仙人掌果紅色素提取工藝及其穩(wěn)定性研究

馬丹雅，趙 晶，姚 晶，*，王紅梅，宋 琳，楊同舟，陳智斌

(1.黑龍江東方學(xué)院，黑龍江哈爾濱150086;2.黑龍江天宏工程設(shè)計(jì)有限公司，黑龍江哈爾濱150090)

食用色素是食品添加劑的重要組成部分，其中天然食用色素對人體健康一般無毒無害，許多還具有一定的營養(yǎng)價值和藥理作用［1］。目前國內(nèi)外天然食用色素的種類和產(chǎn)量還比較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足食品工業(yè)、酒類、化妝品及藥物等行業(yè)的發(fā)展需要，為此，應(yīng)積極致力于天然食用色素的研究和開發(fā)。仙人掌果又名仙掌子，為仙人掌科植物仙人掌的果實(shí)，在我國廣東雷州半島海岸產(chǎn)量十分豐富，由于果皮毛刺多，食用不便而長期未被開發(fā)利用，僅民間作水果食用［2-3］。仙人掌果表皮呈深紅色，果汁呈紫紅色，無毒，風(fēng)味獨(dú)特且營養(yǎng)價值高。有文獻(xiàn)報(bào)道仙人掌果紅色素為甜菜色苷類化合物，而我國于甜菜中提取的甜菜紅色素已成為商品天然色素，用于糖果、冷飲、藥品糖衣的著色，又因?yàn)橄扇苏乒募t色素含量大且易于提取，若能加工利用，其經(jīng)濟(jì)效益將十分可觀［4］。本實(shí)驗(yàn)建立了仙人掌果紅色素提取的最佳工藝條件，并研究了光照、pH、氧化劑、還原劑以及金屬離子、食品添加劑等因素對仙人掌果紅色素穩(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

仙人掌果 海南野生品種;硫酸鎂、氯化鋇、氯化鋅、氯化鈉、乙酸鉛、四氯化錫 分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;硫酸銅、碳酸氫鈉 分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;亞硫酸鈉、濃鹽酸、三氯化鐵 分析純，天津市耀華化學(xué)試劑有限責(zé)任公司。

電熱恒溫水浴鍋DKS-24型 上海經(jīng)濟(jì)區(qū)沈蕩中新電器廠;DELTA 320系列pH計(jì) 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;80-2型離心機(jī) 上海浦東物理光學(xué)儀器廠;Sectrumlab54紫外可見分光光度計(jì)上海棱光技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的前處理 鮮仙人掌果去籽、去皮，加0.7%的果膠酶，在 pH4.0、溫度 40℃條件下水解1.5h。

1.2.2 仙人掌果紅色素的提取 用乙醇的水溶液完全覆蓋仙人掌果渣，不斷攪拌，使色素不斷溶解在乙醇中，多次浸提;將浸提液在3000r/min條件下離心20min，棄去下面沉淀;將上清液在530nm下測定其吸光度［5-6］。

1.2.3 仙人掌果紅色素提取的單因素實(shí)驗(yàn)研究

1.2.3.1 料液比的選擇 控制溫度在50℃，取5份仙人掌果渣各1g，分別加入10mL緩沖液，再分別加入20、40、60、80、100mL pH4 的 70% 乙醇-水溶液(用5mol/L的 HCl溶液調(diào)節(jié))，浸提 60min，然后在530nm下測定不同物料比條件下的吸光度。

1.2.3.2 提取溫度的選擇 取6份鮮仙人掌果渣各1g，分別加入10mL緩沖液再加入20mL pH4的70%乙醇-水溶液(用5mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié))，然后分別在 30、40、50、60、70、80℃ 的溫度下攪拌，浸取60min，在530nm下測定各種溫度條件下的吸光度。

1.2.3.3 提取pH的選擇 取6份鮮仙人掌果渣各1g，分別加入10mL緩沖液再分別加入20mL pH分別調(diào)為3、4、5、6、7、8 的70%乙醇-水溶液，在50℃條件下攪拌，浸取60min，然后在530nm下測定各種pH條件下的吸光度。

1.2.3.4 提取時間的選擇 控制溫度在50℃，取6份仙人掌果渣各1g，分別加入10mL緩沖液再分別加入20mL pH5.0的70%乙醇水溶液，浸取時間分別為30、40、50、60、70、80min，然后在 530nm 下測定不同提取時間條件下的吸光度。

1.2.4 仙人掌果紅色素提取的正交實(shí)驗(yàn)研究 以提取溫度，提取pH和物料比為因素，進(jìn)行因素實(shí)驗(yàn)，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取合適的因素水平設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，以確定最佳提取條件，正交實(shí)驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal experiment design

1.2.5 紅色素得率的計(jì)算 提取的仙人掌果紅色素濾液放入烘箱中，烘干至恒重，所得恒重紅色素的質(zhì)量與仙人掌果樣品質(zhì)量之比即為仙人掌果紅色素的得率。

1.2.6 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 以測定530nm處的吸光度為指標(biāo)，研究光照、pH、氧化劑、還原劑和金屬離子對色素穩(wěn)定性的影響，并研究在不同濃度范圍內(nèi)的變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 仙人掌果紅色素提取單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液比的選擇 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，隨著提取溶劑的增加，吸光度有所下降，隨著提取溶劑的量增加，色素相當(dāng)于被稀釋了，在提取溶劑為20mL時，吸光度最大，提取時料液比1∶20比較適宜。

圖1 料液比對紅色素提取的影響Fig.1 Response of material ratio on extraction of red pigment

2.1.2 紅色素提取溫度的選擇 在提取體系pH為5.0，料液比為1∶20，提取時間為60min的條件下，改變提取溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度對紅色素提取的影響Fig.2 Response of extraction temperature on the extraction of red pigment

從圖2可以看出，在提取溫度在50℃以下時，隨著溫度的升高，色素的吸光度不斷提高。而當(dāng)溫度達(dá)到50℃時，色素類物質(zhì)的溶出速度達(dá)到最大，超過50℃后，天然色素會分解，使吸光度下降。

2.1.3 提取紅色素pH的選擇 將溫度控制在50℃，料液比為1∶20，用70%的乙醇溶液浸提60min，改變pH，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 pH對紅色素提取的影響Fig.3 Response of pH on extraction of red pigment

由圖3可以看出在一定范圍內(nèi)，紅色素的提取率隨pH的增加而增大，隨著pH的升高，紅色素提取率呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)pH到5時吸光度最大，即提取率最大，但pH＞7時，天然色素受到破壞，由圖可以看出紅色素在酸性條件下較穩(wěn)定，在堿性條件下不穩(wěn)定易分解。

2.1.4 紅色素提取時間的選擇 在提取體系pH為5.0，料液比為1∶20，提取溫度50℃時，改變反應(yīng)需要的時間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 提取時間對紅色素提取的影響Fig.4 Response of extraction time on extraction of red pigment

由圖4可以看出，隨著提取時間的延長，色素的提取率呈先上升后降低的趨勢。這可能是因?yàn)殡S著時間的延長，色素類物質(zhì)溶出得更加充分，提取時間為60min時，吸光度最高。但時間過長，會導(dǎo)致色素的降解，使色素的提取率降低，所以提取紅色素時選取最佳的時間為60min。

2.2 仙人掌果紅色素提取正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知(見表2)，三因素的極差大小順序是:B＞C＞A，即提取體系的料液比對提取率影響最大，其他幾個因素影響相對較小。通過極差分析計(jì)算，得到各因子的最佳組合是A2B1C2，即最佳工藝條件是:提取溫度為50℃，提取體系的料液比為1∶20，提取 pH 為 5.0。

以最佳提取工藝條件提取的仙人掌果紅色素濾液放入烘箱中，烘干至恒重，得出原料中紅色素的得率約為5.2%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiment

2.3 仙人掌果紅色素穩(wěn)定性的研究

2.3.1 光照對仙人掌果紅色素穩(wěn)定性的影響 取已提取的仙人掌果紅色素1mL置于6個25mL的具塞刻度試管，用70%乙醇-水溶液稀釋至10mL，放置有陽光的地方0、1、2、3、4、5d 后，在波長 530nm 下測定其吸光度。結(jié)果見圖5，得出2～3d時，紅色素的吸光度明顯下降，自然光對紅色素的影響比較大，放置5d后紅色素完全分解，得出結(jié)論仙人果紅色素不宜在自然光下放置過久，應(yīng)避光貯存。

圖5 不同天數(shù)光照色素穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effects of days of sunlight on pigment stability

2.3.2 pH對仙人掌果紅色素穩(wěn)定性的影響 吸取已提取的仙人掌果紅色素1mL置于25mL的具塞刻度試管，用70%乙醇水溶液稀釋至10mL，再加入用酸度計(jì)分別調(diào)配 pH 為2.9、5.0、7.1、9.2、11.0 一系列的緩沖溶液靜置6h后，在530nm處測定其吸光度。

圖6 不同pH對色素穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of pH on pigment stability

由圖6可以看出仙人掌果紅色素在pH3～5時紅色素的穩(wěn)定性較好，顏色也較穩(wěn)定，而pH9～11時相對來說穩(wěn)定性較差，在堿性條件下加速了色素的分解，因此紅色素適宜在酸性條件下貯存。

2.3.3 氧化劑、還原劑對仙人掌果紅色素穩(wěn)定性的影響 氧化劑對紅色素的影響:過氧化氫為氧化劑，用30%的H2O2配制體積分?jǐn)?shù)分別為0、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、4.0%的過氧化氫溶液，取提取的仙人掌果紅色素各1mL置于7個25mL的具塞刻度試管，再分別用配制好的溶液稀釋至10mL，室溫放置6h后在530nm處測定其吸光度。

圖7 H2O2對色素穩(wěn)定性的影響Fig.7 Effect of H2O2on pigment stability

由圖7可以看出隨著H2O2體積分?jǐn)?shù)的增加，紅色素受到的破壞越嚴(yán)重，可能是氧化劑使得一部分色素分解了，使得吸光度下降。

還原劑對紅色素的影響:無水亞硫酸鈉作為還原劑，配制質(zhì)量濃度分別為 0、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0g/100mL的亞硫酸鈉溶液，取提取的仙人掌果紅色素各1mL置于7個25mL的具塞刻度試管，再分別用配制好的溶液稀釋至10mL，室溫放置6h后在530nm處測定其吸光度。

表3 各種金屬離子對色素穩(wěn)定性的影響Table 3 Effects of metal ions on pigment stability

由圖8可以看出隨著還原劑Na2SO3含量的增加，紅色素的吸光度有所下降，說明還原劑的存在會對仙人果紅色素的穩(wěn)定性起到破壞作用，使色素發(fā)生降解。

圖8 Na2SO3對色素穩(wěn)定性的影響Fig.8 Effect of Na2SO3on pigment stability

2.3.4 金屬離子對仙人果紅色素穩(wěn)定性的影響 分別稱取相應(yīng)質(zhì)量的藥品，配制成含0.1g/20mL的Zn2+、Mg2+、Sn2+、Fe3+、Na+、Pb2+、Ag+、Cu2+的金屬離子溶液，取提取的仙人掌果紅色素各1mL置于10個25mL的具塞刻度試管，再分別用配制好的金屬離子溶液稀釋至10mL，室溫放置6h后在530nm處測定其吸光度，并與未加金屬離子的對照組的吸光度進(jìn)行比較，其結(jié)果見表3。

根據(jù)金屬離子對仙人掌果紅色素穩(wěn)定性的影響的實(shí)驗(yàn)，由表3可以看出Mg2+、Na+對仙人掌紅色素的穩(wěn)定性影響不大，Zn2+、Sn2+、Fe3+、Pb2+、Cu2+對仙人掌紅色素的穩(wěn)定性影響相對較大，且隨著金屬離子濃度的變化，溶液的顏色會產(chǎn)生一定的變化。因此應(yīng)該避免仙人掌果紅色素與金屬離子尤其是鐵、鋅、銅、鉛、錫制品接觸。

3 結(jié)論

3.1 提取仙人掌果紅色素得出最佳的提取條件為:提取溫度為50℃，提取體系的料液比是1∶20，提取pH是5.0，提取時間1h。

3.2 仙人掌果紅色素的穩(wěn)定性研究結(jié)果表明:光照時間越長，色素受到的破壞越大，光照使色素分解，色素應(yīng)避光保存;仙人掌紅色素在pH為3～5時較穩(wěn)定，在堿性條件下容易分解;仙人掌果紅色素易受到雙氧水，亞硫酸鈉的影響，隨濃度的增加受到的破壞越大;仙人掌果提取的紅色素對Mg2+、Na+等金屬離子較穩(wěn)定，而對 Zn2+、Sn2+、Fe3+、Pb2+、Cu2+等金屬離子較不穩(wěn)定。

3.3 仙人掌果紅色素原料易得，提取工藝簡單，色澤艷麗，天然安全?？蓱?yīng)用于食品及藥品，是一種有較大發(fā)展前途的天然食用色素。

［1］胡正強(qiáng).食用天然色素的開發(fā)與應(yīng)用［J］.農(nóng)牧產(chǎn)品開發(fā)，1996(1):33-35.

［2］易美華，林麗梅.仙人掌保健飲料的技術(shù)研究［J］.食品科技，2000(2):43-45.

［3］趙聲蘭，陳朝銀，劉宏剛，等 .仙人掌脯的研制［J］.食品科技，2002(3):17-18.

［4］王釗，林琳，鮑世銓.我國海南仙人掌的成分分析及開發(fā)前景［J］.天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2000，13(1):44-48.

［5］戴玉錦，葉琴，丁梅，等.橙皮色素的鑒定及穩(wěn)定性研究［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005(1):105-108.

［6］李明.提取技術(shù)與實(shí)例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:287-288.