桑葚汁花青素提取工藝優(yōu)化

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2025.07.031

中圖分類號：TS255.36 文獻標志碼：A 文章編號：1000-9973（2025）07-0210-08

Optimization of Extraction Process of Anthocyanins from Mulberry Juice ZHAO Shu-tian1，XIONG Ling1，DING Bo1，LIN Ying1，WU Lang2， ZHANG Wen-xue1，3 * （1.College of Biomass Science and Engineering， Sichuan University，Chengdu 6loo65，China; 2.Panzhihua Sixi Agricultural Development Co.，Ltd.，Panzhihua 6l7ooo，China; 3.School of Liquor-Brewing Engineering，Sichuan University Jinjiang College，Meishan 62086o，China）

Abstract： In order to obtain mulberry anthocyanins，response surface method is used to optimize the processing technology of mulberry juice， and then the macroporous adsorption resin is used to adsorb anthocyanins in mulberry juice，so as to explore the effects of diffrent types of macroporous resins and different process parameters on the extraction of anthocyanins from mulberry juice. The results show that after response surface method optimization， the juice yield of mulberry juice is （75.01±0.37）% HPD60O macroporous resin is more suitable for extracting anthocyanins from mulberry juice. The best process parameters are static adsorption time of 6h ， the most suitable ethanol solution pH value of 3，concentration of 70% ; dynamic adsorption flow rate of 3mL/min ，which can continuously adsorb 22BV mulberry juice；using 8 BV desorbed solution can basically desorb the anthocyanins on the macroporous resin. Under the above conditions，the extraction rate of anthocyanins from mulberry juice is （49.30±1.23）% .It is feasible to use macroporous resin to adsorb anthocyanins from mulberry juice，which has provided a theoretical basis for the industrial use of anthocyanins.

eywords：mulberry；macroporous resin；anthocyanins；extraction

桑葚（Fructusmorispp.）是桑樹的成熟果穗[1]中國的桑葚品種豐富，尤其以云、貴、川三省的種類最豐富，產(chǎn)量多[2]。成熟桑葚中含有豐富的花青素，營養(yǎng)價值較高[3]，對人體生理機能具有調(diào)節(jié)作用，如保護視力、抑制癌細胞增殖[4]、抗氧化[5]等。目前，大多數(shù)研究都使用溶劑法提取果干或新鮮桑葚中的花青素，該方法溶劑用量大、成本較高，且提取的花青素需進一步純化。大孔樹脂是一種新型有機高聚物吸附劑，根據(jù)其極性可分為極性、非極性、弱極性3種，對有機化合物具有較高的吸附能力，具有吸附量大、低成本、可再生等優(yōu)點[8-9]。目前，使用大孔樹脂對果汁中色素的提取研究很多，適宜工廠大規(guī)模生產(chǎn)。

本研究首先對桑葚汁的出汁率進行優(yōu)化，再使用不同型號的大孔樹脂從桑葚汁中回收部分花青素，得到桑葚汁花青素提取最適大孔樹脂型號和最適工藝參數(shù)，為桑葚花青素提取的工業(yè)化發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1 主要材料與試劑

新鮮桑葚（云桑2號）：產(chǎn)自省涼山州；大孔樹脂（HPD600、D101、AB-8）：上海源葉生物科技有限公司；無水乙醇、鹽酸、氫氧化鈉、乙酸鈉、氯化鉀（均為分析純）：成都金山化學(xué)試劑有限公司；果膠酶、纖維素酶、木聚糖酶：河南省萬邦實業(yè)有限公司。

1.2主要儀器與設(shè)備

Nano-600超微量紫外分光光度計上海嘉鵬科技有限公司；BPS-1O0CL恒溫恒濕箱上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SQP電子天平賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；LPH-A ΔpH 計北京蘭杰柯科技有限公司；BT100蠕動泵保定融柏恒流泵制造有限公司。

1.3 試驗條件

1.3.1桑葚汁的制備

取新鮮桑葚，使用榨汁機打槳，加入一定量的酶，放入水浴鍋中酶解，以 5000r/min 離心 10min ，得桑葚汁。

1.3.2 出汁率的計算方法

參照陳佳楠等[10]的方法計算出汁率，計算公式如下：出汁率 （%）= 果汁質(zhì)量（g） X100%。原料果肉質(zhì)量（g）

1.3.3 單因素試驗設(shè)計

1.3.3.1不同酶添加量對桑葚汁出汁率的影響

使用果膠酶對桑葚汁進行酶解，于 水浴加熱，設(shè)定酶添加量分別為 0. 04% 0. 0. 08% 0. 12% 0. 16%. 0.20%.0.24% ，酶解 3h ，以 5000r/min 離心 10min ，計算出汁率。

1.3.3.2不同酶解 pH 值對桑葚汁出汁率的影響

使用果膠酶對桑葚汁進行酶解，于 30°C 水浴加熱，調(diào)節(jié) pH 值分別為1.5，2，2.5，3，3.5，4，酶添加量為0.16% ，酶解 3h ，以 5000r/min 離心 10min ，計算出汁率。1.3.3.3不同酶解時間對桑葚汁出汁率的影響。

使用果膠酶對桑葚汁進行酶解，于 30^°C 水浴加熱，設(shè)定酶解時間分別為 0，0.5，1，1.5，2，2.5，3h，pH 值為3.5，酶添加量為 0.16% ，以 5000r/min 離心 10min ，計算出汁率。

1.3.3.4不同酶解溫度對桑葚汁出汁率的影響

使用果膠酶對桑葚汁進行酶解，設(shè)定酶解溫度分別為 10，15，20，25，30°C ，水浴加熱， pH 值為3.5，酶添加量為 0.16% ，酶解 3h ，以 5000r/min 離心 10min ，計算出汁率。

1.3.4 響應(yīng)面試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以桑葚汁出汁率為響應(yīng)值，設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化試驗，因素及水平見表2。

表2桑葚汁出汁率響應(yīng)面試驗因素及水平

1.3.5 大孔樹脂預(yù)處理

參考Cao等[11]的方法對大孔樹脂進行處理。

1.3.6花青素濃度計算方法

吸取不同處理的桑葚汁，稀釋20倍，各取 1mL 稀釋后的桑葚汁，參考張新燦等[12]的方法，采用 ΔpH 示差法進行測定。

1.3.7靜態(tài)吸附率和解吸率的計算

分別稱取 2.0g 不同樹脂于錐形瓶中，加入 40mL 桑葚汁，在 25°C 條件下 250r/min 振蕩 ^10h ，測定桑甚汁中的花青素濃度；用 100mL90% 乙醇解吸，按下式計算吸附率和解吸率：

吸附率 （%）=（c₁-c₂）/c₁×100% 解吸率 （%）=c₃×V₁/[（c₁-c₂）×V₂]×100%

式中： c₁ 為桑葚汁花青素的初始濃度， mg/L ·c₂ 為吸附后桑葚汁花青素的濃度， mg/L;c₃ 為解吸液中 花青素的濃度， mg/L;V₁ 為解吸液的體積， mL;V₂ 為 吸附后樣液的體積， mL 。

1.3.8 靜態(tài)吸附-解吸試驗

1.3.8.1不同型號樹脂對桑葚汁花青素吸附率和解吸率的影響

準確稱取 1.0g 處理后不同型號的大孔吸附樹脂（HPD600、D101、AB-8）于 150mL 錐形瓶中，加入 20mL 桑葚汁，在 25°C 條件下 250Δr/min 振蕩 ^10h ，計算吸附率。

用蒸餾水沖洗吸附飽和的樹脂，加入 60mL 體積分數(shù)為 70% 的乙醇，調(diào)節(jié)搖床轉(zhuǎn)速為 250r/min ，溫度為 25^°C 解吸 ^10h 后，計算解吸率。

1.3.8.2吸附時間對大孔吸附樹脂吸附效果的影響分別精確稱取5份3種不同型號的樹脂 1.0g 于錐形瓶中，加入 20mL 桑葚汁， 250r/min 分別振蕩0，2，4，6，8h ，過濾，計算吸附率。

1.3.8.3 解吸液濃度對解吸花青素效果的影響

分別精確稱取5份3種不同型號的樹脂 1.0g 于錐形瓶中，加入 20mL 桑葚汁， 250r/min 振蕩 6h ，測定桑葚汁中的花青素濃度；將5份吸附飽和的樹脂置于錐形瓶中，分別加入濃度為 10%.30%.50%.70%.90% 的乙醇溶液 20mL，250r/min 振蕩 ，計算解吸率。

1.3.8.4解吸液 pH 值對花青素解吸效果的影響

稱取5份吸附飽和的大孔樹脂于錐形瓶中，分別加人 20mLpH 值為2，3，4，5，6的乙醇溶液， 250r/min 振蕩 6h ，過濾，計算解吸率。

1.3.9 樹脂動態(tài)吸附-解吸試驗

1.3.9.1動態(tài)吸附曲線和動態(tài)解吸曲線的繪制

稱取 20g 樹脂濕法裝柱，每 40mL 為1個單位，收集桑葚汁，測定花青素濃度；每 40mL 為1個單位，收集解吸液，測定花青素濃度。以流出桑葚汁體積為橫坐標，花青素濃度為縱坐標，繪制動態(tài)吸附-解吸曲線。

1.3.9.2 流速對桑葚汁花青素吸附效果的影響

稱取 20g 樹脂濕法裝柱，以 3，6，9，12，15mL/min 的流速加入桑葚汁，收集吸附后的桑葚汁，每 80mL 為1個單位，測定花青素濃度。

1.3.9.3 使用次數(shù)對桑葚汁花青素吸附效果的影響

稱取 5g 樹脂濕法裝柱，加入 40mL 桑葚汁，靜態(tài)吸附 ^2h ，收集濾液，測定花青素濃度；加入 75% 的乙醇 50mL 進行洗脫，靜置 30min ，洗脫后將樹脂用純水沖洗至無醇味，重復(fù)8次。以使用次數(shù)為橫坐標，花青素濃度為縱坐標，繪制曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1桑葚汁出汁率單因素試驗結(jié)果

2.1.1酶添加量對桑葚汁出汁率的影響由圖1可知，桑葚汁出汁率隨著果膠酶添加量的增加而增加，當(dāng)酶添加量達到 0.12% 后，桑葚汁出汁率的增加趨于平緩，當(dāng)酶添加量為 0.24% 時，桑葚汁出汁率最高，達到 71.23% ，相較于不加酶的桑葚汁增加了19.49% 。酶添加量較低時，酶促反應(yīng)不足，部分果膠質(zhì)無法被分解，而酶添加量過高時，大部分果膠質(zhì)已被分解，再增加酶添加量并不會使桑葚汁出汁率大幅提高[13]。當(dāng)酶添加量為 0.12%.0.16%.0.20% 時，桑葚汁出汁率分別為 69.13%.69.49%.70.74% ，與最高值相差不到 2% 。綜合考慮，選擇酶添加量為 0.12%.0.16%.0.20% 作為響應(yīng)面試驗的3個水平。

Fig.2Effectof ΔpH value on juice yield of mulberry juice

由圖2可知，桑葚汁出汁率隨著 pH 值的增大先增加，當(dāng) pH 值為3.5后開始下降，當(dāng) ΔpH 值為3.5時桑葚汁出汁率最高，達到 69.01% ，當(dāng) pH 值為4時次之，桑葚汁出汁率為 68.56% 。 pH 值過低時，未反應(yīng)的酶易形成酶蛋白沉淀[14]，導(dǎo)致酶無法參與降解果膠質(zhì)，從而導(dǎo)致桑葚汁出汁率較低，故選擇 ΔpH 值為3，3.5，4作為響應(yīng)面試驗的3個水平。

由圖3可知，桑葚汁出汁率隨著酶解時間的增加而增加，當(dāng)酶解時間為 3h 時出汁率達到最高，為 70.75% 當(dāng)酶解時間為 2h 時，出汁率達到 69.58% ，當(dāng)酶解時間超過 2h 后，增加速度趨于平緩。酶解時間過短，果膠酶未能充分作用，導(dǎo)致桑甚汁出汁率較低， ^2h 后，大部分果膠已被果膠酶分解，繼續(xù)增加酶解時間不會引起桑葚汁出汁率的大幅增加，故選擇 2，2，5，3h 后為響應(yīng)面試驗的3個水平。

由圖4可知，隨著酶解溫度的升高，桑葚汁出汁率不斷增加，當(dāng)酶解溫度 時出汁率達到最高，為70.99% ，可見酶解溫度對桑葚汁出汁率有一定的影響，酶解溫度過低會影響酶活力，酶解溫度過高會影響桑甚汁的品質(zhì)，故設(shè)計單因素試驗時，最高酶解溫度設(shè)置為 。因此，選擇 20，25，30°C 作為響應(yīng)面試驗的3個水平。

2.2桑葚汁出汁率響應(yīng)面試驗

2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果

利用單因素試驗的結(jié)果確定試驗因素的各個水平，以桑葚汁出汁率為響應(yīng)值，響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果見表3。

表3桑葚汁出汁率Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果

利用表3中數(shù)據(jù)得到桑葚汁出汁率與酶添加量（A）、pH 值 （B） 、酶解時間（C）、酶解溫度 （D） 之間的多元回歸模型方程：出汁率 =73.05-2.22A-1.21B+0.66C+ 0.65D-0.52AB-1.36AC-1.56AD-0.65BC+0.56BD+ 1.05CD-12.89A²-6.84B²-0.49C²-0.75D²。

2.2.2 方差分析

對桑甚汁出汁率的方差分析結(jié)果見表4。

表4桑葚汁出汁率模型的方差分析

注：“ ? ”表示影響顯著 （Plt;0.05） ；“ ^?? ”表示影響極顯著C Plt;0.01） ；“一\"表示影響不顯著 （Pgt;0.05） 。

由表4可知，回歸方程的 F 值為247.27，平方和為 1 398.01 ，自由度為14，均方為99.86，該模型的相關(guān)系數(shù)為0.9960，其顯著水平 Plt;0.01 ，說明該試驗設(shè)計合理，可根據(jù)此試驗設(shè)計進行桑葚汁出汁率優(yōu)化工藝的預(yù)測。由方差分析中 P 值可知，在影響桑葚汁出汁率的各因素中， .A，B，C，D，AC，AD，CD，A²，B² 、D² 對桑葚汁出汁率的影響均極顯著；其余因素對桑葚汁出汁率的影響均不顯著。根據(jù) F 值的大小可得出各因素對桑葚汁出汁率的影響順序為 Agt;Bgt;Cgt;D 。

2.2.3 響應(yīng)曲面圖

利用Design-ExpertV8.O.6.1軟件繪制各因素的交互作用對桑葚汁出汁率影響的曲面圖，見圖5。橢圓形狀表示各因素間交互作用的顯著性，越接近橢圓形，顯著性越大[15]；坡度大小表示因素對響應(yīng)值的影響大小，坡度越大，因素對響應(yīng)值的影響越大[16]。

由圖5可知，除 AB，BC，BD 外，其余因素間交互作用均顯著，酶添加量的坡度最大，對桑葚汁出汁率的影響最大。通過軟件對回歸方程進行求解，得到最佳工藝為酶添加量 0.1492%.pH 值3.5、酶解時間 2.96h 、酶解溫度 28.38^°C ，在此條件下，得到桑葚汁出汁率為74.32% 。根據(jù)實際情況，將酶解條件調(diào)整為酶添加量0.15%.pH 值3.5、酶解時間 3h 、酶解溫度 。

2.3工藝優(yōu)化結(jié)果與驗證

為驗證模型的準確性，在優(yōu)化條件下進行3次試驗，得桑葚汁出汁率為 （75.01±0.37）% ，該試驗結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果基本吻合，驗證了模型的可靠性。

2.4不同型號大孔樹脂對桑葚花青素吸附率和解吸率的影響

吸附-解吸能力是評價大孔吸附樹脂回收目標化合物能力的重要指標。3種大孔吸附樹脂的吸附率和解吸率見圖6。

由圖6可知，AB-8樹脂的吸附率和解吸率均較低，分別為 71.47% 和 39.37% 。D101樹脂的吸附率最高，可達 89.10% ，比AB-8樹脂高 17.63% ;HPD600樹脂的吸附率相較于AB-8樹脂高 7.12% ，這可能與樹脂的物理性質(zhì)有關(guān)，HPD600樹脂為極性樹脂，D101樹脂為弱極性樹脂，故對極性花青素的吸附能力較強，而AB-8樹脂為非極性樹脂，對極性物質(zhì)的吸附能力較弱。HPD6OO樹脂的解吸率最高，吸附在柱子上的花青素有 83.93% 被解吸，解吸率比D101樹脂高 22.69% 這可能與樹脂的極性有關(guān)，D101樹脂為弱極性樹脂，可能對花青素的吸附能力較強，使解吸液無法解吸部分花青素，導(dǎo)致解吸率較HPD600樹脂低。

2.5靜態(tài)吸附-解吸試驗結(jié)果

2.5.1吸附時間對大孔吸附樹脂吸附效果的影響3種大孔樹脂對桑葚汁花青素的靜態(tài)吸附與解吸效果見圖7。

由圖7可知，3種樹脂對桑葚汁花青素的吸附率隨著時間的延長不斷增加，在 6h 后逐漸趨于平穩(wěn)，可能與樹脂接觸桑葚汁的時間有關(guān)，樹脂與桑葚汁接觸的時間越長，吸附率越高， 6h 后趨于平穩(wěn)可能是由于樹脂已吸附飽和。3種樹脂相比，HPD600和D101樹脂表現(xiàn)出較好的吸附性能， ⁶h 時HPD6O0樹脂的吸附率達到76.56% 6～8h 吸附率增長緩慢，僅增長 1.11% ，說明其在 6h 時已基本吸附飽和；非極性的AB-8樹脂的吸附效果較差，在吸附 6～8h 時仍有上升的趨勢，吸附8h時，吸附率僅為 57.19% ，比HPD60O樹脂的吸附率低 20.07% 。

2.5.2解吸液濃度對大孔吸附樹脂解吸率的影響

不同的解吸液濃度對樹脂的解吸率有較大的影響，花青素易溶于水、甲醇、乙醇等極性較大的有機溶劑，故使用不同配比的乙醇-水溶劑解吸桑葚花青素[17]。

由圖8可知，乙醇對HPD600和D101樹脂的解吸效果較AB-8樹脂好，AB-8樹脂的解吸率最高僅達到 41.81% ，HPD600和D101樹脂的解吸率幾乎都在50% 以上。當(dāng)乙醇濃度為 70% 時，AB-8 和 HPD600的解吸率都達到最高，HPD6O0樹脂的解吸率最高，為62.93% ，D101樹脂的解吸率為 54.93% ;D101樹脂在乙醇濃度為 90% 時解吸率相對較高，為58. 18% ，乙醇濃度為 70% 和 90% 時的解吸率僅相差 3.25% ，故考慮經(jīng)濟因素，選擇乙醇溶液濃度為 70% 3種樹脂的最佳解吸液濃度。

2.5.3解吸液 ΔpH 值對大孔吸附樹脂解吸率的影響解吸液 pH 值對大孔吸附樹脂解吸率的影響見圖9。

由圖9可知，3種樹脂的解吸率均隨著 pH 值的增大先增大后減小，當(dāng) pH 值為3時解吸率達到最高，這可能是由于在較低 pH 值下 （pH 值 lt;3 ），花青素主要以紅色的黃烊陽離子形式存在，花青素的糖昔鍵斷裂，從而使花青素濃度較低；當(dāng)pH值為 3～5 時，黃烊陽離子被水親核攻擊而水合，花青素濃度下降[18]。HPD600 樹脂的解吸率高于其余兩種樹脂，當(dāng)pH值為3時，解吸率為 76.68% ；AB-8樹脂的解吸率低于其余兩種樹脂，當(dāng)pH值為3時，解吸率僅為 47.46% ，比HPD600樹脂低 29.22% ，故解吸液最適 pH 值為3。

由靜態(tài)吸附研究可知，3種樹脂相比，由于3種樹脂物理性質(zhì)的差異，HPD600和D101相較于AB-8更適合桑葚汁花青素的提取，故使用HPD600和D101兩種樹脂進行動態(tài)吸附-解吸試驗。

2.6動態(tài)吸附-解吸試驗結(jié)果

2.6.1上樣量對動態(tài)吸附效果的影響

流出桑葚汁中花青素濃度越低，說明吸附效果越好。由圖10可知，在吸附的桑葚汁體積達到22BV時，流出桑葚汁中花青素濃度已達到原桑葚汁花青素濃度的 65% ，且此時桑葚汁已基本吸附飽和[19]，故在吸附的桑葚汁體積為22BV時停止吸附。HPD600樹脂流出桑葚汁的花青素濃度較低，吸附效果較好。

2.6.2解吸液的量對動態(tài)解吸效果的影響

流出解吸液中花青素濃度越高，說明解吸效果越好。由圖11可知，在動態(tài)吸附過程中，兩種樹脂在解吸液體積達到8BV時，流出解吸液中花青素濃度僅為 70mg/L 99% 的花青素被解吸，故最適解吸液體積為8BV。HPD600的解吸效果較D101好。

由動態(tài)吸附-解吸試驗可知，HPD6OO樹脂相較于D101樹脂更適合桑葚汁花青素的吸附。樹脂的吸附解吸效果主要與樹脂極性、溶液極性和大孔樹脂表面積等有關(guān)，兩種樹脂為極性或弱極性樹脂，HPD600樹脂的吸附-解吸效果較好，可能是由于HPD6OO樹脂的比表面積和孔徑比D101樹脂大，故利用HPD600樹脂進行不同流速和使用次數(shù)對吸附桑葚汁花青素的影響研究。

2.6.3 流速對大孔吸附樹脂吸附桑葚汁花青素的影響

由圖12可知，當(dāng)流速為 3mL/min 時，對花青素的吸附效果最好，流速過快，吸附效果較差，可能是由于流速過快，大孔吸附樹脂還未吸附飽和，形成的分子鍵因為流速過快而被破壞；流速快則桑葚汁的停留時間過短，這也可能造成吸附效率降低。

2.6.4 使用次數(shù)對吸附效果的影響

由圖13可知，在吸附8次時，大孔樹脂對桑葚汁花青素的吸附能力并沒有受到太大的影響，說明HPD600樹脂的性能比較穩(wěn)定。吸附同一品種產(chǎn)物的樹脂，當(dāng)樹脂解吸率下降至 30% 以上時，不適宜再生產(chǎn)使用[20]。本工藝中樹脂使用8次，吸附性能未見明顯下降。

2.7 花青素提取率

使用上述最佳工藝提取桑葚汁中花青素，經(jīng)驗證試驗，桑葚汁花青素提取率為 （49.30±1.23）% 。

3結(jié)論

本研究為桑葚花青素的提取提供了一種新的思路。大孔樹脂吸附桑葚汁花青素效率高，但不同型號的大孔樹脂在吸附效率上仍有一定的差異，研究結(jié)果表明，經(jīng)單因素試驗和響應(yīng)面法優(yōu)化后，得到最佳酶解工藝為酶添加量 0.15% 、pH值3.5、酶解時間 3h 、酶解溫度 29^°C 。在優(yōu)化條件下進行3次平行試驗，得到桑葚汁出汁率為（75.01±0.37）% ;HPD600更適合桑葚汁花青素的提取，樹脂的穩(wěn)定性較好，可連續(xù)使用8次。最佳條件：靜態(tài)吸附時間為 ^6h ，最適解吸液濃度為 70% 的乙醇溶液，最適解吸液pH值為3；動態(tài)吸附流速為 3mL/min 時，吸附桑葚汁花青素效果較好；動態(tài)吸附條件下，可連續(xù)吸附22BV桑葚汁；8BV 70% 的乙醇溶液可將桑葚花青素基本解吸。在該條件下，桑葚汁花青素提取率為（49.30±1.23）% 。大孔樹脂將桑葚花青素吸附后，桑葚汁可繼續(xù)利用。大孔樹脂使用方便，生產(chǎn)量大，適宜工廠連續(xù)生產(chǎn)，為桑葚花青素工業(yè)化提取和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

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