洋金凤色素提取及其稳定性研究

杨运英 邱伊曼 王廷芹

摘要：【目的】研究洋金鳳花瓣色素最佳提取工艺条件及其稳定性，为开发利用洋金凤花瓣的色素资源提供参考依据。【方法】以乙醇为提取溶剂，采用分光光度法确定洋金凤花瓣色素的OD值，通过乙醇体积分数、提取温度和提取时间单因素试验和正交试验确定洋金凤色素最佳提取工艺条件，并在最佳提取条件下研究光、酸碱性、氧化还原物、金属离子和常见食品添加剂等对洋金凤色素稳定性的影响。【结果】洋金凤色素最佳提取工艺条件为：乙醇体积分数60%、提取温度60 ℃、提取时间45 min，在此条件下提取的色素OD均值为1.6810，高于正交试验中最高OD值1.6287。洋金凤花瓣色素既溶于水又溶于醇，提取温度和乙醇体积分数对洋金凤色素提取的影响大，光的影响甚微，在pH<7的酸性环境下能稳定保存;Zn2+和Ca2+对洋金凤花瓣色素无明显影响，而Al3+具有增色效果，Cu2+改变色素颜色;常用食品添加剂蔗糖和可溶性淀粉对洋金凤色素有明显影响，而食盐无显著影响（P>0.05）。【结论】洋金凤花瓣色素具有耐光性，可在酸性和中性环境下保存，金属离子Al3+对洋金凤花瓣色素有增色效果，常见食品添加剂食盐对色素稳定性无影响。洋金凤花瓣色素具有成为食用药用色素的潜力。

关键词： 洋金凤;色素;提取;稳定性

Abstract：【Objective】To study the best process conditions and stability of Caesalpinia pulcherrima petal pigment extraction，and provide reference for the development and utilization of C. pulcherrima petal pigment resources. 【Method】Using ethanol as a solvent，the OD value of C. pulcherrima petal pigment was determined by spectrophotometry. Through the single factor test and orthogonal test of ethanol volume fraction， extraction temperature and time，the optimal combination conditions of pigment extraction were determined. Under the optimal combination of extraction conditions，the effects of light，acidity and alkalinity，redox，metal ions，common food additives on its stability were studied. 【Result】The optimal C. pulcherrima pigment extraction conditions were：ethanol volume fraction 60%，temperature 60 ℃，time 45 min. The average OD value of the extracted pigment was 1.6810，which was higher than the highest OD value of 1.6287 in the orthogonal test. C. pulcherrima petal pigment was soluble in both water and alcohol. Temperature and ethanol volume fraction had great influence on the extraction rate of C. pulcherrima pigment， light had little effect， it could be stored stably in an acidic environment with pH<7. Zn2+ and Ca2+ had no obvious effect on C. pulcherrima petal pigment， Al3+ had color enhancement effect， Cu2+ changed the color of the pigment. Commonly used food additives such as sucrose and soluble starch had an effect on pigments，while table salt had no significant effect（P>0.05）. 【Conclusion】The C. pulcherrima pe-tal pigments has light resistance;it can be stored in an acidic neutral environment;metal ion Al3+ has a color-enhancing effect on C. pulcherrima petal pigment. Common food additive salt has no effect on the stability of pigments. The pigments of C. pulcherrima petals have the potential to become edible medicinal pigments.

Key words： Caesalpinia pulcherrima; pigment; extraction; stability

0 引言

【研究意义】色素分人工合成和天然两种，常用于食品、化妆品和医药品等行业中。人工合成色素大多对人体健康有害，甚至有致畸和致癌的风险（惠秋沙，2011）;而天然色素不仅绝大多数无毒、无副作用、安全性高，还具有抗癌、抗病毒、增强机体免疫力和防治心血管疾病等功能（温广宇和朱文学，2003;徐僡等，2019）。天然色素是一种极具开发前景的物质，其应用是食品添加剂行业发展的新趋势。洋金凤（Caesalpinia pulcherrima）又名金凤花、黄蝴蝶、黄金凤，豆科云实属，为常绿灌木或小乔木，花期长，华南地区全年开花，作为热带植物，洋金凤花具有很高的观赏价值和药用价值，其色素可涂抹指甲，对治疗灰指甲有很好的预防和治疗作用，还具有抑制黑色素生成、抗炎、抗氧化、抗菌和调节免疫等功能作用，也可作为调料增加菜肴的色感和口感，是一种较理想的色素（李昌勤等，2015）。因此，进一步开发利用洋金凤花色素，可为食品食用色素提供更优质、更安全的原料。【前人研究进展】我国地域辽阔，拥有许多富含天然色素的资源，目前已有不少学者对植物色素的分类及提取进行了大量研究（呼延晓颖等，2011;惠秋沙，2011; Khatabi et al.，2016）。蒋新龙（2006）对紫叶酢浆草、任霁晴和王雨花（2007）对紫茉莉花、杨永利等（2007）对大叶红草、朱丹等（2007）对马齿苋、蔡定建等（2010）对紫荆花、李泽鸿等（2011）对金盏菊、黄晓德等（2017）对玫瑰茄花、贾宝珠等（2018）对香蕉皮、陈雅妮等（2019）对玫瑰花、卢佳云等（2020）对川陕金莲花、徐文秀和韩鹏燕（2020）对紫槐花的色素提取及其稳定性进行研究，结果表明，提取剂、温度、提取时间、水溶性、耐热性、金属离子、还原剂、氧化剂、pH、氯化钠、蔗糖、柠檬酸、抗坏血酸和亚硫酸氢钠等因素对不同植物的色素影响不同。同样是乙醇提取剂，金莲花黄色素提取温度为50 ℃（卢佳云等，2020），玫瑰花色素提取温度为70 ℃（陈雅妮等，2019），而紫茉莉花色素提取温度为20 ℃（任霁晴和王雨花，2007）。金属离子影响方面，除Al3+外，其余金属离子对金莲花黄色素影响不明显（卢佳云等，2020），而Fe2+、Cu2+及强氧化还原剂对玫瑰花色素影响较大（陈雅妮等，2019）;常温下，Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Zn2+对紫槐花色素稳定性无影响（徐文秀和韩鹏燕，2020）;Na+、Ca2+、A13+、Cu2+和Zn2+对紫叶酢浆草色素色泽无影响，而Fe3+和Pb2+有不良影响（蒋新龙，2006）。常见食品添加剂方面，食盐对金莲花黄色素有减色作用，而蔗糖和山梨酸钾添加剂有一定的增色作用（卢佳云等，2020）;少量低浓度的氯化钠、蔗糖、柠檬酸、抗坏血酸和亚硫酸氢钠对玫瑰花色素有稳定增色的作用（陈雅妮等，2019）;苯甲酸钠、柠檬酸、醋酸、蔗糖和葡萄糖对马齿苋色素无明显影响，淀粉对其影响较大（朱丹等，2009）。【本研究切入点】目前，关于植物色素的研究很多，但针对洋金凤色素提取及其稳定性的研究鲜见相关报道。【拟解决的关键问题】以洋金凤花瓣为材料，利用乙醇提取，经单因素试验和正交试验确定洋金凤色素最佳提取条件，并在最佳提取条件下研究光、酸碱性、氧化还原物、金属离子和食品添加剂等对洋金凤花瓣色素稳定性的影响，为开发利用洋金凤色素资源提供参考依据。

1 材料與方法

1. 1 试验材料

洋金凤采自广东海洋大学校园内。无水乙醇、明矾、浓盐酸、氢氧化钠、氯化钠、亚硫酸氢钠、过氧化氢、蔗糖、可溶性淀粉、磷酸、蒽酮和考马斯亮蓝G-250等试剂均购自天津市致远化学试剂有限公司。主要仪器设备：数显鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司）、咖啡研磨机（永康市铂欧五金制品有限公司）、AY120电子天平（日本岛津公司）、7200型可见分光光度计（上海美谱达仪器有限公司）、电热恒温水浴锅（上海一恒科技有限公司）和离心机（湖南赛特湘仪离心机仪器有限公司）。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 洋金凤色素光谱特性测定 取新鲜的洋金凤花瓣清理干净，烘干，研成粉状，保存备用。称取0.05 g洋金凤花瓣粉置于试管中，用蒸馏水定容至10 mL后振荡，室温下静置提取30 min，过滤，以蒸馏水为参比液，用可见分光光度计在280～380 nm范围内每隔10 nm测一次OD值，重复3次，分析洋金凤花色素的光谱特性（任霁晴和王雨花，2007）。

1. 2. 2 最佳单因素提取条件确定 称取0.05 g洋金凤花瓣粉置于试管中，分别用体积分数为0、20%、40%、60%、80%和100%的乙醇定容至10 mL，振荡后在室温下静置提取30 min，过滤，以相应体积分数的乙醇作参比液，300 nm下测定OD值，重复3次，确定乙醇提取剂的最佳体积分数（蒋新龙，2006）。将最佳体积分数的乙醇提取剂分别置于常温（20 ℃）及30、40、50、60、70和80 ℃水浴下提取，振荡后在室温下静置提取30 min，过滤，测定OD值，确定最佳提取温度（朱丹等，2009）。在最佳提取温度和乙醇体积分数下，依次提取15、30、45、60、75和90 min，测定OD值，确定最佳提取时间（蒋新龙，2006）。

1. 2. 3 洋金凤色素提取条件的正交试验设计 在单因素试验基础上，采用正交试验对乙醇体积分数、提取温度和提取时间进行优化，以OD值为评价指标，确定最佳提取条件。正交试验设计因素与水平见表1。

1. 2. 4 光和pH对洋金凤色素稳定性的影响 按上述最佳提取条件获得洋金凤色素提取液每份5 mL，分别置于光照及黑暗中1、2、3、4、5、6和7 d，测定OD值，同时观察色素提取液的颜色变化（杨永利等，2007），分析光照对洋金凤色素的影响。色素提取液分别调pH为1～10，测定OD值（Fernando Reyes and Cisne-ros-Zevallos，2005），分析洋金凤色素的耐酸碱性。

1. 2. 5 氧化剂和还原剂对洋金凤色素稳定性的影响 取色素提取液每份5 mL，分别加入2 mL浓度为0、0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 mol/L的NaHSO3溶液，测定OD值（曹晓峰等，2004），分析洋金凤色素的耐还原性;取5 mL色素提取液6份，分别加入2 mL浓度为0、5%、10%、15%、20%和25% H2O2溶液，测定OD值（曹晓峰等，2004），分析洋金凤色素的耐氧化性。

1. 2. 6 金属离子对洋金凤色素稳定性的影响 取5 mL色素提取液7份，分别加入2 mL浓度为0.1 mol/L的Na+、Zn2+、K+、Al3+、Ca2+、Cu2+和Mn2+溶液，测定OD值（周珈亦等，2014），以蒸馏水为对照（CK），分析金属离子对洋金凤色素稳定性的影响。

1. 2. 7 常见食品添加剂对洋金凤色素稳定性的影响 向5 mL色素提取液中分别加入2 mL浓度为0、5、10、15、20、25和30 g/L的蔗糖溶液，浓度为0、2、4、6、8、10和12 g/L的食盐溶液，以及浓度为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2 g/L的可溶性淀粉溶液，测定OD值（李泽鸿等，2011），分析常见食品添加剂糖、食盐和可溶性淀粉对洋金凤色素稳定性的影响。

1. 3 统计分析

使用Excel 2010进行数据整理和制图，SPSS 18.0进行统计分析，以最小显著差数法（LSD法）进行多重比较。

2 结果与分析

2. 1 洋金凤色素的光谱特征

由图1可知，在波长280～300 nm区间，洋金凤色素的OD值呈显著上升趋势（P<0.05，下同），在300 nm处OD值达最大值;在300～380 nm区间，OD值显著下降。故确定300 nm为洋金凤色素的最佳测定波长。

2. 2 洋金凤色素单因素提取条件的确定

2. 2. 1 最佳乙醇体积分数的确定 由图2可知，当乙醇体积分数为0～60%时，洋金凤色素提取液OD值随乙醇体积分数的增大而上升;但乙醇体积分数为60%～100%时，OD值随乙醇体积分数的增大而显著下降。因此，确定洋金凤色素提取的最佳乙醇体积分数为60%。

2. 2. 2 最佳提取温度的确定 由图3可知，当提取温度为20～50 ℃时，随着提取温度的升高，洋金凤色素提取液OD值逐渐上升，到峰值后显著下降。因此，确定洋金凤色素的最佳提取温度为50 ℃。

2. 2. 3 最佳提取时间的确定 由图4可知，在15～45 min时，随着提取时间的延长，洋金凤色素提取液OD值显著上升，到峰值后逐渐下降。因此，确定提取洋金凤色素的最佳时间为45 min。

2. 3 正交试验结果分析

由表2可知，乙醇体积分数（A）、提取时间（B）和提取温度（C）3个因素对洋金凤色素提取率影响的排序为：提取温度>乙醇体积分数>提取时间，最佳提取组合为A2B2C3，即以体积分数为60%的乙醇溶液为提取剂，在60 ℃下提取45 min，在该条件下获得的洋金凤色素提取液OD均值为1.6810，高于正交试验中OD值最高的处理4（OD均值为1.6287）。

2. 4 洋金凤色素的稳定性分析结果

2. 4. 1 洋金凤色素的光稳定性 由表3可知，洋金凤色素提取液OD值变化在光照和黑暗两个条件下无显著差异（P>0.05，下同），前3 d的OD值逐渐上升，到第4 d时下降，第5 d的OD值再次上升，第6 d又下降。隨着时间的延长，洋金凤色素提取液颜色未发生改变，说明洋金凤色素具有一定的耐光性。

2. 4. 2 洋金凤色素的耐酸碱性 由图5可知，pH在1～5时，洋金凤色素提取液OD值没有显著变化;pH在5～8时，洋金凤色素提取液OD值开始缓慢上升;pH在8～10时，洋金凤色素提取液OD值快速上升。表明洋金凤色素在pH小于5的酸性环境下能稳定保存，在中性环境下也能较稳定保存，而在强碱下不稳定。

2. 4. 3 洋金凤色素的耐还原性 从图6可看出，NaHSO3浓度为0.05 mol/L时，洋金凤色素提取液的OD值略微下降，其余NaHSO3浓度下洋金凤色素提取液的OD值均大于0 mol/L（CK）的OD值。可见，洋金凤色素的耐还原性较弱。

2. 4. 4 洋金凤色素的耐氧化性 从图7可看出，洋金凤色素提取液OD值随H2O2浓度的增加逐渐上升，当H2O2浓度为5%时，其OD值上升开始缓慢，直至H2O2浓度为10%时，洋金凤色素提取液的OD值逐渐趋于平稳状态。可见，洋金凤色素的耐氧化性较弱。

2. 4. 5 各种金属离子对洋金凤色素的影响 由表4可知，分别加入Cu2+、Al3+和Na+ 3种金属离子的洋金凤色素提取液OD值均显著大于CK，其中，Al3+对洋金凤色素具增色作用，Na+对洋金凤色素无影响，Cu2+则改变洋金凤色素本身的颜色，无法判断其增色作用。加入Zn2+和Ca2+的洋金凤色素提取液OD值与CK无显著差异，加入Mn2+和K+的洋金凤色素提取液OD值显著小于CK。因此，应避免洋金凤色素与Cu2+接触。

2. 4. 6 常见食品添加剂对洋金凤色素稳定性的影响 由表5可知，3种常见食品添加剂（蔗糖、食盐和可溶性淀粉）中，不同浓度的蔗糖对洋金凤色素稳定性有显著影响，随着蔗糖浓度的增加，OD值也在增加，具有增色作用;食盐对洋金凤花色素无显著影响;可溶性淀粉对洋金凤花色素也有明显影响，且随可溶性淀粉浓度的增大，色素OD值波动性增加。因此，洋金凤花瓣色素可在食盐中稳定存在。

3 讨论

本研究中，洋金凤色素既溶于水又溶于醇，是一种水溶性色素，与王帆林等（2016）的研究结果一致。乙醇成本低，无毒性，适合提取色素，蔡定建等（2005）用30%乙醇水溶液提取紫背天葵紫红色素，黄晓德等（2017）用乙醇提取玫瑰茄花色素。蔡定建等（2010）提取紫荆花花红色素的研究结果表明，溶剂浓度和温度对色素提取的影响较大，朱丹等（2009）在马齿苋色素的提取试验中也发现温度对色素提取影响最大。本研究也发现，提取温度和乙醇体积分数对洋金凤色素提取的影响较大。通过单因素试验和正交试验得出最佳提取条件为：以60%乙醇为提取溶剂，在60 ℃下提取45 min，洋金凤色素提取液OD均值为1.6810。

杨永利等（2007）对大叶红草色素的研究表明，随着时间延长，色素溶液的吸光度逐渐上升，伴随着色素溶液颜色的变深。在本研究中，前3 d洋金凤色素提取液OD值上升，但肉眼观察溶液颜色未发生改变，可能是色素提取液颜色变化太小，肉眼看不出，也可能是试验期间产生了其他物质导致OD值上升，且光对洋金凤色素的影响甚微，耐光性较强。

不同的色素结构，金属离子对其稳定性影响有所不同。本研究发现Zn2+和Ca2+对洋金凤色素提取液OD值无显著影响，而Mn2+和K+使色素提取液OD值显著减少;Al3+具有增色效果，Cu2+改变了色素颜色;由于Cu2+溶液本身带有颜色，会影响对色素提取液的观察，无法判断出该离子对色素稳定性的影响。蔗糖和可溶性淀粉对洋金凤花色素有明显影响，而食盐无显著影响，所以洋金凤色素在食盐中可稳定存在。

4 结论

洋金凤花瓣色素是一种水溶性色素，具有耐光性，可在酸性和中性环境下保存;Al3+对洋金凤花瓣色素有增色效果。洋金凤花瓣色素是一种食用安全、提取简单且成本低的理想天然色素，能在食盐中稳定存在，具有成为食用药用色素的潜力。

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