亞臨界水法提取新鮮紫薯中花色苷

王 鋒，楊騰達，李 猷，楊巧芳，萬端極

（1.湖北工業(yè)大學膜技術研究所，湖北武漢430068；2.湖北工業(yè)大學管理學院，湖北武漢430068）

紫薯屬旋花科一年生或多年生雙子葉草本植物［1］。新鮮紫薯的含水率為70%左右，纖維素含量一般為8%～13%，花色苷含量高達0.2mg·g－1。花色苷屬于類黃酮化合物，是一種天然色素，具有抗氧化、抗腫瘤、護肝、預防心血管疾病、增進視力等保健功效［2］，其清除自由基能力是維生素C 的20倍、維生素E的50倍［3－4］。在食品、醫(yī)藥等領域對花色苷的需求量較大。

亞臨界水是指在一定壓力下（低于臨界壓力22.1 MPa），將水加熱到100～374.2 ℃［5］，水體仍然保持液體狀態(tài)，因此，也稱“過熱水”或“高壓水”，與常壓水相比，其溶解能力和滲透能力都有較大的提高，同時亞臨界水會使蛋白質、淀粉等變性，有利于后續(xù)的分離、純化［6］，因此，被廣泛應用于天然產(chǎn)物的提取，具有提取物質量好、提取時間短、安全環(huán)保、成本低等優(yōu)勢。

目前，已有研究者使用含乙醇的亞臨界水從紫薯粉中提取花色苷，但是利用亞臨界水從新鮮紫薯中提取花色苷的工藝研究鮮有報道?；诖?，作者在此采用亞臨界水從新鮮紫薯中提取花色苷，以期為新鮮紫薯中花色苷的提取提供新途徑。

1 實驗

1.1 材料與儀器

新鮮紫薯（寧紫薯1號），由中國農業(yè)科學院甘薯研究所育種室提供。

FW80型高速萬能粉碎機，天津泰斯特儀器有限公司；722型紫外可見分光光度計，上海校光技術有限公司；HA－1型亞臨界水提取裝置，江蘇華安科研儀器有限公司；TDL－5 型離心機，上海安亭科學儀器廠；LGJ－10C型高速冷凍干燥機，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 花色苷的提取

提取工藝流程：新鮮原料→磨漿→絹布過濾→亞臨界水提取→離心→真空冷凍干燥→花色苷。

1）磨漿：取新鮮紫薯，洗凈，切碎，加2倍原料質量的去離子水在高速萬能粉碎機中磨漿，避光，備用。

2）亞臨界水提取：將磨好的漿投入到亞臨界水提取裝置中，壓力設定為1MPa（因亞臨界提取方法對壓力的要求較低，一般為1～6 MPa，目標物的提取率可通過改變溫度來提高［7］），向提取裝置內吹入氮氣，以趕走釜內空氣，同時充當保護氣。加入一定的提取劑（去離子水），升高到一定溫度，提取一定時間后，利用加壓泵使提取物隨亞臨界流體到達分離釜，通過減壓、降溫等措施使提取物回到常溫、常壓狀態(tài)。

3）離心分離：將提取液于8 000r·min－1離心20 min，取上清液。

4）冷凍干燥：將上清液放入高速冷凍干燥機內冷凍干燥，即得花色苷。

1.2.2 提取工藝優(yōu)化

首先采用單因素實驗考察提取溫度、提取時間、液料比（mL∶g，下同）、pH 值對花色苷提取率的影響，然后采用L9（34）正交實驗確定最優(yōu)提取工藝。

1.2.3 測定方法

取冷凍干燥后的樣品1g，用去離子水定容到100 mL，調pH 值為3.0，搖勻。以空白作對照，用1cm 比色皿在536nm 處測定吸光度，分別按式（1）、（2）計算花色苷提取率和色價（E）。

式中：A為吸光度，通過稀釋樣品濃度控制吸光度在0.2～0.7范圍內；V為最終體積（mL）；DF為稀釋倍數(shù)；W為樣品質量（g）；98.2為1%的花色苷1 mol吸光系數(shù)［8］。

2 結果與討論

2.1 最大吸收波長的確定

取冷凍干燥后的樣品，稀釋合適的倍數(shù)，參照文獻［9］，設定pH 值為3.0。用紫外可見分光光度計在300～600nm 進行光譜掃描，結果如圖1所示。

圖1 花色苷的紫外可見吸收光譜Fig.1 UV－Vis Absorption spectrum of anthocyanins

由圖1可看出，花色苷的紫外可見吸收光譜有2個吸收峰，分別位于329nm 和536nm 處。由于329 nm 靠近紫外光，因此將536nm 作為花色苷在紫外可見光區(qū)域的最大吸收波長。

2.2 單因素實驗

2.2.1 提取溫度對花色苷提取率的影響

在提取時間為15 min、液料比為8∶1、pH 值為3.0的條件下，考察提取溫度對花色苷提取率的影響，結果見圖2。

由圖2可看出：隨著提取溫度的升高，花色苷提取率先緩慢上升后下降，在115 ℃時，提取率達到最高；在105～130℃之間，提取溫度對花色苷提取率的影響不顯著；當提取溫度超過130℃時，花色苷對高溫較敏感，提取率較低。這可能是由于，溫度升高加快了水分子的對流，水的極性降低，提高了其溶解能力，提取率相應提高；當提取溫度超過115℃后，由于高溫促進了水分子對花色苷的破壞作用或花色苷的降解，導致紫薯中一部分淀粉糊化，阻止亞臨界水對花色苷的溶解，提取率下降，提取液顏色逐漸加深，在145℃時變?yōu)樽厣?。因此，選擇提取溫度為115 ℃較為適宜。

圖2 提取溫度對花色苷提取率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of anthocyanins

2.2.2 提取時間對花色苷提取率的影響

在提取溫度為115 ℃、液料比為8∶1、pH 值為3.0的條件下，考察提取時間對花色苷提取率的影響，結果見圖3。

圖3 提取時間對花色苷提取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of anthocyanins

由圖3可看出，花色苷的提取率隨著提取時間的延長先上升后下降，當提取時間為13min時提取率達到最高。這可能是由于，亞臨界水在高溫高壓下，其溶解能力和滲透能力都有較大的提高，從而在短時間內就可以提高提取率；而長時間的高溫高壓會導致花色苷分解，降低提取率。因此，選擇提取時間為13 min較為適宜。

2.2.3 液料比對花色苷提取率的影響

在提取溫度為115 ℃、提取時間為13min、pH 值為3.0的條件下，考察液料比對花色苷提取率的影響，結果見圖4。

圖4 液料比對花色苷提取率的影響Fig.4 Effect of liquid－material ratio on extraction rate of anthocyanins

由圖4可看出：在液料比為3∶1～8∶1范圍內，花色苷提取率先上升后下降，在液料比為6∶1時達到最高；當液料比超過8∶1時，提取率變化不明顯。這可能是由于：增大液料比，可以增大亞臨界水與花色苷的接觸面積，從而提高花色苷的提取率；但液料比過大，提取液的固形物含量迅速降低，提取率相應降低。另一方面，液料比過大導致后續(xù)干燥過程能耗變大；若液料比過小會導致反應釜糊鍋，且攪拌困難，使機器不能正常運行。因此，選擇液料比為6∶1較為適宜。

2.2.4 pH 值對花色苷提取率的影響

在提取溫度為115 ℃、提取時間為13 min、液料比為6∶1的條件下，考察pH 值對花色苷提取率的影響，結果見圖5。

圖5 pH 值對花色苷提取率的影響Fig.5 Effect of pH value on extraction rate of anthocyanin

由圖5可看出，pH 值在2.0～4.0 時，對花色苷提取率的影響不是很大，且在pH 值為3.0時，花色苷提取率達到最高（0.134 mg·g－1），顏色也較好。這是因為，pH 值的變化會導致其主體骨架由三環(huán)共面結構轉化為三環(huán)不共面結構，從而引起花色苷色澤的變化。在低pH 值溶液中，呈紅色的2－苯并吡喃鹽以共振結構形式存在，穩(wěn)定性較好；pH 值升高，無色的假堿比例開始上升，加速了花色苷的降解［9］，從而導致提取率降低。因此，選擇pH 值為3.0較為適宜。

2.3 正交實驗

在單因素實驗的基礎上，以提取溫度（A）、提取時間（B）、液料比（C）、pH 值（D）為考察因素，以花色苷提取率為考核指標，進行L9（34）正交實驗優(yōu)化提取工藝，結果見表1。

表1 正交實驗結果與分析Tab.1 Results and analysis of L9（34）orthogonal experiment

由表1可看出，新鮮紫薯亞臨界水法提取花色苷的最佳工藝條件為A2B2C3D2，即提取溫度115 ℃、提取時間13min、液料比8∶1、pH 值3.0。各因素對提取率的影響大小依次為：提取溫度（A）＞pH 值（D）＞提取時間（B）＞液料比（C），提取溫度對提取率的影響最大。

2.4 驗證實驗

在上述最佳工藝條件下，進行3次重復實驗，花色苷平均提取率為0.139mg·g－1。表明所得最優(yōu)工藝條件可行。

2.5 與水提法的比較

萬瑩等［8］采用水提法提取紫薯中的花色苷，其產(chǎn)品質量是用色價來表示的。為比較不同方法的提取效果，將本實驗最優(yōu)提取條件下所得最終產(chǎn)品按文獻［8］中粗提液相同的固含進行溶解，對比色價指標，結果見表2。

由表2可知，與文獻水提法相比，在固含相同的情況下，亞臨界水提取法所得產(chǎn)品色價提高了6.2%。因此，可以考慮將亞臨界水提取與膜技術相結合，進一步提升產(chǎn)品色價。

表2 亞臨界水提取法與水提法的比較Tab.2 Comparison of sub－critical water extraction method and water extraction method

采用亞臨界水提取新鮮紫薯中的花色苷優(yōu)于傳統(tǒng)的熱水浸提法和有機溶劑法。可能是因為，亞臨界水提取法在提高水的滲透能力和溶解能力的同時，避免了由于高溫提取使花色苷變性和分解的缺陷，使新鮮紫薯中的花色苷保留其原有特性，更有利于提取質量好、色價高的花色苷；另一方面，亞臨界水提取法可使蛋白質、淀粉等變性，給后續(xù)的分離純化帶來方便。

3 結論

通過單因素實驗和正交實驗確定亞臨界水提取新鮮紫薯花色苷的最佳工藝條件為：提取溫度115℃、液料比8∶1（mL∶g）、提取時間13min、pH 值3.0，在此條件下，新鮮紫薯花色苷提取率為0.139mg·g－1，產(chǎn)品色價提高了6.2%。為花色苷的進一步純化和活性研究奠定了基礎，也為紫薯的開發(fā)利用提供了參考。

［1］WOOLFE J A.Sweet Potato，An Untapped Food Resource［M］.Cambridge：Cambridge University Press，1992：13－16.

［2］孫金輝，王微，董楠.紫薯花色苷的研究進展［J］.糧食與飼料工業(yè)，2011，（11）：38－40.

［3］呂麗爽，曹棟.葡萄籽中低聚原花青素的抗氧化性的研究［J］.食品科技，2000，（4）：41－42.

［4］呂麗爽.天然抗氧化劑低聚原花青素的研究進展［J］.食品科學，2002，23（2）：147－150.

［5］婁冠群，張永忠，李振艷，等.亞臨界水提取香菇多糖的工藝研究［J］.東北農業(yè)大學學報，2010，（2）：138－142.

［6］郭娟，丘泰球，楊日福，等.亞臨界水萃取技術在天然產(chǎn)物提取中的研究進展［J］.現(xiàn)代化工，2007，27（12）：19－24.

［7］杜連啟，李潤豐，程浩，等.紫甘薯色素的提取工藝及其穩(wěn)定性研究［J］.中國調味品，2006，（6）：46－50.

［8］萬瑩，楊青，謝鑫，等.膜技術用于紫薯花色苷色素分離純化的工藝研究［J］.中國食品添加劑，2012，（2）：86－89.

［9］吳昊，于國萍，宋巖.紫甘薯色素亞臨界水萃取條件優(yōu)化［J］.中國調味品，2012，37（11）：106－110.