紫马铃薯花色苷的超声辅助提取工艺优化

来源:用户上传      作者:刘德明 张莹 邬克彬 董新荣 刘永贤

　　摘要： 以花色苷含量为响应指标，采用响应面法优化紫马铃薯中花色苷超声辅助提取工艺，结果表明，紫马铃薯中花色苷提取的优化条件是磷酸浓度为1.0%、料液比为1 g ∶5 mL、提取时间为19 min，在该条件下紫马铃薯花色苷的收率平均值为0.409 mg/g。采用稀磷酸提取鲜紫马铃薯花色苷，具有酸用量少、提取效果好的优点。
　　关键词： 紫马铃薯;花色苷;超声提取;料液比;提取时间
　　中图分类号：S532.01;S210.4  文献标志码： A
　　文章编号：1002-1302（2020）05-0181-04
　　  花色素是自然界中一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素，是许多植物花、叶、果的色素类物质，不仅具有抗氧化、清除自由基、抗癌、抗炎及抑菌等生物活性，而且色泽鲜艳、无毒副作用，被广泛应用于食品、医药及保健品行业[1-6]。
　　紫马铃薯（purple potato）为近年引进的马铃薯新品种，表皮及薯肉均为紫黑色[7]，已在我国一些地方进行试种[8-10]。紫马铃薯花色苷中98%为酰化花色苷[11]，种类主要有矮牵牛色素、芍药色素、锦葵色素及飞燕草色素等[12-13]。目前，有关紫马铃薯花色苷的研究还停留在成分分析及抗氧化、清除自由基活性等方面[14-17]，对花色苷的提取主要采用浸提法、超声辅助法、微波辅助法等[18-21]，为增加花色苷提取的稳定性，常在提取溶剂中加入酸性较弱的柠檬酸等，以避免酰基化的花色苷水解[9，22]。
　　柠檬酸为多元中强酸，对花色苷具有较好的护色作用，但价格偏高，会导致花色苷提取的生产成本偏高。磷酸亦为多元酸，与柠檬酸酸性相近，但价格相对较低。本试验考察优化磷酸超声辅助提取紫马铃薯中花色苷的技术参数，旨在为其进一步研究与开发利用提供依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 材料
　　1.1.1 供试材料与试剂 紫马铃薯，购买于甘肃省定西市马铃薯培育种植农场。磷酸、乙酸、柠檬酸、盐酸、无水乙醇，由国药集团化学试剂有限公司提供。
　　1.1.2 仪器与设备 SB25-12DTN型超声波清洗机，由宁波新芝生物科技股份有限公司生产;RE52AA型旋转蒸发器，由上海亚荣生化仪器厂生产;UNICO 2000型可见分光光度计，由尤尼柯（上海）仪器有限公司生产;AX-200型万分之一电子天平，由日本岛津菲律宾Philippines公司生产。
　　1.2 超声辅助提取紫马铃薯花色苷提取溶剂的筛选
　　选取新鲜紫马铃薯用水洗净，待表皮自然风干后，切成大小为2 mm的颗粒;称取8份1 g/份的紫马铃薯颗粒分别放入8个锥形瓶中，分别加入 10 mL 的0.25%盐酸、0.50%盐酸、0.75%磷酸、1.50%磷酸、2.00%柠檬酸、3.00%柠檬酸、3.00%乙酸、4.00%乙酸溶液，室温下超声提取20 min;过滤，收集滤液，用来测定花色苷含量。
　　1.3 花色苷含量的测定
　　参考刘玮等的方法[23]采用pH示差法测定花色苷含量：取适量提取液，分别用pH值为1.0的盐酸-氯化钾和pH值为4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液定容至10 mL，测定在波长分别为520、700 nm处的吸光度D520 nm、D700 nm，计算花色苷收率，具体公式为
　　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为缓冲溶pH值分别为1.0、4.5，波长分别为520、700 nm的吸光度差值;M为花色苷是3-半乳糖矢车菊色素的摩尔质量，计为449.2 g/mol;F为稀释倍数;ε为3-半乳糖矢车菊色素的摩尔消光系数，为 26 900 L/（mol·cm）;V为溶液体积，mL;L为比色皿厚度，为1 cm;m为紫马铃薯质量，g。
　　[BT2+*3]1.4 超声辅助提取紫马铃薯花色苷单因素试验
　　1.4.1 磷酸濃度 分别以浓度为0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%的磷酸溶液为提取液，在料液比为1 g ∶10 mL、超声时间为20 min条件下提取紫马铃薯中的花色苷，并参考刘玮等的方法[23]测定花色苷含量。
　　1.4.2 料液比 以1.00%磷酸溶液为提取液，在料液比（g ∶mL）分别为1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5、1 ∶6、1 ∶7、1 ∶8，超声时间为20 min的条件下提取紫马铃薯中的花色苷，并测定花色苷含量。
　　1.4.3 超声时间 在磷酸溶液浓度为1.00%、料液比为1 g ∶5 mL的条件下，分别超声5.0、7.5、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0 min提取紫马铃薯中的花色苷，并参考刘玮等的方法[23]测定花色苷含量。
　　1.5 响应面法优化超声辅助提取紫马铃薯花色苷工艺及试验验证
　　根据单因素试验结果，以磷酸浓度、超声时间、料液比为超声辅助提取紫马铃薯花色苷的3个主要影响因素，以花色苷收率为响应值，采用Design-Expert 8.0.6软件中的Box-Behnken方法设计试验，因素水平见表1。在此基础上，按照响应面法优化条件，对紫马铃薯花色苷提取条件进行平行试验验证。
　　2 结果与分析
　　2.1 超声辅助提取紫马铃薯花色苷提取溶剂的筛选
　　由图1可知，盐酸在较低的浓度下对紫马铃薯[LL]花色苷有较好的提取效果，但考虑盐酸具有一定的挥发性，不适合用于工业生产;乙酸在高浓度条件下对紫马铃薯花色苷有较好的提取效果，但稍差于1.50%磷酸、3.00%柠檬酸溶液的提取效果;1.50%磷酸与3.00%柠檬酸溶液提取紫马铃薯花色苷的效果较为接近，而工业上也常用3.00%柠檬酸溶液提取花色苷，虽然效果较好，但生产成本偏高。考虑磷酸的酸性[HJ1.6mm]（ka1=7.11×10-3、ka2=6.23×10-8、ka3=4.50×10-13，ka为弱酸电离常数）与柠檬酸（ka1=7.44×10-4、ka2=1.73×10-5、ka3=4.02×10-7）较为相近，且两者均具有较好的络合能力，通过综合比较，筛选出磷酸溶液为提取紫马铃薯花色苷的最优提取溶剂。 　　2.2 超声辅助提取紫马铃薯花色苷单因素试验
　　[CM（20]由图2、图3、图4可知，随着磷酸浓度的增加、料液比的减小、超声时间的延长，紫马铃薯提取液中的花色苷含量呈先升后降趋势，磷酸浓度为1.0%、料液比为1 g ∶5 mL、超声时间为25 min条件下紫马铃薯中花色苷收率相对最高，分别为0.469 2、0.349 0、0.449 2 mg/g。考虑超声时间为20 min 时的紫马铃薯中花色苷收率为0.447 5 mg/g，与超声时间为25 min时差别较小，结合成本因素，确定磷酸浓度为1.0%、料液比为1 g ∶5 mL、超声时间为20 min为紫马铃薯中花色苷相对较好的提取条件。
　　2.3 响应面法优化超声辅助提取紫马铃薯花色苷工艺及试验验证
　　2.3.1 回归模型与方差分析 在单因素试验结果的基础上，以磷酸浓度（A）、超声时间（B）、料液比（C）为自变量，花色苷收率（Y）为响应值，运用Design-Expert软件对表2试验数据进行回归拟合，得到以花色苷收率为响应值的回归方程。
　　 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及回归方程可知，回归模型P值 <0.000 1，表明回归模型极显著（P<0.01）;失拟项P值为0.255 9，>0.05，说明模型失拟项不显著;模型相关系数R2=0.994 8，说明该模型能够解释99.48%的变化， 拟合程度相对较好，[KG*8]可用该模型分析及预测紫马铃薯中花色苷的收率;结合各因素F值大小可知，3个因素对紫马铃薯花色苷提取的影响表现为超声时间>磷酸浓度>料液比。
　　2.3.2 因素交互作用分析 由图5-a可知，超声曲面随时间的变化更陡， 说明超声时间对花色苷收率的影响比磷酸浓度更为明显;料液比一定时，超声时间为15～20 min、磷酸浓度为0.85%～1.15% 时花色苷收率有极大值。由图5-b可知，在控制超声时间不变的情况下，磷酸浓度对花色苷收率影响比料液比更为明显;料液比为1 g ∶3 mL～1 g ∶7 mL、磷酸浓度为0.85%～1.15%时花色苷收率有极大值。由图5-c可知，在控制磷酸浓度不变的情况下，超声时间对花色苷收率的影响比料液比更为明显;料液比为1 g ∶3 mL～1 g ∶7 mL、超声时间为15～25 min时花色苷收率有极大值。
　　2.3.3 验证结果 通过响应面法优化试验得到，紫马铃薯中花色苷的最佳提取工艺参数是磷酸浓度为 0.98%、液料比为1 g ∶4.96 mL、提取时间为 18.92 min，实际应用时调整为提取时间19 min、料液比1 g ∶5 mL、磷酸浓度1.0%，在该条件下得到的花色苷收率平均值为0.409 mg/g，相对标准偏差（RSD）为2.51%，与模型预测值0.411 mg/g相比，差异较小，符合试验预期要求。
　　3 结论与讨论
　　马铃薯生长适应性强，在我国种植面积大，产量高。紫色马铃薯富含花色苷，不仅是一种绿色、健康食品，而且所含花色苷色泽鲜艳、安全性能高，是很好的食品添加剂、保健品及医药制剂原料，具有较高的生产应用价值和很大的市场开发潜力。本研究采用响应面法优化紫马铃薯中花色苷的提取工艺，获得的实际最佳提取条件为提取时间 19 min、料液比1 g ∶5 mL、磷酸浓度1.0%，经验证，试验结果与模型预测结果吻合性较好。以磷酸替代柠檬酸提取花色苷，具有酸浓度降低的特点，同时有利于降低生产成本，可为紫马铃薯中花色苷的深度开发提供科学参考。
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　　收 稿日期：2019-02-26
　　基金项目：广西科技重大专项（编号：桂科AA17202010-02、桂科AA17202026）。
　　作者简介：刘德明（1980—），男，湖北荆州人，硕士，实验师，从事农产品品质分析。E-mail：14050868@qq.com。
　　通信作者：董新荣，博士，教授，从事天然产物化学教学与研究，E-mail：2689112969@qq.com;刘永贤，硕士，副研究员，硕士生导师，从事功能农业与富硒农产品研究，E-mail：46636049@qq.com。
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