病起著預(yù)防治療作用［26-28］。紫薯中不僅含有天然色素，還含有大量膳食纖維。紫薯在我國主要作為果脯和天然色素的生產(chǎn)原料，而紫薯皮和紫薯渣一般成為加工廢棄物或者用作飼料或肥料［29］。紫薯皮中富含的膳食纖維［30］，具有明顯的預(yù)防高脂血癥、肥胖癥、高血壓、脂肪肝、糖尿病及腸癌等疾病發(fā)生作用［31］，紫薯渣的利用已有很多相關(guān)報道，但還鮮見有單獨(dú)把紫薯皮列出來加以綜合利用、制備食用天然色素的報道。本實驗通過Box-Behnken試驗設(shè)計和響應(yīng)面分析法，對紫薯皮色素的提取條件進(jìn)行了優(yōu)化，并且研究了各種物理及化學(xué)因素對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響，旨在為紫薯皮色素工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯 烏魯木齊天山區(qū)友好超市。

無水乙醇、檸檬酸、苯甲酸、蔗糖、檸檬酸、可溶性淀粉、氯化鈉、CuSO4、K2SO4、MgCl2、ZnCl2、AlCl3（均為分析純） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；實驗用水為蒸餾水。

1.2 儀器與設(shè)備

AL104型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；純水機(jī) 上海光地儀器設(shè)備有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市雙捷實驗儀器廠；GDS53型紫外-可見分光光度計 上海棱光公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

將新鮮紫薯洗凈剝皮，將皮冷凍干燥，粉碎過80 目篩，獲得紫薯皮粉末，放置于密閉容器中里備用［32］。

1.3.2 紫薯皮色素的粗提取流程

新鮮紫薯樣品→清洗→取皮棄肉→凍干→粉碎→過80 目篩→酸化乙醇回流提取→抽濾→濃縮→色素粗提液［33］

1.3.3 紫薯皮色素最佳吸收波長的確定

精確稱取0.5 g紫薯皮粉末，用0.5%檸檬酸酸化的乙醇溶液（酸醇體積比為1∶2），在60 ℃溫度條件下，回流提取30 min，抽濾備用。取1 mL粗提液加適量提取溶劑適當(dāng)稀釋，提取溶劑做為空白，在300～560 nm波長處測定色素的吸光度，確定紫薯皮色素的最佳吸收波長。

1.3.4 紫薯皮色素提取溶劑檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

準(zhǔn)確稱取0.5 g紫薯皮粉末，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.0%、1.3%、1.5%檸檬酸溶液，用其酸化乙醇（酸醇體積比1∶2），酸化乙醇回流提取［1］，取1 mL粗提液加適量提取溶劑適當(dāng)稀釋，在最佳吸收波長條件下測吸光度。

1.3.5 紫薯皮色素提取條件優(yōu)化

采用四因素三水平的響應(yīng)面分析法，主要影響因素酸醇體積比、料液比、提取溫度、提取時間等因素作為自變量，吸光度作為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面優(yōu)化研究紫薯皮色素提取工藝，試驗因素水平見表1。

表1 回流提取響應(yīng)面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels used for Box-Behnken experimentaldesign

1.3.6 紫薯皮色素的穩(wěn)定性分析

1.3.6.1 光照對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響

準(zhǔn)確吸取紫薯皮色素粗提液2 mL定容至50 mL，分別放置于避光、室內(nèi)自然光和日光直射處放置0、5、10、15、20、25、30 d后觀察色素的色澤變化，并且在330 nm波長處測定色素的吸光度。

1.3.6.2 溫度對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響

準(zhǔn)確吸取紫薯皮色素粗提液1 mL定容至25 mL，分別放置在不同溫度的恒溫水浴鍋內(nèi)加熱60 min，水浴鍋溫度分別設(shè)置為4、20、40、60、80、100 ℃，觀察色素的色澤變化，并在330 nm波長處測定吸光度。

1.3.6.3 金屬離子對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響

準(zhǔn)確吸取紫薯皮色素粗提液10 mL，分別加入0.05 mol/L K+、Ca2+、Na+、Zn2+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Fe3+金屬溶液5 mL，加等量蒸餾水的為對照，振蕩器振蕩之后，放在室溫條件下靜置12 h，觀察色素的色澤變化，并在330 nm波長處測定吸光度。

1.3.6.4 pH值對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響

準(zhǔn)確吸取紫薯皮色素粗提液1 mL定容至25 mL，同時搖勻調(diào)節(jié)pH 1～14，放在室溫條件下，60 min后觀察色素的色澤變化，并在330 nm波長處測定吸光度。

1.3.6.5 常用食品添加劑對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響

準(zhǔn)確吸取紫薯皮色素粗提液10 mL，分別加入0.05 mol/L苯甲酸、氯化鈉、山梨酸、可溶性淀粉、檸檬酸、葡萄糖、蔗糖等常用食品添加劑，振蕩搖勻，加等量蒸餾水的一組設(shè)為對照，室溫條件下放置60 min后，觀察色素的色澤變化，并在330 nm波長處測定吸光度。

2 結(jié)果與分析

圖1 紫薯皮色素最佳吸收波長確定Fig.1 Maximum absorption wavelength of purple potato skin pigment

2.1 紫薯皮色素最佳吸收波長的確定花青素類特征吸收峰為320～525 nm之間，如圖1所示，本實驗確定紫薯皮色素的吸收波長為330 nm。

2.2 檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對紫薯皮色素提取效果的影響

圖2 紫薯皮色素最佳提取溶劑的確定Fig.2 Optimum extraction solvent for purple sweet potato skin pigment

固定提取溫度50 ℃、料液比1∶60、提取時間30 min，分別選取0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.0%、1.3%、1.5%的檸檬酸［1］，如圖2所示，檸檬酸溶液為0.8%之后曲線基本趨于穩(wěn)定，因此確定提取試劑中檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%。

2.3 單因素試驗結(jié)果

2.3.1 最佳酸醇體積比的確定

圖3 酸醇體積比對色素提取的影響Fig.3 Effect of citric acid to alcohol ratio on the extraction efficiency of pigment

如圖3所示，當(dāng)酸醇體積比為0∶30即直接用乙醇提取紫薯色素時吸光度最低，乙醇沒有進(jìn)行酸化處理，紫薯皮粉末中各種金屬離子的含量比較高，在中性條件下，花青素容易與金屬離子發(fā)生反應(yīng)絡(luò)合沉淀，沉積在纖維中，不利于色素的提取。乙醇被酸化處理之后，才能斷裂花青素與金屬離子的絡(luò)合鍵，多糖、蛋白質(zhì)以及本身離子鍵的疏水鍵和氫鍵，從而提高提取效率。當(dāng)酸醇體積比為1∶1時提取效果最好，故酸醇體積比1∶1為宜。

2.3.2 最佳料液比的確定

圖4 料液比對色素提取的影響Fig.4 Effect of solid-to-liquid ratios on pigment extraction

如圖4所示，隨著提取溶劑用量的不斷增加，吸光度緩慢降低，料液比為1∶20～1∶40（g/mL）時吸光度都高于1，并且原料不能很好地浸提到提取溶劑里，造成原料的浪費(fèi)，而當(dāng)料液比為1∶80（g/mL）時吸光度最低，造成了提取溶劑的浪費(fèi)，提取溶劑或原料用量過多都會提高生產(chǎn)成本，因此確定料液比1∶60（g/mL）為宜。

2.3.3 最佳提取溫度的確定

圖5 提取溫度對色素提取的影響Fig.5 Effect of temperature on the extraction efficiency of pigment

如圖5所示，隨著回流提取溫度的不斷升高，色素的吸光度緩慢增加，70 ℃時紫薯中的淀粉開始糊化，并未花青素會發(fā)生氧化、聚合影響提取效果，當(dāng)溫度較低時，花青素與纖維、蛋白質(zhì)等的分離較慢，也會影響提取效果，因此回流提取溫度在50 ℃左右為宜。

2.3.4 最佳提取時間的確定

圖6 提取時間對色素提取的影響Fig.6 Effect of extraction time on the extraction efficiency of pigment

如圖6所示，在10～120 min內(nèi)，時間的延長對色素的吸光度影響甚小，綜合經(jīng)濟(jì)性因素來考慮，回流提取時間以20 min為宜。

2.4 紫薯皮色素提取條件的優(yōu)化

2.4.1 Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果

表2 紫薯皮色素提取條件Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table2 Box-Behnken designw ithe xperimentala bsorbancev alues of pu rp le swe etpotato sk in pigm en t

如表2所示，在設(shè)計中所有因素都經(jīng)過量綱線性編碼處理，各因素對指標(biāo)值的影響程度由方程各項系數(shù)的絕對值大小直接反映，影響的方向由系數(shù)的正負(fù)反映。將數(shù)據(jù)由Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行多元回歸擬合，得到紫薯皮粉色素溶液吸光度的二次多項回歸方程：

如表3所示，模型極顯著（P＜0.01），調(diào)整性決定系數(shù)R=0.851 9，線性相關(guān)系數(shù)R=0.926 0，這表明回歸方程擬合度很好，可以用此模型對紫薯皮色素提取進(jìn)行分析和預(yù)測。一次項中B即料液比的影響極顯著，交互項中BC影響極顯著，說明料液比和提取溫度對紫薯皮色素提取具有顯著影響，二次項中A2、B2、C2、D2的影響都極顯著。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Analysis of variance of regressi on e quati on

2.4.2 各因素交互作用響應(yīng)面圖

圖7 各因素交互作用響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface plots showing the effect of interactions among four factors on the absorbance of purple sweet potato peel pigment

圖7直觀地反映了4 個因素對吸光度的影響，圖中的曲線越陡峭，該因素對吸光度的影響越大，等高線圖反映了存在極值的條件在圓心處，其中因素B（料液比）與C（提取溫度）之間的交互作用比較顯著。

2.5 紫薯皮色素穩(wěn)定性分析結(jié)果

2.5.1 光照對紫薯皮色素的影響

表4 光照對色素穩(wěn)定性（吸光度）的影響Table4 Influence of light on stability of pigment

由表4所示，日光直射對色素的影響較大，隨著放置時間的延長色素的吸光度慢慢下降，顏色越來越淡。室內(nèi)自然光條件下，隨著時間的延長吸光度也越小，直至20 d以后基本穩(wěn)定，但色素的流失沒有日光直射嚴(yán)重。避光保存時，色素穩(wěn)定性非常好，第10天之后吸光度基本穩(wěn)定沒有變化，色素幾乎沒有損失，避光保存的吸光度明顯高于前兩種條件下保存的色素的吸光度，因此，貯存并運(yùn)輸?shù)臅r候盡最大可能避免陽光直射。

2.5.2 溫度對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響

表5 溫度對色素穩(wěn)定性的影響Table5 Effect of t emperature on thestability of the pigment

如表5所示，紫薯皮色素比較耐熱，在60 ℃以下表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性，吸光度幾乎沒有變化，當(dāng)溫度高于60 ℃以后紫薯色素吸光度緩慢降低。因此，保存和使用過程中盡量避免高溫，應(yīng)在冰箱冷藏室或者在室溫條件下保存和使用。

2.5.3 金屬離子對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響

表6 金屬離子對色素穩(wěn)定性的影響Table 6 Effect of m etal i on s on thestability of thepigment

如表6所示，紫薯皮色素在含有K+、Ca2+、Na+、Zn2+離子的溶液中呈現(xiàn)出比較穩(wěn)定的狀態(tài)，使用時可酌情添加。而在含有Mg2+、Cu2+、Mn2+、Fe3+離子的溶液中產(chǎn)生沉淀，因此，使用和運(yùn)輸過程當(dāng)中應(yīng)盡量避免與含這些金屬離子的原料接觸。

2.5.4 pH值對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響

表7 pH值對色素穩(wěn)定性的影響Table7 Effect of pH on thestability of thep igment

如表7所示，我們可以觀察到pH值不大于5時，隨著pH值的升高，色素的吸光度也跟著增大，當(dāng)pH值大于7時，色素的吸光度迅速下降直到pH 14，這說明強(qiáng)堿環(huán)境對紫薯皮色素有強(qiáng)有力的破壞作用。因此，紫薯皮色素適合在酸性條件下保存和使用，可適用于酸性食品的著色劑。

2.5.5 常用食品添加劑對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響

表8 常用食品添加劑對紫薯皮色素穩(wěn)定性的影響Table8 Effect of comm on lyu sed food additives on the stability of thep igm ent

由表8可知，紫薯皮色素在苯甲酸、氯化鈉、山梨酸、可溶性淀粉、檸檬酸、葡萄糖、蔗糖溶液中都比較穩(wěn)定，所以，紫薯皮色素是一類極佳的天然食品著色劑。

3 結(jié) 論

以紫薯皮為原料提取色素，并對其穩(wěn)定性和提取工藝進(jìn)行相關(guān)研究，響應(yīng)面法得到最佳提取條件為酸醇體積比1∶1.31（實取1∶1）、料液比1∶61.72（實取1∶60）、提取溫度50.37 ℃（實取50 ℃）、提取時間19.22 min（實取20 min），預(yù)測最大吸光度為0.843，實際吸光度的平均值為0.838。穩(wěn)定性研究結(jié)果表明，紫薯皮色素在日光直射暴曬的條件下光穩(wěn)定性較差，避光條件下呈現(xiàn)非常穩(wěn)定的狀態(tài)，因此貯存和運(yùn)輸過程中應(yīng)盡量避免長時間暴露在光照中；紫薯皮色素比較耐熱，但60 ℃以后紫薯色素吸光度緩慢降低，因此，保存和使用過程中盡量避免高溫，應(yīng)在冰箱冷藏室或者在室溫條件下保存和使用；紫薯皮色素在含有K+、Ca2+、Na+、Zn2+離子的溶液中穩(wěn)定性較好，在實際運(yùn)用根據(jù)需要添加；酸性條件下，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，不能保存在破壞其穩(wěn)定性的極強(qiáng)堿環(huán)境中；常用食品添加劑的加入在最大安全使用范圍內(nèi)，對紫薯皮色素穩(wěn)定性幾乎沒有任何影響。

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Extraction and Stability of Purple Sweet Potato Peel Pigment

Haini·BAYINDA， Abdulla·ABBAS*
（College of Life Science and Technology， Xinjiang University， ürümqi 830046， China）

Box-Behnken experimental design and response surface methodology were employed to optimize the conditions for extraction of purple sweet potato peel pigment.Also， the effect of various physicochemical factors on the stability of the pigment was addressed.The optimum extraction conditions were obtained as follows: 0.5% citric acid:anhydrous ethanol at a volume ratio of 1:1 as extraction solvent； solid-to-solvent ratio， 1:60 （g/mL）； temperature， 50 ℃； and time， 20 min.Under these conditions， the predicted absorbance value of the pigment solution was 0.843 and the experimental value was 0.838.The pigment was unstable under light and strong alkali conditions （pH ＞ 7）.It was relatively stable at temperatures between 4 and 60 ℃.Metal ions including K+， Ca2+， Na+， Zn2+， Mg2+， Cu2+， Mn2+， and Fe3+were helpful in the degradation of the pigment.Within the safe dosage range， its stability was hardly affected by benzoic acid， sorbic acid， citric acid， sucrose，soluble starch， glucose， and sodium chloride.Therefore， it can be used as food coloring agent.

purple sweet potato peel； pigment； response surface methodology； stability

10.7506/spkx1002-6630-201614010

TS202

A

1002-6630（2016）14-0056-06

海妮·巴音達(dá)， 阿不都拉·阿巴斯.響應(yīng)面試驗優(yōu)化紫薯皮色素提取工藝及其穩(wěn)定性分析［J］.食品科學(xué)， 2016， 37（14）: 56-61.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614010. http://www.spkx.net.cn

Haini·BAYINDA， Abdulla·ABBAS.Extraction and stability of purple sweet potato peel pigment［J］.Food Science， 2016，37（14）: 56-61.（in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614010. http://www.spkx.net.cn

2016-02-16

海妮·巴音達(dá)（1988—），女，碩士研究生，研究方向為食品生物技術(shù)。E-mail：sunflower_bee@sina.com

*通信作者：阿不都拉·阿巴斯（1951—），男，教授，博士，研究方向為資源植物有效成分分析。E-mail：abdulla@xju.edu.cn