運用逆流技術高效提取紫薯花青素

張瓊月，李冰寒， 李林輝

（西華師范大學生命科學學院，四川南充 637009）

花青素是一類水溶性較好的植物源性類黃酮類色素[1-2]，通常分布在多種顏色較深的水果、蔬菜細胞組織之中，參與植物花和果實顏色的決定[3-4]，如葡萄、黑枸杞、藍莓、紫甘薯、桑葚等。目前的研究已知，花青素不僅具有較強的抗氧化和清除人體自由基的能力，還有良好的防治癌癥、增強記憶、改善視力、控制體重、心血管保護等作用，在食品、藥品、保健和美容等行業均有應用[5-11]。

紫薯（Solanum tuberdsm） 又叫紫甘薯、黑薯，因其薯肉呈紫色或深紫色而得名。除了具備普通紅薯所含的營養成分外，還富含硒元素和花青素[12]?；ㄇ嗨胤植荚谧鲜淼膲K根和莖葉中，尤其在塊根中含量豐富，所以紫薯塊根是工業提取花青素的主要原料之一[13]。目前，提取紫薯花青素有多種方式[14]。王兆雨等人[15]運用直接浸提法，提取條件為體積分數50%乙醇提取劑、50 ℃恒溫水浴60 min，pH 值3.5，此時花青素的提取率為5.8%。Sun Y Z 等人[16]運用微波提取法，通過響應面法確定最優工藝為鹽酸乙醇提取紫薯花青素，料液比1∶5，在71 ℃下提取53 min，花青素含量為363.90 μg/g。回晶等人[17]運用超聲波輔助提取法，將鹽酸乙醇作為提取液，料液比1∶40，50 ℃恒溫提取25 min，最終得到的花青素為324.87 μg/g。但這些方法效率并非很高。

動態逆流提取[18]，即將提取溶劑和待提取物料分別從設備兩端連續加入，待提取物料向出渣口方向逐級向后移動，最后作為殘渣排除，在這個移動過程中，待提取物料中的有效成分濃度越來越低，而用于提取待提取物料中有效成分的提取溶劑從出渣口一側加入，逐級向前移動，隨著提取劑的逐級向前移動，存在于提取劑中的有效提取物濃度越來越高，直到從第一級流出。動態逆流提取的級數依據二者間的反應效率來定，理論上級數越多，提取量越多，但在實際生產中，還需考慮再增加提取級數是否還具有經濟效益，如果增加了級數，不再產生更多的效益，那就不再增加。

逆流提取方法在中藥活性成分的工業提取上獲得了廣泛應用[19-25]，從枸杞、姜黃、甘草、茶樹紫芽、赤靈芝等眾多中藥材中提取活性物質的研究均有報道，但尚未見其應用于紫薯花青素的提取研究中。以新鮮紫薯為原料，利用逆流提取技術進行紫薯花青素提取工藝的研究，并獲得了較為理想的效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

綿紫薯9 號塊莖，實驗室栽培所得。

莧菜紅標準品，購于索萊寶公司；無水乙醇、鹽酸，均為國產分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 紫薯預處理

選取大小均勻、質量相近、表皮無明顯破損的新鮮紫薯洗凈，室溫下晾干表面水分，切成薄片，于60 ℃下烘干至恒質量，研磨成粉，過50 目篩，密封后4 ℃下避光保存[26]。

1.2.2 逆流提取級數的設定

在正式試驗開始前，對樣品粉末進行重復靜置提取，并分別測定提取液中的花青素含量，以此對逆流提取的最佳級數進行試驗驗證。參考畢云楓等人[27]的研究結果設置試驗條件，對樣品進行重復靜置提取試驗。預試驗結果如下：第1 次提取所得濾液中的花青素含量為0.288 mg/g；第2 次提取液中含量為0.182 mg/g；第3 次提取含量為0.092 mg/g；第4 次提取含量為0.049 mg/g；第5 次提取含量為0.039 mg/g。由此結果可看出，第4 次與第5 次提取后所得的濾液中花青素含量極少，無法帶來更多效益，即基本沒有試驗意義，故最終選擇以三級逆流的方式開展后續試驗操作。

1.2.3 試驗裝置及運行過程

根據逆流提取理論[18]設置反應容器，紫薯粉末在每一級提取容器中與酸性乙醇溶液反應，并安裝冷凝回流裝置，以減少提取過程中的酒精損耗。啟動反應前調節容器溫度，并在整個提取過程中保持恒溫。在每次提取結束后，將反應混合物靜置至室溫，以減少試驗誤差。用漏斗和濾紙進行固液分離操作，將濾紙上的紫薯粉末固形物用提取溶劑全部沖洗到下一級反應容器中。

三級逆流提取裝置示意圖見圖1。

在反應過程中，新的紫薯粉末從第一級加入，與提取溶劑反應并分離后的固形物（P1） 順次向下一級轉移，同理，第二級反應后，固液分離所得的粉末固形物（P2） 將被全部轉移到第三級提取容器中，第三級反應結束后，移除粉末固形物（P3）。而提取溶劑運動方向相反，第三級反應容器是添加新提取溶劑的地方，且第三級提取反應并分離后的濾液（L3） 將作為第二級反應的提取溶劑。同理，第二級提取反應后的濾液（L2） 將用于第一級提取反應，而第一級的提取溶劑經過濾后，即為最終的花青素粗提液（L1）。

1.2.4 提取紫薯花青素的單因素分析

以一定體積分數的乙醇溶液作為提取溶劑，在一定提取溫度、料液比、提取時間下，將紫薯花青素溶解于其中，是常用的提取方法，試驗也采用乙醇溶液作為提取溶劑，以逆流提取方法，探索其最優提取條件及提取效率。

（1） 乙醇體積分數對紫薯花青素提取的影響。稱取適量紫薯粉末從第一級容器中加入，按照1∶10的料液比在第三級提取容器中分別加入體積分數為30%，40%，50%，60%，70%的乙醇溶液（鹽酸調節pH 值至1.5），在反應過程中保持60 ℃恒溫，每份粉末的總反應時間為2 h，即每一級反應持續時間為2/3 h。 從提取溶劑加入第三級容器起，在其經歷了第三級提取、第二級提取、第一級提取后，到第一級固液分離得到花青素粗提液為止的過程為一整個逆流提取流程。將經歷整個逆流提取流程后得到的花青素粗提液以轉速6 000 r/min 離心1 min，收集上清液（即花青素溶液） 進行后續分析。重復3 次，以平均值代表該因素下的提取效率。

（2） 料液比對紫薯花青素提取的影響。稱取適量紫薯粉末從第一級容器中加入，分別按照1∶5，1∶10，1∶15，1∶20，1∶25 的料液比在第三級提取容器中加入體積分數為40%的乙醇溶液（鹽酸調節pH 值至1.5），于60 ℃下恒溫，每份粉末的總反應時間為2 h，即每一級反應持續時間為2/3 h。然后，將經歷整個逆流提取流程后得到的花青素粗提液以轉速6 000 r/min 離心1 min，收集所得上清液進行后續分析。將以上流程重復3 次，以平均值代表該因素下的提取效率。

（3） 提取溫度對紫薯花青素提取的影響。稱取適量紫薯粉末從第一級容器中加入，按料液比1∶20在第三級提取容器中加入體積分數為40%的乙醇溶液（鹽酸調節pH 值至1.5），分別設置試驗提取溫度為50，60，70，80，90 ℃，并在提取過程中保持恒溫，每份粉末的總反應時間為2 h，即每一級反應持續時間為2/3 h。然后，將經歷整個逆流提取流程后得到的花青素粗提液以轉速6 000 r/min 離心1 min，收集所得上清液進行后續分析。將以上流程重復3 次，以平均值代表該因素下的提取效率。

（4） 提取時間對紫薯花青素提取的影響。稱取適量紫薯粉末從第一級容器中加入，按料液比1∶20在第三級提取容器中加入體積分數為40%的乙醇溶液（鹽酸調節pH 值至1.5），設置試驗提取溫度為80 ℃，每份粉末的總反應時間分別設置為2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 h，即每一級反應持續時間分別為2/3，5/6，1，7/6，4/3 h。將經歷整個逆流提取流程后得到的花青素粗提液以轉速6 000 r/min 離心1 min，收集所得上清液進行后續分析。將以上流程重復3 次，以平均值代表該因素下的提取效率。

1.2.5 提取紫薯花青素的多因素分析

在單因素試驗的基礎上，綜合考查乙醇體積分數、料液比、提取溫度和提取時間4 個因素對逆流提取法提取紫薯花青素的影響，以花青素得率為指標，設計正交試驗，以期得到從紫薯中提取花青素的較好工藝。

L9（34）正交試驗因素與水平設計見表1。

表1 L9（34）正交試驗因素與水平設計

1.2.6 超聲波提取法

超聲波提取法是近年來研究紫薯花青素提取領域中的一大熱點，多項研究圍繞超聲波法提取紫薯花青素展開[14，17，27]，并認為是目前提取紫薯花青素最好的方法。紫薯品種不同，其中花青素含量也存在差異，由于缺乏不同提取方法對同一紫薯品種提取花青素效率的參考文獻，在進行該項工作時，張衛波等人[28]用超聲波法提取花青素的工藝被選擇，用于與該試驗方法進行比較，評判二者的優劣。其最佳提取條件為乙醇體積分數80%，超聲溫度30 ℃，超聲時間10 min，紫薯與提取劑的料液比1∶25，提取完畢后將粗提液以轉速6 000 r/min 離心1 min，對上清液即為花青素溶液進行含量測定。將以上流程重復3 次，結果取平均值。

1.3 花青素含量測定

1.3.1 標準曲線的制作

莧菜紅標準曲線的繪制參照文獻[29]，具體操作為精密稱取0.100 g （準確至0.001 g） 莧菜紅標準品100 mL 容量瓶中，加去離子水（pH 值7.0） 定容，得到質量濃度1 mg/mL 的莧菜紅標準液。分別移取0.50，1.00，1.50，2.00，2.50，3.00，3.50 mL 至50 mL容量瓶中，用去離子水（pH 值7.0） 定容。于波長520 nm 處測吸光度，以莧菜紅溶液為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制莧菜紅標準曲線?；貧w方程為Y=0.288 4X+ 0.060 9，R2=0.999 6。

莧菜紅標準曲線見圖2。

1.3.2 花青素含量的測定

將待測花青素溶液用乙醇溶液（pH 值1.5） 進行稀釋，于波長520 nm 處測吸光度[30]，每組試驗設置3 次平行，結果取平均數。再根據標準曲線回歸方程計算出提取液質量濃度C （10-5g/mL），計算紫薯花青素得率P，計算公式為：

式中：V——提取液體積，mL；

n——稀釋倍數；

M——紫薯粉末質量，g。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 乙醇體積分數對紫薯花青素含量的影響乙醇體積分數對花青素含量的影響見圖3。

由圖3 可知，乙醇體積分數為40%時花青素含量最高。一定范圍內，乙醇體積分數越大提取效果越差，推測可能因為花青素屬于水溶性色素，乙醇體積分數越高其水占比越小，反而不利于花青素的提取。而在體積分數為70%之后得率又有上升，可能是高體積分數乙醇對細胞有了殺傷作用，從而使得細胞內的花青素被提取出來。

2.1.2 料液比對紫薯花青素含量的影響

料液比對花青素含量的影響見圖4。

圖4 料液比對花青素含量的影響

由圖4 可知，在料液比過小時，提取液容易達到相對飽和，并且量相對更少，所以不利于花青素的工業提?。欢诹弦罕冗^大時，提取液內花青素濃度變化不大，但原料用量增加，出現不必要的浪費。由此得知，當料液比為1∶20 時，花青素的提取效果最好。

2.1.3 提取溫度對紫薯花青素含量的影響

提取溫度對花青素含量的影響見圖5。

由圖5 可知，提取溫度為80 ℃時，花青素含量遠遠高于其他提取溫度。在一定范圍內，提取溫度的升高有利于分子運動，還可起到破壞細胞的作用，從而有利于花青素的釋放。但超過一定提取溫度界限，花青素受熱被破壞[7]，提取到的量反而減少。

2.1.4 提取時間對紫薯花青素含量的影響

提取時間對花青素含量的影響見圖6。

由圖6 可知，一定范圍內，花青素含量隨著提取時間增加而增加，可能是因為有充足的時間利于花青素從細胞內充分釋放。當提取時間過長，一是花青素容易分解，二是時間成本增加。因此，3.5 h是提取花青素的最佳時間。

2.2 正交試驗結果與分析

正交試驗結果與分析見表2。

表2 正交試驗結果與分析

由表2 可以得知，各個因素影響試驗結果的主次順序為D＞C＞A＞B，即料液比＞乙醇體積分數＞提取溫度＞提取時間。由此結果可知，料液比對于逆流提取效果的影響是最大的，設置合適的料液比不僅能將提取效果最大化，還能提高原料利用率，避免成本浪費。乙醇體積分數對于逆流提取也有較大的影響作用，選擇合適的體積分數能夠促使提取效果達到最好。相對而言，提取溫度和提取時間對最終提取效果的影響不如前2 項，但保持適宜的提取溫度、設置最佳的提取時間，也能進一步提高逆流提取的效率。

最終得出逆流提取法在提取紫薯花青素時的最佳工藝條件為A3B2C1D3，即酸性乙醇體積分數30%，料液比1∶25，提取溫度80 ℃，提取時間3.5 h，此時花青素含量為1.245 mg/g。

2.3 超聲波提取試驗結果與分析

在文獻所示的最佳試驗條件下[28]，對同一批次紫薯粉末進行超聲波提取，所得花青素含量為0.513 mg/g，而運用逆流提取法的花青素含量為1.245 mg/g。由結果得知，逆流提取法的提取效果遠遠好于超聲波提取法。

3 結論

直接提取法是最原始的提取方法之一，操作時只需將原料和提取溶劑充分混合后，進行一次性靜置提取即可。王兆雨等人[15]以體積分數50%乙醇為提取劑，提取溫度50 ℃，提取時間60 min，pH 值調節至3.5 為提取條件，進行了紫薯花青素的直接提取試驗。此時，原料中花青素的提取率為5.8%。直接提取法操作簡單易行，但也有提取時間較長、原料利用率低、提取效率低等缺點。

用纖維素酶和果膠酶進行輔助從紫薯粉末中提取花青素也是常用方法之一。這2 種酶都有破壞植物細胞壁的作用[16]，能促使花青素從細胞中大量釋放并在萃取劑中迅速溶解。雖然酶輔助法提取效果優于直接提取法，但其實質并未發生改變，仍然是一次性靜置提取。并且酶解法提取成本較高，對試驗的溫度要求也較嚴格。因此，不適合于工業提取花青素。

微波法的原理是原料粉末吸收了微波能量，使細胞內的溫度迅速升高，細胞內的壓力超過細胞壁的膨脹能力，從而導致植物細胞破裂，其內的活性成分自由流出。Sun Y Z 等人[16]通過響應面法探究微波法提取紫甘薯花青素的最佳條件，結果是以鹽酸乙醇作為提取劑，料液比1∶5，提取溫度71 ℃，提取時間53 min，得到的最終含量為363.90 μg/g。 然而，微波法在溶劑的選擇上有一定的局限性，這也在一定程度上限制了微波在工業提取紫薯花青素中的應用。

與微波法不同的是，超聲波法在提取過程中產生高速強烈的空化作用和攪拌作用，破壞植物細胞，使溶劑大量滲透到細胞中，從而大大提高了提取效率。超聲波法不僅提取時間短，而且提取溫度低、提取范圍廣泛。這就決定了超聲波法在近年來眾多紫薯花青素提取研究中的重要地位。回晶等人[17]使用鹽酸乙醇作為提取劑，料液比1∶40，提取溫度50 ℃，提取時間25 min，花青素的最終含量為324.87 μg/g。關于2 種提取方法聯合作用的研究也有發表[31]，研究者將超聲波和纖維素酶共同作用于紫薯花青素的提取過程，其在最適條件下的花青素得率為8.77%。

試驗選取了當前應用最為廣泛的超聲波提取法與逆流提取法相比較[32]。在參考文獻所示的最適條件下[28]，超聲波提取法與逆流提取法使用同一批次紫薯粉末分別進行花青素提取試驗，其中花青素含量的測定與計算方式均相同，試驗得出的最終結論為逆流提取的花青素含量為1.245 mg/g，而超聲波提取法的花青素含量為0.513 mg/g。由此可知，相較于其他方法，逆流提取在花青素得率方面有著無可比擬的優勢，這也給紫薯花青素提取工業帶來了新方向。因此，逆流提取法在紫薯花青素的工廠化提取中具有極大的應用前景。