馬齒莧紅色素的提取及穩(wěn)定性研究

張強(qiáng) 劉軍海

摘要：以馬齒莧為原料，甜菜堿為提取強(qiáng)化劑，采用超聲輔助提取馬齒莧紅色素，并探究pH、熱、食品添加劑、氧化劑/還原劑、金屬離子以及光照對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，馬齒莧紅色素提取的最佳工藝：以水為提取劑，料液比為1∶30 （g/mL），提取溫度為50 ℃，提取時(shí)間為30 min，甜菜堿用量為0.003 g。在此工藝條件下，馬齒莧紅色素的提取效果最佳。馬齒莧紅色素穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其具有一定的耐酸性、抗氧化作用和抗還原作用，大多數(shù)常用食品添加劑可與馬齒莧紅色素共同使用；高溫易破壞馬齒莧紅色素，在提取及應(yīng)用時(shí)需避免高溫儲(chǔ)存；在實(shí)驗(yàn)或者生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)盡量避免馬齒莧紅色素與含有Fe、Ni、Cr的試劑或者器皿接觸；馬齒莧紅色素可作為食品添加劑，用于含有K+、Na+、Ca2+、Sr2+等對(duì)人體有益的金屬溶液中；不建議在堿性環(huán)境下使用馬齒莧紅色素并且最好采用密封保存。

關(guān)鍵詞：馬齒莧紅色素；超聲波輔助提??；正交實(shí)驗(yàn)；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TS202.3????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：1000-9973（2023）08-0193-06

Study on Extraction and Stability of Red Pigment of Portulaca oleracea L.

ZHANG Qiang， LIU Jun-hai

（Key Laboratory of Catalytic Foundation and Application in Shaanxi Province， School of Chemistry

and Environmental Science，? Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： With Portulaca oleracea L. as the raw material， betaine as the extraction enhancer， ultrasonic-assisted extraction is used to extract Portulaca oleracea L. red pigment. The effects of pH， heat， food additives， oxidizing/reducing agents， metal ions and light on the stability of Portulaca oleracea L. red pigment are investigated. The results show that the optimal extraction process of Portulaca oleracea L. red pigment is as follows： with water as the extraction agent， solid-liquid ratio is 1∶30 （g/mL）， extraction temperature is 50 ℃， extraction time is 30 min and dosage of betaine is 0.003 g. Under these conditions， the extraction effect of red pigment of Portulaca oleracea L. is the best. The stability experiment results of Portulaca oleracea L. red pigment show that it has certain acid resistance， antioxidation and anti-reduction properties， and most commonly used food additives could be used together with Portulaca oleracea L. red pigment. High temperature can easily destroy red pigment of Portulaca oleracea L. and high-temperature storage should be avoided during extraction and application. In the experiment or production process， red pigment of Portulaca oleracea L. should be avoided to contact with reagents such as Fe，Ni and Cr or utensils.? Portulaca oleracea L. red pigment can be used as a food additive in metal solutions containing K+， Na+， Ca2+， Sr2+ that are beneficial to humans. It is not recommended to use Portulaca oleracea L. red pigment in alkaline environment and it is best to store in sealed condition.

Key words： Portulaca oleracea L. red pigment; ultrasonic-assisted extraction; orthogonal experiment; stability

收稿日期：2023-02-07

基金項(xiàng)目：陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023-YBSF-017）

作者簡(jiǎn)介：張強(qiáng)（1983－），男，陜西漢中人，副教授，博士，研究方向：有機(jī)化學(xué)品。

馬齒莧（Portulaca oleracea L.），又名螞蚱菜、馬舌菜等，為馬齒莧科植物的全草，在我國(guó)各地均有分布[1-3]。馬齒莧中含有維生素、多巴胺、多糖、黃酮以及生物堿等多種營(yíng)養(yǎng)成分[4-6]，具有清熱利濕、消炎利尿等功效，既可入藥，又可食用，是我國(guó)衛(wèi)生部劃定的78種藥食同源的野生植物之一[7]。馬齒莧紅色素[8-9]是一種天然植物水溶性色素，其色澤鮮艷、安全無(wú)害，具有一定的抗氧化能力，在醫(yī)藥、保健和食品等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。有關(guān)馬齒莧紅色素提取及穩(wěn)定性的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，因此，進(jìn)一步探究馬齒莧紅色素提取工藝和穩(wěn)定性研究具有重要意義。超聲輔助提取馬齒莧紅色素具有提取時(shí)間短、提取成本低等優(yōu)勢(shì)[10-15]。本文以馬齒莧為原料，采用超聲輔助提取法提取馬齒莧紅色素，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。進(jìn)一步探究pH、熱、食品添加劑、氧化劑/還原劑、金屬離子以及光照對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響，以期為該天然植物色素的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬齒莧：購(gòu)于漢中中藥材市場(chǎng)。濃鹽酸、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇、丙酮、石油醚、乙酸乙酯、無(wú)水甜菜堿、蔗糖、葡萄糖、酒石酸、山梨酸鉀、檸檬酸、苯甲酸鈉、可溶性淀粉、雙氧水、硫代硫酸鈉、過(guò)硫酸銨、抗壞血酸、各種金屬鹽（氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、硫酸鋅、硫酸鎳、氯化錳、氯化鍶、氯化鐵、氯化鉻等）等試劑：均為分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AR124CN電子天平 奧豪斯儀器（常州）有限公司；UV-2600紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 日本島津公司；PHS-3C pH計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；KH19A高速離心機(jī) 湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司；JC-FW-400A粉碎機(jī) 青島聚創(chuàng)環(huán)保集團(tuán)有限公司；DHG-9245A電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SHZ-D（Ⅲ） 循環(huán)水式多用真空泵 上海予英儀器有限公司。

1.3 馬齒莧紅色素的提取與測(cè)定

1.3.1 原料處理

取250 g干凈的馬齒莧于鼓風(fēng)干燥箱中50 ℃烘至絕干，干燥，粉碎，過(guò)100目篩，裝入密封袋中備用。

1.3.2 色素提取

取5.0 g馬齒莧粉末，放置于250 mL干凈的錐形瓶中，按照一定的料液比1∶40 （g/mL），加入200 mL去離子水浸泡，再加入一定量甜菜堿，用保鮮膜密封，于50 ℃超聲浸提30 min，浸提后將提取液于5 000 r/min離心10 min，可得到紅色澄清液體，即為馬齒莧紅色素提取液。

1.3.3 最大波長(zhǎng)的選擇

取上述提取液10 mL加水定容至100 mL待用，在室溫下，以去離子水為空白參比，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在200～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行光譜掃描，測(cè)定馬齒莧的可見(jiàn)紫外光譜特征，確定最大吸收波長(zhǎng)。

1.3.4 浸提溶劑的選擇

取5份1.0 g馬齒莧粉末，分別加入40 mL去離子水、乙醇、丙酮、石油醚、乙酸乙酯，再加入一定量甜菜堿，50 ℃超聲浸提30 min，浸提后離心，分別吸取10 mL提取液，加水定容至100 mL，分別以相對(duì)應(yīng)的提取劑為空白參照，于最大波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度，觀察顏色，確定最佳浸提劑。每組進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1.3.5 提取馬齒莧紅色素的單因素實(shí)驗(yàn)

分別改變不同料液比（g/mL）1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、浸提溫度（30，40，50，60，70 ℃）、浸提時(shí)間（20，30，40，50，60 min）、甜菜堿用量（0，0.001，0.002，0.003，0.004 g）進(jìn)行提取馬齒莧紅色素的單因素實(shí)驗(yàn)，探究這4個(gè)因素對(duì)馬齒莧紅色素提取的影響，每組進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1.3.6 提取馬齒莧紅色素的正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以料液比、浸提溫度、浸提時(shí)間和甜菜堿用量設(shè)計(jì)四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，以空白列為誤差列進(jìn)行提取馬齒莧紅色素的正交實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化馬齒莧紅色素提取工藝。

1.4 馬齒莧紅色素穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

1.4.1 pH值對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

取10 mL馬齒莧紅色素濃縮液，分別采用1 mol/L鹽酸、1 mol/L氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值，在pH 1.0～12.0范圍內(nèi)，以馬齒莧紅色素提取液為參比，在327 nm處測(cè)定吸光度，分析不同pH值對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響。每組進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1.4.2 熱對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

取10 mL pH為4.0～10.0的馬齒莧紅色素濃縮液，分別在不同溫度（30，40，50，60，70 ℃）的恒溫水浴鍋內(nèi)恒溫30 min，待冷卻至室溫后，在327 nm處測(cè)定吸光度。每組進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1.4.3 食品添加劑對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

取5 mL馬齒莧紅色素濃縮液7份，分別加入5 mL濃度均為3%的蔗糖、葡萄糖、苯甲酸鈉、酒石酸、山梨酸鉀、檸檬酸、可溶性淀粉，振蕩，靜置30 min，以未添加食品添加劑的馬齒莧紅色素提取液為參比，在327 nm處測(cè)定吸光度。每組進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1.4.4 氧化劑/還原劑對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

取5 mL馬齒莧紅色素濃縮液4份，分別加入5 mL 2% Na2S2O3、H2O2、（NH4）2S2O8、抗壞血酸溶液，振蕩，靜置30 min，以未添加氧化劑/還原劑的馬齒莧紅色素提取液為參比，在327 nm處測(cè)定吸光度。每組進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1.4.5 金屬離子對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

考慮食品及保健品等添加的常見(jiàn)金屬離子以及生產(chǎn)過(guò)程中接觸的金屬離子，選取氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、硫酸鋅、硫酸鎳、氯化錳、氯化鍶、氯化鐵、氯化鉻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。取5 mL馬齒莧紅色素濃縮液10份，分別加入2 mL濃度為5%的 Fe3+、K+、Mg2+、Zn2+、Na+、Cr3+、Ni2+、Ca2+、Sr2+、Mn2+離子溶液，振蕩，靜置24 h，觀察顏色變化，以未添加金屬離子的馬齒莧紅色素提取液為參比，在327 nm處測(cè)定吸光度。每組進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1.4.6 光照對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

取5 mL馬齒莧紅色素濃縮液2份，分別置于自然光和紫外燈下，每間隔一定時(shí)間，在327 nm處測(cè)定吸光度。每組進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 馬齒莧紅色素浸提劑的選取

按1.3.3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取去離子水、無(wú)水乙醇、丙酮、石油醚、乙酸乙酯等不同溶劑對(duì)馬齒莧進(jìn)行提取研究，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，僅有去離子水的提取液為紫紅色，其他浸提結(jié)果均為無(wú)色或顏色較淺，因此，最佳的浸提劑為去離子水且為水溶性色素。

2.2 馬齒莧紅色素的光譜特征

由1.3.3實(shí)驗(yàn)方法得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

由圖1可知，該色素在327 nm處有最大吸收峰，故測(cè)定時(shí)選用波長(zhǎng)為327 nm。

2.3 超聲波輔助提取馬齒莧紅色素的單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1 料液比對(duì)馬齒莧紅色素浸提效果的影響

按1.3.5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察料液比對(duì)馬齒莧紅色素浸提效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，隨著料液比的增大，馬齒莧紅色素的吸光度增大，當(dāng)料液比為1∶35 （g/mL）時(shí)，吸光度值最大。當(dāng)料液比較小時(shí)，少量提取液就已經(jīng)飽和，隨著料液比的增大，馬齒莧紅色素不斷被浸提出來(lái)，吸光度不斷增大。因此，料液比為1∶35 （g/mL）較適宜。

2.3.2 浸提溫度對(duì)馬齒莧紅色素浸提效果的影響

按1.3.5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察浸提溫度對(duì)馬齒莧紅色素浸提效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著溫度的增加，馬齒莧紅色素的溶解度增加，因此吸光度增加，在60 ℃時(shí)馬齒莧紅色素的吸光度最大。超過(guò)60 ℃吸光度逐漸減小，這是由于在高溫下，大分子的馬齒莧紅色素化學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞，因此過(guò)高的溫度不利于紅色素的浸提。綜合來(lái)看，提取溫度為60 ℃較適宜。

2.3.3 浸提時(shí)間對(duì)馬齒莧紅色素提取的影響

按1.3.5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察浸提時(shí)間對(duì)馬齒莧紅色素浸提效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，隨著浸提時(shí)間的延長(zhǎng)，馬齒莧紅色素的吸光度逐漸增大，但是在25 min后，吸光度值基本趨于平穩(wěn)。這是由于浸提時(shí)間達(dá)到25 min時(shí)，馬齒莧紅色素已基本全部溶出，從浸提經(jīng)濟(jì)成本及生產(chǎn)效率等方面綜合考慮，浸提時(shí)間為25 min較適宜。

2.3.4 甜菜堿用量對(duì)馬齒莧紅色素提取的影響

按1.3.5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察甜菜堿用量對(duì)馬齒莧紅色素浸提效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可知，甜菜堿是表面活性劑，隨著甜菜堿用量的增加，固液接觸面增大，因此浸提效果好。但是繼續(xù)增加甜菜堿用量，吸光度變化不大，這是因?yàn)檫^(guò)多的表面活性劑使得體系產(chǎn)生了一定的乳化現(xiàn)象，不利于紅色素浸提，故甜菜堿用量0.002 g較合適。

2.4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇料液比、浸提溫度、浸提時(shí)間、甜菜堿用量進(jìn)行四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果及極差分析見(jiàn)表2。

由表2可知，影響馬齒莧紅色素提取的4個(gè)因素由大到小為浸提時(shí)間>料液比>甜菜堿用量>浸提溫度，最佳提取條件為料液比1∶35 （g/mL）、浸提溫度60 ℃、浸提時(shí)間30 min、甜菜堿用量0.003 g。

以空白列為誤差列，對(duì)表2中結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，浸提時(shí)間對(duì)馬齒莧紅色素有顯著影響，而其他因素影響不顯著，考慮到浸提成本，可適當(dāng)減小料液比、降低溫度。選取料液比1∶30 （g/mL）、浸提溫度50 ℃、浸提時(shí)間30 min、甜菜堿用量0.003 g為適宜的超聲輔助馬齒莧紅色素浸提工藝。在此條件下按1.3.5進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，吸光度值為0.768 5。

2.5 pH值對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

按1.4.1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察pH值對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知，馬齒莧紅色素在pH≤7時(shí)，吸光度基本穩(wěn)定，說(shuō)明該色素具有一定的耐酸性，而在pH≥8時(shí)吸光度逐漸降低，這可能是因?yàn)閜H過(guò)大，破壞了馬齒莧紅色素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸光度減小，故不建議在堿性環(huán)境下使用馬齒莧紅色素。

2.6 熱對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

按1.4.2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察熱對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可知，隨著溫度的升高，吸光度逐漸增大且顏色逐漸加深，在50～60 ℃吸光度值趨于平穩(wěn)，當(dāng)溫度升高至80 ℃時(shí)，吸光度急速下降，可能是由于溫度過(guò)高破壞了馬齒莧紅色素的結(jié)構(gòu)，表明馬齒莧紅色素的熱穩(wěn)定性較差，因此，在提取及應(yīng)用時(shí)需避免高溫儲(chǔ)存。

2.7 食品添加劑對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

按1.4.3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察食品添加劑對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖8可知，添加可溶性淀粉，馬齒莧紅色素的吸光度值最大，表明可溶性淀粉對(duì)馬齒莧紅色素具有一定的增色作用（可溶性淀粉溶液不透明）；添加葡萄糖和蔗糖，馬齒莧紅色素的吸光度基本不變；添加檸檬酸和酒石酸，馬齒莧紅色素的吸光度略有降低，可能是由于酸性條件下，馬齒莧紅色素會(huì)有極少量發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。綜上，馬齒莧紅色素可與蔗糖、葡萄糖、苯甲酸鈉、酒石酸、山梨酸鉀、檸檬酸、可溶性淀粉等食品添加劑共同使用。

2.8 氧化劑/還原劑對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

按1.4.4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察氧化劑/還原劑對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖9。

由圖9可知，在馬齒莧紅色素中分別加入2%（NH4）2S2O8、2% H2O2、2% Na2S2O3、2%抗壞血酸，其中抗壞血酸使馬齒莧紅色素的吸光度略有增大，其余色素的吸光度趨于平穩(wěn)，故該色素具有一定的抗氧化和抗還原作用。

2.9 金屬離子對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

按1.4.5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察金屬離子對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖10。

由圖10可知，F(xiàn)e3+、Ni2+、Cr3+、Mn2+對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響較大，因此，實(shí)驗(yàn)或者生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)盡量避免與含有Fe3+、Ni2+、Cr3+的試劑或者器皿接觸。而Mg2+、K+、Na+、Zn2+、Ca2+、Sr2+等離子對(duì)色素穩(wěn)定性的影響較小，因此，馬齒莧紅色素可作為食品添加劑，用于含有K+、Na+、Ca2+、Sr2+等對(duì)人體有益的金屬溶液中。

2.10 光照對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響

按1.4.6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察光照對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖11。

由圖11可知，自然光對(duì)馬齒莧紅色素穩(wěn)定性的影響較小，而紫外光對(duì)色素的影響較大。色素的吸光度隨著紫外光照射時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，可能是由于紫外線使色素發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化。陽(yáng)光中有較強(qiáng)的紫外光，因此，應(yīng)當(dāng)避免在陽(yáng)光下直射馬齒莧紅色素。自然光對(duì)色素的影響不大，但也有影響。綜上，在馬齒莧紅色素的使用過(guò)程中，最好采用密封保存。

3 結(jié)論

超聲輔助浸提馬齒莧紅色素的最佳提取工藝條件為料液比1∶30 （g/mL）、浸提溫度50 ℃、浸提時(shí)間30 min、甜菜堿用量0.003 g。

馬齒莧紅色素具有一定的耐酸性，耐堿性較差，不建議在堿性環(huán)境下使用馬齒莧紅色素；高溫易破壞馬齒莧紅色素，在提取及應(yīng)用時(shí)需避免高溫儲(chǔ)存；馬齒莧紅色素可與蔗糖、葡萄糖、苯甲酸鈉、酒石酸、山梨酸鉀、檸檬酸、可溶性淀粉等食品添加劑共同使用；馬齒莧紅色素具有一定的抗氧化和抗還原作用；實(shí)驗(yàn)或者生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)盡量避免馬齒莧紅色素與含有Fe、Ni、Cr的試劑或者器皿接觸，馬齒莧紅色素可作為食品添加劑，用于含有K+、Na+、Ca2+、Sr2+等對(duì)人體有益的金屬溶液中；馬齒莧紅色素的使用過(guò)程中，最好采用密封保存。

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