山葡萄皮花青素超聲波輔助提取及抗氧化活性研究

（黑龍江民族職業學院，黑龍江哈爾濱150066）

山葡萄為葡萄科葡萄屬植物，主要種植在我國的東北地區，其種植資源豐富、抗寒性強、葡萄皮花青素含量高等特點[1]。當前市面上以葡萄為原料的產品主要有葡萄酒、葡萄果汁，因其具有獨到的風味和滋補養身等功效備受人們的喜愛。葡萄皮作為生產葡萄酒和葡萄果汁的副產物（占整個葡萄的10%）被大量遺棄，不僅造成嚴重的資源浪費，而且還污染環境。目前，如何將副產物變廢為寶以及如何提高副產物利用率已經成為人們關注的熱點問題。

葡萄皮中含有大量的花青素，花青素屬于類黃酮類的化合物，是一種安全綠色的天然色素。研究表明：花青素具有抗氧化[2]、抗菌消炎[3]、保護心腦血管[4]以及緩解視疲勞[5]等功效。如何高效地從葡萄皮中提取花青素是科研工作者備受關注的問題。目前對花青素的提取主要采用熱浸提法[6]、微波輔助提取法[7]、高壓脈沖電場法[8]、超聲波提取法[9]。其中超聲波提取是一種新型的植物活性成分提取技術，它是利用超聲波的空化效應、熱效應、機械效應加速細胞壁破裂，減小花青素擴散阻力，使細胞內的花青素更容易從細胞中擴散到周圍溶劑，從而有效提高了花青素得率[10]。李大婧等[11]采用超聲波技術從萬壽菊中提取葉黃素，研究發現葉黃素的得率高達97%。李山等[12]采用超聲波輔助提取花生殼中的黃色素結果超聲波提取能顯著提高黃色素的得率。黃靜等[13]對比不同提取方式對萬年蒿總黃酮得率的影響，研究發現超聲波輔助提取得到的總黃酮明顯高于其它提取方式。但超聲波提取山葡萄皮花青素的研究未見報道，為了提高山葡萄皮的利用率，本文采用超聲波輔助提取山葡萄皮花青素，通過單因素試驗探究超聲波功率、超聲溫度、乙醇濃度和料液比對花青素得率的影響，在單因素試驗的基礎上，采用響應曲面法中的Box-Behnken試驗設計，優化出超聲波輔助提取山葡萄皮花青素的工藝參數，為以后更深入研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 主要試劑

山葡萄：哈爾市香坊農產提供；香草醛、濃鹽酸、甲醇、無水乙醇、水楊酸：均為分析純，天津市富宇精細化工有限公司；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼 （1，1'-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）：美國 Sigma公司；抗壞血酸、過硫酸鉀：美國Fisher公司。

1.2 設備與儀器

AB204-S型電子分析天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；KQ600DB超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；UV-1700分光光度計：日本島津公司；DRYER真空冷凍干燥器：德國西門子公司；LG10-2.4A離心機：北京京立離心機有限公司。

1.3 方法

1.3.1 山葡萄皮的預處理

挑選成熟度均一的山葡萄，經除雜、清洗、去除果肉，將葡萄皮置于真空冷凍干燥機凍干，然后用粉碎機粉碎，過40目篩，制成葡萄皮粉末，避光密封保存在4℃冰箱中備用。

1.3.2 山葡萄皮花青素提取

準確稱取2.00 g山葡萄皮粉置于萃取容器中，加入試驗預先確定體積和濃度的乙醇作為萃取劑來構建萃取體系。將萃取體系置于超聲波中，設定超聲波功率為400 W～800 W間隔為100 W，超聲溫度為30℃～70℃，超聲30 min。超聲結束后，將提取液4 000 r/min離心15 min，將上清液和渣液分離，將渣液用預先設定濃度的乙醇洗滌直到渣液無色，合并渣液和上清液得最終花青素提取液，采用紫外分光光度法，在500 nm處測定提取液的OD值，計算出花青素得率。

1.3.3 山葡萄皮花青素得率的計算

準確稱取0.02 g花青素標準品，用60%酸化乙醇溶解并定容至50 mL容量瓶中，然后分別準確取0.0、2.0、4.0、6.0、8.0和10.0 mL的標準液，然后用 60%酸化乙醇定容至10 mL，分別從10 mL中各取1 mL置于10 mL具塞的比色管中（另取60%酸化乙醇液為對照液），分別加入5 mL顯色劑，搖勻，避光，在30℃恒溫水浴鍋中保持30 min，保溫比色，在500 nm波長處，測定吸光值，繪制標準曲線，標準曲線方程為A=0.831 6C-0.035 1，R2=0.999 8。

花青素得率的計算公式如式（1）所示：

式中：C為花青素濃度，mg/mL；V為定容體積，mL；n為稀釋倍數；W試樣質量，g。

1.3.4 單因素試驗設計

在預試驗的基礎上，選擇乙醇作為提取溶劑，超聲波作為提取方法。以2.00山葡萄粉為提取對象，對超聲波功率、超聲溫度、乙醇濃度、料液比4個因素進行單因素試驗，討論它們對花青素萃得率的影響。其中超聲波功率設 400、500、600、700、800 W 5 個水平；超聲溫度設 30、40、50、60、70 ℃ 5個水平；乙醇濃度設40%、50%、60%、70%、80%5個水平；料液比設1 ∶10、1 ∶20、1∶30、1 ∶40、1 ∶50（g/mL）5 個水平。所得試驗數據均為3次重復試驗所得的平均值。

1.3.5 響應曲面法試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，以超聲波功率、超聲溫度、乙醇濃度和料液比作為試驗因素，以花青素得率為目標值。根據Box-Behnken組合試驗設計原理，優化出超聲波輔助提取山葡萄皮花青素的工藝。因素水平編碼表如表1所示。

表1 試驗設計因素水平及編碼表Table 1 Factors，levels and coding table of test design

采用響應面分析法得到的二次回歸模型如下：

式中：b0為截距回歸系數；bi為線性回歸系數；bii為交互項的回歸系數；bij為交互項的回歸系數；Xi，Xj為自變量。

1.4 山葡萄皮花青素抗氧化能力的測定

1.4.1 DPPH自由基清除率的測定

參照封燕等[14]的方法并略作改動。將最優工藝得到山葡萄皮提取液配制成質量濃度為0.1 mg/mL～0.5 mg/mL的樣品液，每個樣品液取2 mL，然后分別加入2.8 mLDPPH溶液并將其充分混合，避光室溫下放置30 min，在517 nm處分別測定其吸光值。以無水乙醇溶液代替樣品溶液作對照，按照式（3）計算DPPH自由基的清除率?？箟难釋PPH自由基清除率的測定同上述操作。

式中：A樣品為山葡萄皮提取液的吸光度；A對照為抗壞血酸的吸光度。

1.4.2 ·OH清除率的測定

參照呂春茂等[15]的方法并稍作修改。將最優工藝得到山葡萄皮提取液配制成質量濃度為0.1 mg/mL～0.5 mg/mL的樣品液，分別取樣品液1 mL置于5個10 mL具塞比色管中，然后加入1 mL 8.8 mmol/L H2O2、1 mL 10 mmol/L FeSO4、1 mL 10 mmol/L 水楊酸-乙醇，在37℃恒溫水浴鍋中反應30 min，以蒸餾水代替樣品溶液作對照，在510 nm處測定其吸光值，按照式（4）計算·OH的清除率?？箟难釋ΑH清除率的測定同上述操作。

式中：ΔA為加入花色苷與未加花色苷吸光值之差；A對照為抗壞血酸的吸光度。

1.5 數據處理

對每一組試驗數據進行方差分析（ANOVA）；采用SAS8.0（SAS Institute Inc.，NC，USA）軟件分析結果的顯著差異；SigmaPlot12.5 （SPSS，Inc.，Chicago，US）進行單因素作圖；采用Design Expert ver8.0（SAT-EASE，Inc.，Last September，UK）軟件設計組合試驗。

2 結果與討論

2.1 超聲波提取條件對山葡萄皮花青素得率影響規律

為了確定組合試驗各因素取值范圍和研究超聲波功率、超聲時間、乙醇濃度、料液比4個因素對山葡萄皮花青素得率的影響，結果如圖1所示。

圖1 不同因素對花青素得率的影響Fig.4 Effects of different factors on the yield of anthocyanins

由圖1（A）可知，隨超聲波功率的增加，花青素得率呈現先顯著增加后顯著降低的趨勢（p<0.05）。當超聲波功率在400 W～600 W時，隨著超聲波功率的增加花青素得率顯著增加（p<0.05），當超聲波功率在600 W時，花青素的得率最大（80.21%）。這是由于隨超聲波功率的增加，超聲波所產生的空化效應和機械震動效應增強，在萃取液中產生強烈的剪切力，引起山葡萄皮細胞壁破裂，使細胞內花青素傳質阻力顯著降低，有效增加溶劑對花青素的傳質作用，進而促進花青素從山葡萄皮細胞中快速釋放出來[16]。因此，花青素得率隨超聲波功率的增而顯著提高。但當超聲波功率在600 W～800 W時，隨著超聲波功率的增加花青素得率顯著降低（p<0.05）。其原因是超聲波功率過高，超聲波所產生的高強度空化作用一方面破壞花青素結構，同時也增加了超聲波裝置的負擔[17]。另一方面引起非活性成分雜質的溶解，減小了花青素溶解。因此，花青素得率顯著降低。綜合考慮，選擇超聲波功率為500、600、700 W作為后續組合試驗的因素水平。

由圖1（B）可知，花青素得率隨超聲溫度的增加呈現先顯著增加后顯著降低的趨勢（p<0.05）。當超聲溫度在30℃～50℃時，隨著超聲溫度的增加花青素得率顯著增加（p<0.05）。當超聲溫度在50℃時，花青素的得率最大（80.45%）。這是由于隨超聲溫度的增加，溶劑滲透作用增強，粘度降低，花青素溶解度增加，傳質系數增加，阻力降低，更有利于花青素從山葡萄皮中溶出，從而使花青素得率顯著增加。但當超聲溫度在50℃～70℃時，花青素得率隨超聲溫度的增加而顯著降低（p<0.05）。原因是花青素屬于熱敏性成分，高溫一方面會加大超聲波的空化效應和熱效應。另一方面高溫破壞花青素與糖分子形成的糖苷鍵[18]，引起花青素呈指數形式降解[19]，結果使花青素得率顯著降低。綜合考慮，選擇超聲溫度為40、50、60℃作為后續組合試驗的因素水平。

由圖1（C）可知，花青素得率隨乙醇濃度的增加呈現先顯著增加后降低的趨勢（p<0.05）。當乙醇濃度在40%～60%時，隨著乙醇濃度的增加花青素得率顯著增加（p<0.05）。原因是由于隨乙醇濃度的增加，花青素在溶劑中的溶解度增加，有利于傳質。當乙醇濃度在60%時，此時溶劑的極性和花青素極性相似，根據相似相容原理，花青素溶解度達到最大，得率最高[20]。當乙醇濃度在60%～80%時，隨乙醇濃度的增加，花青素得率顯著降低（p<0.05）。一方面是由于高濃度乙醇易溶解醇溶性、色素和親脂性強的雜質，其成分與花青素競爭乙醇-水分子，使得花青素溶出量降低，進而導致花青素萃取率降低[21]。另一方面，高濃度的乙醇破壞花青素-蛋白質和花青素-纖維素之前的氫鍵和疏水鍵[22]，破壞花青素結構，因此花青素萃得率降低。綜合考慮，選擇乙醇濃度為50%、60%、70%作為后續組合試驗的因素水平。

由圖1（D）可知，花青素得率隨料液比的增加呈現先顯著增加后降低的趨勢（p<0.05）。當料液比在1 ∶10（g/mL）～1 ∶30（g/mL）時，隨料液比的增加花青素得率顯著增加（p<0.05）。原因是由于隨料液比的增加，細胞內外濃度差增大，傳質驅動力增加，花青素易于從細胞內擴散出來，從而使花青素得率增加[23]。但是當料液比在 1 ∶30（g/mL）～1 ∶50（g/mL）時，花青素得率隨料液比的增加呈緩慢降低的趨勢。其原因是溶劑過大，吸收超聲波能量增加，而空化泡對能量吸收相應降低，細胞壁破裂不明顯，傳質阻力大，不利于花青素從細胞中擴散出來。另外溶劑過大，會對后續提取物的濃度帶來很大的工作量。因此，綜合考慮，選擇料液比為 1 ∶20、1 ∶30、1 ∶40（g/mL）作為后續組合試驗的因素水平。

2.2 山葡萄皮花青素提取工藝優化結果與分析

2.2.1 模型建立與顯著性檢驗

確定響應面法優化超聲波輔助提取山葡萄皮花青素最佳工藝條件，所得的試驗方案和結果見表2。

以花青素得率Y為響應值，對試驗所得的數據進行多元回歸擬合分析，得到山葡萄皮花青素得率對A（超聲波功率）、B（超聲溫度）、C（乙醇濃度）和D（料液比）的回歸方程：

表2 響應曲面法試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

續表2 響應曲面法試驗設計及結果Conyinue table 2 Experimental design and results of response surface methodology

對回歸方程系數進行顯著性檢驗，結果如表3所示。

由表3可知，方程一次項中B、C為極顯著因素，A為顯著因素，D為不顯著，因素對山葡萄皮花青素得率影響的主次順序為 B＞C＞A＞D；方程二次項中 A2、B2、C2、D2均為極顯著因素；各交互項AB、AC、AD為極顯著因素，其余均不顯著。結果表明試驗因素對響應值不是簡單的線性關系，模型中（p＜0.001），多元回歸關系顯著，相關系數R2=0.908 5、模型的變異系數C.V.=0.562 9，失擬項為 0.427 2（p＞0.05），失擬不顯著，說明方程擬合充分，回歸方程高度顯著，可以較好地描述各因素與響應值的真實關系，利用該回歸方程可以確定優化超聲波輔助提取山葡萄皮的最佳工藝條件。

表3 超聲波輔助提取山葡萄皮花青素回歸模型系數的顯著性檢驗報告Table 3 Ultrasonic assisted extraction of mountain grape skins green significant test report in regression coefficient

續表3 超聲波輔助提取山葡萄皮花青素回歸模型系數的顯著性檢驗報告Continue table 3 Ultrasonic assisted extraction of mountain grape skins green significant test report in regression coefficient

2.2.2 山葡萄皮花青素得率的響應面分析

依據響應曲面得到的回歸方程，建立花青素得率與試驗因素的三維空間的曲面圖，確定最大花青素得率條件。各試驗因素對花青素得率的交互影響見圖2。

如圖2所示，各圖表示超聲波功率、超聲溫度、乙醇濃度和料液比任意兩個變量取零水平時，其余兩個變量對山葡萄皮花青素得率的影響。這些圖可以直觀發映出各因素對花青素得率的影響，確定最佳提取花青素的工藝參數范圍區間以及各參數之間的相互作用。

圖2 各試驗因素對花青素得率的交互影響Fig.2 Interactive effects of different test factors on yield of anthocyanin

根據表3中方差分析的結果可知，超聲波功率和超聲溫度、超聲波功率和乙醇濃度以及超聲波功率和料液比的交互作用對花青素得率均呈現極顯著影響（p＜0.001），其余因素的交互作用對花青素得率影響均不顯著（p＞0.05）。綜合圖1（A～F）可知，當超聲波功率在550 W～650 W，超聲溫度在4 5℃～55℃，乙醇濃度55%～65%和料液比在 1∶25（g/mL）～1∶35（g/mL）時，山葡萄皮花青素有較高的得率。在一定范圍內適當提高超聲波功率，利用超聲波的空化效應，有利于花青素溶出，但當超聲波功率高于650 W時，超聲波強烈的空化作用破壞花青素結構，不利于花青素提取。在一定范圍內適當提高超聲溫度，能提高傳質系數，降低溶劑粘度，有利于花青素溶出，但當超聲溫度高于55℃時，高溫使花青素大量降解，顯著降低花青素得率。當乙醇濃度在55%～65%時，適當增加乙醇濃度，使提取液溶解花青素濃度增強，在乙醇濃度為60%時，花青素溶解度達到最大，此時花青素萃取率也達到最大值。當乙醇濃度高于65%，溶解花青素能力降低，引起花青素得率降低。當料液比低于1∶25（g/mL）時，固液界面的濃度梯度較低，不利于花青素擴散和溶解，使得花青素得率較低。當料液比在高于1∶35（g/mL）時，過多溶劑不利于后期提取液濃縮，給后續試驗增加難度，不利于花青素提取。

2.2.3 驗證試驗

通過Design Expert軟件對式（3）的回歸方程分析，得到最佳提取條件：超聲波功率580.78 W、超聲溫度 48.36℃、乙醇濃度 57.65%、料液比 1∶28.72（g/mL），花青素萃取率的理論值86.33%，為了驗證該方法的可靠性，考慮實際情況，將最佳工藝參數修正為：超聲波功率580 W、超聲溫度48℃、乙醇濃度58%、料液比1∶29（g/mL），在此條件下進行花青素得率的驗證試驗，試驗重復3次，平均值為83.17%，理論值和試驗值的相對誤差為3.66%。說明模型可以較好地模擬和預測山葡萄皮花青素得率，從而也證明了采用響應面法優化花青素提取條件參數的可行性。

2.3 山葡萄皮花青素抗氧化活性

在超聲波功率580 W、超聲溫度48℃、乙醇濃度58%、料液比1∶29（g/mL）下獲得的山葡萄皮花青素進行抗氧化活性測定并以抗壞血酸作對照，其結果如圖3所示。

圖3 超聲波輔助提取后花青素抗氧化活性Fig.3 Antioxidant activity of anthocyanin after ultrasonic assisted extraction

由圖3（A）可知，隨花青素提取液濃度的增加，對DPPH自由基清除能力顯著增加（p＜0.05），且高于抗壞血酸VC。其原因可能是由于花青素提取液濃度越大，單位體積內花青素B環酚羥基數目越大，B環中的酚羥基作為主要的還原部位，在氧化過程中，B環酚羥基作為供氫體可以與氧化過程中產生的DPPH自由基發生反應，自身形成的自由基可以通過分子內氫鍵、半醌式自由基等形式得以穩定，從而中斷自由基鏈的反應[24]。因此，隨花青素提取液濃度的增加DPPH自由基的清除率顯著增加。

由圖3（B）可知，隨花青素提取液濃度的增加，對·OH清除能力顯著增加（p＜0.05），且高于抗壞血酸VC。這是由于花青素提取液濃度越大，更利于脫氫形成供氫體，當機體在發生氧化還原產生過量的羥基自由基時，花青素作為供氫體更易于過量的羥基自由基結合，從而保護機體免受·OH的損壞[25]。

3 結論

1）通過響應曲面法建立了以山葡萄花青素得率為響應值，以超聲波功率、超聲溫度、乙醇濃度和料液比為試驗因素的數學模型Y=80.64-1.65A+2.42B+2.33C-1.00D+5.47AB+3.87AC+5.62AD+0.49BC-0.48BD+1.14CD-4.16A2-3.10B2-4.23C2-4.38D2，R2=0.908 5，說明可以利用該回歸方程確定超聲波輔助提取山葡萄皮花青素的最佳工藝條件。因素對花青素得率影響的主次順序為超聲溫度＞乙醇濃度＞超聲波功率＞料液比。

2）經響應曲面法優化超聲波輔助提取山葡萄皮花青素最佳的工藝參數為：超聲波功率580 W、超聲溫度48℃、乙醇濃度58%、料液比1∶29（g/mL）。在此條件下，理論花青素得率為86.33%，試驗條件下花青素得率的平均值為83.17%，理論值和試驗值相對誤差3.66%。

3）在最優工藝條件下，對山葡萄皮花青素進行抗氧化活性試驗，研究發現隨花青素濃度的增加，對DPPH自由基和·OH的清除率顯著增加且高于抗壞血酸VC。

[1]杜月嬌,賀陽,文連奎.山葡萄花青素超高壓提取工藝優化及其組分分析[J].食品科學,2017,38(10):258-263

[2]Lee S G,Vance T M,Nam T G,et al.Contribution of Anthocyanin Composition to Total Antioxidant Capacity of Berries[J].Plant Foods for Human Nutrition,2015,70(4)427-432

[3]Pertuzatti P B,Barcia M T,Rebello L P G,et al.Antimicrobial activity and differentiation of anthocyanin profiles of rabbiteye and highbush blueberries using HPLC-DAD-ESI-MS n,and multivariate analysis[J].Journal of Functional Foods,2016,26:506-516

[4]Roopchand D E,Kuhn P,Rojo L E,et al.Blueberry polyphenol-enriched soybean flour reduces hyperglycemia,body weight gain and serum cholesterol in mice.[J].Pharmacological Research,2013,68(1):59-67

[5]Zielinska M,Michalska A.Microwave-assisted drying of blueberry(Vaccinium corymbosum L.)fruits:Drying kinetics,polyphenols,anthocyanins,antioxidantcapacity,colourandtexture[J].Food Chemistry,2016,212:671-680

[6]潘利華,王建飛,葉興乾,等.藍莓花青素的提取工藝及其免疫調節活性[J].食品科學,2014,35(2):81-86

[7]楊華,賴青青,陳林松,等.采用微波輔助提取紫甘薯色素的工藝研究[J].食品工業科技,2009(4):282-284

[8]Puértolas E,Cregenzán O,Luengo E,et al.Pulsed-electric-fieldassisted extraction of anthocyanins from purple-fleshed potato[J].Food Chemistry,2013,136(3/4):1330-1336

[9]岳亞楠,岳田利,袁亞宏,等.超高壓提取蘋果渣中多酚的研究[J].西北農林科技大學學報:自然科學版,2013,41(3):179-186

[10]徐懷德,閆寧環,陳偉,等.黑莓原花青素超聲波輔助提取優化及抗氧化性研究[J].農業工程學報,2008,24(2):264-269

[11]李大婧,劉春泉,王振宇.超聲波法提取萬壽菊花中葉黃素的工藝條件優化[J].江蘇農業學報,2005,21(4):374-377

[12]李山,滑寧,陳濤.超聲波協助提取花生殼中黃色素的實驗研究[J].化學與生物工程,2006,23(2):34-35

[13]黃靜,郝文芳.萬年蒿總黃酮超聲波提取工藝的優化[J].食品與發酵工業,2012(1):218-223

[14]封燕,貢小輝,韋德群,等.金蟬花多糖的抗氧化活性及結構分析[J].食品科學,2016,37(13):19-24

[15]呂春茂,王新現,包靜,等.越橘果實花色苷的體外抗氧化性[J].食品科學,2010,31(23):27-31

[16]Hemwimol S,Pavasant P,Shotipruk A.Ultrasound-assisted extraction of anthraquinones from roots of Morinda citrifolia[J].Ultrasonics Sonochemistry,2006,13(6):543-548

[17]陳曉明,李開綿,臺建祥,等.超聲波輔助提取木薯皮活性物質工藝[J].農業工程學報,2011,27(s1):389-396

[18]Verbeyst L,Crombruggen K V,VAN d P I,et al.Anthocyanin degradation kinetics during thermal and high pressure treatments of raspberries[J].Journal of Food Engineering,2011,105(3):513-521

[19]Bakowska A,Kucharska A Z,Oszmianski J.The effects of heating,UV irradiation,and storage on stability of the anthocyanin-polyphenol copigment complex[J].Food Chemistry,2003,81(3):349-355

[20]鄭紅巖,于華忠,劉建蘭,等.大孔吸附樹脂對藍莓花色苷的分離工藝[J].林產化學與工業,2014,34(4):59-65

[21]張海暉,李金鳳,段玉清,等.板栗殼原花青素提取及其穩定性研究[J].食品科學,2011,32(8):5-9

[22]Dai J,Mumper R J.Plant phenolics:extraction,analysis and their antioxidant and anticancer properties.[J].Molecules,2010,15(10):7313-7352

[23]Bendahou A,Dufresne A,Kaddami H,et al.Isolation and structural characterization of hemicelluloses from palm of Phoenix dactylifera L[J].Carbohydrate Polymers,2007,68(3):601-608

[24]李穎暢,李冰心,孟良玉,等.圣云藍莓花色苷不同組分的體外抗氧化性和穩定性[J].食品科學,2012,33(9):105-109

[25]Fracassetti D,Del B C,Simonetti P,et al.Effect of Time and storage temperature on anthocyanin decay and antioxidant activity in wild blueberry (Vaccinium angustifolium)powder.[J].Journal of Agricultural&Food Chemistry,2013,61(12):2999-3005