冷冻对甘薯紫色花青素提取的影响

徐 飞， 钮福祥， 孙 建， 朱 红， 岳瑞雪， 张 毅， 张文婷

(江苏徐淮地区徐州农业科学研究所，江苏徐州 221121)

花青素具有抗氧化、抗肿瘤、降血压、降血糖和增强免疫力等众多医疗和营养保健价值[1-2]，而从紫薯中提取花青素是途径之一。花青素的提取方法有多种多样，既有水提取，也有有机溶剂提取和超临界CO2萃取等，如采用0.8%柠檬酸水溶液、柠檬酸-磷酸二氢钠缓冲液和1%盐酸、95%酸化乙醇等作溶剂，采用高速逆流色谱、微波、酶法、超声波、超高压等手段提取，并采用大孔树脂、超滤膜、有机溶剂沉淀，且通过纸层析、薄板层析、柱层析、高效液相、膜分离技术等进行纯化分析[3-8]。工业生产中，用乙醇提取花青素时会造成环境污染、有机溶剂残留及乙醇回收成本高等问题。用水提取时，为提高色素的浸出率，对原料一般采用破碎方法进行处理，破碎越充分浸提效果越好，花青素得率越高，但破碎越细，汁液分离越困难，不仅需要多级多次粗滤、精滤等，过滤速度缓慢，工作量大而复杂，而且耗水量很大，造成成本提高、水资源浪费、效率低下。目前，我国在花青素提取方面受到技术和装备的制约，不仅生产成本高，产品纯度较低，且在国际市场上仅作为初级原料出口，没有任何价格优势和市场竞争力。

花青素在紫色甘薯组织内以游离状态分散、溶解于组织液中，属于水溶性物质，可通过冷冻方法破坏组织细胞，将溶有色素的组织液释放出来，并经溶解、洗脱、分离来提取色素，而其他大部分非水溶性物质则残留在果肉组织中。目前，用新鲜甘薯进行冷冻处理提取花青素的研究鲜见报道。本试验在借鉴现有方法的基础上，采用冷冻提取的方法，即对原料进行冷冻处理后再进行提取和汁液分离，比较其与常规打浆方法对甘薯花青素的提取效率，以期为高纯度花青素的制备提供思路和借鉴，同时达到保证提取率的前提下，能简化工艺、节约溶剂和水资源的目的。

1 材料与方法

1.1 试验仪器与材料

UV-2450型近红外分光光度仪、用于离心沉淀和汁液分离的高速离心机、低温冰箱、烘箱、破碎机；100目的尼龙滤布；pH值为3.0的95%酸化乙醇。徐紫薯3号，由江苏徐州甘薯研究中心提供。

1.2 甘薯花青素提取与含量测定

1.2.1 提取工艺流程

1.2.1.1 打浆提取法 紫薯→清洗→切块→打浆→浸提→过滤→稀释→离心→上清液→测定

↓ ↓

滤渣 沉淀物

1.2.1.2 冷冻提取法 紫薯→清洗→切丁→冷冻→浸提→过滤→稀释→离心→上清液→测定

↓ ↓

滤渣 沉淀物

1.2.2 标准样品制作及试验样品处理

1.2.2.1 标准对照样品的制作 准确称取徐紫薯3号10 g，置于加有500 mL酸化乙醇的破碎机中，充分打浆，移液管吸取10 mL浆液，200 mL酸化乙醇稀释(相当于甘薯总稀释比为1 ∶1 000)，离心沉淀，上清液即为标准对照样品。

1.2.2.2 样品的处理 甘薯样品采取2种处理。冷冻法：准确称取徐紫薯3号若干，切成边长3～10 mm的丁状，酸化乙醇浸泡5 min，滤出薯丁，置于-18～-22 ℃条件下冷冻18～24 h，过滤，滤液待用。常规打浆法：准确称取徐紫薯3号若干，加入适量的酸化乙醇，用破碎机打浆。

1.2.3 花青素的提取

1.2.3.1 不同样品处理方法 将甘薯分别进行切丁冷冻法、常规打浆法提取花青素，料液比为1 g ∶6 mL，滤液稀释至 1 ∶1 000，3 000 r/min离心5 min；取上清液，待测。

1.2.3.2 不同料液比 分别将标准对照样品、冷冻法及常规打浆法处理的样品加入酸化乙醇，使料液比(g ∶mL)分别为1 ∶2、1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12、1 ∶14、1 ∶16；60 ℃水浴锅中缓慢搅拌60 min以加速溶解，冷冻样品须去除解冻时间；用100目尼龙布过滤，残渣用离心机3 000 r/min离心 5 min，分别合并2次滤液；折算料液比，用酸化乙醇将滤液调整至总稀释比为1 ∶1 000，摇匀；3 000 r/min离心5 min；取上清液，待测。

1.2.4 花青素提取率的测定 采用近红外分光光度仪测定上清液波长为525 nm处的吸光度。测定前，用95%酸化乙醇调零。根据吸收峰值，也有采用相近的波长进行测定[3，5-7]。标准对照样品的吸光度(D)视作试验材料中花青素的绝对含量，花青素提取率视作100%。由于吸光度与样品中花青素浓度或含量呈等比正相关[9-10]，因此，提取液样品与标准样品的吸光度比值可表示相对提取率。

1.3 样品不同方法处理的滤液得率

分别将冷冻法及常规打浆法处理的样品加入酸化乙醇，使料液比(g ∶mL)分别为1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5、1 ∶6、1 ∶7、1 ∶8、1 ∶9，以不添加提取剂为对照；离心机 3 000 r/min 离心5 min，统计滤液得率。

1.4 粗提液杂质含量分析

在不加提取溶剂的条件下，分别对冷冻法和常规打浆法处理的样品用100目滤布进行汁液分离，3 000 r/min离心 5 min，得粗提取液；分别采用自然沉淀法静置2 h、3 000 r/min 高速离心法离心5 min、乙醇沉淀法等进行分离，分别得到淀粉、粗颗粒、可溶性膳食纤维等固形物；采用烘干法测定固形物含量。

2 结果与分析

2.1 样品不同处理方法对花青素提取的影响

由图1可知，甘薯标准样品的花青素含量相对最高，冷冻法次之，常规打浆法提取的花青素含量相对最低，与标准对照样品相比，冷冻法、常规打浆法对花青素的提取率分别是标准对照样品的92.04%、78.68%，冷冻法对花青素的提取率相对较高，这一方面是由于物料在-18～-22 ℃冷冻18～24 h，组织内形成的大小均匀且数量多的冰晶足以破坏细胞壁，使组织细胞破坏更加彻底[11]，组织液自由流出，花青素得以充分释放和溶解出来，另一方面，冷冻在彻底破坏组织细胞的同时，由于组织细胞的物质框架结构没有遭到破坏，物料的宏观组织形态保持完整[12]，没有产生细碎的组织颗粒，汁液易于过滤和分离，滤渣中残留量较少，分离彻底；采用打浆方法分离花青素，色素的溶出也比较彻底，但由于组织固形物微细化，汁液分离比较困难，分离不彻底，从而导致汁液得率相对减少，影响了对色素的提取。

2.2 不同料液比对花青素提取的影响

由图2可见，相同料液比条件下，甘薯冷冻法对花青素的提取率高于传统打浆法；随着料液中溶剂的增加(料液比减小)，冷冻法与传统打浆法对甘薯花青素的提取率呈增大趋势，而相互间差距逐渐缩小，并在料液比为1 g ∶8 mL时出现拐点，逐渐趋于平缓。因此，冷冻法提取甘薯花青素用较少的溶剂便可获得较高的提取率，而传统打浆法则需要更多的溶剂才能够获得与之相同的提取率，这也导致在提取剂用量上，前者比后者更节约。另外，提取甘薯花青素比较合理的料液比为1 g ∶8 mL。

2.3 样品不同料液比、不同方法处理的滤液得率

由表1可知，相同离心、同一料液比条件下，经过冷冻法处理的样品滤液得率高于常规打浆法；不同样品处理方法下，料液比越小(溶剂量越大)，样品滤液得率越高；不添加提取溶剂条件下，甘薯样品冷冻法、常规打浆法的滤液得率分别为55.3%、38.3%，两者相差较大。因此，对冷冻法处理的样品，在提取前进行高速离心分离，可将大部分溶有色素的汁液分离出来，再用少量提取剂进行二次提取，可获得较高的花青素得率，同时提取剂用量减少，可大大节约用水，降低能耗。

表1 样品不同料液比、不同方法处理的滤液得率

2.4 粗提液杂质含量分析

由表2可知，甘薯样品打浆法处理，其淀粉、粗颗粒、可溶性膳食纤维含量高于冷冻法处理的样品，分别是冷冻法处理的4.17、3.56、3.71倍，冷冻处理的杂质含量相对较少，这可能是由于冷冻处理只是细胞壁被冰晶穿透，使组织液自由释放，而整个宏观组织保持完整，除部分游离物质外，淀粉、果胶、纤维等物质与细胞壁结合依然比较紧密，从而导致提取液中杂质含量较少，利于过滤、分离和进一步纯化，而常规打浆处理主要通过机械的剪切作用，使构成组织细胞的各种物质被彻底分离和微细化，进而导致提取液的组成多元化、复杂化。

表2 不同处理方法粗提液中杂质含量情况

3 结论与讨论

在提取甘薯花青素过程中，为使花青素充分溶解出来，通常采用鲜薯打浆方法，也有采用紫薯粉末[13]的，但试验的准确性不如鲜薯样品[14]。甘薯样品经冷冻处理，实现了组织细胞微观上的破坏，而宏观组织结构保持完整，既有利于组织液自由释放和溶解，又有利于其过滤分离，滤液得率提高。试验结果表明，相同的料液比条件下，冷冻法较常规打浆法可获得较高的花青素提取率，其经济合理的料液比为1 g ∶8 mL，且冷冻法提取液杂质含量相对较少、纯度高。

须说明的是，冷冻处理时切丁不宜过细小，适当的颗粒度既有利于冷冻，也有利于提取和过滤分离；理论上讲，料液比越小，提取率越高[3-5]，但料液比越小，消耗的溶剂越多，浓缩分离的成本也越高、效率越低，实际生产中要兼顾科学性与合理性。另外，冷冻破坏了组织细胞，增加了组织的通透性[11-12]，更有利于水提取，降低工业产生成本。为能彻底破坏甘薯组织细胞，适宜采用-18～-22 ℃的缓冻条件而不宜采用速冻或过缓冻结方式。