仙人掌果色素的提取工艺优化及其稳定性研究

温春燕 王彩霞 张俊豪 王辰宇 郭大龙 连海婷 曹君

摘  要：为充分开发利用仙人掌果色素，本研究在单因素试验基础上，通过L9（34）正交试验优化溶剂浸提法提取海南野生仙人掌果色素，并研究了pH、温度、光照、金属离子等对色素稳定性的影响。结果表明，仙人掌果色素的最佳提取工艺条件为pH 7.5的水溶液，料液比1∶20（g/mL），浸提温度30 ℃，浸提时间10 min，在此条件下，仙人掌果色素得率可达7.75%;仙人掌果色素在pH 4～10，温度低于30 ℃，避光下较稳定;金属离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+对色素的稳定性无明显影响，而Cu2+、Fe2+、Fe3+、Al3+均会降低色素的稳定性，其中Cu2+、Fe3+对色素稳定性的破坏最大;氧化剂H2O2、还原剂Na2SO3、维生素C均降低色素的稳定性。

关键词：仙人掌果色素;溶剂浸提;工艺优化;正交试验;稳定性

中图分类号：TS202.3      文献标识码：A

Abstract： A solvent extraction technique was developed to extract the pigment from the wild cactus fruit in Hainan and optimized using the L9 （34） orthogonal test. The stability of the pigment to pH， temperature， light， metal ions and so on was also investigated. The optimal extraction conditions using distilled water were 10 min at pH 7.5 and 30 ℃ with a solid/liquid ratio 1∶20 （g/mL）. Under the conditions， the yield of pigment was up to 7.75%. The pigment had good stability under pH 4～10， temperature less than 30 ℃， darkness conditions. The metal ions such as Na+， K+， Ca2+， Mg2+ had no obvious effect on the stability of the pigment. However， metal ions Cu2+， Fe2+， Fe3+， Al3+ could worsen its stability， especially Cu2+ and Fe3+. Oxidizing agent， reducing agent Na2SO3 and Vc reduced the stability of the pigment.

Keywords： cactus fruit pigment; solvent extraction; process optimization; orthogonal design; stability

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.04.023

仙人掌（Opuntia），又名先巴掌、觀音掌、霸王树、龙舌等，为仙人掌科仙人掌属多年生常绿肉质灌木状植物[1-3]。其原产于南美洲，现在我国海南、广东、广西、云南、四川及东南亚等热带、亚热带地区均有分布[4-5]。仙人掌果，又名仙掌子，为仙人掌的果实。其表皮呈紫色、青绿色或金黄色，果浆呈紫红色，味酸甜。仙人掌果富含糖、氨基酸、有机酸、维生素、矿物质、果胶、黄酮类等营养物质，具有清热解毒、提高免疫力、抗肿瘤、降低血压血糖、清除自由基、镇痛等作用[6-13]。

色素，分为天然色素和合成色素2种。研究表明，大部分合成色素均有不同程度的毒性，危害人体健康[14-15]。与之相比，天然色素无毒无害，营养价值高，且具有一定的生物活性[16-17]。近年来，合成色素由于安全性差，在品种和数量上均受到了严格的限制。有文献报道，在欧美日等发达国家和地区，天然色素已成为主要的食品着色剂。在我国，自80年代以来，列入食品添加剂卫生标准的天然食用色素品种从几种增加到几十种，相反，批准使用的合成色素已经减为9种[18]。但目前国内外天然色素的种类和数量还比较少，远远满足不了食品、化妆品及药品等行业的发展需求。因此，研究开发新的天然色素具有一定的实际意义。

仙人掌果富含色素。据文献报道，仙人掌果色素为甜菜苷类化合物[7]。仙人掌果色素色泽鲜艳，水溶性好，无毒无害，是一种优质的天然色素[7]。但目前国内对仙人掌果的研究多集中于多糖上，对色素的研究相对较少。目前，色素的提取方法主要有溶剂浸提法，酶提取法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法、超临界CO2提取法等[19-20]。溶剂浸提法是最简单、最常用的方法，工艺简单易行，且提取成本低，但其存在一定的溶剂残留问题;酶提取法不仅可以有效快速地得到目标色素，还能有效去除淀粉、蛋白质、果胶等一系列杂质，但由于酶的活性条件较苛刻，难以运用到实际的生产中;微波辅助提取法具有提取时间短，选择性好，回收率高，试剂用量少，污染低等优点，但因其辐射大，具有明显的热效应，只适用于受温度影响比较小的物料;超声波辅助提取法具有简便快捷，高速高效，无需加热等优点，但超声波发生器噪音大，造成严重的噪音污染，对提取容器壁的厚度要求繁琐，难以进行工业化应用。在天然色素的开发利用过程中，除了提取方法外，色素稳定性的考察亦尤为重要。色素产品需具有良好的稳定性才能满足加工环节中各种条件的变化。

海南岛属热带海洋性气候，阳光充足，自然生长着大量的仙人掌果，但目前当地多以直接食用为主，较少对其进行深加工。为了合理开发利用这一宝贵的绿色资源，本研究以海南三亚野生仙人掌果为原料，运用溶剂浸提法提取仙人掌果色素，并通过L9（34）正交表排列优化提取工艺参数。同时，研究了pH、温度、光照等因素对仙人掌果色素稳定性的影响，以期为仙人掌果色素的开发利用提供一定的理论基础。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  材料与试剂  新鲜成熟的野生绿皮红心仙人掌果购于三亚市。无水乙醇、30%过氧化氢、无水亚硫酸钠、六水合硫酸镁，西陇科学股份有限公司;氢氧化钠、盐酸、氯化钾、氯化钙、氯化钠、五水合硫酸铜、七水合硫酸亚铁，广州化学试剂公司;三氯化铁，上海阿拉丁生化科技股份有限公司;L（+）-抗坏血酸，广州市金华大化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。

1.1.2  仪器与设备  ME104型精密天平，梅特勒托利多仪器（上海）有限公司;TDL-5-A低速台式大容量离心机，上海安亭科学仪器廠;XW-80A旋涡混合仪，海门市其林贝尔仪器制造有限公司;HH-4数显恒温水浴锅，常州澳华仪器有限公司;SHA-B双功能水浴恒温振荡器，江苏金坛亿通电子有限公司;FST-DZ-TA30普利菲尔超纯水制备机，上海富诗特仪器设备有限公司;PHS-3C型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司;Zirbus vaco2冷冻干燥机，北京涵美生物科技发展有限公司;752N分光光度计，上海佑科仪器仪表有限公司。

1.2  方法

1.2.1  仙人掌果色素的提取工艺流程  新鲜仙人掌果→洗净晾干→分离果皮、果籽和果肉，得到果浆→溶剂浸提法提取→离心→定容→色素粗提液。

1.2.2  仙人掌果色素提取的单因素试验  以仙人掌果为原料，一定pH的乙醇水溶液为提取试剂进行提取工艺优化。准确称取一定量的仙人掌果浆，按照一定的料液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50 g/mL），在一定的温度（30、35、40、45、50 ℃）下，浸提一定的时间（20、40、60、80、100 min），离心后取上清液，用相应提取试剂定容至25 mL，测其在530 nm的吸光值。

1.2.3  仙人掌果色素提取的正交试验  以吸光值为考察指标，分别研究提取试剂pH、乙醇体积分数、温度、时间对提取效果的影响。在单因素试验的基础上，采用4因素3水平，按L9（34）正交表排列优化乙醇浸提工艺参数，因素水平设计见表1，每组试验重复3次。

1.2.4  仙人掌果色素得率  将按正交最优方案提取得到的仙人掌果色素溶液冷冻干燥至恒重，按下式计算得率：

仙人掌果色素得率 %

式中：m1为仙人掌果恒重的色素的质量（g）;m2为仙人掌果浆的质量（g）。

1.2.5  仙人掌果色素稳定性的研究  pH：准确移取5 mL仙人掌果色素溶液，分别加入5 mL pH为2、4、6、7.5、8、10的水溶液，并分别测定1 h后其在530 nm处的吸光值。

金属离子、氧化还原剂：准确移取5 mL仙人掌果色素溶液，分别加入5 mL 金属离子（0.01 mol/L的K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+、Fe2+、Fe3+、Cu2+）溶液，氧化还原剂（1%、1.5%、2%、2.5%、3%的H2O2、Na2SO3、维生素C）溶液，并分别测定0、6 h其在530 nm处的吸光值。

温度、光照：准确移取8 mL仙人掌果色素溶液，分别在4 ℃、室温和30、45、60、75、90 ℃恒温水浴锅，分别于室内自然光和避光、室外太阳光和避光下放置5 h，每隔1 h在530 nm处测定其吸光值。

1.3  数据处理

实验至少设3个平行，数据以均值±标准偏差（mean±SD）的形式表达。采用SPSS17.0对数据进行单因素方差分析，用One-way ANOVA方法比较数据间的差异显著性。采用Origin 2017软件绘图。

2  结果与分析

2.1  单因素试验结果

2.1.1  乙醇体积分数的选择  如图1所示，在料液比1∶20（g/mL），pH 5，40 ℃恒温水浴振荡提取40 min的条件下，随着乙醇体积分数的增加，仙人掌果色素溶液的吸光值呈下降趋势。这可能是由于仙人掌果色素属于水溶性色素，更易溶解在含水量多的试剂中。因此，选择10%乙醇溶液为提取试剂。

2.1.2  料液比的选择  如图2所示，以pH 5的10%乙醇溶液为提取试剂，在40 ℃恒温水浴振荡提取40 min的条件下，随着料液比的增大，仙人掌果色素溶液的吸光值无显著变化。可能是由于当料液比为1∶10（g/mL）时，便已经将果浆中的色素充分提取出来了。因此，为了便于操作，料液比选择1∶20（g/mL）。

2.1.3  提取温度的选择  由图3可知，在料液比1∶20（g/mL），pH 5的10%乙醇溶液为提取试剂，恒温水浴振荡提取40 min的条件下，随着温度的升高，仙人掌果色素溶液的吸光值不断减小，可能是由于温度升高而使色素分解的缘故。当温度为30、35 ℃时，其吸光值无显著差别。鉴于海南天气炎热，为了便于控制，提取温度选择35 ℃。

2.1.4  提取试剂pH的选择  由图4可知，在料液比1∶20（g/mL），10%乙醇溶液为提取试剂，35 ℃恒温水浴振荡提取40 min的条件下，随着pH的增大，仙人掌果色素溶液的吸光值呈先上升后下降趋势，在pH 7时达到最大值。因此，选择提取试剂pH值为7。

2.1.5  提取时间的选择  由图5可知，在料液比1∶20（g/mL），pH 7的10%乙醇溶液为提取试剂，35 ℃恒温水浴振荡提取的条件下，随着振荡时间的延长，仙人掌果色素溶液的吸光值呈先下降后趋于平缓的趋势，在20 min处有最大吸光值。可能是由于随着提取时间的延长，空气的氧化作用使色素成分分解而产生褪色现象，40 min后，易氧化的部分已分解完，故吸光值几乎不变。因此，提取时间选择20 min。

[3] Ciriminna R， Delisi R， Albanese L， et al. Opuntia ficus-indica seed oil： Biorefinery and bioeconomy aspects[J]. European Journal of Lipid Science and Technology， 2017， 119（8）： 1700013.

[4] Amadi B A， Njoku U C， Agumuo E N， et al. Assessment of vitamins， protein quality and mineral bioavailability of matured stems of opuntia dillenii grown in Nigeria[J]. Bioengineering and Bioscience， 2017， 5（3）： 47-54.

[5] 李  雪， 白新鹏， 曹  君， 等. 仙人掌果籽蛋白提取及功能性质研究[J]. 中国油脂， 2018， 43（5）： 39-43.

[6] 李  雪， 白新鹏， 曹  君， 等. 仙人掌果酒发酵动力学及其抗氧化性[J]. 食品科学， 2017， 38（4）： 87-92.

[7] 胡继红， 李俊儒. 仙人掌果成分研究进展概述[J]. 现代食品， 2018（14）： 3-5， 24.

[8] 韩雨露. 仙人掌果多糖的结构表征、理化性质及抗氧化活性研究[D]. 合肥： 合肥工业大学， 2017.

[9] Al-Juhaimi F， ?zcan M M. Determination of some mineral contents of prickly pear （Opuntia ficus-indica L.） seed flours[J]. Environmental Monitoring and Assessment， 2013， 185（5）： 3659-3663.

[10] Feugang J M， Konarski P， Zou D， et al. Nutritional and medicinal use of Cactus pear （Opuntia spp.） cladodes and fruits[J]. Frontiers in Bioscience， 2006， 11（1）： 2574-2589.

[11] Ghazi Z， Ramdani M， Fauconnier M L， et al. Fatty acids sterols and vitamin E composition of seed oil of Opuntia ficus indica and Opuntia dillenii from Morocco[J]. Journal Materials Environment Science. 2013， 4（6）： 967-972 .

[12] Yahia E M， Mondragon-Jacobo C. Nutritional components and anti-oxidant capacity of ten cultivars and lines of cactus pear fruit （Opuntia spp.）[J]. Food Research International， 2011， 44（7）： 2311-2318.

[13] 史德芳. 仙人掌提取物的分離及其抑菌性能的研究[D]. 南宁： 广西大学， 2006.

[14] 邹青飞， 吴跃中， 杨士花， 等. 仙人掌果色素的提取工艺优化及体外抗氧化活性[J]. 食品研究与开发， 2018， 39（13）： 33-39.

[15] Diacu E. Colors： properties and determination of synthetic pigments[M]//Caballero B， Finglas P M， Toldrá F. Encyclopedia of food and health. Oxford： Academic Press， 2016： 284-290.

[16] Lea A， Henry B. COLORANTS （COLOURANTS）/ Properties and determination of natural pigments[M]//Caballero B. Encyclopedia of food sciences and nutrition. 2nd ed. Oxford： Academic Press， 2003： 1550-1556.

[17] 熊  勇， 张水军， 李冬梅. 甜菜红色素提取工艺及其稳定性研究[J]. 中国食品添加剂， 2015（6）： 79-85.

[18] 陈亚敏， 陈禹锋. 仙人掌果实红色素的研究[J]. 检验检疫科学， 2000， 10（3）： 6-8.

[19] 李子宜. 姜黄色素的提取、分离及其在彩妆产品中的应用[D]. 广州： 华南理工大学， 2018.

[20] 吴琳珊. 锥栗壳色素的提取、纯化及抗氧化活性研究[D]. 福州： 福建农林大学， 2018.

[21] 马丹雅， 赵  晶， 姚  晶， 等. 仙人掌果红色素提取工艺及其稳定性研究[J]. 食品工业科技， 2012， 33（23）： 214- 217.

[22] 耿晓玲， 陈  斌. 仙人掌果红色素的提取及其在护肤品中的应用[J]. 山东化工， 2017， 46（8）： 16-18.

[23] 全桂静. 仙人掌果红色素稳定性及抗氧化性的研究[J]. 中国调味品， 2017， 42（11）： 130-132， 136.

[24] 李媛媛， 胡新新， 陈伟娜， 等. 微波辅助提取仙人掌果红色素及稳定性研究[J]. 食品研究与开发， 2014， 35（16）： 51-54.