菱角皮紅色素的提取及其穩定性研究

黃愛妮，王洪斌，嚴碧云，梅大佐，趙昕，向夢甜

(1.武昌工學院 城市建設學院，武漢 430065；2.湖北華貴食品有限公司，湖北 洪湖 433200)

菱角，又名腰菱、水栗、菱實，屬菱科菱屬，是一年生草本水生植物菱的果實，有幾千年的栽培歷史，盛產于中國南方，多地繁殖，年產量大。菱角果實外果皮則為菱角皮，成熟后的顏色呈紫紅至黑色，含有豐富的色素[1]。

目前市場上使用的色素主要包括天然色素和合成色素，但部分合成色素會對人體的健康造成一定的危害，甚至有致畸、致癌的風險。因此，天然色素受到了越來越多的關注[2-5]。許多可食用植物來源的天然色素含有人體自身無法合成的必需營養素，植物來源的天然色素不僅可以改善食物呈現的顏色，也能起到補充人體必需營養素的作用[6-9]。在醬油、番茄醬、辣椒醬等調味品的加工中往往需要加入一定量的色素來調節顏色，有研究表明植物源天然色素具有穩定性好、著色能力強、安全性高等諸多優點，在調味品中的應用前景廣闊[10-15]。菱角皮材料來源廣泛，價格低廉，將其作為著色劑和添加劑用于食品、醫藥、化妝品等行業，可以豐富天然色素的種類，也可以為菱角皮的加工提供一定的基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菱角：由湖北華貴食品有限公司提供，剝皮曬干，經超微粉碎過60目篩后儲藏備用。

JY-1000A高速多功能粉碎機 浙江省永康市象珠松青五金廠；KQ-500DB數控超聲波清洗器 昆山舒美超聲儀器有限公司；GM-9070MBE電熱鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 上海力辰邦西儀器科技有限公司；HH-2數顯電子恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司；THZ-82B離心機 金壇市醫療儀器廠；UV-1800紫外可見分光光度計 日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 菱角皮紅色素提取方法的比較與選擇

1.2.1.1 乙醇溶液提取

取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于錐形瓶中，加入50 mL 95%乙醇溶液，在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中以60 ℃水浴加熱攪拌1 h后，取出錐形瓶，以2000 r/min的速度在離心機中離心10 min，取離心管中的上清液，在538 nm處測吸光值。

1.2.1.2 石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液提取

取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于錐形瓶中，加入100 mL石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液，在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中以60 ℃水浴加熱攪拌1 h后，取出錐形瓶，以2000 r/min的速度在離心機中離心10 min，取離心管中的上清液，在538 nm處測吸光值。

1.2.1.3 超聲波輔助乙醇溶液提取

取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于錐形瓶中，加入50 mL 95%乙醇溶液，在超聲波中以溫度60 ℃、功率600 W的條件提取1 h，取出錐形瓶，以2000 r/min的速度在離心機中離心10 min，取離心管中的上清液，在538 nm處測吸光值。

1.2.1.4 超聲波輔助石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液提取

取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于錐形瓶中，加入100 mL石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液，在超聲波中以溫度60 ℃、功率600 W的條件提取1 h，取出錐形瓶，以2000 r/min的速度在離心機中離心10 min，取離心管中的上清液，在538 nm處測吸光值。

1.2.2 菱角皮紅色素得率的測定方法

根據朗伯比爾定律，當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度與吸光物質的濃度c成正比，其表現的顏色越深，吸光值越高。因此，本文以538 nm處菱角皮紅色素提取液的吸光值來評價提取效果，即菱角皮紅色素提取液的吸光值越高，表明菱角皮紅色素的得率越高。

1.2.3 菱角皮紅色素提取工藝的優化

選擇乙醇溶液作為菱角皮紅色素的提取劑，采用超聲波輔助進行提取，以菱角皮紅色素的得率為考察指標，分別考察超聲時間(30，40，50，60，70，80 min)、料液比(1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80， g/mL)、乙醇濃度(40%、50%、60%、70%、80%、90%)、超聲溫度(30，40，50，60，70，80 ℃)、超聲功率(450，600，750，900，1050，1200 W)等因素對菱角皮紅色素提取效果的影響，在單因素試驗的基礎上，選擇超聲時間、料液比、乙醇濃度、超聲溫度4個因素進行正交試驗，對菱角皮紅色素的提取條件進行優化。

1.2.4 菱角皮紅色素穩定性的研究

1.2.4.1 溫度對菱角皮紅色素穩定性的影響研究

將5支裝有菱角皮紅色素提取液的比色管分別置于20，40，60，80，100 ℃的水浴中保溫1 h，期間每20 min振動一次，分別測量各提取液的吸光值，考察溫度對菱角皮紅色素穩定性的影響。

1.2.4.2 光線對菱角皮紅色素穩定性的影響研究

在10支比色管中分別加入10 mL菱角皮紅色素提取液，將它們分成兩組：一組儲存在黑暗的房間，另一組儲存在室外穩定的自然光下。每隔1 h從兩組中各取1支比色管測量吸光值，考察光線對菱角皮紅色素穩定性的影響。

1.2.4.3 pH值對菱角皮紅色素穩定性的影響研究

在11支比色管中分別加入10 mL菱角皮紅色素提取液，分別調節色素溶液的pH值為1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，在室溫下保持1 h，期間每20 min振動一次，分別測量各提取液的吸光值，考察pH值對菱角皮紅色素穩定性的影響。

2 結果與分析

2.1 菱角皮紅色素提取方法的選擇

分別采用乙醇溶液、石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液、超聲波輔助乙醇溶液、超聲波輔助石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液對菱角皮中的紅色素進行提取，試驗結果見圖1。

圖1 菱角皮紅色素提取方法的選擇Fig.1 The selection of extraction methods of red pigment from Trapa natans husk

由圖1可知，以菱角皮紅色素的吸光值為提取效果的評價指標，超聲波輔助乙醇提取的效果最好，菱角皮紅色素提取液的吸光值為0.304，其次為乙醇溶液提取，提取液的吸光值為0.139，提取效果較差的為超聲波輔助石油醚與丙酮混合提取、石油醚與丙酮混合提取，吸光值分別為0.059和0.058。試驗結果說明菱角皮紅色素在乙醇溶液中的溶解度較高，且采用超聲波輔助有利于提高提取效果。因此，選擇超聲波輔助乙醇溶液提取作為菱角皮紅色素的提取方法。

2.2 菱角皮紅色素提取工藝優化的單因素試驗結果與分析

2.2.1 超聲時間對菱角皮紅色素提取效果的影響

以乙醇溶液為提取劑，采用超聲波輔助對菱角皮中的紅色素進行提取，保持其他條件不變，分別調整超聲時間為30，40，50，60，70，80 min，測定提取液的吸光值，試驗結果見圖2。

圖2 超聲時間對菱角皮紅色素提取效果的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on extraction of red pigment from Trapa natans husk

由圖2可知，超聲提取時間對菱角皮紅色素的提取效果有一定的影響，當提取時間從30 min上升到50 min時，由于超聲波的空化效應，增加了分子的運動速度和介質的穿透力，使溶劑迅速進入菱角皮，提取效果逐漸增強。當提取時間超過50 min后，吸光值逐漸下降，主要是由于提取時間過長導致紅色素發生了分解。因此，選擇菱角皮紅色素提取的最佳超聲時間為50 min。

2.2.2 料液比對菱角皮紅色素提取效果的影響

以乙醇溶液為提取劑，采用超聲波輔助對菱角皮中的紅色素進行提取，保持其他條件不變，分別調整料液比為1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80(g/mL)，測定提取液的吸光值，試驗結果見圖3。

圖3 料液比對菱角皮紅色素提取效果的影響Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on extraction of red pigment from Trapa natans husk

由圖3可知，當料液比在1∶30～1∶60之間時，菱角皮紅色素提取液的吸光值逐漸上升，可能是由于隨著乙醇溶液用量的增加，加大了菱角皮與乙醇之間的接觸面，使紅色素能夠被充分提取出來。當料液比在1∶60～1∶80之間時，提取液的吸光值顯著下降。因此，選擇菱角皮紅色素提取的最佳料液比為1∶60。

2.2.3 乙醇濃度對菱角皮紅色素提取效果的影響

圖4 乙醇濃度對菱角皮紅色素提取效果的影響Fig.4 Effect of ethanol concentration on extraction of red pigment from Trapa natans husk

以乙醇為提取劑，采用超聲波輔助對菱角皮中的紅色素進行提取，保持其他條件不變，分別調整乙醇濃度為40%、50%、60%、70%、80%、90%，測定提取液的吸光值，試驗結果見圖4。

由圖4可知，菱角皮紅色素的提取效果受乙醇濃度的影響較大，當乙醇溶液的濃度在40%～60%之間時，隨著乙醇濃度的增加，菱角皮紅色素提取液的顏色逐漸加深，吸光值逐漸增大，在乙醇濃度為60%時達到最大，此后隨著乙醇濃度的增加，吸光值逐漸減小，可能是由于過高的乙醇濃度降低了菱角皮紅色素的溶解速率。因此，選擇最佳乙醇濃度為60%。

2.2.4 超聲溫度對菱角皮紅色素提取效果的影響

以乙醇為提取劑，采用超聲波輔助對菱角皮中的紅色素進行提取，保持其他條件不變，分別調整超聲溫度為30，40，50，60，70，80 ℃，測定提取液的吸光值，試驗結果見圖5。

圖5 超聲溫度對菱角皮紅色素提取效果的影響Fig.5 Effect of ultrasonic temperature on extraction of red pigment from Trapa natans husk

由圖5可知，當超聲溫度低于60 ℃時，菱角皮紅色素提取的吸光值緩慢上升，在60 ℃時達到最大，當超聲溫度高于60 ℃時，吸光值逐漸降低，同時過高的溫度會使紅色素分解，從而影響了菱角皮紅色素的提取效果。因此，選擇最佳超聲溫度為60 ℃。

2.2.5 超聲功率對菱角皮紅色素提取效果的影響

以乙醇為提取劑，采用超聲波輔助對菱角皮中的紅色素進行提取，保持其他條件不變，分別調整超聲功率為450，600，750，900，1050，1200 W，測定提取液的吸光值，試驗結果見圖6。

由圖6可知，當超聲功率低于900 W時，菱角皮紅色素提取液的吸光值逐漸上升。功率低于900 W時，超聲波的振動幅度較小，紅色素提取不徹底；高于900 W時，超聲波的振動幅度過大，超聲波的機械效應、空化效應、熱效應等可能破壞紅色素的分子結構，導致提取效果不佳。因此，選擇菱角皮紅色素提取的最佳超聲功率為900 W。

2.3 菱角皮紅色素提取工藝優化的正交試驗結果與分析

在單因素試驗的基礎上，選擇超聲時間、料液比、乙醇濃度、超聲溫度4個因素進行正交試驗，以菱角皮紅色素提取液的吸光值為評價指標，對菱角皮紅色素的提取條件進一步優化。正交試驗因素水平見表1，試驗結果見表2。

表1 正交試驗因素水平Table 1 The factors and levels of orthogonal test

表2 正交試驗結果Table 2 The results of orthogonal test

由表2可知，影響菱角皮紅色素提取效果的因素主次順序為B>C>D>A，即影響最大的因素是料液比，其次是乙醇濃度，影響較小的因素是超聲溫度和超聲時間。綜合正交試驗的數據可知，菱角皮紅色素的最佳提取條件為A2B2C2D2，即提取時間50 min、料液比1∶60 (g/mL)、乙醇濃度60%、超聲溫度60 ℃。

稱取一定量的菱角皮原料，選擇60%乙醇為提取劑，調節料液比為1∶60 (g/mL)，在60 ℃下超聲提取50 min，測得提取液的吸光值為0.823，高于正交表中的最大吸光值，驗證了正交試驗設計的正確性。

2.4 菱角皮紅色素穩定性的研究結果與分析

2.4.1 溫度對菱角皮紅色素穩定性的影響

將提取得到的菱角皮紅色素溶液置于比色管中，分別放置在不同溫度的恒溫水浴鍋中，放置1 h并振蕩3次，隨后測定吸光值，并觀察菱角皮紅色素溶液顏色的變化，試驗結果見圖7。

由圖7可知，隨著溫度的升高，菱角皮紅色素的吸光值變化很小，說明溫度的變化對菱角皮紅色素的影響較小，即菱角皮紅色素具有良好的熱穩定性。

2.4.2 光線對菱角皮紅色素穩定性的影響

將提取的菱角皮紅色素溶液分成兩組：一組儲存在黑暗的房間，另一組儲存在室外穩定的自然光下。每隔1 h從兩組中各取1支比色管測量吸光值，試驗結果見圖8。

圖8 光線對菱角皮紅色素穩定性的影響Fig.8 Effect of light on the stability of red pigment from Trapa natans husk

由圖8可知，菱角皮紅色素在黑暗條件和自然光下，顏色逐漸加深，吸光值逐漸升高，在自然光下的變化趨勢更明顯。因此，光線對菱角皮紅色素的穩定性有一定的影響，在儲藏中應盡量避光保存。

2.4.3 pH值對菱角皮紅色素穩定性的影響

將菱角皮紅色素提取液分別在不同的pH環境下保持1 h，測量各提取液的吸光值，試驗結果見圖9。

圖9 pH值對菱角皮紅色素穩定性的影響Fig.9 Effect of pH value on the stability of red pigment from Trapa natans husk

由圖9可知，隨著pH值的升高，菱角皮紅色素的吸光值逐漸變大，當pH達到9以后吸光值逐漸趨于穩定，試驗中觀察到色素溶液的顏色逐漸加深，直至變為紫褐色。因此，pH值對菱角皮紅色素穩定性的影響較大。

3 結論與討論

以菱角皮為原料，比較了乙醇提取、石油醚∶丙酮混合溶液提取、超聲波輔助乙醇提取、超聲波輔助石油醚∶丙酮混合溶液提取4種方法，選擇了超聲波輔助乙醇法作為菱角皮紅色素的提取方法，并通過單因素試驗和正交試驗對提取工藝進行了優化。試驗結果表明，超聲波輔助乙醇提取菱角皮中紅色素的最佳工藝參數為：乙醇濃度60%、料液比1∶60(g/mL)、超聲提取時間50 min、超聲溫度60 ℃、超聲功率900 W，在此條件下，菱角皮紅色素提取液的吸光值為0.823。對提取的菱角皮紅色素的穩定性進行了分析，試驗結果表明，pH值對菱角皮紅色素穩定性的影響較大，光線對其穩定性有一定的影響，溫度對其影響較小。

菱角皮紅色素的超聲提取工藝較簡單，提取效果較好，提取得到的紅色素穩定性較高，可作為化學合成色素的替代產品用于調味品、飲料、酒類等食品的著色，具有很大的市場潛力。