紫薯花青素提取條件優(yōu)化及淀粉等產(chǎn)物的制備

史光輝，胡志和,*，馬科銘，孫振剛，武文起，馮永強

（1.天津商業(yè)大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134；2.天津海河乳業(yè)有限公司，天津 300402）

紫薯花青素提取條件優(yōu)化及淀粉等產(chǎn)物的制備

史光輝1，胡志和1,*，馬科銘1，孫振剛2，武文起2，馮永強2

（1.天津商業(yè)大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134；2.天津海河乳業(yè)有限公司，天津 300402）

以‘紫羅蘭’紫薯為原料，研究同步提取紫薯花青素以及制備紫薯淀粉、纖維素和紫薯蛋 白的工藝及參數(shù)。紫薯與酸 乙醇（pH 2）混合破碎、過濾、沉淀分離淀粉；將濾渣和分離淀粉后上清液混合，用微波輔助法提取花 青素并優(yōu)化提取條件；花青素提取 液沉淀分離紫薯蛋白；提取花青素的濾渣制備紫薯纖維素。結果表明：微波輔助提取紫薯中花青素的最佳工藝條件為微波時間4 min、微波溫度52 ℃、料液比1∶22. 40（g/mL）、乙醇體積分數(shù)62%（pH 2），在此條件下紫薯花青素的提取率（93.64 ±0.69 ）%、粗提物 中花青素含量（9.58±0.20） mg/g。制備的紫薯淀粉質(zhì)量分數(shù)（95.77±0.41）%、得率（占總淀粉質(zhì)量分數(shù)）（73.06±1.03）%；濾 渣 粉中纖維素含量（117.11±2.69） mg/g；制備的紫薯蛋白中蛋白質(zhì)含量（524.78±24.84） mg/g。該制備方法能夠提高紫薯的利用率，降低生產(chǎn)成本。

紫薯；微波；花青素；淀粉；蛋白質(zhì)

紫薯（Ipomoea batat Poir.），原名川山紫，又名紫薯、紫紅薯，屬旋花科一年生草本植物。紫薯花青素的主要組成成分是矢車菊素和芍藥素。由于紫薯花青素含有?；鶊F，比一般無?；鶊F的花青素對光、熱等的敏感度穩(wěn)定，具有更好的耐熱性和耐光性[1]。這些性質(zhì)對紫薯花青素的提取及生理活性的發(fā)揮具有重要意義。紫薯不僅富含天然花青素和豐富的鋅、鐵、銅、錳、鈣、硒等微量元素[2-5]，而且含有膳食纖維[6-7]。

國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)紫薯花青素可以有效地抑制由四氯化碳引發(fā)的急性肝損傷及由二甲基亞硝胺引起的肝纖維化[8-12]，可以有效改善糖尿病及高血壓[13]，促進糖代謝和脂代謝的良性循環(huán)[14]，具有抗腫瘤的功能[15]。

目前國內(nèi)外主要利用紫薯進行工業(yè)化淀粉生產(chǎn)，而剩下的紫薯渣及上清液中豐富的花青素沒有得到充分利用。本實驗用鮮紫薯為原料，用制備淀粉后的皮渣進一步提取花青素，同時，還可獲得紫薯粗蛋白、紫薯纖維素等產(chǎn)品，為紫薯綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯（‘紫羅蘭’） 天津韓家墅海吉星農(nóng)產(chǎn)品市場。

氯化鉀、無水乙酸鈉、甲醇、丙酮、鹽酸、無水乙醇、濃硫酸、苯酚、硫酸銅、亞甲藍、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、乙酸鋅、冰乙酸、乙酸鉛、硫酸鈉、亞鐵氰化鉀、葡萄糖、十六烷基三甲基溴化銨、石油醚等試劑均為分析純 天津昊斯生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

FA1104N型電子天平 上海精密科學儀器有限公司；MAS-L型微波快速制樣系統(tǒng) 上海新儀微波化學科技有限公司；L535-1型低速離心機 湘儀離心機儀器有限公司；TU-1810型紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；FE20型實驗室pH計 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；RE-52旋轉蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；SHB-Ⅲ循環(huán)水式真空泵 上海比朗儀器有限公司；FD-2型冷凍干燥機 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；101-2BN可視干燥箱 天津市華北實驗儀器有限公司；JJ-2組織搗碎勻漿機 常州國華電器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 原料處理

選取無損傷無腐爛的新鮮紫薯，清洗干凈后，以酸乙醇（pH 2）作為提取劑，紗布過濾，濾液靜置，待淀粉自然沉淀，利用虹吸原理使上清液與沉淀分離，然后將濾渣與上清液混合，進行微波提取。

1.3.3 紫薯中各物質(zhì)含量的檢測

淀粉含量：酸性水解法[16]；纖維素含量：酸性洗滌法[17-18]；蛋白質(zhì)含量：凱氏定氮法[19]；還原糖含量：蘭-埃農(nóng)法[20]；多糖含量：苯酚-硫酸法[21-23]。

紫薯花青素含量的檢測：稱取5 g的鮮紫薯，選取60%酸乙醇（pH 2）作提取劑，料液比1∶20（g/mL），破碎后用紗布過濾，濾液靜置沉淀，待淀粉分離后，將上清液與濾渣混合，在微波溫度50 ℃條件下提取4 min，提取液在4 000 r/min轉速離心20 min，將上清液過濾后稀釋10 倍，測定紫薯花青素的最大吸收波長。分別用pH 1.0的氯化鉀緩沖液和pH 4.5的無水乙酸鈉緩沖液將樣品稀釋適當倍數(shù)，在525 nm和700 nm波長處測定稀釋液的吸光度，根據(jù)式（1）計算花色苷含量[24]。

式中：A為吸光度，A=（A525nmpH1.0-A700nmpH1.0）-（A525nmpH4.5-A700nmpH4.5）；ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的消光系數(shù)（26 900）；DF為稀釋因子；Mw為矢車菊素-3-葡萄糖苷的相對分子質(zhì)量（449.2）。

1.3.4 紫薯花青素的提取[25-28]

1.3.4.1 提取溶劑的選擇

準確稱取4份5 g的紫薯，分別以蒸餾水（pH 2）、60%甲醇（pH 2）、60%乙醇（pH 2）、60%丙酮（pH 2）作提取劑，料液比1∶20（g/mL），用JJ-2組織搗碎勻漿機破碎90 s后用紗布過濾，濾液靜置沉淀，待淀粉分離后，將上清液與濾渣混合，在微波溫度50 ℃條件下提取4 min，每種提取溶劑重復3 次，提取液在4 000 r/min轉速離心20 min，取上清液測定花青素提取量，確定最佳提取溶劑。

1.3.4.2 酸乙醇提取紫薯花青素條件的確定

分別稱取5 g的紫薯，以不同乙醇體積分數(shù)、微波時間、微波溫度、料液比作為不同條件進行單因素試驗，每種條件重復3次，微波功率400 W，提取結束后將提取液在4 000 r/min轉速離心20 min，取上清液測定花青素提取量。

選用體積分數(shù)分別為40%、50%、60%、70%和80%乙醇（pH 2）作提取劑，料液比為1∶20（g/mL），用JJ-2組織搗碎勻漿機破碎90 s后過濾，濾液靜置沉淀，待淀粉分離后，分離的上清液與濾渣混合，在微波溫度50 ℃條件下提取4 min。

選用60%乙醇（pH 2）作提取劑，料液比1∶20（g/mL），用JJ-2組織搗碎勻漿機破碎90 s后過濾，濾液靜置沉淀，待淀粉分離后，上清液與濾渣混合，采用不同微波溫度30、40、50、60、70、80 ℃，微波處理時間為4 min。

選用60%乙醇（pH 2）作提取劑，料液比1∶20（g/mL），用JJ-2組織搗碎勻漿機破碎90 s后過濾，濾液靜置沉淀，待淀粉分離后，上清液與濾渣混合，在微波溫度50 ℃條件下，微波時間采用2、3、4、5、6 min，并在相同的溫度條件下與攪拌提取比較提取率。

選用60%乙醇（pH 2）作提取劑，料液比分別為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30（g/mL），用JJ-2組織搗碎勻漿機破碎90 s后過濾，濾液靜置沉淀，待淀粉分離后，上清液與濾渣混合，在微波溫度50 ℃條件下提取4 min。

1.3.4.3 響應面法優(yōu)化紫薯花青素的提取條件

在單因素試驗基礎上，用響應面法優(yōu)化紫薯花青素的提取條件。響應面試驗設計見表1。

表1 響應面試驗設計因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface design

1.3.5 紫薯淀粉及纖維素的制備

按照優(yōu)化的紫薯花青素提取條件，將紫薯與酸乙醇（pH 2）按照比例混合破碎，紗布過濾，濾液靜置，待淀粉自然沉淀，利用虹吸原理使上清液與淀粉沉淀分離，淀粉沉淀在40 ℃烘干，得到粗制淀粉。

分離的上清液與濾渣混合，采用微波輔助法提取花青素。將提取液與濾渣過濾分離，提取花青素后的濾渣95 ℃烘干，粉碎，過篩，得到富含紫薯膳食纖維制品。

1.3.6 紫薯蛋白的制備

取1.3.5節(jié)中分離的花青素提取液，置于離心機中4 000 r/min轉速離心20 min，過濾所得上清液經(jīng)50 ℃減壓濃縮，分離乙醇，將濃縮液冷卻至室溫，在4 000 r/min轉速離心20 min，得到上清液與沉淀。上清液經(jīng)真空冷凍干燥后獲得紫薯花青素的粗提物，沉淀物為富含 紫薯蛋白 的副產(chǎn)物。

2 結果與分析

2.1 紫薯中成分含量測定

表2 紫薯中各成分質(zhì)量分數(shù)Table 2 Chemical composition of purple sweet potato

由表2可知，紫薯干粉中主要成分為淀粉和纖維素，花青素質(zhì)量分數(shù)為2.79?。

2.2 紫薯花青素的全波長掃描

選用酸性乙醇微波處理提取紫薯花青素，結果見圖1。紫薯提取液分別在295、322 nm以及525 nm處出現(xiàn)吸收峰，是典型花色苷特征吸收峰[29-30]，表明紫薯提取液中含有花色苷類物質(zhì)。在322 nm波長處出現(xiàn)吸收峰表明花色苷分子中存在?；奶卣鞣澹f明紫薯花青素結構中存在?；?。

圖1 紫薯花青素紫外-可見吸收光譜圖Fig.1 UV-visible absorption spectra of purple sweet potato anthocyanins

2.3 提取溶劑的選擇

圖2 提取溶劑種類對花青素提取率的影響Fig.2 Effect of different extraction solvents on the yield of anthocyanins

花色苷可溶于水、甲醇、乙醇等極性溶劑中?；ㄉ赵谌跛嵝詶l件下穩(wěn)定，因此通常選用酸性溶劑進行提取。由圖2可知，酸性乙醇提取效果最 好，花青素提取率為92.04%，酸性甲醇次之，酸性 水溶液對紫薯花青素的提取效果最差，提取率僅為67.45%。因此，選擇酸性乙醇作為提取溶劑。

2.4 不同條件對紫薯花青素提取效果

2.4.1 乙醇體積分數(shù)對紫薯花青素提取率的影響

圖3 乙醇體積分數(shù)對花青素提取率的影響Fig.3 Effect of ethanol concentration on the yield of anthocya nins

由圖3可知，提取液乙醇體積分數(shù)較低時，紫薯花青素的提取率隨乙醇體積分數(shù)的增大而升高。當體積分數(shù)大于60%時，紫薯花青素提取率反而隨體積分數(shù)升高而降低，這可能是因為乙醇體積分數(shù)升高，溶液極性的改變，影響了水溶性花青素的溶出。因此，選擇體積分數(shù)60%乙醇作為提取溶劑。

2.4.2 微波溫度對紫薯花青素提取率的影響

圖4 微波溫度對花青素提取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on the yield of anthocyanins

由圖4可見，在30～50 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，紫薯花青素的提取率也相應的增高，但在溫度高于50 ℃時，花青素提取率迅速降低，這可能是因為溫度高于50 ℃后，隨著溫度的升高，其中殘余的淀粉受熱糊化，阻止了花青素的溶出，從而使得提取率下降[27]。因此，采用50 ℃進行提取效果較好。

2.4.3 微波時間對紫薯花青素提取率的影響

圖5 微波時間對花青素提取率的影響Fig.5 Effect of microwave irradiationtime on the yield of anthocyanins

從圖5可知，當微波時間為4 min時，花青素提取率最高，達到92.44%，但是在微波時間超過4 min時，提取率隨時間延長而降低，這可能是由于微波時間延長，使得花青素的結構發(fā)生改變，導致花青素不穩(wěn)定，從而降低了紫薯花青素的提取率[28]。與50 ℃攪拌提取對比，攪拌提取隨時間的延長對紫薯花青素的提取率影響不大，說明微波提取紫薯花青素的提取效果優(yōu)于相同溫度條件下的攪拌提取。因此，選擇4 min微波提取紫薯花青素效果較好。

2.4.4 料液比對紫薯花青素提取率的影響

由圖6可知，隨著提取劑含量的增大，紫薯花青素提取率逐漸增加，當料液比達到1∶20（g/mL）時，隨提取劑用量增大，花青素溶出變緩，這可能是紫薯中花青素已基本溶出，所以增 長趨勢變緩，提取劑用量的增加會增大提取成本，所以選取1∶20（g/mL）的料液比提取。

圖6 料液比對花青素提取率的影響Fig.6 Effect of solid-to-liquid ratio on the yield of anthocyanins

2.4.5 提取條件的優(yōu)化

在上述單因素試驗結果的基礎上，選取微波時間（A）、微波溫度（B）、料液比（C）、乙醇體積分數(shù)（D）為4 個影響因素，以紫薯花青素提取率（Y）為響應值進行Box-Behnken試驗設計，對紫薯花青素提取率進行優(yōu)化。響應面設計方案及結果和回歸模型的方差分析見表3和表4。

表3 響應面試驗設計及結果Table 3 Experimental design and results for response surface analysis

表4 回歸模型的方差分析Table 4 Analysis of variance for the regression equation

采用Design-Expert 8.05進行數(shù) 據(jù)處理，得到二次多元回歸模型：Y=92.54-0.10A+2.39B+3.58C+0.65D+ 1.37AB+0.25AC+1.00AD-1.42BC-0.79BD-0.43CD-4.49A2-4.12B2-3.35C2-0.78D2。

模型整體P＜0.01，表明該二次方程模型極顯著，失擬項P=0.123 5＞0.05，不顯著，說明本試驗中未知因素干擾較小。R2=0.907 1＞0.85，表明該方程對試驗的擬合情況較好，可以用該方程代替真實的試驗點對結果進行預測以及分析。由F值和一次項系數(shù)可以得到各因素對紫薯花青素提取影響大小的關系順序為：料液比＞微波溫度＞乙醇體積分數(shù)＞微波時間。優(yōu)化的花青素提取條件為微波時間4.06 min、微波溫度51.95 ℃、料液比1∶22.40（g/mL）、乙醇體積分數(shù)62%。

由圖7a～7c可知，隨著微波時間（A）變化，紫薯花青素的提取率呈拋物線的變化，紫薯花青素的提取率在達到最高值后，隨微波時間與溫度的增大，呈現(xiàn)降低的趨勢。這可能是隨著微波時間的延長，紫薯花青素結構發(fā)生改變，繼而使得提取率下降。

由圖7a、7d、7e可知，隨著微波溫度（B）的變化，紫薯花青素的提取率同樣呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，這可能是因為溫度升高導致紫薯中殘存淀粉的糊化影響了花青素的溶出。

從圖7b、7d、7f可以看出，花青素的提取率隨料液比（C）中溶劑含量的增大而升高，曲線趨于平緩，這可能是在其余因素達到一定的值時，紫薯花青素大部分已經(jīng)被提取出來，繼續(xù)增大溶劑含量，花青素提取率的變化也不明顯。

從圖7c、7e、7f可以看出，乙醇體積分數(shù)（D）與其余三項交互作用中，隨著乙醇體積分數(shù)的變化，曲線趨近于直線，所以在AD、BD、CD的交互作用中，乙醇體積分數(shù)的影響不顯著。

圖7 各因素間交互作用對紫薯花青素提取率的影響Fig.7 Effect of extraction parameters on the yield of anthocyanins

2.4.6 紫薯花青素提取的優(yōu)化與驗證

根據(jù)所得到的模型，可分析得出在紫薯中的花青素最佳提取工藝條件為微波時間4.06 min、微波溫度51.95 ℃、料液比1∶22.40（g/mL）、乙醇體積分數(shù)62%（pH 2），此時紫薯花青素提取率為93.70%。為驗證預測的結果，考慮到實際情況，對最佳工藝作簡單的修正，微波時間4 min、微波溫度52 ℃、料液比1∶22.40（g/mL）、乙醇體積分數(shù)62%（pH 2），重復實驗3 次，紫薯花青素的提取率為（93.64±0.69）%，與預測值基本一致，該方程與實際情況擬合較好。在該條件下，測得上清液干燥物中紫薯花青素含量（9.58±0.20）mg/g。

2.5 紫薯淀粉、纖維素及紫薯蛋白的制備

根據(jù)優(yōu)化的紫薯與酸乙醇（pH 2）比例，將紫薯與酸乙醇進行混合破碎，用紗布過濾，濾液靜置沉淀，利用虹吸原理使固液分離，將沉淀物在40 ℃烘箱中干燥，即為淀粉。經(jīng)檢測，淀 粉質(zhì)量分數(shù)為（95.77±0.41）%，得率（占總淀粉質(zhì)量分數(shù)）為（73.06±1.03）%。

將濾渣與分離淀粉后的上清液混合，在優(yōu)化的提取條件下，采用微波輔助法提取花青素。然后，將濾渣和花青素提取液分離。濾渣在95 ℃烘箱內(nèi)烘干，冷卻后粉碎，測得濾渣粉中纖維素含量（117.11±2.69）mg/g、淀粉含量（761.03±30.25）mg/g、蛋白質(zhì)含量（50.48±3.26）mg/g、還原糖含量（19.42±0.56）mg/g。

將分離的花青素提取液離心，過濾，所得上清液經(jīng)減壓濃縮，分離乙醇，將濃縮液冷卻至室溫后離心，得到上清液與沉淀。上清液經(jīng)真空冷凍干燥后獲得紫薯花青素的粗提物，沉淀物為富含紫薯蛋白的副產(chǎn)物。該副產(chǎn)物中，蛋白質(zhì)含量（524.78±24.84）mg/g、淀粉含量（129.38±5.26）mg/g、還原糖含量（115.36±3.28）mg/g、多糖含量（44.32±0.73）mg/g、花青素含量（6.08±0.02）mg/g。

3 結 論

采用酸乙醇與紫薯混合破碎，先沉淀分離淀粉，再將上清液與濾渣混合提取花青素。微波輔助提取紫薯花青素的最佳工藝條件為微波時間4 min、微波溫度52 ℃、料液比1∶22.40（g/mL）、乙醇體積分數(shù)62%（pH 2），在此條件下紫薯花青素的提取率為（93.64±0.69）%，該方法不僅可得到紫薯花青素粗提物（花青素含量（9.58±0.20）mg/g），還可獲得高純度紫薯淀粉（質(zhì)量分數(shù)（95.77±0.41）%）、富含膳食纖維的紫薯濾渣（纖維素含量（117.11±2.69）mg/g）及富含紫薯蛋白的副產(chǎn)物（蛋白質(zhì)含量（524.78±24.84）mg/g）?？墒棺鲜碓铣浞掷茫档蜕a(chǎn)成本。

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Optimization of Extraction Conditions of Anthocyanins from Purple Sweet Potato and Simultaneous Preparation of Starch and Other By-Products

SHI Guang-hui1, HU Zhi-he1,*, MA Ke-ming1, SUN Zhen-gang2, WU Wen-qi2, FENG Yong-qiang2
(1. Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, School of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China; 2. Tianjin Haihe Dairy Co. Ltd., Tianjin 300402, China)

The objective of this study was to explore the simultaneous preparation of anthocyanins as well as the byproducts starch, cellulose and protein from purple sweet potato. ‘Violet’ purple sweet potato was mixed with acid ethanol (pH 2) and then crushed. After filtration of the mixture, the filtrate was precipitated to obtain starch, and the filtration residue was combined with the supernatant left after starch precipitation and extracted by a microwave-assisted solvent extraction technique to obtain anthocyanins. Purple sweet potato protein was precipitated from the extract and cellulose was obtained from the extraction residue. The optimal conditions for microwave-assisted extraction of anthocyanins were determined as microwave irradiation for 4 min, extraction at 52 ℃, and 62% aqueous ethanol adjusted to pH 2 as the extraction solvent at a solidto-solvent ratio 1:22.40 (g/mL), leading to an extraction yield of (93.64±0.69)% and an anthocyanins content of (9.58±0.20) mg/g in the extract. The purity of the starch product was (95.77±0.41)% and (73.06±1.03)% of the total starch was obtained. The dried filtration residue contained (117.11±2.69) mg/g cellulose. The purity of the protein product was (524.78±24.84) mg/g. With this preparation technique, better utilization of purple sweet potato could be achieved at lower costs.

purple sweet potato; m icrowave; anthocyanins; starch; protein

TS255.1

A

1002-6630（2014）22-0039-07

10.7506/spkx1002-6630-201422008

2014-06-25

天津市科技計劃項目（14ZCZDNC00017）；天津市高等學校創(chuàng)新團隊項目（TD12-5049）

史光輝（1989—），男，碩士研究生，研究方向為食品生物技術。E-mail：shiguanghui2008@163.com

*通信作者：胡志和（1962—），男，教授，碩士，研究方向為專用功能食品。E-mail：hzhihe@tjcu.edu.cn