紫薇花紅色素的提取及穩(wěn)定性的研究

晏 麗

吉首大學(xué)城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃學(xué)院林產(chǎn)化工工程湖南省重點實驗室，張家界427000

隨著醫(yī)學(xué)毒理學(xué)和生物學(xué)實驗的深入發(fā)展，發(fā)現(xiàn)部分化學(xué)合成色素對人體有致癌性或其他毒害作用，而天然色素是從植物、動物及礦物質(zhì)中提取得到或天然存在色素的合成復(fù)制品，具有安全、無毒、色調(diào)自然、廣泛的營養(yǎng)和藥理作用及諸多優(yōu)點，被廣泛用于食品、醫(yī)藥、化妝品及服裝等工業(yè)中。但天然色素的也具有色澤穩(wěn)定性較差，提取效率低，在食品加工過程中容易受光、熱、pH值等外界條件影響等方面的缺點。因此，開發(fā)天然色素資源，優(yōu)化提取效率和提高天然色素穩(wěn)定性已成為推廣天然食用色素的關(guān)鍵［1-3］。

紫薇(Lagerstroemia indica)為千屈菜科(Lythraceae)紫薇屬(Lagerstroemia)落葉灌木或小喬木，又名小葉紫薇、癢癢樹、海棠樹、百日紅、無皮樹等，吉林、廣東、廣西、湖南等省均有生長或栽培［4］。紫薇還具有葉細(xì)枝密、干粗、根露等特點，便于攀扎，故宜作盆景、樁景等的素材。紫薇花也可剪作切花，瓶養(yǎng)時間較其它花長。紫薇的木材堅硬、耐腐，可作農(nóng)具、家具、建筑等用材;樹皮、葉及花為強(qiáng)瀉劑;根和樹皮煎劑可治咯血、吐血、便血［5］。紫薇花具有豐富的紅色素，是開發(fā)天然色素的良好資源。本實驗以紫薇花為原料，采用超聲波輔助對影響其色素提取的主要因素進(jìn)行單因素和正交試驗，以吸光度值為指標(biāo)，用方差分析方法進(jìn)行分析，優(yōu)選紫薇花紅色素的最佳提取條件，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步開發(fā)利用紫薇花紅色素提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 材料、試劑及儀器

新鮮紫薇花采自吉首大學(xué)張家界校區(qū)校園，經(jīng)吉首大學(xué)廖博儒研究員鑒定為千屈菜科(Lythraceae)紫薇屬(Lagerstroemia)。挑取鮮艷的紫薇花，去掉花托、苞片，洗凈后置真空干燥箱中烘干備用。

乙醇、鹽酸、氫氧化鈉、FeCl3、NaCl、KCl、AlCl3、FeSO4、MgSO4、ZnSO4、CuSO4、CaCl2(均為國產(chǎn)分析純);實驗用水為蒸餾水。

UV 757 CRT紫外可見分光光度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司;AEL-40SM型電子天平，日本島津公司;DP-32真空干燥箱，日本 YAMATO公司;B8200-G4超聲波發(fā)生器，日本島津公司;SHE-D循環(huán)水式真空泵，河南省鞏義市英峪儀器一廠;BS-220恒溫水浴鍋，北京長安科學(xué)儀器廠。

1．2 方法

1．2．1 超聲波提取工藝

將新鮮的紫薇花洗凈晾干后，置于真空干燥箱中60℃烘干至恒重，粉碎過30目篩。在文獻(xiàn)［6，7］的研究基礎(chǔ)上，選擇以乙醇提取劑，進(jìn)行超聲波輔助提取。

1．2．2 紫薇花紅色素的光譜特性

取1．0mL紫薇花紅色素乙醇提取液，用的相同體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液稀釋至10．0 mL，在波長為400～800 nm范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，得到其最大吸收波長(λmax)和最大吸光度(Amax)。

1．2．3 紫薇花色素提取條件的單因素試驗

以乙醇為提取劑，在其他條件相同的前提下，分別研究不同乙醇體積分?jǐn)?shù)(0、20%、40%、60%、80%、無水乙醇)、料液比(1∶20、1∶30、1∶40、1∶50)和超聲提取時間(10、30、60、90、120 min)等單因素對紫薇花紅色素提取效果的影響。紫薇花紅色素提取效果以將提取液稀釋至相同體積后在532 nm下的吸光度作為衡量指標(biāo)。

1．2．4 紫薇花紅色素提取條件的優(yōu)化

以乙醇為提取溶劑，選擇不同的乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、超聲時間，采用三因素三水平正交設(shè)計，按照正交設(shè)計表進(jìn)行實驗，選出最佳的提取工藝條件。表1為各因素水平值。

表1 正交試驗因素與水平Table 1 Factors and level of orthogonal experiments

1．3 紫薇花色素的穩(wěn)定性研究［8］

1．3．1 pH值對色素穩(wěn)定性的影響

取30 mL色素提取液，在室溫下用0．1 mol/L鹽酸和0．1 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)色素溶液為pH 1～12，測定其在532 nm處的吸光度A532，并觀察其顏色變化。

1．3．2 光對色素穩(wěn)定性的影響

取5 mL色素提取液，用蒸餾水定容至10 mL，取稀釋好的色素分別置于紫外燈下和室內(nèi)自然光下，每隔一定時間，測定其在532 nm處的吸光度A532，并觀察其顏色變化。

1．3．3 溫度對色素穩(wěn)定性的影響

取5 mL色素提取液，用蒸餾水定容至10 mL，取稀釋好的色素置于不同溫度恒溫水浴鍋中，水浴30 min后取出，迅速冷卻至室溫，測定其在532 nm處的吸光度A532并觀察其顏色變化。

1．3．4 金屬離子對色素穩(wěn)定性的影響

分別配制濃度為 1 mol/L的 ZnSO4、CuSO4、CaCl2、MgSO4、AlCl3、KCl、FeSO4、NaCl和 Pb(NO3)2鹽溶液。取10支試管，一支加5mL蒸餾水為對照，其余各試管分別加入上述新鮮配制的鹽溶液5 mL，然后在10支試管中分別加入稀釋2倍的5 mL色素提取液，充分搖勻，靜置12 h后在測定其532 nm處的吸光度A532，并觀察其顏色變化。

2 結(jié)果與分析

2．1 紫薇花紅色素最大吸收波長的確定

紫薇花提取液在紫外可見分光光度計上按波長間隔2 nm在400～800 nm波長進(jìn)行波譜掃描，測出色素吸收峰所對應(yīng)的最大吸收波長。由圖1(以波長為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo))可知，色素液在532 nm左右處出現(xiàn)特征吸收峰，說明該色素具有花色苷特征，屬于花色苷類物質(zhì)。

圖1 紫薇花紅色素紫外光譜圖Fig.1 UV spectrum of red pigments extracted from L．indica flowers

2．2 單因素試驗

2．2．1 乙醇濃度對提取效果的影響

稱取干燥粉碎好的紫薇花1．000 g，分別加入水和20%、40%、60%、80%、無水乙醇(質(zhì)量百分比)的乙醇水溶液各50 mL，處理60 min后，定容至相同的體積，在λmax=532 nm處用紫外分光光度計測其吸光度(A)。結(jié)果見圖2。

圖2 乙醇濃度對提取的影響Fig.2 Effects of ethanol concentration on extraction results

由圖2可知表明，紫薇色素在水、乙醇溶液中溶解性較好，提取液吸光度隨乙醇濃度增加而逐漸增大，乙醇濃度增加到40%時，提取液的吸光度最大，隨后，繼續(xù)增加乙醇溶液的濃度，提取液的吸光度反而減小。因此，選擇40%乙醇溶液為提取劑效果最好。

2．2．2 料液比對浸提的影響

用40%乙醇溶液對紫薇花色素進(jìn)行超聲輔助提取，選擇不同的料液比進(jìn)行實驗，其分別1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60，超聲提取時間為 60 min。結(jié)果見圖3。

圖3 料液比對提取的影響Fig.3 Effects of ratio of solid to liquid on extraction results

由圖3可知，紫薇色素提取液的吸光度隨料液比增加而逐漸增大，料液比增加到1∶40時，提取液的吸光度最大，隨后，繼續(xù)增加料液比，提取液的吸光度變化不大。因此，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，選擇料液比為1∶40提取效果較好。

2．2．3 提取時間對浸提的影響

在料液比1∶40，40%的乙醇的條件下，選擇不同的超聲提取時間進(jìn)行實驗，其超聲時間分別為10、30、60、90、120 min。結(jié)果見圖 4。

圖4 提取時間對提取的影響Fig.4 Effects of ultrasonic time on extraction results

由圖4可知，紫薇色素提取液的吸光度隨超聲時間增加而逐漸增大，超聲時間增加到90 min時，提取液的吸光度最大，繼續(xù)增加提取時間，體系溫度會不斷升高，從而使部分紅色素分解，導(dǎo)致提取液的吸光度反而減小。因此，選擇90 min提取時間效果較好。

2．3 正交試驗

各試驗號根據(jù)具體給定的提取條件所得的提取液，用相應(yīng)提取劑分別定容于相同體積，在532 nm處分別測其吸光度A。由極差數(shù)據(jù)和方差數(shù)據(jù)可見(表2和表3)，在正交試驗的3個因素中，超聲時間和乙醇濃度對紫薇花紅色素的提取具有顯著影響，各因子對提取率的影響依次為:超聲時間＞乙醇濃度＞料液比。優(yōu)化的各因素最佳工藝條件為A2B3C2，即乙醇濃度為40%、料液比為1∶40、超聲時間為90 min，正交設(shè)計與單因素試驗結(jié)果相符。

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiments

60 1∶30 60 3 0．487 9 60 1∶40 90 1 0．621 K1 0．611 0．590 0．537 0．598 K2 0．666 0．608 0．673 0．609 K3 0．548 0．628 0．616 0．619 8 R 0．118 0．038 0．136 0．021

表3 正交試驗方差分析表Table 3 Variance analysis of orthogonal experiment

2．4 紫薇花紅色素的穩(wěn)定性

2．4．1 pH值對色素穩(wěn)定性影響

由表4可知，pH值對紫薇花色素提取液的穩(wěn)定性影響很大，在酸性條件下，即pH＜4時，提取液溶液顏色穩(wěn)定，呈鮮紅色;在弱酸條件下即5＜pH＜6，該色素液的紅色減弱，逐漸向淺黃色轉(zhuǎn)變;而在堿性條件下，即pH＞6時，色素與堿液發(fā)生反應(yīng)，顏色變化較大。通過對于酸、堿環(huán)境中的色素溶液滴加堿、酸的反向處理，發(fā)現(xiàn)該花色素溶液的色澤是隨pH的逆轉(zhuǎn)而呈可逆變化。因此，初步判斷該花色素屬于花色苷類［9，10］。表4結(jié)果還提示，紫薇花色素若作為色素資源只適宜在pH≤5的酸性環(huán)境條件下使用。

表4 pH值對色素穩(wěn)定性影響Table 4 Effect of pH value on the stability of pigment

2．4．2 光對色素穩(wěn)定性的影響

表5 自然光對紅色素穩(wěn)定性的影響Table 5 Effect of indoor natural light illumination on the stability of red pigment

表6 紫外光光照對紅色素穩(wěn)定性的影響Table 6 Effect of ultraviolet illumination on the stability of red pigment

由表5可知，在室溫條件下經(jīng)過白熾光5 d的光照，色素的色澤無明顯變化，其吸光度只下降了0．087，說明室內(nèi)自然光對紫薇紅色素的影響不大。由表6可知，在紫外光下，色素的色澤明顯變淺，其吸光度顯著下降，可能紫外光引起色素分子降解。因此紫薇花紅色素應(yīng)避免紫外光照射。

表7 溫度對色素穩(wěn)定性的影響Table 7 Effect of temperature on stability of red pigment

2．4．3 溫度對色素穩(wěn)定性的影響

由表7可知，隨溫度升高色素吸光度下降，但在100℃條件下色素吸光度隨時間上升，可能是由于溶劑蒸發(fā)加快，產(chǎn)生的濃縮效應(yīng)超過了色素本身的降解速率。同時從此表看出，色素在20～80℃時，吸光度變化幅度不大，說明紫薇花紅色素在此范圍內(nèi)對熱有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2．4．4 金屬離子對色素穩(wěn)定性的影響

表8 金屬離子對紅色素穩(wěn)定性的影響Table 8 Effect ofmetal ions on the stability of red pigment

從表8中可看出，Na+、K+、Mg2+離子對紫薇花色素的吸光度值基本無影響，且色素液的色澤也基本未發(fā)生變化，表明這些金屬離子對紫薇花色素?zé)o不良影響。加入Cu2+、Pb2+、Fe2+離子時色素液產(chǎn)生沉淀，顏色發(fā)生明顯變化，說明紫薇花色素對Cu2+、Pb2+、Fe2+金屬鹽極不穩(wěn)定;加入 Ca2+、Zn2+、Al3+時雖然不引起色素產(chǎn)生沉淀，但使其顏色發(fā)生明顯可見變化，反映紫薇花色素對Ca2+、Zn2+也不穩(wěn)定。

3 結(jié)論

紫薇花花瓣呈現(xiàn)紅色，易被水和乙醇等強(qiáng)極性物質(zhì)溶解。正交試驗結(jié)果表明:影響紫薇花色素提取因素的順序為超聲時間＞乙醇濃度＞料液比，最佳提取工藝條件為:乙醇濃度40%，提取時間90 min，料液比1∶40。穩(wěn)定性研究表明:在酸性條件，色素液呈紅色，較為穩(wěn)定，在堿性條件下，色素顏色變化較大，應(yīng)用受到一定限制;室內(nèi)自然光對色素?zé)o影響，紫外光能引起色素降解，應(yīng)避免紫外光照射;在80℃以內(nèi)，溫度對色素?zé)o影響;Na+、K+、Mg2+離子對紫薇花色素基本無影響，而 Ca2+、Zn2+、Al3+、Cu2+、Pb2+、Fe2+離子對紫薇花色素穩(wěn)定性影響較大，使紫薇花色素明顯改變，對色素影響較大，應(yīng)避免與 Ca2+、Zn2+、Al3+、Cu2+、Pb2+、Fe2+離子接觸。

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