高效溶劑萃取法提取黑果枸杞花色苷及其顏色穩定性研究

王青霞，李建穎，程 瑤，白金金，羅雨家，高偉健

天津商業大學生物技術與食品科學學院 天津市食品生物技術重點實驗室 國家級食品與藥品實驗教學示范中心，天津 300134

黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)為茄科枸杞屬[1]，其果實中富含花青素[2,3]，花青素在自然界中與糖以糖苷鍵的形式結合形成花色苷，賦予自然界五彩斑斕的顏色[4]。花色苷類化合物能夠以完整的糖苷形式從消化道內進入血漿[5,6]，且具有抗氧化活性[7,8]。

花色苷的傳統提取方法有溶劑萃取法、超聲輔助提取法、微波輔助提取法、酶法等[9]。其共同點是方法簡單，操作簡便，提取時間長，提取率低。隨著儀器技術的進步，高效溶劑萃取法因其萃取時間短、效率高、對有效成分破壞少而深受歡迎，但其在花色苷提取上的應用鮮少[10]。高效溶劑萃取技術是利用隨溫度變化的情況下，擴散度隨溫度的升高而增加、粘度隨溫度的升高而降低、表面張力隨溫度升高而降低、溶解度隨溫度升高而升高，從而加速溶解過程；同時在高壓下使溶劑保持液態并快速充滿萃取罐。本研究采用高效溶劑萃取法，旨在尋求高效、適用于黑果枸杞花色苷的提取方法。

黑果枸杞顏色的變化是由多種復雜的因素造成的，花色苷的種類和含量不同會影響其顏色穩定性。花色苷顯色是因為其配基有一個π-電子共軛體系(發色團)，可吸收特定波長的光而被激發顯色，配基上的羥基和甲氧基(助色團)本身無色，但與發色團相互作用，從而影響顏色[11]。黑果枸杞中的花色苷不穩定，極易受到溫度、pH等因素的影響[12,13]，多數穩定性研究都是以花色苷的含量為指標，而在實際的加工與儲存過程中，顏色通常被視為一個重要的質量指標，為了將這一指標更加精準化和數字化，采用分光測色計測定顏色數值的變化，為進一步研究與開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑果枸杞干果(產自寧夏)；純水(實驗室自制)；無水乙醇(德國默克公司)；鹽酸、磷酸氫二鈉、檸檬酸(天津市風船化學試劑科技有限公司)；氯化鉀(天津光復科技發展有限公司)；冰乙酸(天津大學科威公司)；無水乙酸鈉、硅藻土(國藥集團化學試劑有限公司)。

HPSE Gemini型高效溶劑萃取儀(北京萊伯泰科公司)；DK-8AS型電熱恒溫水浴鍋(上海精密科學儀器有限公司)；AX224ZH型分析天平(奧豪斯儀器有限公司)；ST3100型pH計(奧豪斯儀器有限公司)；UV-2600型紫外可見分光光度計(日本島津公司)；DH-101型電熱鼓風干燥箱(上海精密科學儀器有限公司)；RV10DIGITAL型旋轉蒸發儀(德國IKA公司)；VaCo2-Ⅱ型真空冷凍干燥機(德國ZIRBUS公司)；CM-5型分光測色計(柯尼卡美能達公司)。

1.2 方法

1.2.1 實驗前準備

將黑果枸杞置于37 ℃電熱鼓風干燥箱中，烘干24 h，粉碎，過60目篩，冷藏備用。

pH 1.0的緩沖溶液配制：0.2 mol/L KCl∶0.2 mol/L HCl=25∶67，V/V，用pH計進行測定，并調整至1.0。pH 4.5的緩沖溶液配制[14]：0.2 mol/L NaAc∶0.2 mol/L HAc=1∶1，V/V，用pH計進行測定，并調整至4.5。

pH 2.5的緩沖溶液配制：0.2 mol/L Na2HPO4∶0.1 mol/L 檸檬酸=13∶180；pH 4.0的緩沖溶液配制：0.2 mol/L Na2HPO4∶0.1 mol/L 檸檬酸=77∶123；pH 6.0的緩沖溶液配制：0.2 mol/L Na2HPO4∶0.1 mol/L 檸檬酸=84∶49；pH 8.0的緩沖溶液配制：0.2 mol/L Na2HPO4∶0.1 mol/L 檸檬酸=390∶11；V/V，用pH計進行測定并調整。

1.2.2 總花色苷提取得率測定

采用pH示差法測定總花色苷的含量，測量提取液的體積V，取兩份1 mL提取液于具塞試管中，并分別用pH 1.0和pH 4.5緩沖液梯度稀釋100倍，混勻，于40 ℃恒溫水浴鍋中平衡40 min，以提取溶劑作對照進行相應處理。待平衡結束后，分別測其在530 nm和700 nm下的吸光度。原pH示差法以矢車菊素-3-葡萄糖苷為標準，但研究表明黑果枸杞中不含矢車菊素-3-葡萄糖苷，錦葵色素-3-葡萄糖苷含量較高，因此，以錦葵色素-3-葡萄糖苷作為標準對照[15]，調整pH示差法計算公式為[16]：

總花色苷提取率(%)=([A530-A700]pH1.0-[A530-A700]pH4.5×Mw×DF×V/ε×L×m)×100%

式中：A530波長為530 nm處的吸光度；A700波長為700 nm處的吸光度；Mw錦葵色素-3-葡萄糖苷的相對分子質量，493.2 g/mol；DF稀釋倍數，100；V提取液的體積；ε摩爾消光系數，29 600 L/(mol·cm)；L光程厘米數，1 cm；m原料的質量，5.0 g。

1.2.3 總花色苷提取工藝

高效溶劑萃取儀運行前連接氮氣，氮氣輸出壓力為0.8 MPa，進行密封性測試，稱取5.0 g黑果枸杞粉，稱取12.0 g硅藻土，將黑果枸杞粉與硅藻土混合均勻，裝入34 mL萃取罐中，壓實；以水和乙醇為萃取溶劑，設置溫度、乙醇濃度(乙醇與水的比例)、時間、壓力和循環次數等條件后開始運行，靜態萃取過程可連續進行多次，注入溶劑與沖洗所用溶劑總體積隨著循環次數的增加而增加。

靜態萃取過程：黑果枸杞萃取罐→注入溶劑→升溫升壓→靜態萃取→沖洗萃取后基質(沖洗體積為罐體體積60%)→吹掃樣品

1.2.4 單因素實驗

1.2.4.1 靜態萃取溫度對提取效果的影響

固定乙醇濃度70%，靜態萃取壓力8 MPa，靜態萃取時間4 min，循環次數2次，分別考察靜態萃取溫度為35、40、45、50、55 ℃對提取效果的影響。

1.2.4.2 乙醇濃度對提取效果的影響

固定靜態萃取溫度50 ℃，靜態萃取壓力8 MPa，靜態萃取時間4 min，循環次數2次，分別考察乙醇濃度為50%、60%、70%、80%、90%對提取效果的影響。

1.2.4.3 靜態萃取時間對提取效果的影響

固定乙醇濃度70%，靜態萃取溫度50 ℃，靜態萃取壓力8 MPa，循環次數2次，分別考察靜態萃取時間為2、3、4、5、6 min對提取效果的影響。

1.2.4.4 靜態萃取壓力對提取效果的影響

固定乙醇濃度70%，靜態萃取溫度50 ℃，靜態萃取時間4 min，循環次數2次，由于儀器限制壓力范圍，分別考察靜態萃取壓力為6、7、8、9、10 MPa對提取效果的影響。

1.2.4.5 循環次數對提取效果的影響

固定乙醇濃度70%，靜態萃取溫度50 ℃，靜態萃取壓力8 MPa，靜態萃取時間4 min，分別考察循環次數為1、2、3、4、5次對提取效果的影響。

1.2.5 響應面優化試驗

在單因素實驗的基礎上，采用Box-Benhnken設計方案，通過方差分析與模型建立，確定最優提取條件。選擇靜態萃取溫度、乙醇濃度和靜態萃取時間三個因素，以花色苷提取得率為響應值，設計響應面試驗[17,18]。因素水平表見表1。

表1 實驗因素水平

1.2.6 顏色穩定性實驗

按最佳提取條件提取得到黑果枸杞提取液，設置旋轉蒸發儀溫度為45 ℃，將提取液濃縮至近干，轉移至真空冷凍干燥機專用物料盤中，-80 ℃下預凍24 h，真空冷凍干燥48 h，得到黑果枸杞提取物。稱取2.5 g黑果枸杞提取物用純水或緩沖液定容至250 mL，分別考察溫度(4、20、40 ℃)、pH(2.5、4.0、6.0、8.0)對其顏色穩定性的影響。

使用分光測色計測定顏色，光源為D65，觀測角度10°。采用液體測量模式，儀器需用純水進行校正，每組樣品測兩次，求平均值。其中L*代表亮度，純水L*值為100，a*值為正代表紅色，為負代表綠色，b*值為正代表黃色，為負代表藍色，△E*值表示顏色的變化程度[19]。本實驗以純水做空白校正和對照，測定樣品的L*、a*、b*、△E*值，當△E*的變化值大于3.5時肉眼可見[20]。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 靜態萃取溫度對提取效果的影響

靜態萃取溫度對提取效果的影響如圖1所示。隨著溫度的升高，分子運動速度加快，花色苷溶出到溶劑中，進而使得花色苷提取得率升高，但當溫度達到45 ℃后，隨著溫度的升高，花色苷提取得率反而下降，是由于花色苷易受到溫度的影響，溫度升高會使花色苷結構遭到破壞，從而使得花色苷提取得率降低，因此選取45 ℃為最佳靜態萃取溫度。

圖1 靜態萃取溫度對提取效果的影響Fig.1 Effect of static extraction temperature on extraction

2.1.2 靜態萃取時間對提取效果的影響

不同的靜態萃取時間對提取效果的影響如圖2所示。隨著靜態萃取時間的延長，花色苷提取得率呈上升趨勢，但靜態萃取時間超過4 min，花色苷提取得率呈下降趨勢，隨著時間的延長，花色苷受溫度影響的時間也隨之加長，導致花色苷提取得率下降，因此最佳靜態萃取時間為4 min。

圖2 靜態萃取時間對提取效果的影響Fig.2 Effect of static extraction time on extraction

2.1.3 乙醇濃度對提取效果的影響

不同乙醇濃度對黑果枸杞花色苷提取的影響如圖3所示。根據相似相溶原理，隨著乙醇濃度的升高，花色苷提取得率呈現先上升后下降的趨勢，說明黑果枸杞中花色苷的極性強于乙醇，比水的極性弱，當乙醇濃度為60%時，利于花色苷的溶出，因此最佳乙醇濃度為60%。

圖3 乙醇濃度對提取效果的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on extraction

2.1.4 靜態萃取壓力對提取效果的影響

靜態萃取壓力對黑果枸杞提取效果的影響如圖4所示。隨著壓力的升高，花色苷提取得率略微上升，說明壓力的增大能夠加速溶質的傳質速率，加快花色苷的溶出，從而提高提取效率，但當壓力超過8 MPa后，壓力升高，花色苷提取得率略微下降，說明在此高壓狀態下，花色苷結構會遭到一定程度的破壞，因此采用壓力8 MPa。

2.1.5 循環次數對提取效果的影響

循環次數對黑果枸杞提取效果的影響如圖5所示。隨著循壞次數的增加，黑果枸杞中的花色苷溶出至溶劑中，但循壞次數超過3次后花色苷提取得率呈下降趨勢，原因是升溫升壓的時間不可忽略，并

圖4 靜態萃取壓力對提取效果的影響Fig.4 Effect of static extraction pressure on extraction

且循環次數增加導致溶劑體積增加，因而提取液中花色苷濃度降低，花色苷分子之間的共軛作用減弱，花色苷會發生部分降解，因此循環2次最佳。

圖5 循環次數對提取效果的影響Fig.5 Effect of the number of cycles on extraction

2.2 響應面試驗結果及分析

2.2.1 響應面試驗結果

響應面試驗結果見表2。

表2 響應面試驗結果

續表2(Continued Tab.2)

序號No.A 靜態萃取溫度Static extraction temperature(℃)B 乙醇濃度Ethanol concentration(%)C 單次萃取時間A single extraction time(min)花色苷提取得率Anthocyanin extraction rate(%)120-1-11.802130002.070140002.031151-101.8551610-11.81517-1101.868

2.2.2 方差分析

運用Design-Expert 8.0軟件對表2結果進行方差分析，顯著性結果見表3。

表3 回歸模型的方差分析

注：**表示在1‰水平顯著；*表示在5%水平顯著。

Note:**indicates significant at 1‰ level;*means significant at the 5% level.

經回歸擬合，得到花色苷提取得率與各因素變量二次多元回歸模型為：

Y=2.05-0.028A-0.016B+0.021C-0.051AB-0.028AC-0.006 6BC-0.13A2-0.11B2-0.10C2

由回歸方程可反映出各因素對提取液花色苷提取得率的影響程度，分析一次項系數可得到，影響提取液花色苷提取得率的因素主次順序為：A(靜態萃取溫度)>C(靜態萃取時間)>B(乙醇濃度)。該模型P<0.000 1，表明該模型是有意義的，失擬項P=0.416>0.05不顯著，模型R2=98.22%，表明此模型擬合程度好，使用該回歸方程來預測真實情況是可行的。

圖6 溫度與乙醇濃度對花色苷提取得率的交互作用Fig.6 Effect of interaction between temperature and ethanol concentration on the anthocyanin extraction rate

圖7 溫度與靜態萃取時間對花色苷提取得率的交互作用Fig.7 Effect of interaction between temperature and static extraction time on the anthocyanin extraction rate

圖8 乙醇濃度與靜態萃取時間對花色苷提取得率的交互作用Fig.8 Effect of interaction between ethanol concentration and static extraction time on the anthocyanin extraction rate

圖6所示為固定靜態萃取時間為零水平，溫度與乙醇濃度對花色苷提取得率的交互作用，隨著溫度的升高和乙醇濃度的增大，花色苷提取得率都呈現先增加后降低的趨勢。圖7所示為固定乙醇濃度為零水平，隨著溫度的升高以及靜態萃取時間的延

長，花色苷提取得率也呈現先增加后降低的趨勢。圖8所示為固定溫度為零水平，隨著乙醇濃度的增大與靜態萃取時間的延長，花色苷提取得率也呈現先增加后降低的趨勢。兩因素的交互作用對花色苷提取得率的影響整體趨勢與單因素實驗基本相符。

2.2.3 驗證實驗

通過回歸方程求解，在試驗范圍內最佳提取條件為：溫度48.15 ℃，乙醇濃度58.95%，提取時間4.02 min，在此條件下提取液的花色苷理論提取得率為1.989%。考慮到實際，將其校正為溫度48 ℃，乙醇濃度60%，提取時間4 min。在此條件下進行三組平行試驗，提取得到的總花色苷的提取得率為1.973%±0.015%，結果與預測值基本相符，證明了該模型的有效性。

2.3 顏色穩定性實驗結果

2.3.1 溫度對顏色穩定性的影響

由圖9可以看出，當黑果枸杞花色苷溶液保存溫度為20 ℃時，隨著時間的推移，a*值變大，向紅色方向移動，b*值波動較小，且處于藍色方向，△E*值波動幅度最大，且2天后△E*值的變化值大于3.5，可通過肉眼觀察到顏色的變化；當保存溫度為40 ℃時，a*值變小，紅色變淡，但幅度較小，b*值由負方向漸漸向正方向移動，藍色漸漸變為黃色，△E*值的變化值4天后超過3.5，顏色變化肉眼可見。當保存溫度為4 ℃時，a*、b*和△E*值相對穩定，10天內顏色變化不明顯，表明4 ℃利于黑果枸杞花色苷溶液的保存。

圖9 溫度對黑果枸杞花色苷顏色穩定性的影響Fig.9 Effect of temperature on the color stability of anthocyanins from L.ruthenicum

2.3.2 pH對顏色穩定性的影響

由圖10可以看出，當黑果枸杞花色苷溶液pH值為2.5時，a*值較大且非常穩定，溶液顏色偏紅，b*值與△E*值也較穩定；當溶液pH值為4.0時，a*值變小，紅色變淡，b*值由負方向漸漸向正方向移動，藍色漸變為黃色，△E*值的變化值2天后超過3.5，顏色變化肉眼可見；當溶液pH值為6.0時，a*值大幅減小，紅色變淺，9天后b*值向正方向過渡，變為黃色，△E*在前2 h變化極大，肉眼可觀察到顏色變化；當溶液pH值為8.0時，a*值由正方向變為負方向，說明紅色漸漸向綠色方向過渡，b*值由負方向漸漸向正方向移動，藍色漸變為黃色，△E*值變化迅速，肉眼可見顏色變化。表明堿性條件下不利于黑果枸杞花色苷溶液的保存，溶液pH值為2.5時其穩定性最好，利于保存。

圖10 pH對黑果枸杞花色苷顏色穩定性的影響Fig.10 Effect of pH on the color stability of anthocyanins from L.ruthenicum

3 結論

本研究采用高效溶劑萃取法提取黑果枸杞中花色苷，在單因素實驗的基礎上，通過響應面試驗優化提取工藝，得到最佳提取條件：溫度48 ℃，乙醇濃度60%，提取時間4 min，靜態萃取壓力8 MPa，循環2次，在此條件下，花色苷提取得率為1.989%，與傳統提取工藝相比，該提取工藝所需時間短，效率高。顏色穩定性實驗表明酸性條件和低溫條件有助于黑果枸杞花色苷溶液的保存，其最適保存溫度為4 ℃、pH值為2.5，為其以后加工與貯藏提供理論依據。