紫薯色素的微波提取及其穩(wěn)定性和抗氧化活性的研究

余 凡，楊恒拓，葛亞龍，田光輝

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723000）

紫薯（Solanum tuberodsum L.）俗稱紫山芋、黑薯，薯肉呈紫色至深紫色，煮熟后肉味紫黑色，故又叫“紫黑薯”，現(xiàn)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)廣泛種植，有良好的經(jīng)濟(jì)效益，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上十分走俏，應(yīng)用和發(fā)展前景廣闊。紫薯中營(yíng)養(yǎng)成分豐富多樣[1-2]，含有淀粉、蛋白質(zhì)、粗脂肪、多糖[3]、膳食纖維素，還含有多種維生素、胡蘿卜素、色素[4]、綠原酸以及鈣、磷、鐵等微量元素[5]。紫薯色素是一種從紫薯中提取的水溶性紫紅色素[6]，在紫薯的塊根、莖、葉和薯皮含量都較高，屬于天然花青類色素，該類色素清除自由基的能力是維生素C的20倍、維生素E的50倍，還具有強(qiáng)耐熱性和耐光性，穩(wěn)定性好，抗突變性強(qiáng)，對(duì)動(dòng)物的肝功能阻礙具有緩解作用[6]，是廣泛應(yīng)用的功能性食品添加劑和保健食品的好原料。紫薯花青素分子結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)酚羥基，生物活性顯著，也已將紫薯色素應(yīng)用于化妝品和紡織品染織中，由于天然色素安全可靠用途廣泛，且種類繁多，不少天然色素兼有營(yíng)養(yǎng)和藥理作用，具有非常廣闊的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景[7]。目前提取紫薯色素已有微波或超聲等方法的研究報(bào)道，但對(duì)紫薯色素的穩(wěn)定性和抗氧化性的研究還尚少。本研究采用微波輔助提取紫薯色素，可以大幅度地提高紫薯色素的溶出率，簡(jiǎn)化提取操作步驟，節(jié)約溶劑，縮短生產(chǎn)周期，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，確定紫薯色素最佳提取工藝，使紫薯中色素提取達(dá)到一個(gè)較高水平。對(duì)紫薯色素在常見(jiàn)氧化劑、還原劑、食品添加劑以及一些金屬離子等存在下測(cè)試其穩(wěn)定性，并進(jìn)行了體外抗氧化實(shí)驗(yàn)，探討其清除羥自由基·OH的能力，為紫薯色素天然色素的工業(yè)化提取及規(guī)?；a(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫薯 收集于秦巴山區(qū)優(yōu)質(zhì)種植地基，漂洗干凈，研碎，避光低溫密封備用；檸檬酸、葡萄糖、蔗糖、氯化鈉、甲酸鈉、無(wú)水乙醇、雙氧水、亞硫酸鈉、明礬、維生素C、FeSO4·7H2O、Fe2（SO4）3、CuSO4·5H2O、CaCl2、Na2SO4、MgSO4、K2SO4、ZnSO4·7H2O、MnSO4·H2O、鄰二氮菲等試劑 均為國(guó)產(chǎn)分析純，西安試劑廠；水 為超純水。

UWave-1000型微波反應(yīng)儀 上海新儀微波化學(xué)科技有限公司；UV-6300PC型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)

上海美譜達(dá)儀器有限公司；DOB-2003型光電分析天平 重慶實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠；PHS-3C型數(shù)字顯示酸度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁廠；SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京科偉永興儀器有限公司；HH-系列恒溫水浴鍋 河北省黃驊市渤海電器廠；800型離心機(jī) 上海磁極器材廠；LRH-250A型生化培養(yǎng)箱 廣東省醫(yī)療器械廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紫薯色素的提取 將紫薯洗凈，切成小塊在研缽中研碎，然后用電子天平準(zhǔn)確稱取1.5g，加入一定濃度的檸檬酸提取液，微波提取一定的時(shí)間，抽濾，再重復(fù)提一次，合并濾液并定容，在450nm處測(cè)其吸光度。

1.2.2 紫薯色素最大吸收峰的確定 用電子天平準(zhǔn)確稱取1.5g研碎的紫薯，加入15mL 5%的檸檬酸溶液，微波提取額15min，抽濾，濾渣再重復(fù)提取一次，再次抽濾，合并濾液并定容在50mL的容量瓶中，取15mL溶液稀釋至100mL。然后取一定量的溶液放入1cm的比色皿中，在波長(zhǎng)為300.00～700.00nm范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，測(cè)定吸光度，篩選最大吸收波長(zhǎng)。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1 微波溫度對(duì)紫薯色素提取的影響 在微波功率為100W、提取時(shí)間為15min、檸檬酸濃度為5%、料液比為1∶10的條件下，溫度依次為10、20、30、40、50、60℃下提取，測(cè)定其在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度。

1.2.3.2 時(shí)間的影響 在微波功率為100W、溫度為30℃、檸檬酸濃度為5%、料液比為1∶10的條件下，時(shí)間將依次為3、6、9、12、15、18min下提取，測(cè)定其在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度。

1.2.3.3 檸檬酸濃度對(duì)紫薯色素提取的影響 在微波功率為100W、溫度為30℃、時(shí)間為15min、料液比為1∶10的條件下，檸檬酸濃度將依次為0.5%、1%、5%、10%、15%下提取，測(cè)定其在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度。

1.2.3.4 微波功率對(duì)紫薯色素提取的影響 在溫度為30℃、檸檬酸濃度為5%、料液比為1∶10、時(shí)間為15min的條件下，微波功率為25、50、75、100、125W下提取，測(cè)定其在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度。

1.2.3.5 料液比對(duì)紫薯色素提取的影響 在微波功率為75W、溫度為30℃、檸檬酸濃度為5%、時(shí)間為15min的條件下，料液比依次為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25下提取，測(cè)定其在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度。

1.2.4 正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)中選取溫度、時(shí)間、料液比、檸檬酸濃度4個(gè)影響較大的因素對(duì)紫薯色素提取率的影響進(jìn)行考察，設(shè)計(jì)四因素三水平L9（34）的正交實(shí)驗(yàn)，尋求最佳提取工藝條件，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素表Table 1 Factor level of orthogonal design

1.2.5 紫薯色素的穩(wěn)定性 選取正交實(shí)驗(yàn)中溫度、時(shí)間、檸檬酸濃度、料液比的最優(yōu)結(jié)果，進(jìn)行提取，用50%的乙醇提取一定量的紫薯色素溶液，稀釋至所需濃度備用。色素穩(wěn)定性（用加入其他溶液后其溶液中色素保留率表示）的計(jì)算：色素保留率（%）=加其他溶液以后的吸光度/加蒸餾水的吸光度×100。

1.2.5.1 溫度對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響 取3mL紫薯色素溶液，加入7mL蒸餾水，分別在室溫（25℃）、35、45、55、65、75℃下放置2h，測(cè)定其在450nm處的吸光度，并計(jì)算色素保留率。

1.2.5.2 食品添加劑對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響 取3mL紫薯色素提取液，分別加入7mL 0.001、0.002、0.003mol/L的食鹽、檸檬酸、葡萄糖、蔗糖、乙酸鈉和VC溶液，另取一支加7mL蒸餾水，室溫下放置12h，分別測(cè)定其在450nm處的吸光度，計(jì)算色素保留率。

1.2.5.3 常見(jiàn)的飲料對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響 取3mL紫薯色素提取液，分別加入7mL碳酸飲料、蘇打水、礦泉水（均無(wú)色），另取一支加7mL蒸餾水室溫下放置12h，分別測(cè)定其在450nm處的吸光度，計(jì)算色素保留率。

1.2.5.4 不同pH對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響 取3mL紫薯色素提取液，分別加入7mL pH為3、4、5、6、7、8、9、10、11的溶液，另取一支加7mL蒸餾水，室溫下放置4h，分別測(cè)定其在450nm處的吸光度，計(jì)算色素保留率。

1.2.5.5 氧化劑和還原劑對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響 取3mL紫薯色素提取液，分別加入7mL濃度為1%、2%、3%的H2O2，濃度為1%、2%、3%的Na2SO3溶液，另取一支加7mL蒸餾水，室溫下放置4h，分別測(cè)定其在450nm處的吸光度，計(jì)算色素保留率。

1.2.5.6 常見(jiàn)的金屬離子對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響 取3mL紫薯色素提取液，分別加入7mL 0.001、0.002、0.003mol/L的只含有Mg2+、Na+、K+、Ca2+、Al3+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Fe3+和Fe2+的溶液，另取一支加7mL蒸餾水，室溫下放置12h，分別測(cè)定其在450nm處的吸光度，計(jì)算色素保留率。

1.2.6 體外清除·OH作用的實(shí)驗(yàn) 體外抗氧化活性實(shí)驗(yàn)采用H2O2/Fe2+體系法[8-9]。將紫薯色素配成濃度為1.54mg/L的乙醇溶液，取8支試管分別加入0.75mmol/L鄰二氮菲溶液1mL、200mmol/L pH為7.4的PBS（Phosphate Buffered Saline混合磷酸鹽緩沖劑）1.5mL，充分混勻后再加入0.75mmol/L FeSO41mL立即混勻，然后向8支試管分別加入不同梯度的紫薯色素溶液，混勻，最后向其中加入0.01%的H2O21mL，搖勻。另2支分別為損傷管和未損傷管，這兩支試管不加紫薯色素溶液，除0.01%的H2O2外依次加入與前面8只試管中等量的不同溶液，最后在損傷管中加入0.01%的H2O21mL，未損傷管不加H2O2，對(duì)10支試管都以二次蒸餾水補(bǔ)充到相同的體積，將10支試管置于生化培養(yǎng)箱中，在37℃保溫1h，測(cè)A510值。重復(fù)三次取平均值。對(duì)·OH清除率計(jì)算公式為：

·OH清除率（%）=（A2-A1）/（A0-A1）×100

式中，A0為未損傷管吸光度；A1為損傷管吸光度；A2為加入紫薯色素溶液的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫薯色素最大吸收峰的確定

以紫薯色素吸收的波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，以不同波長(zhǎng)下的吸光度為縱坐標(biāo)，在不同波長(zhǎng)下的吸光度如圖1所示，紫薯色素光譜吸收曲線圖，紫薯色素最大吸收峰長(zhǎng)為450nm。

圖1 紫薯色素的光譜吸收?qǐng)DFig.1 Purple sweet potato pigment spectral absorption in Figure

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 溫度對(duì)紫薯色素提取的影響 如圖2所示，表明紫薯色素在10～30℃時(shí)提取率（用吸光度表示，下文同）隨溫度升高而增大，在30℃時(shí)，紫薯色素的提取率最大，超過(guò)30℃提取率會(huì)隨溫度升高而降低，可能是由于微波溫度過(guò)高將紫薯色素破壞了。所以從經(jīng)濟(jì)及提取率角度考慮，30℃的提取溫度最佳。

圖2 不同溫度對(duì)紫薯色素的提取的影響Fig.2 The impact of different temperatures on the extraction of the pigment of the purple sweet potato

2.2.2 時(shí)間對(duì)紫薯色素提取的影響 如圖3所示，微波時(shí)間對(duì)紫薯色素提取率隨時(shí)間增大；在15min時(shí)，紫薯色素提取率達(dá)到最大；超過(guò)15min增幅不明顯，18min時(shí)開(kāi)始有小幅度的下降，可能原因是攪拌的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將紫薯色素中一些易碎物攪碎了。綜合經(jīng)濟(jì)考慮，紫薯色素的最佳提取時(shí)間為15min。

圖3 不同時(shí)間對(duì)紫薯色素的提取的影響Fig.3 Different time on the extraction of the pigment of the purple sweet potato

2.2.3 檸檬酸濃度對(duì)紫薯色素提取的影響 如圖4所示，在檸檬酸濃度小于5%時(shí)，隨著檸檬酸濃度的增大，紫薯色素的提取率有顯著的提高，檸檬酸濃度為5%時(shí)，紫薯色素的提取率最大，但檸檬酸濃度超過(guò)5%時(shí)基本保持不變，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，紫薯色素提取時(shí)檸檬酸濃度在5%是最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的。

圖4 不同的檸檬酸濃度對(duì)紫薯色素提取率的影響Fig.4 Different concentrations of citric acid on the purple sweet potato pigment extraction

2.2.4 微波功率對(duì)紫薯色素提取的影響 如圖5所示，微波功率小于75W時(shí)，紫薯色素的提取率隨功率的升高而增大，75W時(shí)紫薯色素的提取率最大，但當(dāng)功率超過(guò)75W時(shí)隨著功率的升高紫薯色素的提取率會(huì)下降，原因可能微波功率過(guò)大會(huì)對(duì)紫薯色素造成破壞。所以紫薯的最佳微波功率為75W。

圖5 不同的微波功率對(duì)紫薯色素提取率的影響Fig.5 Different microwave power on the purple sweet potato pigment extraction

2.2.5 料液比對(duì)紫薯色素提取的影響 如圖6所示，當(dāng)料液比在1∶10左右時(shí)，紫薯色素提取率基本穩(wěn)定，超過(guò)1∶10基本保持不變，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，最佳料液比為1∶10。

圖6 不同的料液比對(duì)紫薯色素提取率的影響Fig.6 The impact of different solid-liquid ratio of purple sweet potato pigment extraction

2.3 紫薯中色素提取的優(yōu)化

將溫度、時(shí)間、檸檬酸濃度、料液比四個(gè)因素各取三個(gè)水平，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal test

由表2直觀分析可知，紫薯色素提取工藝的影響因素次序大小是D＞A＞C＞B，由此可知適當(dāng)?shù)牧弦罕葘?duì)提取率的影響很大，其次是溫度、檸檬酸濃度、時(shí)間；結(jié)合各因素k值可知紫薯色素的最佳提取條件是A2B2C3D3，即溫度為30℃，時(shí)間為15min，檸檬酸濃度為10%，料液比為1∶15，在最優(yōu)條件下，經(jīng)驗(yàn)證提取率（以吸光度表示）可高達(dá)0.462，均高于表2中其他組合的提取率，比普通浸提高（普通浸提為用蒸餾水室溫浸提24h，吸光度為0.225）。

2.4 紫薯穩(wěn)定性的研究

2.4.1 溫度對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響 如表3所示，可以看出紫薯色素在65℃以下穩(wěn)定性較好，但在65℃以上穩(wěn)定性會(huì)顯著降低，因此其在保存和使用的過(guò)程中應(yīng)盡量避免高溫。

表3 溫度對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響Table 3 The influence of temperature on pigment stability of the purple sweet potato

2.4.2 食品添加劑對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響 如表4所示，紫薯色素在食鹽、檸檬酸、葡糖糖、蔗糖、乙酸鈉、VC溶液中都較穩(wěn)定，因此，說(shuō)明紫薯色素是一種極好的天然食品著色劑。

表4 食品添加劑對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響Table 4 The impact of food additives on the stability of the pigment of the purple sweet potato

2.4.3 常見(jiàn)的飲料對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響 如表5所示，可以看出常見(jiàn)的蘇打水和礦泉水對(duì)紫薯色素的穩(wěn)定性影響很小，但碳酸飲料對(duì)其影響有利。

表5 常見(jiàn)的飲料對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響Table 5 Common beverages on the stability of the pigment of the purple sweet potato

2.4.4 不同pH對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響 如表6所示，紫薯色素在酸性條件下穩(wěn)定性較好且在酸性條件時(shí)隨pH的增大穩(wěn)定性減小，在堿性條件下隨pH的增大，穩(wěn)定性先增大后減小。在實(shí)驗(yàn)中還觀察到紫薯色素在酸性條件下呈紅色，在中性條件下呈紫色，在堿性條件下呈藍(lán)色。

表6 不同pH對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響Table 6 The impact of pH on the stability of the pigment of the purple sweet potato

2.4.5 氧化劑和還原劑對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響如表7所示，紫薯色素在有氧化劑存在的條件下極不穩(wěn)定，可能已被氧化成其他物質(zhì)，在有還原劑存在的條件下較穩(wěn)定，所以，紫薯色素在使用的過(guò)程中應(yīng)盡量避免與氧化劑一起使用，以防止其穩(wěn)定性被破壞。

表7 氧化劑和還原劑對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響Table 7 Oxidizing and reducing agents on the stability of pigment of the purple sweet potato

2.4.6 常見(jiàn)的金屬離子對(duì)紫薯色素穩(wěn)定性的影響如表8所示，紫薯色素在Na+、Ca2+、Al3+的溶液中較穩(wěn)定，在有K+、Zn2+離子的溶液中會(huì)形成一種非沉淀的配合物，在Mg2+、Cu2+、Mn2+、Fe2+、Fe3+的溶液中會(huì)生成沉淀，所以在使用時(shí)應(yīng)注意不要和這些離子混用。

2.5 紫薯色素體外清除·OH的作用

按照1.2.6的方法確定紫薯色素對(duì)·OH的清除作用，結(jié)果如圖7所示，結(jié)果說(shuō)明紫薯色素對(duì)H2O2/Fe2+體系通過(guò)Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的·OH有明顯的清除作用，且隨著加入量的增加清除率呈上升趨勢(shì)，清除率和紫薯色素的用量存在一定的量效關(guān)系。羥基自由基是造成組織細(xì)胞損傷的主要活性氧之一，能引起膜過(guò)氧化，蛋白質(zhì)交聯(lián)變性，核酸損傷等，許多疾病如腫瘤、炎癥、癌癥、衰老、動(dòng)脈硬化等的引發(fā)大多數(shù)和羥基自由基有關(guān)，紫薯色素對(duì)·OH有清除作用，是一種待開(kāi)發(fā)且非常具有前景的天然保健色素。

圖7 紫薯色素體外清除·OH作用Fig.7 Purple sweet potato pigment to clear the role of·OH in vitro

3 結(jié)論

紫薯色素在提取過(guò)程中用10%的檸檬酸較好，對(duì)環(huán)境無(wú)危害，溫度、檸檬酸濃度、料液比、時(shí)間、微波功率對(duì)紫薯色素提取率影響較大。紫薯色素的提取溫度不宜太高，在常溫下最好，也很節(jié)能，時(shí)間為15min，微波功率為75W時(shí)提取效果較好，較為綠色節(jié)能。紫薯色素在室溫下較穩(wěn)定，易保存，在一些常見(jiàn)的食品添加劑和常見(jiàn)的飲料中也較穩(wěn)定，是一種很好的天然食品著色劑，會(huì)有很好的市場(chǎng)；在酸性介質(zhì)中較為穩(wěn)定，而且呈現(xiàn)出鮮艷的紅色，在堿性下也較穩(wěn)定，顏色會(huì)隨著介質(zhì)酸堿性的改變而發(fā)生變化；和還原劑共存時(shí)也很穩(wěn)定，但在氧化劑中易被氧化成其他物質(zhì)；在Mg2+、Cu2+、Mn2+、Fe2+、Fe3+的溶液中會(huì)有沉淀生成，所以使用時(shí)應(yīng)避免這些不利的因素。紫薯色素是一種待開(kāi)發(fā)且具有前景的天然保健色素，在保健食品或飲品開(kāi)發(fā)方面具有較大的應(yīng)用空間，其具體的應(yīng)用還需要進(jìn)一步深入探討。

[1]Alexander A T Johnson，Richard E Veilleux.Integration of transgenesinto sexualpolyploidization schemesforpotato（Solanum tuberodsum L.）[J].Euphytica，2003，133（1）：125-138.

[2]K V Boris，N N Ryzhova，E Z Kochieva.Identification and characterization ofintraspecific variability ofthe sucrose synthase gene Sus4 of potato（Solanum tuberodsum） [J].Russian Journal of Genetics，2011，47（2）：168-175.

[3]姚惠伶，蔣林彬.超聲波提取紫薯多糖的工藝優(yōu)化[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（14）：8357-8358.

[4]萬(wàn)瑩，楊青，謝鑫，等.膜技術(shù)用于紫薯花色苷色素分離純化的工藝研究[J].中國(guó)食品添加劑，2012（2）：86-89.

[5]邵兵.火焰原子吸收法測(cè)定紫薯中的微量元素[J].中國(guó)現(xiàn)代醫(yī)生，2011（2）：81-82.

[6]朱美娟，姚勇芳，韓雪釵，等.紫薯色素的提取及其穩(wěn)定性的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，7（36）：17885-17887.

[7]田光輝，雷迎，賀磊，等.云芝紫色素的提取及其穩(wěn)定性研究[J].食品工業(yè)科技，2011（8）：343-345.

[8]劉存芳.三種真菌子實(shí)體脂溶性成分的研究[J].食品工業(yè)科技，2009，30（3）：172-174.

[9]劉存芳.秦巴山區(qū)5種花揮發(fā)性物質(zhì)抗氧化和抗菌活性研究[J].中國(guó)實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志，2011（3）：103-107.