紫馬鈴薯花色苷的超聲輔助提取工藝優(yōu)化

劉德明 張瑩 鄔克彬 董新榮 劉永賢

摘要： 以花色苷含量為響應(yīng)指標(biāo)，采用響應(yīng)面法優(yōu)化紫馬鈴薯中花色苷超聲輔助提取工藝，結(jié)果表明，紫馬鈴薯中花色苷提取的優(yōu)化條件是磷酸濃度為1.0%、料液比為1 g ∶5 mL、提取時(shí)間為19 min，在該條件下紫馬鈴薯花色苷的收率平均值為0.409 mg/g。采用稀磷酸提取鮮紫馬鈴薯花色苷，具有酸用量少、提取效果好的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 紫馬鈴薯;花色苷;超聲提取;料液比;提取時(shí)間

中圖分類(lèi)號(hào)：S532.01;S210.4? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）05-0181-04

花色素是自然界中一類(lèi)廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，是許多植物花、葉、果的色素類(lèi)物質(zhì)，不僅具有抗氧化、清除自由基、抗癌、抗炎及抑菌等生物活性，而且色澤鮮艷、無(wú)毒副作用，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥及保健品行業(yè)[1-6]。

紫馬鈴薯（purple potato）為近年引進(jìn)的馬鈴薯新品種，表皮及薯肉均為紫黑色[7]，已在我國(guó)一些地方進(jìn)行試種[8-10]。紫馬鈴薯花色苷中98%為?；ㄉ誟11]，種類(lèi)主要有矮牽牛色素、芍藥色素、錦葵色素及飛燕草色素等[12-13]。目前，有關(guān)紫馬鈴薯花色苷的研究還停留在成分分析及抗氧化、清除自由基活性等方面[14-17]，對(duì)花色苷的提取主要采用浸提法、超聲輔助法、微波輔助法等[18-21]，為增加花色苷提取的穩(wěn)定性，常在提取溶劑中加入酸性較弱的檸檬酸等，以避免酰基化的花色苷水解[9，22]。

檸檬酸為多元中強(qiáng)酸，對(duì)花色苷具有較好的護(hù)色作用，但價(jià)格偏高，會(huì)導(dǎo)致花色苷提取的生產(chǎn)成本偏高。磷酸亦為多元酸，與檸檬酸酸性相近，但價(jià)格相對(duì)較低。本試驗(yàn)考察優(yōu)化磷酸超聲輔助提取紫馬鈴薯中花色苷的技術(shù)參數(shù)，旨在為其進(jìn)一步研究與開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料與試劑 紫馬鈴薯，購(gòu)買(mǎi)于甘肅省定西市馬鈴薯培育種植農(nóng)場(chǎng)。磷酸、乙酸、檸檬酸、鹽酸、無(wú)水乙醇，由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

1.1.2 儀器與設(shè)備 SB25-12DTN型超聲波清洗機(jī)，由寧波新芝生物科技股份有限公司生產(chǎn);RE52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，由上海亞榮生化儀器廠生產(chǎn);UNICO 2000型可見(jiàn)分光光度計(jì)，由尤尼柯（上海）儀器有限公司生產(chǎn);AX-200型萬(wàn)分之一電子天平，由日本島津菲律賓Philippines公司生產(chǎn)。

1.2 超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷提取溶劑的篩選

選取新鮮紫馬鈴薯用水洗凈，待表皮自然風(fēng)干后，切成大小為2 mm的顆粒;稱(chēng)取8份1 g/份的紫馬鈴薯顆粒分別放入8個(gè)錐形瓶中，分別加入 10 mL 的0.25%鹽酸、0.50%鹽酸、0.75%磷酸、1.50%磷酸、2.00%檸檬酸、3.00%檸檬酸、3.00%乙酸、4.00%乙酸溶液，室溫下超聲提取20 min;過(guò)濾，收集濾液，用來(lái)測(cè)定花色苷含量。

1.3 花色苷含量的測(cè)定

參考劉瑋等的方法[23]采用pH示差法測(cè)定花色苷含量：取適量提取液，分別用pH值為1.0的鹽酸-氯化鉀和pH值為4.5的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液定容至10 mL，測(cè)定在波長(zhǎng)分別為520、700 nm處的吸光度D520 nm、D700 nm，計(jì)算花色苷收率，具體公式為

花色苷收率=D·M·F·V/（ε·L·m）;

D=（D520 nm）pH值=1.0-（D700 nm）pH值=4.5。

式中：D為緩沖溶pH值分別為1.0、4.5，波長(zhǎng)分別為520、700 nm的吸光度差值;M為花色苷是3-半乳糖矢車(chē)菊色素的摩爾質(zhì)量，計(jì)為449.2 g/mol;F為稀釋倍數(shù);ε為3-半乳糖矢車(chē)菊色素的摩爾消光系數(shù)，為 26 900 L/（mol·cm）;V為溶液體積，mL;L為比色皿厚度，為1 cm;m為紫馬鈴薯質(zhì)量，g。

[BT2+*3]1.4 超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷單因素試驗(yàn)

1.4.1 磷酸濃度 分別以濃度為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%的磷酸溶液為提取液，在料液比為1 g ∶10 mL、超聲時(shí)間為20 min條件下提取紫馬鈴薯中的花色苷，并參考劉瑋等的方法[23]測(cè)定花色苷含量。

1.4.2 料液比 以1.00%磷酸溶液為提取液，在料液比（g ∶mL）分別為1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5、1 ∶6、1 ∶7、1 ∶8，超聲時(shí)間為20 min的條件下提取紫馬鈴薯中的花色苷，并測(cè)定花色苷含量。

1.4.3 超聲時(shí)間 在磷酸溶液濃度為1.00%、料液比為1 g ∶5 mL的條件下，分別超聲5.0、7.5、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0 min提取紫馬鈴薯中的花色苷，并參考劉瑋等的方法[23]測(cè)定花色苷含量。

1.5 響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷工藝及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以磷酸濃度、超聲時(shí)間、料液比為超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷的3個(gè)主要影響因素，以花色苷收率為響應(yīng)值，采用Design-Expert 8.0.6軟件中的Box-Behnken方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，因素水平見(jiàn)表1。在此基礎(chǔ)上，按照響應(yīng)面法優(yōu)化條件，對(duì)紫馬鈴薯花色苷提取條件進(jìn)行平行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷提取溶劑的篩選

由圖1可知，鹽酸在較低的濃度下對(duì)紫馬鈴薯[LL]花色苷有較好的提取效果，但考慮鹽酸具有一定的揮發(fā)性，不適合用于工業(yè)生產(chǎn);乙酸在高濃度條件下對(duì)紫馬鈴薯花色苷有較好的提取效果，但稍差于1.50%磷酸、3.00%檸檬酸溶液的提取效果;1.50%磷酸與3.00%檸檬酸溶液提取紫馬鈴薯花色苷的效果較為接近，而工業(yè)上也常用3.00%檸檬酸溶液提取花色苷，雖然效果較好，但生產(chǎn)成本偏高?？紤]磷酸的酸性[HJ1.6mm]（ka1=7.11×10-3、ka2=6.23×10-8、ka3=4.50×10-13，ka為弱酸電離常數(shù)）與檸檬酸（ka1=7.44×10-4、ka2=1.73×10-5、ka3=4.02×10-7）較為相近，且兩者均具有較好的絡(luò)合能力，通過(guò)綜合比較，篩選出磷酸溶液為提取紫馬鈴薯花色苷的最優(yōu)提取溶劑。

2.2 超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷單因素試驗(yàn)

[CM（20]由圖2、圖3、圖4可知，隨著磷酸濃度的增加、料液比的減小、超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，紫馬鈴薯提取液中的花色苷含量呈先升后降趨勢(shì)，磷酸濃度為1.0%、料液比為1 g ∶5 mL、超聲時(shí)間為25 min條件下紫馬鈴薯中花色苷收率相對(duì)最高，分別為0.469 2、0.349 0、0.449 2 mg/g?？紤]超聲時(shí)間為20 min 時(shí)的紫馬鈴薯中花色苷收率為0.447 5 mg/g，與超聲時(shí)間為25 min時(shí)差別較小，結(jié)合成本因素，確定磷酸濃度為1.0%、料液比為1 g ∶5 mL、超聲時(shí)間為20 min為紫馬鈴薯中花色苷相對(duì)較好的提取條件。

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取紫馬鈴薯花色苷工藝及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 回歸模型與方差分析 在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以磷酸濃度（A）、超聲時(shí)間（B）、料液比（C）為自變量，花色苷收率（Y）為響應(yīng)值，運(yùn)用Design-Expert軟件對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到以花色苷收率為響應(yīng)值的回歸方程。

Y=-0.698 15+0.887 19A+0.127 49B+0.038 17C+3.093 75×10-3AB+3.293 75×10-3AC+1.011 25×10-3BC-0.494 86A2-0.015 09B2-1.225 78×10-3C2（R2=0.994 8）。

由表3及回歸方程可知，回歸模型P值 <0.000 1，表明回歸模型極顯著（P<0.01）;失擬項(xiàng)P值為0.255 9，>0.05，說(shuō)明模型失擬項(xiàng)不顯著;模型相關(guān)系數(shù)R2=0.994 8，說(shuō)明該模型能夠解釋99.48%的變化， 擬合程度相對(duì)較好，[KG*8]可用該模型分析及預(yù)測(cè)紫馬鈴薯中花色苷的收率;結(jié)合各因素F值大小可知，3個(gè)因素對(duì)紫馬鈴薯花色苷提取的影響表現(xiàn)為超聲時(shí)間>磷酸濃度>料液比。

2.3.2 因素交互作用分析 由圖5-a可知，超聲曲面隨時(shí)間的變化更陡， 說(shuō)明超聲時(shí)間對(duì)花色苷收率的影響比磷酸濃度更為明顯;料液比一定時(shí)，超聲時(shí)間為15～20 min、磷酸濃度為0.85%～1.15% 時(shí)花色苷收率有極大值。由圖5-b可知，在控制超聲時(shí)間不變的情況下，磷酸濃度對(duì)花色苷收率影響比料液比更為明顯;料液比為1 g ∶3 mL～1 g ∶7 mL、磷酸濃度為0.85%～1.15%時(shí)花色苷收率有極大值。由圖5-c可知，在控制磷酸濃度不變的情況下，超聲時(shí)間對(duì)花色苷收率的影響比料液比更為明顯;料液比為1 g ∶3 mL～1 g ∶7 mL、超聲時(shí)間為15～25 min時(shí)花色苷收率有極大值。

2.3.3 驗(yàn)證結(jié)果 通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)得到，紫馬鈴薯中花色苷的最佳提取工藝參數(shù)是磷酸濃度為 0.98%、液料比為1 g ∶4.96 mL、提取時(shí)間為 18.92 min，實(shí)際應(yīng)用時(shí)調(diào)整為提取時(shí)間19 min、料液比1 g ∶5 mL、磷酸濃度1.0%，在該條件下得到的花色苷收率平均值為0.409 mg/g，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為2.51%，與模型預(yù)測(cè)值0.411 mg/g相比，差異較小，符合試驗(yàn)預(yù)期要求。

3 結(jié)論與討論

馬鈴薯生長(zhǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，在我國(guó)種植面積大，產(chǎn)量高。紫色馬鈴薯富含花色苷，不僅是一種綠色、健康食品，而且所含花色苷色澤鮮艷、安全性能高，是很好的食品添加劑、保健品及醫(yī)藥制劑原料，具有較高的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值和很大的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力。本研究采用響應(yīng)面法優(yōu)化紫馬鈴薯中花色苷的提取工藝，獲得的實(shí)際最佳提取條件為提取時(shí)間 19 min、料液比1 g ∶5 mL、磷酸濃度1.0%，經(jīng)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果吻合性較好。以磷酸替代檸檬酸提取花色苷，具有酸濃度降低的特點(diǎn)，同時(shí)有利于降低生產(chǎn)成本，可為紫馬鈴薯中花色苷的深度開(kāi)發(fā)提供科學(xué)參考。

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收 稿日期：2019-02-26

基金項(xiàng)目：廣西科技重大專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：桂科AA17202010-02、桂科AA17202026）。

作者簡(jiǎn)介：劉德明（1980—），男，湖北荊州人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，從事農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析。E-mail：14050868@qq.com。

通信作者：董新榮，博士，教授，從事天然產(chǎn)物化學(xué)教學(xué)與研究，E-mail：2689112969@qq.com;劉永賢，碩士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，從事功能農(nóng)業(yè)與富硒農(nóng)產(chǎn)品研究，E-mail：46636049@qq.com。