超声波辅助提取紫薯花青素及抗氧化性研究

田喜强，董艳萍

（绥化学院 食品与制药工程学院，黑龙江 绥化 152061）

花青素是一类水溶性类黄酮化合物[1]，其抗氧化性能是维生素C的20倍、维生素E的50倍。花青素对100多种疾病有预防和治疗作用[2-4]，被誉为继水、蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质之后的第七大必需营养素[5-7]。随着食品着色剂（合成色素）安全性的降低，天然色素作为食品着色剂在世界范围的使用量不断增加，越来越多的天然色素被研发，近年来，人们对花青素提取进行了较深入的研究，取得了可喜的成果[8-12]。目前，已开发成功的花青素有葡萄皮红色素、萝卜红色素、紫玉米色素、紫甘蓝色素等[13]，这些色素稳定性差，且含杂质多，因此其的应用和开发受到一定的限制，紫薯色素具有纯天然效应和营养功能，应用于食品中安全性高，具有很强的抗氧化活性和稳定性[14-15]，对人体无害而成为研究热点。本研究在超声波辅助条件下，考察了提取紫薯中花青素的最佳工艺，对提取的紫薯花青素进行了抗氧化性研究，探讨了花青素的抗氧化性能，为紫薯花青素的进一步应用提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

紫薯：市售，干燥粉碎后过80目筛。乙酸、硫酸盐铁、水杨酸、乙醇均为分析纯：天津市滨海科迪化学试剂有限公司。抗坏血酸：上海博湖生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

TU-1901紫外可见分光光度计：北京普析通用公司；KQ300VDE双频超声清洗仪：昆山超声仪器公司；RE52A旋转蒸发仪：上海亚荣仪器公司；G-903 MB数显鼓风干燥箱：天津市泰斯特仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 紫薯花青素的提取工艺流程

将新鲜的紫薯洗净沥干→切成薄片60℃烘箱中干燥至质量恒定→粉碎→筛分（80目筛）→称取适量紫薯粉→超声处理（乙酸浸提）→抽滤→色素粗提液→旋转蒸发→冷冻干燥→色素粗提物。

1.3.2 实验设计

以紫薯为实验材料，分析提取温度、浸提时间、料液比和提取液浓度对花青素提取的影响。在确定了超声功率为300W、最佳溶剂为乙酸的水溶液条件下，对料液比（g/mL）、提取液浓度、水浴温度（℃）、浸提时间（min）4个因素进行实验设计。参照杨朝霞[16]的方法，将一定量的花青素样品溶于pH为3.0的柠檬酸-磷酸氢二钠的缓冲溶液中，并测定其最大吸收波长下的花青素吸光度值，利用朗伯-比尔定律换算。

提取料液比的影响：量取10mL、15mL、20mL、25mL、30mL的15%乙酸，分别加入1.0g紫薯粉，在300W功率超声60min，保持水温为40℃条件下浸提，减压过滤，收集滤液，得到的沉淀再分别加入等体积上述溶液提取，将滤液合并，定容至100mL。通过紫外分光光度计在波长525nm处测定其吸光度值，确定料液比。

提取液体积分数的影响：量取20mL体积分数为5%、10%、15%、20%、25%的乙酸，分别加入1.0g紫薯粉，在300W功率超声60min，40℃恒温超声提取，减压过滤，收集滤液，沉淀利用20mL上述溶液再次溶解提取，将滤液合并，定容至100mL。通过紫外分光光度计在波长525nm处测定其吸光度值，确定乙酸最佳浓度。

水浴温度的影响：量取20mL的15%乙酸，加入1.0g紫薯粉，在300W功率下超声，水浴温度分别控制在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃恒温浸提60min，减压过滤，收集滤液，得到的沉淀分别加入20mL上述溶液溶解提取，将滤液合并，定容至100mL。通过紫外分光光度计在波长525nm处测定其吸光度值，确定最好的水浴提取温度。

提取时间的影响：量取20mL的15%乙酸，加入1.0g紫薯粉，在300W功率超声，保持水浴40℃恒定浸提，时间分别为30min、45min、60min、75min、90min，减压过滤，收集滤液，沉淀再利用20mL上述溶液溶解提取，合并滤液，定容至100mL。稀释2倍后，通过紫外分光光度计在波长525nm处测定其吸光度值，确定最佳提取时间。

1.3.3 花青素抗氧化性实验

清除羟基自由基实验：取1mL 8mmol/L硫酸亚铁、1mL 8mmol/L的水杨酸-乙醇和1mL样品放入反应器，然后加入1mL 8.8mmol/L的过氧化氢，在38℃水浴中反应40min。利用二次蒸馏水作参比液，空白对照品以超纯水代替样品，对照品以抗坏血酸代替样品，每个处理重复3次。在520nm波长处测吸光度值，3次取平均值，羟基自由基清除率按下式计算：

式中：A0、A1分别为空白与样品的平均吸光度值。

2 结果与分析

2.1 花青素最大吸收波长的确定

取一定量紫薯花青素提取液用15%乙酸溶液稀释至适当浓度，使用紫外可见分光光度法在400～700nm波长范围内测试吸光度，确定花青素提取液的最大吸收波长。使用TU-1901紫外可见分光光度计对紫薯中花青素提取液进行扫描。平行扫描3次，结果如图1，花青素提取液最大吸收波长为525nm。

图1 紫薯花青素的紫外扫描图Fig.1 UV scan of purple potato anthocyanins

2.2 料液比的影响

料液比对紫甘薯花青素提取量的影响见图2。在300W超声辅助下，以体积分数15%的乙酸溶液为提取液，固定提取时间和提取温度，改变提取的料液比进行紫薯花青素的提取，在波长525nm处测定其吸光度值。由图2可知，在提取料液比1∶10～1∶25的区间内吸光度值随乙酸体积分数的增大而升高，在料液比为1∶25时达到最大吸收，当料液比超过这个值时吸光度值减小，说明最适提取料液比为1∶25。而且提取料液比超过1∶25，过滤和提取后溶剂的回收会有较大的困难。因此，料液比最佳值为1∶25。

图2 料液比对紫薯花青素提取的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on anthocyanin extraction

2.3 乙酸体积分数的影响

图3 乙酸体积分数对紫薯花青素提取的影响Fig.3 Effect of the acetic acid volume fraction on anthocyanin extraction

改变乙酸体积分数对紫薯花青素进行提取情况见图3。由图3可知，用乙酸作提取溶液时，当乙酸体积分数为15%提取效果最好，体积分数＜15%时，随着乙酸体积分数的增大，提取效率增加，但体积分数大于15%时，提取效率呈下降的趋势，且变化不大，所以确定体积分数15%的乙酸溶液为花青素最佳提取液。

2.4 水浴温度的影响

温度对提取效果的影响见图4。由图4可知，20～40℃温度范围内，溶液的吸光度值随水浴温度的升高而增加，表明花青素提取效果随温度升高而变好。随着温度的升高，增加可溶性物质的溶解度和扩散速度，在40～60℃范围内，吸光度值不稳定，花青素的提取率低于40℃时的提取率，并且对能源的消耗较高。同时当温度过高，一些不稳定成分就可能变质或分解，因此，水浴40℃为最适宜提取温度。

图4 水浴温度对紫薯花青素提取效果的影响Fig.4 Effect of water bath temperature on anthocyanin extraction

2.5 提取时间的影响

不同提取时间对紫薯花青素提取的影响见图5。由图5可知，提取时间在30～60min内变化时，随提取时间增加花青素溶出的更多。60min花青素的提取量达到最大。然而，在提取时间60～90min内变化时，吸光度值随提取时间增加而降低。可能是因为花青素发生水解的速率过大，导致吸光度值下降。所以，60min为最佳提取时间。

图5 提取时间对紫薯花青素提取效果的影响Fig.5 Effect of extraction time on anthocyanin extraction

2.6 清除羟基自由基效果

花青素对羟基自由基的清除率结果见图6。由图6可知，低质量浓度下花青素清对羟基自由基清除率显著强于抗坏血酸。在pH为7.0 时，质量浓度为0.1mg/mL的花青素对羟基自由基清除率达到50%，而抗坏血酸的质量浓度为0.2mg/mL对羟基自由基清除率才达到50%。所以，花青素清除羟基自由基的能力明显强于抗坏血酸。

图6 抗坏血酸和花青素清除羟自由基的能力比较Fig.6 Comparison of the scavenge hydroxyl radicals ability between ascorbic acid and anthocyanins

3 结论

紫薯富含天然花青素，其色泽鲜艳，且具有显著的自由基清除能力，防突变，是不可多得的兼具营养、保健和着色等功能的生理活性物质。本实验通过对紫甘薯中花青素提取工艺优化及抗氧化性研究，结果表明，在功率300W超声波辅助下，采用体积分数为15%乙酸作为提取剂，在温度40℃、时间60min、料液比1∶25条件下花青素提取效果最好。而且pH=7.0 时，花青素清除羟基自由基的能力强于抗坏血酸。0.1mg/mL的花青素清除羟基自由基达到50%，且低浓度下花青素清除羟基自由基的效率明显优于抗坏血酸。

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