紫薯色素的變色范圍及吸收光譜特性研究

高向陽(yáng)， 高遒竹， 張 娜

(1.鄭州科技學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州 450002；3.江南大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

紫薯色素的變色范圍及吸收光譜特性研究

高向陽(yáng)1,2， 高遒竹3， 張 娜1

(1.鄭州科技學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州 450002；3.江南大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

為研究紫薯色素的變色范圍和吸收光譜特性，以鄭州市市售紫薯為樣品，在優(yōu)選的條件下提取其色素，以電位滴定法和吸光光度法進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，紫薯色素在酸性溶液中，吸收光譜的波峰在530 nm左右，在堿性溶液中，波峰為600～620 nm；在強(qiáng)堿性溶液中波峰消失。紫薯色素的變色范圍為7.3～7.8,只有0.5個(gè)pH單位，變色極其敏銳，可作為一種天然的酸堿指示劑和安全的食品著色劑,在食品工業(yè)中加以應(yīng)用。

紫薯色素；變色范圍；吸收光譜特性；pH電位滴定法

紫薯(IpomoeabatatasL.)屬旋花科一年生草本植物，呈紫色至深紫色。紫薯色素中花青素可與糖發(fā)生糖苷化反應(yīng)生成花色苷，這是一種天然水溶性花色苷類色素，其理化性質(zhì)比其他同類花色苷如甘藍(lán)花色苷、紫蘇花色苷、葡萄花色苷和黑米花色苷穩(wěn)定[1]。紫薯色素?zé)o異味，可溶于水、乙醇、碳酸鈉、乙酸等溶液中[2]，具有色澤自然鮮艷、無(wú)毒、無(wú)異味和抗突變、抗氧化、抗腫瘤、抗高血糖、緩解肝功能障礙等保健功能[3]，以及良好的耐熱性，能夠經(jīng)受食品工業(yè)所用的巴氏法消毒，因而廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中[4]。紫薯色素的純化提取方法及穩(wěn)定性的研究較多[5-8]，但色素變色范圍、應(yīng)用和光譜特性鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。本研究通過正交試驗(yàn)優(yōu)化最佳提取工藝，研究了色素在水溶液、檸檬酸溶液和酸化乙醇溶液中顏色的突變范圍，對(duì)比了紫薯色素溶液在不同pH值時(shí)吸收光譜特性，為紫薯色素的進(jìn)一步開發(fā)和科學(xué)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1主要材料

渝紫263紫薯，購(gòu)于鄭州市馬寨鎮(zhèn)蔬菜市場(chǎng)。品種色素含量高，食用品質(zhì)好。

1.2儀器與試劑

DZF-6050A型真空干燥箱(北京中興偉業(yè)儀器有限公司)；KQ5200DE型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；PXSJ-216型離子計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)；DZKW-S-4型電熱恒溫水浴鍋(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司)；UV-4802H型紫外可見分光光度計(jì)(尤尼柯(上海)儀器有限公司)。

碳酸鈉、鹽酸、乙醇、乙酸、檸檬酸、氫氧化鈉均為分析純；水為二次蒸餾水。

1.3試驗(yàn)方法

將紫薯樣品用蒸餾水洗凈，切成薄片，于60 ℃干燥箱內(nèi)烘干后，用研缽研至過60目尼龍篩，儲(chǔ)存于廣口瓶中備用。紫薯色素的提取工藝參考文獻(xiàn)[3，9-11]，稱取10.0 g紫薯樣品5份，分別按表1方法提取。待提取液中淀粉沉淀后，取上清液過濾，所得濾液用于吸收光譜的掃描、吸光度測(cè)量等試驗(yàn)。

表1 5種工藝的提取方法Table 1 Extraction method of five processes

1.4正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

利用超聲波提取植物有效成分，功率超過100 W時(shí)效果較好[12],所以,選用混合水平正交表L9(21×33)進(jìn)行試驗(yàn)[13]。準(zhǔn)確稱取鮮紫薯10.0 g共9份，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的檸檬酸為提取溶劑，料液比為1∶10,其他步驟依次按表4正交試驗(yàn)方案進(jìn)行操作，測(cè)定各試驗(yàn)結(jié)果的吸光度，比較提取效果。

1.5紫薯色素溶液變色范圍的確定

本研究用新鮮研碎紫薯,研究紫薯色素在檸檬酸溶液、蒸餾水和酸化乙醇溶液中顏色的變化。①以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%檸檬酸為提取溶劑，料液比為1∶10，超聲波功率為150 W，提取溫度為55 ℃，時(shí)間為30 min；②用蒸餾水提取，料液比為1∶10，超聲波提取條件同①；③以酸化乙醇(0.1%的鹽酸與乙醇按體積比為2∶3混合)提取，料液比為 1∶30，超聲波功率為120 W，溫度為60 ℃，時(shí)間為30 min。試驗(yàn)表明，該色素顏色隨pH值的改變而變化。

分別用檸檬酸溶液、蒸餾水和酸化乙醇提取紫薯色素制備紫薯色素溶液，用濃度為0.01 mol·L-1鹽酸或0.01mol·L-1氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)和測(cè)定紫薯色素溶液的pH值，觀察、記錄紫薯色素顏色的變化，在pH值6.5～8.0時(shí)要逐滴滴加標(biāo)準(zhǔn)溶液，觀察顏色突變和記錄pH值的突變范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1最佳提取工藝的研究

按1.3試驗(yàn)方法測(cè)定，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，提取液在510～550 nm有較高吸光度。將過濾后的紫薯殘?jiān)儆孟嗤奶崛┻M(jìn)行2次提取，并對(duì)2次提取液在最大吸收波長(zhǎng)530 nm測(cè)定，吸光度A越小表明第1次提取效果越好。結(jié)果表明，工藝2第1次提取效果最好，其次是工藝3和工藝5。

圖1 紫薯色素提取液的吸收光譜Fig.1 The absorption spectrum of pigment from purplesweet potatoes under different extract methods

2.2正交試驗(yàn)結(jié)果

以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的檸檬酸為提取溶劑，料液比為1∶10，按照1.4正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取試驗(yàn)因素和水平(表2)，結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素和水平編碼表Table 2 The coding table of experiment factors and level

注：A. 紫薯的預(yù)處理方法(1.新鮮紫薯研成小顆粒，2.紫薯烘干后粉碎)；B.提取溫度；C.提取時(shí)間；D.超聲波功率。下同。

Note：A. pretreatment methods of purple sweet potato (1. Purple sweet potatoes were only crushed, 2. Purple sweet potatoes were crushed after drying);B. extraction temperature;C. extraction time;D. ultrasound power. The same as below.

由表2和表3可知：按表2設(shè)計(jì)的因素和水平試驗(yàn)，得到表3中的極差R，R越大對(duì)結(jié)果的影響也越大[13]，影響因素依次為：A>C>B>D，即原料預(yù)處理方法>提取時(shí)間>提取溫度>超聲波功率。

最佳提取工藝水平為A1B2C2D2，即新鮮紫薯研磨成小顆粒，提取液溫度控制為55 ℃，超聲提取時(shí)間為30 min，超聲功率為150 W為最佳的工藝條件。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of orthogonal test

2.3紫薯色素的顏色變化和光譜特性

按1.5方法，對(duì)不同pH值的紫薯色素水溶液、紫薯色素檸檬酸溶液和紫薯色素酸化乙醇溶液的顏色變化和光譜特性進(jìn)行研究，用紫外可見分光光度計(jì)掃描光譜，為便于比較，在530 nm處測(cè)量各自吸光度。紫薯色素水溶液的結(jié)果如表4和圖2；紫薯色素檸檬酸溶液結(jié)果如表5；紫薯色素酸化乙醇溶液的結(jié)果如表6。

表4 pH值對(duì)紫薯色素水溶液的影響Table 4 Effect of pH value on pigment from purple sweet potato in water solution

由表4可知，紫薯色素水溶液在酸性溶液中呈現(xiàn)不同的紅色，堿性溶液中呈現(xiàn)綠色至黃色。由圖2可知，酸性條件下掃描的吸收光譜波峰在530 nm左右，pH值越小，吸收光譜波峰處的吸光度越大。在600～610 nm，隨著pH值的升高，波峰發(fā)生紅移，但pH值大于12時(shí)無(wú)明顯波峰。

圖2 紫薯色素水溶液的吸收光譜特性Fig 2 The absorption spectral characteristics of pigmentfrom purple sweet potato in water solution

由表5可知，紫薯色素5%檸檬酸溶液在酸性溶液中呈現(xiàn)各種紅色，在堿性溶液中隨pH值的升高，呈現(xiàn)從藍(lán)、綠到黃色。按圖2的方法對(duì)各溶液進(jìn)行吸收光譜掃描可知：酸性條件下吸收光譜的波峰在515～542 nm，pH值越小，吸收光譜波峰處的吸光度越大，波峰隨pH值的升高，發(fā)生紅移和淡色效應(yīng)。堿性條件下，600～610 nm間有一波峰，但pH值大于10時(shí)，該波峰基本消失。

表5 pH值對(duì)檸檬酸溶液中的紫薯色素的影響Table 5 Effect of pH value on pigment from purple sweet potatoes in citric acid solution

表6 pH值對(duì)酸化乙醇溶液中的紫薯色素的影響Table 6 Effect of pH value on pigment from purple sweet potatoes in ethanol acidified solution

由表6可知，紫薯色素酸化乙醇溶液在酸性溶液中呈各種紅色，堿性溶液中隨pH值的升高，呈現(xiàn)由藍(lán)、綠到青色。按圖2的方法對(duì)各溶液進(jìn)行吸收光譜掃描可知：pH值為2和4時(shí)，吸收光譜波峰在530 nm左右，pH值為2的吸光度大于pH值為4的，pH值為6時(shí)基本無(wú)明顯波峰。隨著pH值的升高，波峰發(fā)生紅移，pH值大于8時(shí)，在600～620 nm有峰值，pH值為10時(shí)的吸光度大于pH值8和pH值12的。

2.4紫薯色素的變色范圍

按照1.5步驟操作，逐滴滴加標(biāo)準(zhǔn)溶液，觀察溶液的顏色變化并測(cè)定、記錄相應(yīng)的pH值，每個(gè)溶液平行測(cè)定5次，用格魯布斯法[14]檢驗(yàn)無(wú)可疑值后，取平均值報(bào)告變色范圍。紫薯色素的變色范圍如表7。由表7知：紫薯色素的pH值變色范圍為7.3～7.8,只有0.5個(gè)pH單位，明顯小于常用的酸堿指示劑。對(duì)于一些弱酸、弱堿的滴定，化學(xué)計(jì)量點(diǎn)附近pH值的突躍范圍很小，可使用紫薯色素酸堿指示劑，顏色變化明顯，易于靈敏觀察和判斷，建議優(yōu)先選擇在水溶液或酸性乙醇溶液中滴定，滴定結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。

表7 紫薯色素的變色范圍Table 7 The color range of pigment from purple sweet potatoes

3 結(jié)論

紫薯色素原料豐富，價(jià)格低廉，提取成本較低，廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)中，而其副產(chǎn)品仍可作為食品、飼料的加工原料，具有很大的開發(fā)利用潛力[15]。紫薯色素能溶于水和醇類，耐熱性好，經(jīng)巴氏法消毒后無(wú)明顯降解，可作為食品多種顏色的著色劑添加到水基食品如冷飲、果汁、配制酒、奶飲料、奶酪、果凍等食品中[2]。紫薯色素具有抗氧化、抗腫瘤等生理作用，因而能作為功能性配料用在保健食品中。對(duì)特殊人群尤其是兒童用食品，在注重食品安全的同時(shí)，為滿足消費(fèi)者的需求，利用紫薯色素變色范圍窄的特性，生產(chǎn)多種天然顏色的安全營(yíng)養(yǎng)食品，在滿足兒童的好奇心和意愿的同時(shí)，可大幅度增加產(chǎn)品的銷售量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益。

本研究表明，紫薯色素在酸性溶液中，吸收光譜的波峰在530 nm左右，在堿性溶液中，波峰為600～620 nm，在強(qiáng)堿性溶液中波峰消失。紫薯色素的變色范圍很窄，只有0.5個(gè)pH單位，變色極其敏感，且顏色變化明顯，易于觀察，可作為一種天然理想的新型酸堿指示劑加以利用。本研究拓展了紫薯色素應(yīng)用范圍，為新產(chǎn)品的開發(fā)奠定了必要的理論基礎(chǔ)，有一定的科學(xué)參考價(jià)值。

[1] MITSUYOSHI K,TOMOMI T,KATSUHISA H, et a1.Antioxidative activity of anthocyanins from purple sweet potato, ipomoea batatas cultivar ayamurasaki [J]. Biosci Biotechnol Biochem,2005,69(5):979-988.

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

[3] 朱美娟,姚勇芳,韓雪釵,等.紫薯色素的提取及其穩(wěn)定性的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009,37(36):17885-17887.

[4] 毛建霏,付成平,郭靈安,等.可見分光光度法測(cè)定紫甘薯總花青素含量[J].食品與發(fā)酵科技,2010,46(36):101-103.

[5] 余凡,楊恒拓,葛亞龍,等.紫薯色素的微波提取及其穩(wěn)定性和抗氧化活性的研究[J]. 食品工業(yè)科技，2013，34(4):322-326.

[6] 胡夢(mèng)琳，楊甲甲，代濤，等.紫薯色素兩種提取方法的比對(duì)研究[J]. 食品科學(xué)， 2011, 32(6)：247-249.

[7] 李治華,謝江,黃馳,等.紫甘薯花青素提取純化技術(shù)研究進(jìn)展[J].食品與發(fā)酵科技,2013,29(27):192-194.

[8] 肖海峻,施鵬飛,楊新建,等.甘薯紫色素提取技術(shù)研究進(jìn)展[J].食品研究與開發(fā),2014,35(19):137-140.

[9] 朱珠,柳中梅,劉云派.紫薯中提取色素的工藝研究[J]. 江西理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(3):11-15.

[10] 王春利,東玉武,段春利,等. 紫薯紅色素的提取與研究[J].遼寧化學(xué),2012, 41(9):885-886.

[11] 李新華,林琳,鄂巍.紫甘薯紅色素提取技術(shù)的研究 [J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007, 3(4):12-14.

[12] 胡愛軍,鄭捷.食品超聲技術(shù)[M] .北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013:73-75.

[13] 張仲欣,杜雙奎.食品試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M] .鄭州: 鄭州大學(xué)出版社,2011:217-228.

[14] 武漢大學(xué).分析化學(xué)：上冊(cè)[M].第5版. 北京:高等教育出版社，2013:67-68.

[15] 魏傳斌,張萍.紫甘薯不同的初加工方式對(duì)花青素含量的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(14):4430-4431.

(責(zé)任編輯：朱秀英)

Studyoncolourchangeintervalandabsorptionspectralcharacteristicsofpigmentfrompurplesweetpotatoes

GAO Xiangyang1,2, GAO Qiuzhu3, ZHANG Na1

(1.School of Food Science and Engineering, Zhengzhou Institute of Science and Technology, Zhengzhou 450064, China; 2.College of Food Science and Technology, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 3.Food Science and Technology School, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Purple potato pigment color range and absorption spectra properties were studied. With purple potatoes on sale from zhengzhou as samples, determination of pigment was conducted by the potential titration and absorption spectrophotometry after the pigment had been extracted under the condition of optimization. The results showed that the absorption spectrum peaks at about 530 nm in acidic solution, peak between 600 nm to 620 nm in alkaline solution and the peaks disappear in strong alkaline solution. The purple potato pigment color ranges from 7.3 to 7.8, within 0.5 pH unit only, indicating that the color change is very sharp. It can be used as a natural pH indicator and safe food colorants for use in the food industry.

pigment from purple sweet potato; colour change interval; potentiometric titration method of pH

2017-02-23

鄭州市科技局新興產(chǎn)業(yè)研究與開發(fā)基金項(xiàng)目(153PXXCY186)

高向陽(yáng)(1949-)，男，河南唐河人，教授，主要從事天然資源研究與開發(fā)、食品安全快速分析等方面的教學(xué)和研究工作。

1000-2340(2017)05-0725-05

S 531;TS 202.1

A