紫青稞色素提取工藝研究

張文會(huì)

紫青稞色素提取工藝研究

張文會(huì)

（西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)研究所，西藏拉薩 850032）

以隆子紫青稞為原料，采用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì),用分光光度法測(cè)定并計(jì)算紫青稞色素的提取率。結(jié)果表明，紫青稞色素提取工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，料液比1∶10（g∶mL），提取溫度65.84℃，提取時(shí)間1 h，鹽酸調(diào)節(jié)pH值1.0，在此條件下紫青稞色素提取量為1.43 mg/g。

黑青稞；色素；提取工藝

青稞屬禾本科大麥屬，主要分布于西藏、青海、甘肅，以及四川阿壩和甘孜州，因其在收獲時(shí)穎果與稃殼分離而得名，在其他產(chǎn)區(qū)也稱米大麥、米麥、裸麥。青稞品種資源豐富，不同顏色、不同形狀的品種多達(dá)1 000種，如按顏色可分為白青稞、花青稞、黑青稞、紫青稞等[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，深色食品中富含花青素等天然抗氧化物，具有延緩衰老、增強(qiáng)免疫力、益氣補(bǔ)腎、保護(hù)心血管、抗動(dòng)脈粥樣硬化等保健功能[3-4]。而紫青稞、黑青稞含有獨(dú)特的花青素類物質(zhì)，且原花青素和總黃酮含量較高，符合現(xiàn)代人對(duì)健康食品的需求，極具開發(fā)利用價(jià)值。以隆子紫青稞為原料，采取單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，確定了紫青稞色素的提取方法，為紫青稞色素應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

紫青稞種子，西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)研究所提供，紫青稞經(jīng)過篩選后得到的無雜質(zhì)種子在55℃烘箱中烘干，取出冷卻，備用。

主要試劑包括鹽酸、乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮、乙二醇、草酸、蘋果酸、檸檬酸、硫酸、磷酸、氫氧化鈉等，均為分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

紫外可見分光光度計(jì)，上?？频蔷軆x器有限公司產(chǎn)品；電子天平，上海上天精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；離心機(jī)，科大創(chuàng)新股份有限公司產(chǎn)品；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司產(chǎn)品；pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司產(chǎn)品。

2 試驗(yàn)方法

2.1 單因素試驗(yàn)

分別考查提取劑、提取劑體積分?jǐn)?shù)、酸化劑、pH值、提取溫度、提取時(shí)間、料液比7個(gè)因素對(duì)紫青稞色素提取量的影響，每個(gè)試驗(yàn)平行3次。

式中：A530——波長(zhǎng)530 nm處的吸光度；

V——稀釋后的體積，mL；

N——稀釋倍數(shù)；

98.2 ——花色素的平均消光系數(shù)；

m——樣品質(zhì)量，g。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定提取劑為60%乙醇，提取時(shí)間為1 h，酸化劑使用鹽酸，選擇對(duì)紫青稞色素提取量影響較大的提取溫度、料液比、pH值等因素用Design Expert中的Box-Behnken設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)。

紫青稞色素提取響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 紫青稞色素提取響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

3.1 紫青稞色素提取單因素試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 不同提取劑對(duì)紫青稞色素提取量的影響

不同提取劑對(duì)紫青稞色素提取量的影響見圖1。

圖1 不同提取劑對(duì)紫青稞色素提取量的影響

花青素易溶于極性溶劑中，由圖1可知，醇類等極性大的溶劑有利于紫青稞色素的提取，其中乙醇的提取效果最佳，乙醇-乙酸乙酯（1∶1） 混合溶液的效果僅次于乙醇，丙酮的提取效果最差。由于乙醇常常作為天然產(chǎn)物的萃取劑，且具有安全廉價(jià)、黏性小、易回收等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此選用乙醇溶液作為提取劑。

3.1.2 提取劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)紫青稞色素提取量的影響

提取劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)紫青稞色素提取量的影響見圖2。

提取劑的體積分?jǐn)?shù)對(duì)紫青稞色素提取量有顯著影響，由圖2可知，花青素的提取量隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大而提高，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，提取率達(dá)到最大；而當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)超過60%時(shí)，花青素的提取率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高而有所降低?？赡苡捎谝掖俭w積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，淀粉和其他水溶性物質(zhì)溶解性好，影響了花青素的溶出，導(dǎo)致提取率較低；而當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)過高時(shí)，脂溶性物質(zhì)容易溶出，降低了花青素的提取量。因此，將紫青稞色素提取劑體積分?jǐn)?shù)設(shè)為60%。

圖2 提取劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)紫青稞色素提取量的影響

3.1.3 酸化劑對(duì)紫青稞色素提取量的影響

花青素在酸性條件下較穩(wěn)定，提取劑酸化后花青素的提取效果明顯增強(qiáng)，這可能是因?yàn)樽锨囡馗缓恿u基，呈弱酸性，所以酸性條件有利于其溶出。

酸化劑對(duì)紫青稞色素提取量的影響見圖3。

圖3 酸化劑對(duì)紫青稞色素提取量的影響

由圖3可知，在相同的pH值條件下，有機(jī)酸中的檸檬酸加入后提取效果最好，鹽酸加入的效果僅次于檸檬酸，蘋果酸加入的效果最差。但是檸檬酸溶液容易飽和，飽和檸檬酸溶液的pH值為2，不利于后續(xù)試驗(yàn)中對(duì)花青素提取條件的進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)由于鹽酸能與乙醇任意混溶可以減小試驗(yàn)誤差，因此選擇鹽酸作為酸化劑。

3.1.4 pH值對(duì)紫青稞色素提取量的影響

pH值對(duì)紫青稞色素提取量的影響見圖4。

圖4 pH值對(duì)紫青稞色素提取量的影響

花青素在中性和堿性條件下不穩(wěn)定，因此一般在酸性條件下進(jìn)行提取。由圖4可知，隨著提取劑pH值的增大，紫青稞色素提取量呈下降趨勢(shì)，當(dāng)pH值為1.0時(shí)，色素的提取量達(dá)到最大值。說明提取劑中較強(qiáng)的酸性有利于紫青稞色素物質(zhì)的溶出，且能使色素在此條件下穩(wěn)定，而高pH值能將花青素裂解為花色素基元及糖基2個(gè)部分，導(dǎo)致花色素結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。因此，將紫青稞色素提取劑的pH值設(shè)為1.0～2.0。

3.1.5 提取溫度對(duì)紫青稞色素提取量的影響

提取溫度對(duì)紫青稞色素提取量的影響見圖5。

圖5 提取溫度對(duì)紫青稞色素提取量的影響

由圖 5可知，隨著提取溫度的升高，紫青稞色素提取量呈上升趨勢(shì)，而超過70℃時(shí)又略有下降。說明在低溫階段，隨著提取溫度的升高，色素的溶出率增加，但是隨著提取溫度繼續(xù)升高，導(dǎo)致花青素被氧化，結(jié)構(gòu)受到破壞，朝著無色的查爾酮式結(jié)構(gòu)移動(dòng)，對(duì)色素的穩(wěn)定性不利。因此，將紫青稞色素提取溫度設(shè)為60～80℃。

3.1.6 提取時(shí)間對(duì)紫青稞色素提取量的影響

提取時(shí)間對(duì)紫青稞色素提取量的影響見圖6。

圖6 提取時(shí)間對(duì)紫青稞色素提取量的影響

由圖6可知，在一定范圍內(nèi)隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，紫青稞色素提取量的變化不大，說明提取時(shí)間對(duì)色素提取效果的影響不大。當(dāng)提取時(shí)間為1 h時(shí)，提取率已經(jīng)達(dá)到最大值，從實(shí)際經(jīng)濟(jì)的角度考慮，因此將提取時(shí)間設(shè)為1 h。

3.1.7 料液比對(duì)紫青稞色素提取量的影響

料液比對(duì)紫青稞色素提取量的影響見圖7。

由圖7可知，料液比對(duì)色素提取效果的影響較大，隨著料液比的逐漸增大，紫青稞色素提取量呈先上升再下降的趨勢(shì)，當(dāng)料液比1∶15時(shí)，提取量達(dá)到最大值。

3.2 響應(yīng)面優(yōu)化紫青稞色素提取工藝條件

3.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

圖7 料液比對(duì)紫青稞色素提取量的影響

Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面結(jié)果

應(yīng)用Design Expert軟件對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到紫青稞色素的吸光度與所選 3個(gè)因素的二次多項(xiàng)回歸模型為：

3.2.2 方差分析

模型的可靠性可從方差分析及相關(guān)系數(shù)來考查?；貧w模型方差分析見表3。

表3 回歸模型方差分析

由表3可知，模型p＜0.05，說明試驗(yàn)所選用的二次多項(xiàng)模型顯著，失擬項(xiàng)不顯著，表明回歸方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合度高，可用此模型對(duì)試驗(yàn)響應(yīng)值進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。二次多項(xiàng)模型中回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)表明，因素X3對(duì)所提色素吸光度的線性效應(yīng)極顯著，影響因素從大到小的順序?yàn)榱弦罕龋緋H值＞提取溫度。

3.2.3 響應(yīng)面分析

應(yīng)用Design Expert軟件對(duì)表2作回歸分析，得到如下響應(yīng)曲面和其等高線。

pH值和提取溫度對(duì)紫青稞色素提取效果的影響見圖8。

圖8 pH值和提取溫度對(duì)紫青稞色素提取效果的影響

由圖8可知，當(dāng)料液比一定時(shí)，pH值和提取溫度及二者交互作用對(duì)紫青稞色素提取量的影響。當(dāng)pH值不變時(shí)，隨著提取溫度的增大，紫青稞色素提取率逐漸增大；當(dāng)提取溫度不變時(shí)，隨著pH值的增大，紫青稞色素提取量減小，但pH值和提取溫度交互作用不顯著。

料液比和pH值對(duì)紫青稞色素提取效果的影響見圖9。

由圖9可知，當(dāng)提取溫度一定時(shí)，料液比和pH值及二者交互作用對(duì)紫青稞色素提取量的影響。當(dāng)料液比不變時(shí)，隨著pH值的增大，紫青稞色素提取量逐漸減少；當(dāng)pH值不變時(shí)，隨著料液比的增加，紫青稞色素提取量逐漸減少，但pH值和料液比交互作用不顯著。

提取溫度和料液比對(duì)紫青稞色素提取效果的影響見圖10。

圖9 料液比和pH值對(duì)紫青稞色素提取效果的影響

圖10 提取溫度和料液比對(duì)紫青稞色素提取效果的影響

由圖10可知，pH值一定時(shí)，提取溫度和料液比及二者交互作用對(duì)紫青稞色素提取量的影響。當(dāng)提取溫度不變時(shí)，隨著料液比的增大，紫青稞色素提取量逐漸減?。划?dāng)料液比不變時(shí)，隨著提取溫度的增加，紫青稞色素提取量先增大后減小，但提取溫度和料液比交互作用不顯著。

4 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)得到了紫青稞色素的最佳提取工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，料液比1∶10（g∶mL），提取溫度65.84℃，提取時(shí)間1 h，鹽酸調(diào)節(jié)pH值1.0，理論計(jì)算紫青稞色素的最大提取量可達(dá)1.47 mg/g，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)測(cè)提取量為1.43 mg/g，誤差僅為2.7%，該值與其數(shù)學(xué)模型優(yōu)化得到的理論值相近，說明該模型對(duì)紫青稞色素的提取工藝優(yōu)化有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]梁寒峭，李金霞，陳建國(guó)，等.黑青稞營(yíng)養(yǎng)成分的檢測(cè)與分析 [J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2016，42（1）：180-182.

[2]陳建國(guó)，梁寒峭，李金霞，等.囊謙黑青稞的功效成分檢測(cè)與分析 [J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2016，42（8）：199-202.

[3]韓海華，梁名志，王麗，等.花青素的研究進(jìn)展及其應(yīng)用 [J].茶葉，2011，37（4）：217-220.

[4]陳建國(guó)，梁寒峭，李金霞，等.響應(yīng)面法優(yōu)化黑青稞花青素的提取工藝 [ J].食品工業(yè)，2015，37（1）：80-83.◇

Study on Extraction Technology of Black-barley Pigment

ZHANG Wenhui
（Institute of Agriculture Research，Tibet Academy of Agriculture and Animal Husbandry Sciences，Lhasa，Tibet 850032，China）

Take Longzi black barley as raw material to extract the pigment through the single-factor experiment and response surface optimization design，and the extraction rate of black barley pigment is determined by spectrophotometry.The results show that the optimal extraction：using volume fraction of ethanol is 60%，the ratio of liquid to material is 1∶10（g∶mL）extracted in 65.84 ℃ for 1 hour，pH is adjusted to 1.0 by hydrochloric acid.Under this process，the extraction amount of black barley pigment is 1.43 mg/g.

black barley；pigment；extraction process

TQ611

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.09.007

1671-9646（2017） 09a-0024-04

2017-06-21

國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（大麥、青稞）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（CARS-05）。

張文會(huì)（1979— ），男，碩士，副研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工工藝。