百色馬纓丹花色素的提取工藝及穩(wěn)定性

韋賢+李容+錢力+王金妮+黃祖良

摘要：通過對馬纓丹花色素的提取工藝進行研究，確定超聲波輔助提取百色馬纓丹花色素的最佳工藝條件：液料比1 g ∶ 60 mL，超聲波功率120 W，乙醇體積分數(shù)為50%，提取時間40 min。色素的穩(wěn)定性研究結(jié)果表明：色素在酸性、低溫條件下穩(wěn)定，且耐光性好;K+、Na+、Ca2+的存在不會影響色素穩(wěn)定性，Zn2+、Cu2+、Mg2+、Fe3+等金屬離子、氧化劑和還原劑的存在以及高溫、堿性條件會影響色素穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：馬纓丹;色素，提取;穩(wěn)定性

中圖分類號： TS202.3;R284.2 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0270-03

收稿日期：2014-06-05

基金項目：廣西壯族自治區(qū)教育科研一般項目（編號：2013YB191）。

作者簡介：韋 賢（1981—），男，廣西河池人，講師，從事藥學(xué)教育及中草藥有效成分及活性研究。E-mail：wei700@126.com。

通信作者：黃祖良，教授，從事高校藥學(xué)教育及中草藥有效成分及藥物活性研究。E-mail：ymhzl0413@163.com。

馬纓丹（Lantana camara L.）別稱五色梅、臭牡丹、五彩花等，原產(chǎn)于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū)，其花期長，全年均能開花，花色豐富、美麗多彩，每朵花從花蕾期到花謝期可變換多種顏色，1645年由荷蘭引入臺灣作為觀賞花卉，后逃逸為野生[1]。目前，野外逸生的馬纓丹在我國南方低海拔沿海一帶的山區(qū)比較常見，在我國云南省、廣西壯族自治區(qū)、臺灣、福建省等地大量繁殖，尤其是在我國云南省、廣西壯族自治區(qū)。馬纓丹已被列為Ⅱ級危害程度的外來入侵植物，并被視為世界上十大有害毒草之一[2-3]。然而目前對其逸生種類的了解較少，至今尚未有相關(guān)報道[4]。馬纓丹花中含有豐富的天然色素，該色素水溶性好、色值高，具有研究開發(fā)價值。目前，從馬纓丹花中提取色素及對其色素穩(wěn)定性方面的研究尚未見報道。因此，本研究對馬纓丹花色素的提取工藝和穩(wěn)定性進行研究，旨在為該花卉資源的可持續(xù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬纓丹花朵采自廣西壯族自治區(qū)百色市右江區(qū)永樂鄉(xiāng)附近公路沿線，將花朵陰干，粉碎后置干燥避光處備用;乙醇、丙酮、乙酸乙酯、氫氧化鈉、鹽酸、過氧化氫、硫酸鋅、硫酸銅、亞硫酸鈉、氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、氯化鐵均為國產(chǎn)分析純。

主要儀器為：FA1 104型電子分析天平，上海天平儀器廠;FZ102型植物粉碎機，上海銳豐儀器儀表有限公司;3-18K 型離心機，Sigma公司;pHS-3C型pH計，上海雷磁儀器廠;KQ5OODB型數(shù)控超聲波清洗器，江蘇省昆山市超聲儀器有限公司;RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海安亭實驗儀器有限公司; FD-1A-50型真空冷凍干燥機，上海比朗儀器有限公司;HHS-21-4型電熱式恒溫水浴鍋，江蘇金壇宏凱儀器廠;SHB-m型循環(huán)水式多用真空泵，河南省鄭州市長城科工貿(mào)有限公司;TU-1800型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程 自然風干的馬纓丹花朵→粉碎→加入溶劑拌勻→超聲波提取→減壓抽濾→離心（取少量測吸光度）→減壓濃縮→低溫真空干燥→固體（馬纓丹花色素）。

1.2.2 確定最大吸收波長 取5份1.0 g馬纓丹花，各加入100 mL不同濃度的乙醇作提取溶劑，室溫浸提2 h，減壓抽濾，得色素原液，以提取溶劑為空白對照，在400～700 nm范圍內(nèi)掃描吸收光譜。

1.2.3 單因素試驗 稱取5份1.0 g已經(jīng)風干、粉碎的馬纓丹花，在不同濃度的乙醇溶液、乙醇溶液體積、超聲波功率、提取時間的條件下進行單因素試驗，提取完成后抽濾所得溶液，取5 mL濾液定容至50 mL，測吸光度。（1）乙醇體積分數(shù)分別為0、25%、50%、75%、95%，體積為100 mL，在功率90 W條件下超聲波提取30 min;（2）20、40、60、80、100 mL質(zhì)量濃度為75%的乙醇，在超聲功率90 W的條件下提取30 min;（3）乙醇體積分數(shù)為75%，體積60 mL，超聲功率分別為60、90、120、150、180 W，提取30 min;（4）乙醇體積分數(shù)為75%，體積60 mL，在超聲功率為90 W，提取時間分別為10、20、30、40、50 min。色素的提取效果用最大吸收波長處的吸光度來表示[5]，通過試驗考察乙醇濃度、固液比、超聲功率、超聲時間對馬纓丹色素提取效果的影響。

1.2.4 正交試驗 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，設(shè)置因素水平范圍，進行L9（34）正交試驗，確定馬纓丹色素提取的最佳工藝條件（表1）。

表1 馬纓丹花色素提取工藝的因素水平

水平

因素

A：乙醇體積

分數(shù)（%） B：料液比

（g ∶ mL） C：超聲波

功率（W） D：提取時間

（min）

1 50 1 ∶ 40 90 20

2 75 1 ∶ 60 120 30

3 95 1 ∶ 80 150 40

1.2.5 穩(wěn)定性研究 在不同的條件下測定其吸光度的變化，考察pH值、溫度、光照、金屬離子、氧化劑和還原劑等對色素穩(wěn)定性的影響[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬纓丹色素的最大吸收波長

馬纓丹色素的最大吸收波長受pH值影響較大，考察pH值對最大吸收波長的影響，試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，pH值<4.5時，色素的最大吸收波長在（530±1） nm內(nèi)，且吸光度較大;當pH值為6時，色素的最大吸收波長明顯紅移，吸光度減小，這表明色素結(jié)構(gòu)隨pH值減小而改變。由于本試驗在測吸光度時均在pH值<6的條件下進行，所以選定 530 nm 作為測定波長。endprint

2.2 超聲波輔助提取色素的單因素試驗

2.2.1 乙醇體積分數(shù)對色素提取效果的影響 吸光度隨乙醇體積分數(shù)先增大而后緩慢減小，濃度為50%～75%時達較大，詳見圖2。

2.2.2 料液比對色素提取效果的影響 從圖3可知，當料液比為1 g ∶ （20～60） mL時，隨著提取溶劑的增加，色素的吸光度增大;但料液比為小于1 g ∶ 80 mL時吸光度增加緩慢。這表明色素在料液比1 g ∶ 60 mL的條件下已基本溶出。提取溶劑太少，馬纓丹花粉末與提取溶劑不能充分接觸，使色素不能全部溶出;提取溶液太多又會浪費溶劑，給后期濃縮也帶來一定困難。因此，選擇料液比1 g ∶ 60 mL為最佳條件。

2.2.3 超聲波功率對色素提取效果的影響 從圖4可知，吸光度先隨超聲功率的增加而增大，超過90 W后又降低。超聲功率增大，加大了破壁程度，有利于色素溶出，但超聲功率達到一定值后吸光度開始下降，這可能是因為超聲波具有較強的機械切力作用，作用強度過大可能會改變色素的結(jié)構(gòu)閻。綜合考慮選擇90 W作為最佳提取功率。

2.2.4 提取時間對色素提取效果的影響 由圖5可知，吸光度隨提取時間的增加而增大，到30 min達最大值，而后又呈下降趨勢。超聲作用時間長引起熱效應(yīng)，使提取物局部溫度過高，可能會使色素不穩(wěn)定，大部分色素中含有酚羥基，易被氧化而脫色。因此，較合適的超聲提取時間為30 min。

2.3 正交試驗結(jié)果

以乙醇為提取溶劑，采用超聲波輔助提取馬纓丹花色素，影響色素提取的主要因素是乙醇體積分數(shù)、料液比、超聲波功率、提取時間。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，進行L9（34）正交試驗，確定馬纓丹色素提取的最佳工藝條件。從表2可知，各因素對色素提取的影響因素順序為C>B>D>A，即超聲波功率>料液比>提取時間>乙醇體積分數(shù);最優(yōu)組合是A1B2C2D3，即超聲波提取馬纓丹花色素的最佳工藝為：超聲波功率120 W，料液比1 g ∶ 60 mL，乙醇體積分數(shù)50%，提取時間40 min。在最優(yōu)水平的條件下進行3次驗證性試驗，測得色素的D520 nm分別為1.425、1.433、1.420，平均值為1426，高于正交表中編號2的試驗結(jié)果;RSD為1.05%，說明最佳工藝條件具有良好的重現(xiàn)性。

2.4 色素穩(wěn)定性研究

2.4.1 pH值對色素穩(wěn)定性的影響 用HCl、NaOH溶液調(diào)節(jié)色素溶液的pH值，測定吸光度，試驗結(jié)果見表3。

表2 馬纓丹花色素提取工藝的正交試驗結(jié)果

試驗編號 A B C D D530 nm

1 1 1 1 1 0.878

2 1 2 2 2 1.412

3 1 3 3 3 0.986

4 2 1 2 3 1.205

5 2 2 3 1 1.079

6 2 3 1 2 0.985

7 3 1 3 2 0.780

8 3 2 1 3 1.177

9 3 3 2 1 1.112

k1 1.092 0.954 1.013 1.023

k2 1.090 1.223 1.243 1.059

k3 1.023 1.028 0.948 1.123

R 0.069 0.269 0.295 0.100

表3 pH值對色素穩(wěn)定性的影響

pH值 D530 nm

1 0.825

3 0.830

5 0.835

7 0.826

9 0.772

11 0.758

13 0.750

從表3可看出，馬纓丹花色素在酸性條件下較穩(wěn)定，吸光度變化不大。在堿性條件下，吸光度變化較大，主要原因是在堿性條件下天然色素的結(jié)構(gòu)或組成會發(fā)生變化，從而使其顏色發(fā)生變化。因此，在提取、保存和應(yīng)用中最好在酸性條件下進行。

2.4.2 溫度對色素穩(wěn)定性的影響 取5份色素溶液，分別置于20、40、60、80、100 ℃的溫度下加熱4 h，測定吸光度，試驗結(jié)果見圖6。結(jié)果表明，在溫度低于40 ℃時，吸光度隨加時間的延長基本沒有變化，在高于60 ℃后隨時間的延長吸光度呈下降趨勢，溫度越高影響越大。這是因為色素在高溫條件下容易發(fā)生氧化反應(yīng)，且溫度越高反應(yīng)越快。因此，在制備和保存馬纓丹花色素時應(yīng)盡量在低溫條件下進行。

2.4.3 光照條件對色素穩(wěn)定性的影響 將相同濃度的色素溶液分別置于室外自然光、室內(nèi)自然光、避光的環(huán)境下放置一定時間，測定吸光度，結(jié)果見表4。結(jié)果表明，在這幾種光照條件下，吸光度幾乎沒有變化，有較好的光穩(wěn)定性。

表4 光照條件對色素穩(wěn)定性的影響

時間（h）

D530 nm

室外自然光 室內(nèi)自然光 室內(nèi)避光

0.5 0.830 0.845 0.852

1.0 0.812 0.842 0.850

2.0 0.805 0.840 0.845

4.0 0.802 0.836 0.845

2.4.4 金屬離子對色素穩(wěn)定性的影響 配制含有K+、Na+、Ca2+、Zn2+、Cu2+、Mg2+、Fe3+濃度均為100 mg/L的色素溶液及空白色素溶液，避光放置2 h，測定溶液吸光度，結(jié)果見表5。

表5 金屬離子濃度對色素穩(wěn)定性的影響

金屬離子 D530 nm

空白 0.856

K+ 0.850

Na+ 0.848

Ca2+ 0.835endprint

Zn2+ 0.739

Cu2+ 0.628

Mg2+ 0.550

Fe3+ 0.380

從表5可知，加入K+、Na+、Ca2+使色素吸光度略有減少，對馬纓丹花色素有一定的增色、護色作用。加入Zn2+、Cu2+、Mg2+、Fe3+使色素吸光度減小，甚至觀察到加入Fe3+后色素液變?yōu)樽厣砻鬟@些離子對色素的穩(wěn)定性影響較大，其原因可能是這些離子會與色素反應(yīng)，使色素褪色或生成其他顏色的物質(zhì)。

2.4.5 氧化劑、還原劑對色素穩(wěn)定性的影響 含有不同濃度亞硫酸鈉、雙氧水的色素溶液及空白色素溶液測定溶液吸光度并觀察溶液的顏色，結(jié)果（表6）顯示，加入氧化劑和還原劑后，色素的吸光度在較短的時間內(nèi)下降很大，顏色也消褪，且氧化劑和還原劑濃度越大影響越明顯。因此，氧化劑和還原劑對色素的穩(wěn)定性影響很大，在使用過程應(yīng)避免加入氧化劑和還原劑。

表6 氧化還原劑對色素穩(wěn)定性的影響

時間

（min）

D530 nm

空白 0.5%

H2O2 1.0%

H2O2 0.5%

Na2SO3 1.0%

Na2SO3

15 0.856 0.425 0.186 0.508 0.478

30 0.850 0.389 0.143 0.328 0.435

3 結(jié)論與討論

馬纓丹全年能開花，花期較長、花量大、色值高，資源極其豐富，如果進一步在色素的化學(xué)成分、生理活性、毒理學(xué)等方面進行全面的研究，是一種很有開發(fā)前景的色素品種。充分開發(fā)利用馬纓丹資源是合理治理這種外來入侵物種的最有效方法之一。

采用超聲波輔助提取馬纓丹花色素，最佳的工藝條件為：液料比1 g ∶ 60 mL，超聲波功率120 W，乙醇體積分數(shù)為50%， 提取時間40 min。通過馬纓丹花色素的穩(wěn)定性試驗結(jié)

果可知，色素在酸性、低溫、光照條件下穩(wěn)定，在含有K+、Na+、Ca2+條件下穩(wěn)定;但Zn2+、Cu2+、Mg2+、Fe3+等離子、高溫和氧化劑或還原劑的存在會影響色素穩(wěn)定性。

但本試驗的工藝條件主要適用于實驗室，色素的不穩(wěn)定是許多天然色素普遍存在的問題，如何提高天然色索的穩(wěn)定性是以后研究的方向，規(guī)模化的生產(chǎn)工藝條件需要在在色素的化學(xué)成分、生理活性、毒理學(xué)等方面進一步研究。

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