微波輔助提取呂梁木棗紅色素工藝優(yōu)化及穩(wěn)定性研究

王曉晶，張永哲

（呂梁學院，山西 離石 033001）

呂梁木棗，是鼠李科棗屬的植物，為中國黃河沿岸尤其是山西省呂梁地區(qū)以及陜西省榆林地區(qū)極為常見的棗品種。棗是我國第一大干果，同時也是我國一種傳統(tǒng)中藥材，有著許多利于健康的功效。木棗味甘性溫、歸脾胃經(jīng)，同時可以補血；棗中富含糖類、蛋白質(zhì)、維生素C、各種氨基酸類物質(zhì)。因此，棗類有著可以抗氧化、延緩衰老和抗癌的功效。

隨著人們生活水平的提高，大眾們對食品食用色素的使用也提出了更高的需求。因此，相比于一般存在致癌風險的人工合成色素，天然植物色素更加受到人們的歡迎。天然色素將成為食品、藥品、化妝品等產(chǎn)品不可缺少的重要添加劑。研究表明，棗類的棗皮富含棗皮紅色素，棗皮紅色素的主要化學成分是類黃酮類、橙酮類物質(zhì)、黃烷醇類和黃酮醇類物質(zhì)。棗皮中還含有花青素和多酚類等藥用成分，同時，棗紅色素本身還具有一定的抗還原能力。經(jīng)研究表明，一定濃度食品添加劑對其穩(wěn)定性影響不大。因此，棗紅色素具有重要的實用價值。

目前，棗紅色素的提取方法多為水提法，這種提取法提取率低、提取時間長。因此，本研究針對棗紅色素提取率低、時間長等問題，利用微波提取法進行提取，研究各因素對棗紅色素提取率和時間的影響，提高提取率，并縮短提取時間。為了進一步研究棗紅色素，本研究還對棗紅色素在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性進行了探究。

1 材料和方法

1.1 材料

呂梁木棗，購自呂梁學院星瑪客超市。

1.2 主要儀器與設(shè)備

組織搗碎機，購自中國儀器批發(fā)城；恒溫水浴鍋，購自杭州藍天化驗儀器廠；高速離心機，購自湖南湘儀儀器有限公司；分光光度計，購自北京瑞利分析儀器有限公司；微波爐，購自順德市格蘭仕電器實業(yè)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 最佳提取劑的確定 取5 g木棗粉末，分別加入50 mL的蒸餾水、50%乙醇、丙酮、0.2 mol·LNaOH溶液、0.2 mol·LHCl溶液中，在相同的微波功率和提取時間下，提取、過濾，觀察濾液的顏色。

1.3.2 單因素試驗 選擇NaOH溶液為提取劑，以紅色素得率為指標，采用單因素試驗研究不同濃度NaOH溶液（0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70 mol·L）、萃取時間（40、80、120、160、200、240 s）、料液比（1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35 g·mL）、微波功率（140、300、460、600、760、900 W）以及溫度（50、60、70、80、90、100℃）對木棗紅色素提取效果的影響，并對提取條件進行初步優(yōu)化，確定較佳因素試驗參數(shù)范圍，每個處理重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.3.3 正交試驗 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇提取溫度、微波功率、NaOH濃度、萃取時間的3個較優(yōu)水平進行正交試驗，對呂梁木棗紅色素的提取工藝進行優(yōu)化，試驗因素水平見表1。

表1 正交試驗因素和水平

1.3.4 木棗紅色素穩(wěn)定性研究

（1）溫度對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響

將5份提取液放置于比色管中，分別放入不同溫度的水浴鍋中，每隔1 h，在270 nm處測定吸光度。

（2）pH值對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響

用檸檬酸調(diào)節(jié)提取液的pH值，將色素液pH值調(diào)至1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11，再置于陰涼處靜置24 h觀察色素液的顏色與狀態(tài)，分析pH值對色素穩(wěn)定性的影響。

（3）蔗糖對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響

分別配制濃度為2%、4%、6%、8%、10%的蔗糖溶液，然后在配制好的蔗糖溶液中分別添加相同體積的木棗色素液，以沒有添加蔗糖溶液的木棗色素液為空白對照組，每隔10 min，在270 nm處測定木棗色素液的吸光度值。

（4）HO對木棗紅色穩(wěn)定性的影響

取30 mL木棗色素液5份，分別滴加濃度為2%的HO溶液2、4、6、8、10滴，以沒有添加HO溶液的木棗色素液為空白對照組，每隔1 h在270 nm處測定1次各試樣的吸光度值。

（5）添加劑對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響

分別配制一定量的苯甲酸鈉溶液與山梨酸鉀溶液，并依次向配制好的苯甲酸溶液與山梨酸鉀溶液中添加相同體積的木棗色素液，以沒有添加任何防腐劑的木棗色素為空白對照組，每間隔1 h在270 nm處測定其吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳提取劑的確定

由表2可知，本研究所用的5種提取劑提取紅色素后的顏色由淺至深順序為：丙酮、蒸餾水、0.2 mol·LHCl溶液、50%乙醇、0.2 mol·LNaOH溶液。其中0.2 mol·LNaOH溶液為提取劑所得到的提取液的顏色最深，其余提取劑得到的液體顏色較淡。因此，NaOH溶液的提取效果最佳，此后試驗所用提取 劑均為NaOH溶液。

表2 不同溶劑對木棗紅色素提取的效果

2.2 紅色素提取的單因素試驗結(jié)果分析

2.2.1 NaOH濃度對木棗紅色素提取效果的影響以NaOH溶液為提取劑，料液比為1∶20 g·mL，微波功率460 W、提取溫度80℃，微波提取時間200 s，以不同濃度的NaOH溶液進行浸提，考察對吸光度的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 不用濃度NaOH對木棗紅色素提取效果的影響

由圖1可知，不同濃度NaOH溶液對木棗紅色素的提取率影響較大。NaOH溶液濃度較低時，木棗紅色素的吸光度隨著NaOH濃度的增大而增大。當NaOH溶液濃度在0.2 mol·L時，吸光值達到最大。當NaOH溶液濃度在0.2～0.6 mol·L之間時，隨著NaOH濃度的增大，木棗紅色素的吸光度值逐漸減小。所以，當NaOH濃度為0.2 mol·L時提取效果最好。這是因為當處于堿性環(huán)境中時，紅棗紅色素穩(wěn)定性較高，棗皮中具有較高活性的果膠酶和纖維素酶，加快了果膠和纖維素的分解反應(yīng)，從而使細胞中色素類物質(zhì)溶出。但是濃度過大時，堿性物質(zhì)可以溶解內(nèi)酯、蒽醌、有機酸等成分，所以在一定程度上影響了紅棗紅色素的純度。

2.2.2 提取時間對木棗紅色素提取效果的影響 以0.2 mol·L的NaOH溶液為提取劑，料液比為1∶20 g·mL,微波功率為460 W，提取溫度為80℃，在不同的時間下進行浸提，考察不同的浸提時間對吸光度的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，在40～200 s內(nèi)，木棗紅色素的吸光度值隨時間的增加而顯著提升，當萃取時間為200 s時，木棗紅色素的吸光度最大，但在200～240 s內(nèi)，木棗紅色素吸光度值隨時間的增加而明顯下降，原因可能是萃取時間過長，導(dǎo)致提取劑消耗過大，從而使提取效率降低，色素液吸光度值降低。

圖2 提取時間對木棗紅色素提取效果的影響

2.2.3 料液比對木棗紅色素提取效果的影響 以0.2 mol·L的NaOH溶液為提取劑，微波功率為460 W，提取溫度為80℃，提取時間為200 s，在不同的料液比下進行浸提，結(jié)果見圖3。

圖3 料液比對木棗紅色素提取效果的影響

由圖3可知，料液比從1∶10增大到1∶20的過程中，木棗紅色素的吸光度隨著料液比的增大而增大，當料液比為1∶20時，木棗色素液吸光度達到峰值。當料液比從1：20增大到1∶35的過程中，木棗紅色素吸光度隨料液比增大而降低。原因可能是料液比過高導(dǎo)致提取液比例過高，從而使單位提取液中的木棗紅色素含量降低，最終導(dǎo)致吸光度隨料液比的提高而降低。總的來說，趨勢較平緩，所以料液比對吸光值影響不大。

2.2.4 微波功率對木棗紅色素提取效果的影響 以0.2 mol·L的NaOH溶液為提取劑，料液比為1∶20 g·mL，提取溫度為80℃，提取時間為200 s，在不同的微波功率下進行浸提，考察微波功率對吸光度的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 微波功率對木棗紅色素提取效果的影響

由圖4可知，在140～460 W微波功率區(qū)域內(nèi)，木棗紅色素吸光度隨功率提高而增大，當微波功率為460 W，吸光度到達峰值；到達峰值后再提高微波功率，會使木棗紅色素吸光度逐漸降低。由此可見，微波功率的高低對紅色素的提取效果有明顯的影響，在一定范圍內(nèi)，微波功率越高，提取物吸收微波能越多，升溫越快，能加快擴散速度，但隨著功率的增大，對紅色素的結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用，所以吸光值降低。

2.2.5 溫度對木棗紅色素提取效果的影響 以0.2 mol·L的NaOH溶液為提取劑，料液比為1∶20 g·mL，微波功率為460 W，提取時間為200 s，在不同的溫度下進行浸提，考察溫度對吸光度的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 溫度對木棗紅色素提取效果的影響

由圖5可知，當溫度在50～80℃時，吸光度呈上升趨勢。當溫度在80～100℃時，吸光度呈下降趨勢。造成這種現(xiàn)象的原因可能是當溫度升高時，提取劑的溶解能力大大提高，即色素的溶解能力提高，當溫度在80～100℃時，過高的溫度使色素物質(zhì)受到破壞。因此，為了提高提取效率，同時保證色素成分完好，選擇80℃為最佳提取溫度。

2.3 紅色素提取的正交試驗結(jié)果分析

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選擇提取溫度、微波功率、NaOH濃度、萃取時間4個因素進行正交試驗，以紅色素提取液的吸光值為指標，進一步優(yōu)化紅色素的提取工藝，試驗設(shè)計及結(jié)果見表3。

表3 正交試驗方案及結(jié)果

從表3和表4可以看出，影響紅色素提取效果的因素主次順序為B＞A＞D＞C，即影響最大的因素為微波功率，其次是提取溫度、萃取時間，影響較小的因素是NaOH濃度。ABCD為最佳提取工藝組合，即當提取溫度為70℃，微波功率為460 W，NaOH濃度為0.3 mol·L，萃取時間為200 s時提取率最高。經(jīng)試驗驗證得出，以ABCD組合測試吸光度結(jié)果為4.372，結(jié)果高于正交表中最大吸光值，ABCD組合為最佳提取工藝組合。

表4 方差分析表

2.4 木棗紅色素穩(wěn)定性結(jié)果分析

2.4.1 溫度對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響 從圖6可知，在1 h內(nèi)紅色素受溫度影響較大，且吸光值隨著溫度的上升而顯著下降，穩(wěn)定性降低。說明高溫可以破壞色素的穩(wěn)定性，不利于色素的保藏；當時間超過1 h，紅色素吸光度變化趨于平穩(wěn)。因此，在儲藏中應(yīng)盡量低溫保存。

圖6 溫度對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響

2.4.2 pH值對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響 從表5可以看出，當pH值增大時，木棗提取液的顏色也越來越深，當pH值在1～5范圍內(nèi)時，木棗提素液產(chǎn)生沉淀，說明色素物質(zhì)溶解不充分；當提素液pH值等于6時，色素液溶解度下降，說明穩(wěn)定性較差；當木棗色素液pH值在8～11范圍內(nèi)時，木棗色素液中無沉淀產(chǎn)生，并且木棗色素液呈現(xiàn)出棗紅色的顏色。所以，當木棗紅色素pH值越大的時候色素越穩(wěn)定，也就是在堿性條件下更加穩(wěn)定。

表5 pH值對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響

2.4.3 蔗糖對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響 蔗糖是食品中經(jīng)常添加的甜味劑，從圖7可知，在10 min內(nèi)，蔗糖濃度越高，吸光度下降程度越大，即濃度越高，對紅色素的穩(wěn)定性的破壞作用越大。10 min后，下降緩慢，趨勢趨于平穩(wěn)，破壞性減小。

圖7 蔗糖對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響

2.4.4 HO對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響 從圖8可以看出，HO對棗紅色素的穩(wěn)定性有一定的影響，隨著當HO溶液濃度升高時，木棗紅色素的吸光值呈下降趨勢，當時間增加時，木棗紅色素的吸光度呈下降趨勢，這說明在有HO溶液的環(huán)境中，紅色素的穩(wěn)定性會在時間以及濃度的影響下變差。因此，棗紅色素的抗氧化性能力差，保存的時候應(yīng)注意氧化。

圖8 H2O2對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響

2.4.5 防腐劑對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響 山梨酸鉀和苯甲酸鈉是食品中常用的防腐劑，由圖9可知，添加防腐劑的木棗色素液與對照組色素液的吸光度都隨時間的增長而呈現(xiàn)下降趨勢。添加防腐劑的木棗色素液在4 h內(nèi)，吸光度值緩慢下降，對木棗色素液穩(wěn)定性的影響相對較小；4 h以后木棗色素液吸光度明顯降低，對木棗紅色素穩(wěn)定性影響增大。所以山梨酸鉀和苯甲酸鈉兩類防腐劑對于木棗紅色素穩(wěn)定性短時間內(nèi)影響不大。

圖9 防腐劑對木棗紅色素穩(wěn)定性的影響

3 結(jié)論與討論

本研究以呂梁木棗為原料，采用微波輔助提取法對棗皮紅色素進行提取。使用單因素試驗和正交試驗優(yōu)化提取工藝。結(jié)果表明，NaOH濃度、提取溫度、萃取時間、微波功率對對提取率有明顯影響，且影響順序為：微波功率>提取溫度>萃取時間>NaOH濃度；得出最佳提取工藝為，提取溫度為70℃，微波功率為460 W，NaOH濃度0.3 mol·L，萃取時間200 s，在此條件下木棗紅色素提取液的吸光度為4.372。同時研究了提取的紅色素穩(wěn)定性，試驗結(jié)果表明，在短時間內(nèi)紅色素的穩(wěn)定性受溫度影響較大，且溫度越高破壞性越大。因此，在儲藏中應(yīng)盡量低溫保存。紅色素的穩(wěn)定性受pH值影響較大，在堿性條件下穩(wěn)定性提高。蔗糖、HO溶液對紅色素的穩(wěn)定性也有一定的影響，且隨著濃度的增大色素的穩(wěn)定性下降。山梨酸鉀和苯甲酸鈉兩種添加劑對于木棗紅色素穩(wěn)定性在較短時間內(nèi)影響不明顯。

隨著人們認識水平的提高，對色素的安全性越來越重視。因此，天然色素受到了人們的歡迎。棗紅色素的傳統(tǒng)提取方法為水浸提法，馬奇虎等探討了不同因素在微波輔助提取中的影響，指出微波功率、微波時間，NaOH濃度,料液比均對提取率有較大的影響，與本研究的結(jié)果一致。陳海華等指出微波輔助法能明顯提高棗紅色素的提取率,且研究了光照、溫度、酸堿度、食鹽對紅色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明紅色素受這些因素影響較小。本研究在此基礎(chǔ)上探討了蔗糖、HO、食品防腐劑對紅色素的影響，為紅色素作為食品添加劑應(yīng)用于食品中奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

因此，采用微波輔助提取法，使物質(zhì)內(nèi)的分子在特定的微波頻率下運動，從而使物質(zhì)內(nèi)部的溫度升高，導(dǎo)致物質(zhì)內(nèi)部斷裂，這樣可以使提取液快速滲透物質(zhì)內(nèi)部，快速地提取色素。所以使用微波輔助提取法能夠提高提取率，使提取時間縮短，節(jié)約能源和溶劑，是一種很有發(fā)展前途的提取工藝。