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紫薯花青素的提取及在柑橘保鲜中的应用研究

花匠小妙招
2025-01-17 14:24

张在花，常大勇，孙明明，丁玮琳，王琳

（烟台凯多海洋生物研究院有限公司，山东烟台 264000）

花青素又称花色素，主要以糖苷形式存在，因此也被称为花色苷，是构成果实和花瓣颜色的主要色素之一，常存在于植物的花、茎、叶及果实的表皮层细胞中，是使用范围最广的天然色素之一[1-3]。花青素的提取方法主要有溶剂提取法、超声波提取法[4]、酶解法、高压辅助提取法等[5]。其中，因花青素在酸性条件下比较稳定，通常选择酸化乙醇、醋酸、柠檬酸、甲酸等来提取花青素，该法工艺简单、成本低，因而应用较为广泛[6]。紫薯，旋花科一年生草本植物，是生产花青素的主要原料之一，用紫薯提取花青素具有来源丰富、生产成本低等优点，开发前景较好。有研究表明，花青素具有很好的抗氧化、抗突变、抑菌、护肝等功效，在化工、食品、医药及化妆品行业均有很高的应用价值[2-3]。但是目前对紫薯花青素抑菌、防腐及食品保鲜方面的报道较少[7-11]。

关于柑橘保鲜，目前广泛应用化学和生物保鲜法[12]。苯甲酸钠作为一种价格低廉的食品防腐剂，在水果保鲜中应用广泛[13]，将花青素与苯甲酸钠组合能进一步增强对柑橘的贮藏保鲜效果。本实验通过酸性溶剂浸提法提取紫薯中花青素，优化提取工艺，测定紫薯中花青素含量，并研究其对柑橘保鲜效果，为紫薯花青素作为天然水果保鲜剂的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜紫薯，临沂沂蒙薯业种植；新鲜柑橘，当地市场采购。

无水乙醇、醋酸、苯甲酸钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司公司生产；实验用水均为18.2 MΩ·cm 的去离子水，实验室自制。

1.2 仪器与设备

DK-98-1 数显恒温水浴锅，天津市泰斯特仪器有限公司；BSM220 电子天平，上海越平科学仪器有限公司；UV-5 紫外可见分光光度计，青岛维思设备仪器有限公司；DZF-6020 电热恒温鼓风干燥箱，上海三发科学仪器有限公司；TG16W13 离心机，青岛维思设备仪器有限公司；阿贝折光仪，上海卓光仪器科技有限公司；滴定管、CM-RO-C2 超纯水机，青岛维思设备仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯花青素的提取

将新鲜紫薯清洗干净，切成薄片，50 ℃低温干燥至恒质量，粉碎，过1 mm 筛子，备用。采用恒温水浴酸性溶剂浸提法[13]。向盛有一定量的酸化乙醇中准确加入称好的5.00 g 紫薯粉末，摇匀置于恒温水浴锅中，一定温度下加热提取一定时间，将提取液移至离心管中，4500 r/min离心15 min，上清液保存于4 ℃冰箱中。

1.3.2 紫薯花青素提取的单因素试验

乙醇浓度分别为0、15%、30%、45%、60%、80%，pH为3.5，料液比1∶15（g/mL），60 ℃提取2 h，离心，测上清液吸光度A530，每个乙醇浓度平行试验3 次，考察不同乙醇浓度对花青素提取效果的影响。

提取溶剂pH 分别为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5，乙醇浓度45%，料液比1∶15（g/mL），60 ℃提取2 h，离心，测上清液吸光度A530，每个pH 平行试验3 次，考察提取溶剂不同pH 对花青素提取效果的影响。

料液比分别为1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶50（g/mL），乙醇浓度45%，pH 为3.5，60 ℃提取2 h，离心，测上清液吸光度A530，每个料液比平行试验3 次，考察不同料液比对花青素提取效果的影响。

提取温度分别为30、40、50、60、70、80 ℃，乙醇溶度45%，pH 为3.5，料液质量体积比1∶15（g/mL），提取2 h，离心，测上清液吸光度A530，每个温度平行试验3 次，考察不同提取温度对花青素提取效果的影响。

1.3.3 正交试验

以乙醇浓度、提取剂pH、料液比、提取温度为试验要素，依据单因素试验结果，选择3 个最佳水平，以花青素吸光度A530为指标，采用L9(34)正交试验，确定紫薯花青素的最佳提取条件。正交试验设计见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3.4 紫薯花青素含量测定

（1）pH 1.0 缓冲溶液

准确配制0.2 mol/L 盐酸溶液，0.2 mol/L 氯化钾溶液，以67∶25 比例混合后用氯化钾溶液调节其pH 为1.0，4 ℃冰箱保存待用。

（2）pH 4.5 缓冲溶液

准确配制0.2 mol/L 醋酸溶液，0.2 mol/L 醋酸钠溶液，以1∶1 比例混合，4 ℃冰箱保存待用。

（3）紫薯花青素含量测定

采用pH 示差法[14]。计算公式见式（1）。

式中，A为；MW为矢车菊素-3-葡萄糖苷的分子量449.2；DF为稀释倍数；ε为矢车菊素-3-葡萄糖苷的摩尔消光系数26900；L为表示比色皿的光路直径，cm；V为最终体积，mL；Wf为紫薯粉末质量，g。

1.3.5 紫薯花青素对柑橘保鲜效果研究

挑选果实大小均一、无病虫害、无机械损伤、成熟度一致、外观品质基本相同的柑橘120 个，分成4 组，其中3 个处理组分别用10 mg/mL 紫薯花青素溶液、1 mg/mL苯甲酸钠溶液、10 mg/mL 的紫色马铃薯花青素+1 mg/mL苯甲酸钠溶液（体积比为1∶1）浸泡25 min；对照组为无菌水处理。各组处理后用滤纸吸干水分，放置于温度25℃，湿度50%～55%环境中，每隔24 h 测定失重率、腐烂率等，连续测定7 d。所有指标均重复测定3 次，取平均值。其中，柑橘表面有霉斑、褐变或有汁水流出判断为腐烂。计算公式见式（2）。

式中，w为失重率，%；m0为果实的原始质量，g；m为测定时的质量，g。

腐烂率：腐烂程度分为1 级（腐烂面积＜10%），2 级（轻微腐烂，11%＜腐烂面积＜30%），3 级（中度腐烂，31%＜腐烂面积＜50%），4 级（严重腐烂，腐烂面积＞51%）。记录柑橘的腐烂面积，并统计腐烂个数，计算其腐烂率。计算公式见式（3）。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 乙醇浓度对花青素提取效果的影响

由图1 可知，随着乙醇浓度的增加，花青素溶液的吸光度逐渐升高，当乙醇浓度大于60%时，花青素溶液的吸光度随着乙醇浓度的增加而下降。这可能是由于乙醇浓度大于60%，提取液中的杂质不断析出，导致吸光度下降。因此，乙醇浓度为60%，提取效果较好。此外，由图1 可以看出，当乙醇浓度为30%、45%、60%时，花青素含量呈上升趋势，45%与60%提取效果差不多，当浓度增加到75%时，花青素的含量呈明显下降趋势，且提取含量低于45%时的含量，因此，正交试验选择30%、45%、60%。

图1 乙醇浓度对花青素提取效果的影响Fig.1 Effect of ethanol concentration on anthocyanin extraction

2.1.2 提取液pH 对花青素提取效果的影响

由图2（见下页）可知，随着pH 的增加，花青素溶液的吸光度先升高后降低，当提取液pH 为2.5 时，花青素溶液的吸光度最大。主要是因为花青素在酸性条件下稳定，酸性越弱，稳定性越差，进而导致吸光度越低，含量越低。因此，提取液pH 为2.5 时，提取效果较好。

图2 提取液pH 对花青素提取效果的影响Fig.2 Effect of pH of extraction solution on anthocyanin extraction

2.1.3 料液比对花青素提取效果的影响

由图3 可知，随着料液比的减小，花青素溶液的吸光度先升高后降低，当料液比为1∶15 时，花青素溶液的吸光度最高。因此，料液比1∶15 时提取效果较好。

图3 料液比对花青素提取效果的影响Fig.3 Effect of material liquid ratio on anthocyanin extraction

2.1.4 提取温度对花青素提取效果的影响

由图4 可知，随着提取温度的增加，花青素溶液的吸光度先升高后降低，当提取温度为60 ℃时，花青素溶液的吸光度最高，主要是因为高温会使花青素结构发生变化，导致含量降低。因此，提取温度60 ℃时，提取效果较好。

图4 提取温度对花青素提取效果的影响Fig.4 Effect of extraction temperature on anthocyanin extraction

2.2 正交试验结果

由表2 可知，影响紫薯花青素提取效果的因素依次为提取液pH＞料液比＞乙醇浓度＞提取温度，最佳组合为A2B2C2D2，即乙醇浓度为45%，提取液pH 为2.5，料液比1∶15，提取温度60 ℃。经验证，该工艺条件下得到的紫薯花青素含量最高，为61.59 mg/100 g。

表2 正交实验优化结果Table 2 Optimization results of orthogonal experiment

2.3 紫薯花青素含量测定

由表3 可知，以乙醇浓度45%，提取液pH 2.5，料液比1∶15（g/mL），提取温度60 ℃，提取时间2 h 为提取工艺，采用pH 示差法测定紫薯花青素含量，重复实验3 次，花青素含量分别为61.86、60.34、61.86 mg/100 g，花青素含量平均值为61.35 mg/100 g，RSD 为1.43%。这表明该工艺条件的提取率较高，而且工艺稳定。

表3 紫薯花青素含量测定Table 3 Determination of anthocyanin content in purple sweet potato

2.4 紫薯花青素对柑橘保鲜效果

2.4.1 紫薯花青素对柑橘失重率的影响

从图5 可以看出，3 个处理和对照的柑橘随着时间的延长均出现一定的失重现象，但3 个处理的失重率增加幅度明显小于对照。对照组从第3 天开始失重率明显增加，最高失重率达到9.65%，其次是花青素、苯甲酸钠、花青素+苯甲酸钠。说明花青素在一定程度上可以减缓柑橘中的水分流失，可作为一种安全的天然保鲜剂[12]。

图5 不同处理对柑橘失重率的影响Fig.5 Effect of different treatments on weight loss rate of citrus

2.4.2 紫薯花青素对柑橘腐烂率的影响

采用不同方式处理的柑橘腐烂程度有明显差异，结果如图6，对照第2 天开始出现霉斑，第3 天开始出现水浸状斑块，第4 天腐烂现象明显，第6 天腐烂率达到58%。防腐能力依次为花青素+苯甲酸钠＞苯甲酸钠＞花青素＞对照，表明花青素一定程度上可以降低柑橘腐烂率。

图6 不同处理对柑橘腐烂率的影响Fig.6 Effect of different treatments on citrus rot rate

3 结论

紫薯中花青素类色素的含量一般为0.2%～0.8%，有些品种能高达1.2%[15]，其成分主要为矢车菊色素和芍药色素[4]。由于紫薯花青素具有酰化基团，相比于红甘蓝、葡萄皮和紫玉米等植物，其花青素对光、热、空气等的敏感度更低，性质更加稳定[4,16]。生产上从植物如蓝莓、葡萄、草莓等提取花青素，存在生产季节性强、造价高等问题，而从紫薯中提取具有原料来源广、成本低廉的优势。因此，优化紫薯花青素的提取工艺，推动花青素在生产上应用是当前的研究热点。

研究表明，花青素在酸性条件下稳定，所以通常采用酸化溶剂作为提取剂来提取花青素[13-16]。但若酸性太强，会导致紫薯中的其它纤维素在H+的作用下被水解，产生较多的副产物[17-21]，因此本研究采用加入酸性相对较弱的醋酸来调节提取剂的pH。提取溶剂过少，不利于花青素的溶出；而提取剂过多，则有更多淀粉及糖类等杂质溶出，使花青素发生聚合，提取效果下降，因此选择料液比1∶15（g/mL）为最佳提取料液比。此外，由于高温易导致花青素降解，所以选择60 ℃为最佳提取温度。随着提取时间的增加，花青素长时间受热易分解，更多的糖类及淀粉析出，不利于花青素的稳定，因此选择浸提时间为2h。

现代研究表明，花青素具有很显著的抗氧化活性[21]，其抗氧化能力是维生素C 的20 倍，维生素E 的50 倍，不仅能清除自由基，还能延缓维生素E 的氧化和帮助维生素C 的再生[22-24]。由于花青素的抗氧化能力较强，在水果保鲜方面能够影响微生物的代谢反应，阻碍微生物呼吸，抑制外来微生物的入侵，其保鲜能力强于对照，因此可以在一定程度上延缓水果腐烂，延长贮藏时间。