紫馬鈴薯花色苷的超聲輔助提取工藝優化

劉德明 張瑩 鄔克彬 董新榮 劉永賢

摘要： 以花色苷含量為響應指標，采用響應面法優化紫馬鈴薯中花色苷超聲輔助提取工藝，結果表明，紫馬鈴薯中花色苷提取的優化條件是磷酸濃度為1.0%、料液比為1 g ∶5 mL、提取時間為19 min，在該條件下紫馬鈴薯花色苷的收率平均值為0.409 mg/g。采用稀磷酸提取鮮紫馬鈴薯花色苷，具有酸用量少、提取效果好的優點。

關鍵詞： 紫馬鈴薯;花色苷;超聲提取;料液比;提取時間

中圖分類號：S532.01;S210.4? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）05-0181-04

花色素是自然界中一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，是許多植物花、葉、果的色素類物質，不僅具有抗氧化、清除自由基、抗癌、抗炎及抑菌等生物活性，而且色澤鮮艷、無毒副作用，被廣泛應用于食品、醫藥及保健品行業[1-6]。

紫馬鈴薯（purple potato）為近年引進的馬鈴薯新品種，表皮及薯肉均為紫黑色[7]，已在我國一些地方進行試種[8-10]。紫馬鈴薯花色苷中98%為酰化花色苷[11]，種類主要有矮牽牛色素、芍藥色素、錦葵色素及飛燕草色素等[12-13]。目前，有關紫馬鈴薯花色苷的研究還停留在成分分析及抗氧化、清除自由基活性等方面[14-17]，對花色苷的提取主要采用浸提法、超聲輔助法、微波輔助法等[18-21]，為增加花色苷提取的穩定性，常在提取溶劑中加入酸性較弱的檸檬酸等，以避免酰基化的花色苷水解[9，22]。

檸檬酸為多元中強酸，對花色苷具有較好的護色作用，但價格偏高，會導致花色苷提取的生產成本偏高。磷酸亦為多元酸，與檸檬酸酸性相近，但價格相對較低。本試驗考察優化磷酸超聲輔助提取紫馬鈴薯中花色苷的技術參數，旨在為其進一步研究與開發利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料與試劑 紫馬鈴薯，購買于甘肅省定西市馬鈴薯培育種植農場。磷酸、乙酸、檸檬酸、鹽酸、無水乙醇，由國藥集團化學試劑有限公司提供。

1.1.2 儀器與設備 SB25-12DTN型超聲波清洗機，由寧波新芝生物科技股份有限公司生產;RE52AA型旋轉蒸發器，由上海亞榮生化儀器廠生產;UNICO 2000型可見分光光度計，由尤尼柯（上海）儀器有限公司生產;AX-200型萬分之一電子天平，由日本島津菲律賓Philippines公司生產。

1.2 超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷提取溶劑的篩選

選取新鮮紫馬鈴薯用水洗凈，待表皮自然風干后，切成大小為2 mm的顆粒;稱取8份1 g/份的紫馬鈴薯顆粒分別放入8個錐形瓶中，分別加入 10 mL 的0.25%鹽酸、0.50%鹽酸、0.75%磷酸、1.50%磷酸、2.00%檸檬酸、3.00%檸檬酸、3.00%乙酸、4.00%乙酸溶液，室溫下超聲提取20 min;過濾，收集濾液，用來測定花色苷含量。

1.3 花色苷含量的測定

參考劉瑋等的方法[23]采用pH示差法測定花色苷含量：取適量提取液，分別用pH值為1.0的鹽酸-氯化鉀和pH值為4.5的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液定容至10 mL，測定在波長分別為520、700 nm處的吸光度D520 nm、D700 nm，計算花色苷收率，具體公式為

花色苷收率=D·M·F·V/（ε·L·m）;

D=（D520 nm）pH值=1.0-（D700 nm）pH值=4.5。

式中：D為緩沖溶pH值分別為1.0、4.5，波長分別為520、700 nm的吸光度差值;M為花色苷是3-半乳糖矢車菊色素的摩爾質量，計為449.2 g/mol;F為稀釋倍數;ε為3-半乳糖矢車菊色素的摩爾消光系數，為 26 900 L/（mol·cm）;V為溶液體積，mL;L為比色皿厚度，為1 cm;m為紫馬鈴薯質量，g。

[BT2+*3]1.4 超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷單因素試驗

1.4.1 磷酸濃度 分別以濃度為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%的磷酸溶液為提取液，在料液比為1 g ∶10 mL、超聲時間為20 min條件下提取紫馬鈴薯中的花色苷，并參考劉瑋等的方法[23]測定花色苷含量。

1.4.2 料液比 以1.00%磷酸溶液為提取液，在料液比（g ∶mL）分別為1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5、1 ∶6、1 ∶7、1 ∶8，超聲時間為20 min的條件下提取紫馬鈴薯中的花色苷，并測定花色苷含量。

1.4.3 超聲時間 在磷酸溶液濃度為1.00%、料液比為1 g ∶5 mL的條件下，分別超聲5.0、7.5、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0 min提取紫馬鈴薯中的花色苷，并參考劉瑋等的方法[23]測定花色苷含量。

1.5 響應面法優化超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷工藝及試驗驗證

根據單因素試驗結果，以磷酸濃度、超聲時間、料液比為超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷的3個主要影響因素，以花色苷收率為響應值，采用Design-Expert 8.0.6軟件中的Box-Behnken方法設計試驗，因素水平見表1。在此基礎上，按照響應面法優化條件，對紫馬鈴薯花色苷提取條件進行平行試驗驗證。

2 結果與分析

2.1 超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷提取溶劑的篩選

由圖1可知，鹽酸在較低的濃度下對紫馬鈴薯[LL]花色苷有較好的提取效果，但考慮鹽酸具有一定的揮發性，不適合用于工業生產;乙酸在高濃度條件下對紫馬鈴薯花色苷有較好的提取效果，但稍差于1.50%磷酸、3.00%檸檬酸溶液的提取效果;1.50%磷酸與3.00%檸檬酸溶液提取紫馬鈴薯花色苷的效果較為接近，而工業上也常用3.00%檸檬酸溶液提取花色苷，雖然效果較好，但生產成本偏高。考慮磷酸的酸性[HJ1.6mm]（ka1=7.11×10-3、ka2=6.23×10-8、ka3=4.50×10-13，ka為弱酸電離常數）與檸檬酸（ka1=7.44×10-4、ka2=1.73×10-5、ka3=4.02×10-7）較為相近，且兩者均具有較好的絡合能力，通過綜合比較，篩選出磷酸溶液為提取紫馬鈴薯花色苷的最優提取溶劑。

2.2 超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷單因素試驗

[CM（20]由圖2、圖3、圖4可知，隨著磷酸濃度的增加、料液比的減小、超聲時間的延長，紫馬鈴薯提取液中的花色苷含量呈先升后降趨勢，磷酸濃度為1.0%、料液比為1 g ∶5 mL、超聲時間為25 min條件下紫馬鈴薯中花色苷收率相對最高，分別為0.469 2、0.349 0、0.449 2 mg/g。考慮超聲時間為20 min 時的紫馬鈴薯中花色苷收率為0.447 5 mg/g，與超聲時間為25 min時差別較小，結合成本因素，確定磷酸濃度為1.0%、料液比為1 g ∶5 mL、超聲時間為20 min為紫馬鈴薯中花色苷相對較好的提取條件。

2.3 響應面法優化超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷工藝及試驗驗證

2.3.1 回歸模型與方差分析 在單因素試驗結果的基礎上，以磷酸濃度（A）、超聲時間（B）、料液比（C）為自變量，花色苷收率（Y）為響應值，運用Design-Expert軟件對表2試驗數據進行回歸擬合，得到以花色苷收率為響應值的回歸方程。

Y=-0.698 15+0.887 19A+0.127 49B+0.038 17C+3.093 75×10-3AB+3.293 75×10-3AC+1.011 25×10-3BC-0.494 86A2-0.015 09B2-1.225 78×10-3C2（R2=0.994 8）。

由表3及回歸方程可知，回歸模型P值 <0.000 1，表明回歸模型極顯著（P<0.01）;失擬項P值為0.255 9，>0.05，說明模型失擬項不顯著;模型相關系數R2=0.994 8，說明該模型能夠解釋99.48%的變化， 擬合程度相對較好，[KG*8]可用該模型分析及預測紫馬鈴薯中花色苷的收率;結合各因素F值大小可知，3個因素對紫馬鈴薯花色苷提取的影響表現為超聲時間>磷酸濃度>料液比。

2.3.2 因素交互作用分析 由圖5-a可知，超聲曲面隨時間的變化更陡， 說明超聲時間對花色苷收率的影響比磷酸濃度更為明顯;料液比一定時，超聲時間為15～20 min、磷酸濃度為0.85%～1.15% 時花色苷收率有極大值。由圖5-b可知，在控制超聲時間不變的情況下，磷酸濃度對花色苷收率影響比料液比更為明顯;料液比為1 g ∶3 mL～1 g ∶7 mL、磷酸濃度為0.85%～1.15%時花色苷收率有極大值。由圖5-c可知，在控制磷酸濃度不變的情況下，超聲時間對花色苷收率的影響比料液比更為明顯;料液比為1 g ∶3 mL～1 g ∶7 mL、超聲時間為15～25 min時花色苷收率有極大值。

2.3.3 驗證結果 通過響應面法優化試驗得到，紫馬鈴薯中花色苷的最佳提取工藝參數是磷酸濃度為 0.98%、液料比為1 g ∶4.96 mL、提取時間為 18.92 min，實際應用時調整為提取時間19 min、料液比1 g ∶5 mL、磷酸濃度1.0%，在該條件下得到的花色苷收率平均值為0.409 mg/g，相對標準偏差（RSD）為2.51%，與模型預測值0.411 mg/g相比，差異較小，符合試驗預期要求。

3 結論與討論

馬鈴薯生長適應性強，在我國種植面積大，產量高。紫色馬鈴薯富含花色苷，不僅是一種綠色、健康食品，而且所含花色苷色澤鮮艷、安全性能高，是很好的食品添加劑、保健品及醫藥制劑原料，具有較高的生產應用價值和很大的市場開發潛力。本研究采用響應面法優化紫馬鈴薯中花色苷的提取工藝，獲得的實際最佳提取條件為提取時間 19 min、料液比1 g ∶5 mL、磷酸濃度1.0%，經驗證，試驗結果與模型預測結果吻合性較好。以磷酸替代檸檬酸提取花色苷，具有酸濃度降低的特點，同時有利于降低生產成本，可為紫馬鈴薯中花色苷的深度開發提供科學參考。

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收 稿日期：2019-02-26

基金項目：廣西科技重大專項（編號：桂科AA17202010-02、桂科AA17202026）。

作者簡介：劉德明（1980—），男，湖北荊州人，碩士，實驗師，從事農產品品質分析。E-mail：14050868@qq.com。

通信作者：董新榮，博士，教授，從事天然產物化學教學與研究，E-mail：2689112969@qq.com;劉永賢，碩士，副研究員，碩士生導師，從事功能農業與富硒農產品研究，E-mail：46636049@qq.com。