西瓜皮中叶绿素提取工艺的研究

时 月， 王宇滨， 李 武， 马 越， 赵晓燕， 张 超

(北京市农林科学院 蔬菜研究中心/果蔬农产品保鲜与加工北京市重点实验室/农业部蔬菜产后处理重点实验室/农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室， 北京 100097)

西瓜(Citrulluslanatus)是我国重要的经济作物，近十年来，我国西瓜生产总量一直居世界首位，2015年全国西瓜播种面积186.07万公顷，总产量7 714.0万t，占全球总产量的66.2%，经济效益显著[1-2]。目前，西瓜主要被鲜食，小部分被加工成为鲜切西瓜、西瓜汁、西瓜粉或西瓜酒等。在加工过程中，约占西瓜质量30%的西瓜皮作为副产物被抛弃。研究显示西瓜皮具有很高的利用价值，其已经在提取果胶、加工果酱果脯、饲料以及药用等方面得到应用[3-4]。

叶绿素是天然的绿色色素来源，具有纯天然和色价高等优点，广泛应用于食品、化工和医药领域。目前，叶绿素的生产原料主要是蚕沙和菠菜，其中蚕沙中叶绿素含量在5～10 mg/(g干重)[5]，菠菜中叶绿素含量在0.524 mg/(g干重)[6]。叶绿素的提取方法包括溶剂提取法[7]、超声波辅助溶剂提取法[8]、微波辅助溶剂提取法[9]、酶处理辅助溶剂提取法等[10]，这些方法各有优缺点。近年来，超高压辅助溶剂提取法已经应用于蓝莓渣花色苷[11]、橙皮果胶[12]、人参的人参皂甙[13]、绿茶茶多酚[14]、龙眼和赤松根抗氧化物质[15-16]的提取，有效地提高了目标组分的产率。但是，使用超高压辅助溶剂提取法提取西瓜皮中叶绿素的研究还鲜有报道。

因此，本文分别采用溶剂提取法和超高压辅助溶剂提取法两种方法对西瓜皮中叶绿素进行提取，优化其工艺参数，比较其叶绿素提取率，以期为西瓜副产物综合利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

西瓜，京欣3号，购于北京果香四溢蔬菜水果超市(曙光花园店)；丙酮和乙醇，均为分析纯。

果蔬削皮机，北京市农林科学院蔬菜研究中心研制；FW100型万能粉碎机，天津泰斯特仪器有限公司；W201型恒温水浴锅，上海申生科技有限公司；MV-1800型分光光度仪，日本岛津仪器有限公司；分析天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；BDS200FL型超高压设备，英国STANSTED(SFP)公司；HP200型热泵干燥箱，中国科学院理化研究所研制。

1.2 西瓜皮粉末的制备

使用果蔬削皮机为西瓜削皮，果皮厚度约1.0 mm，将西瓜皮在60 ℃条件下干燥3～4 h，使用粉碎机粉碎至30目，获得西瓜皮粉末。

1.3 溶剂提取法单因素实验设计

以西瓜皮粉末为原料，研究溶剂提取法的不同参数对叶绿素提取产率的影响。以叶绿素提取率为考察指标进行单因素实验，对溶剂提取法的提取溶剂、料液比、提取温度、提取时间进行考察，确定较佳实验范围。

1.4 超高压辅助溶剂提取法单因素实验设计

按照溶剂提取法的较佳工艺参数进行超高压辅助溶剂提取法的提取，取一定量的西瓜皮粉和提取溶剂，排除空气，真空密封在耐高压聚乙烯袋中，研究超高压处理对西瓜皮叶绿素提取率的影响。单因素实验以叶绿素提取率为考察指标，对超高压处理时间、超高压处理压强、加压次数进行了考察。

1.5 叶绿素含量的测定

将1.3节和1.4节中的提取液过滤，获得叶绿素提取液，分别测定在663和645 nm处的吸光度值，根据Arnon计算公式得到叶绿素总量ρT(mg/L)，见式(1)。

ρT=ρa+ρb=20.29A645+8.05A663。

(1)

再根据式(2)计算样品中叶绿素含量，以每克西瓜皮粉干重中所含叶绿素的质量分数表示。

(2)

其中ω，mg/g；ρT，mg/L；V，样品提取液总体积，mL；m，西瓜皮粉质量，g。

1.6 数据处理

数据采用DPS数据分析软件，Duncan新复极差法进行方差分析，采用Origin 8.0绘图。

2 结果与分析

2.1 溶剂对西瓜皮叶绿素提取率的影响

溶剂是决定溶剂提取法提取率高低的关键因素，参考前人的研究结果，选择φ=95%乙醇、φ=80%丙酮、φ=47.5%乙醇和φ=40%丙酮混合液作为提取溶剂，在料液比1∶5 g/mL(即西瓜皮粉末质量与提取溶剂体积的比例)，提取温度60 ℃，提取时间2 h条件下，考察溶剂对西瓜皮叶绿素提取率的影响，结果见图1。

不同小写字母表示差异性达到显著水平(p<0.05，n=3)。图1 溶剂对西瓜皮叶绿素提率的影响Fig.1 Effect of different solvents on yield of chlorophyll from watermelon peel

由图1可知，φ=80%丙酮获得叶绿素提取率显著高于其他溶剂(p<0.05)。程红艳等[17]研究显示使用丙酮提取浒苔中叶绿素的提取率显著高于乙醇提取，与本实验结果一致。同时，使用φ=80%丙酮与丙酮和乙醇混合提取效果相差不大，这与唐小俊等[18]的研究结果一致。因此，在后续实验中选择φ=80%丙酮作为提取溶剂。

2.2 料液比对西瓜皮叶绿素提取率的影响

用φ=80%丙酮作为提取溶剂，选取料液比分别为1∶5、1∶6、1∶7、1∶8 g/mL在60 ℃环境中提取2 h，考察料液比对西瓜皮叶绿素提取率的影响，结果见图2。

不同小写字母表示差异性达到显著水平(p<0.05，n=3)。图2 料液比对西瓜皮叶绿素提取率的影响Fig.2 Effect of solvent ratio on yield of chlorophyll from watermelon peel

由图2可知，随着溶剂比的增大叶绿素提取率增大，当料液比为1∶7 g/mL时，西瓜皮叶绿素提取率达到最大值，显著高于其他料液比(p<0.05)；当料液比继续增大，叶绿素含量降低。料液比的大小影响着叶绿素的传质动力，料液比大，可能溶剂不能完全将西瓜皮中的叶绿素溶解，且料液比小，会产生溶剂浪费，污染环境[19]。在提取荷叶中叶绿素的研究中，较佳料液比为1∶7 g/mL[20]，与本实验结果相似。

2.3 提取温度对西瓜皮叶绿素提取率的影响

用φ=80%丙酮作为提取溶剂，按照料液比1∶7 g/mL，选取提取温度40、50、60、70 ℃提取2 h，考察提取温度对西瓜皮叶绿素提取率的影响，结果见图3。

不同小写字母表示差异性达到显著水平(p<0.05，n=3)。图3 提取温度对西瓜皮叶绿素提取率的影响Fig.3 Effect of extraction temperature on yield of chlorophyll from watermelon peel

由图3可知，提取温度40和50 ℃获得的叶绿素提取率显著高于其他温度(p<0.05)。该结果可能是由于叶绿素在高温条件发生氧化，从而降低了提取率[21]。因此40～50 ℃为较适宜提取温度。

2.4 提取时间对西瓜皮叶绿素提取率的影响

用φ=80%丙酮作为提取溶剂，按照料液比1∶7 g/mL的比例在50 ℃环境中提取，选取提取时间为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0 h，考察提取时间对西瓜皮叶绿素提取率的影响，结果见图4。

不同小写字母表示差异性达到显著水平(p<0.05，n=3)。图4 提取时间对西瓜皮叶绿素提量的影响Fig.4 Effect of extraction time on yield of chlorophyll from watermelon peel

由图4可知，西瓜皮的叶绿素提取率出现先增加后降低的趋势，在提取时间为1.5 h时，叶绿素提取率达到最高值，为3.92 mg/g，显著高于其他提取时间(p<0.05)。该现象的原因可能在于随着提取时间增加，叶绿素发生降解反应，与陈绍瑗等[22]在桑叶叶绿素提取工艺优化中叶绿素含量随提取时间的变化趋势一致。

综上所述，溶剂提取法得到的较优条件是以φ=80%的丙酮作为提取剂，在提取温度为50 ℃，料液比为1∶7 g/mL的条件下，提取1.5 h，此时叶绿素提取率为3.92 mg/g。

2.5 超高压时间和压强对西瓜皮叶绿素提取率的影响

超高压辅助溶剂提取法选择与溶剂提取法相同的提取溶剂和料液比进行提取，超高压处理时间选择100 MPa加压1次，选取保压时间为10、20、30 min；超高压处理压强选取20、40、60、80、100、200、300 MPa加压1次，保压时间为10 min，分别考察超高压时间和压强对西瓜皮叶绿素提取率的影响，实验结果见图5。

由图5可知，在保压时间为30 min时，叶绿素提取率显著低于10和20 min的叶绿素提取率(p<0.05)，而10和20 min叶绿素提取率差异不显著(p>0.05)，叶绿素提取率最大为3.78 mg/g。

不同小写字母表示差异性达到显著水平(p<0.05，n=3)。图5 超高压辅助溶剂提取法工艺参数对西瓜皮叶绿素提取率的影响Fig.5 Effects of ultra high pressure assisted solvent method parameters on yield of chlorophyll from watermelon peel

叶绿素提取率随超高压处理压力的提高而降低，其中20～60 MPa获得叶绿素提取率最高，显著高于其他压力；当压力为40 MPa时，获得最高的叶绿素提取率，为4.46 mg/g。因此，在20～60 MPa的压力下，即可促进西瓜皮中的叶绿素溶出。于杨[23]运用超高压技术对葱叶中的叶绿素进行提取，结果发现随着压力增大，叶绿素提取率降低，与本实验结果相似。张川等[24]研究发现贮藏压力越高，韭菜的叶绿素含量下降越快。因此，在40 MPa压力下维持10 min为超高压辅助溶剂提取法的较佳工艺条件。

2.6 超高压辅助提取加压次数对西瓜皮叶绿素提取率的影响

选择与溶剂提取法相同的提取溶剂和料液比进行提取，选择超高压处理压力为100 MPa，温度为25 ℃，加压次数为1、2和3次，每次的保压时间为10 min，考察超高压加压次数对西瓜皮叶绿素提取率的影响，实验结果见图6。

由图6可知，随着加压次数的增多，叶绿素提取率降低，在提取第2次时，叶绿素的提取量显著低于第1次的提取量。原因可能是在40 MPa，保压10 min的条件下即可使西瓜皮中的叶绿素提取完全，当加压次数增多，保压时间也随之延长，部分叶绿损失，因而叶绿素提取率降低。

综上所述，超高压辅助溶剂提取得到的最优条件是：以φ=80%的丙酮作为提取剂，在料液比为1∶7 g/mL温度为25 ℃条件下，使用40 MPa加压1次，保压10 min，此时叶绿素提取率为4.46 mg/g。

不同小写字母表示差异性达到显著水平(p<0.05，n=3)。图6 超高压辅助溶剂提取法加压次数对西瓜皮叶绿素提量的影响Fig.6 Effect of numbers of ultra high pressure assisted solvent extraction method on yield of chlorophyll from watermelon peel

2.7 溶剂提取法与超高压辅助溶剂提取法的比较

表1比较溶剂提取法和超高压辅助溶剂提取法较优工艺参数对叶绿素提取率的影响。

表1 溶剂提取法与超高压辅助溶剂提取法的比较

由表1可知，超高压辅助溶剂提取法在减少提取时间90%以上，降低提取温度的前提下，提高叶绿素提取率11.7%。相关研究指出，超高压辅助技术一方面可以通过影响溶剂性质，从而影响提取效果；另一方面则是通过破坏被提取物的细胞结构，提高渗透率，从而加快了传质速率[15]。

3 结 论

本文采用超高压辅助溶剂提取法提取西瓜皮中叶绿素，并优化该方法的工艺参数，最后与传统的溶剂提取法提取效果进行对比。结果显示超高压辅助溶剂提取法比传统的溶剂提取法减少提取时间90%以上，提高叶绿素提取率11.7%。该结论为叶绿素的提取提供新思路，为西瓜副产物的综合利用提供技术手段，具有重要的实践意义。下一步可以对两种提取方法获得叶绿素的色价和功能性等方面进行比较。