马齿苋红色素的提取及稳定性研究

张强 刘军海

摘要：以馬齿苋为原料，甜菜碱为提取强化剂，采用超声辅助提取马齿苋红色素，并探究pH、热、食品添加剂、氧化剂/还原剂、金属离子以及光照对马齿苋红色素稳定性的影响。结果表明，马齿苋红色素提取的最佳工艺：以水为提取剂，料液比为1∶30 （g/mL），提取温度为50 ℃，提取时间为30 min，甜菜碱用量为0.003 g。在此工艺条件下，马齿苋红色素的提取效果最佳。马齿苋红色素稳定性实验结果表明，其具有一定的耐酸性、抗氧化作用和抗还原作用，大多数常用食品添加剂可与马齿苋红色素共同使用；高温易破坏马齿苋红色素，在提取及应用时需避免高温储存；在实验或者生产过程中，应尽量避免马齿苋红色素与含有Fe、Ni、Cr的试剂或者器皿接触；马齿苋红色素可作为食品添加剂，用于含有K+、Na+、Ca2+、Sr2+等对人体有益的金属溶液中；不建议在碱性环境下使用马齿苋红色素并且最好采用密封保存。

关键词：马齿苋红色素；超声波辅助提取；正交实验；稳定性

中图分类号：TS202.3      文献标志码：A     文章编号：1000-9973（2023）08-0193-06

Study on Extraction and Stability of Red Pigment of Portulaca oleracea L.

ZHANG Qiang， LIU Jun-hai

（Key Laboratory of Catalytic Foundation and Application in Shaanxi Province， School of Chemistry

and Environmental Science，  Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： With Portulaca oleracea L. as the raw material， betaine as the extraction enhancer， ultrasonic-assisted extraction is used to extract Portulaca oleracea L. red pigment. The effects of pH， heat， food additives， oxidizing/reducing agents， metal ions and light on the stability of Portulaca oleracea L. red pigment are investigated. The results show that the optimal extraction process of Portulaca oleracea L. red pigment is as follows： with water as the extraction agent， solid-liquid ratio is 1∶30 （g/mL）， extraction temperature is 50 ℃， extraction time is 30 min and dosage of betaine is 0.003 g. Under these conditions， the extraction effect of red pigment of Portulaca oleracea L. is the best. The stability experiment results of Portulaca oleracea L. red pigment show that it has certain acid resistance， antioxidation and anti-reduction properties， and most commonly used food additives could be used together with Portulaca oleracea L. red pigment. High temperature can easily destroy red pigment of Portulaca oleracea L. and high-temperature storage should be avoided during extraction and application. In the experiment or production process， red pigment of Portulaca oleracea L. should be avoided to contact with reagents such as Fe，Ni and Cr or utensils.  Portulaca oleracea L. red pigment can be used as a food additive in metal solutions containing K+， Na+， Ca2+， Sr2+ that are beneficial to humans. It is not recommended to use Portulaca oleracea L. red pigment in alkaline environment and it is best to store in sealed condition.

Key words： Portulaca oleracea L. red pigment; ultrasonic-assisted extraction; orthogonal experiment; stability

收稿日期：2023-02-07

基金项目：陕西省重点研发计划项目（2023-YBSF-017）

作者简介：张强（1983－），男，陕西汉中人，副教授，博士，研究方向：有机化学品。

马齿苋（Portulaca oleracea L.），又名蚂蚱菜、马舌菜等，为马齿苋科植物的全草，在我国各地均有分布[1-3]。马齿苋中含有维生素、多巴胺、多糖、黄酮以及生物碱等多种营养成分[4-6]，具有清熱利湿、消炎利尿等功效，既可入药，又可食用，是我国卫生部划定的78种药食同源的野生植物之一[7]。马齿苋红色素[8-9]是一种天然植物水溶性色素，其色泽鲜艳、安全无害，具有一定的抗氧化能力，在医药、保健和食品等领域具有应用潜力。有关马齿苋红色素提取及稳定性的研究鲜见报道，因此，进一步探究马齿苋红色素提取工艺和稳定性研究具有重要意义。超声辅助提取马齿苋红色素具有提取时间短、提取成本低等优势[10-15]。本文以马齿苋为原料，采用超声辅助提取法提取马齿苋红色素，在单因素实验的基础上进行正交实验。进一步探究pH、热、食品添加剂、氧化剂/还原剂、金属离子以及光照对马齿苋红色素稳定性的影响，以期为该天然植物色素的开发及应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马齿苋：购于汉中中药材市场。浓盐酸、氢氧化钠、无水乙醇、丙酮、石油醚、乙酸乙酯、无水甜菜碱、蔗糖、葡萄糖、酒石酸、山梨酸钾、柠檬酸、苯甲酸钠、可溶性淀粉、双氧水、硫代硫酸钠、过硫酸铵、抗坏血酸、各种金属盐（氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、硫酸锌、硫酸镍、氯化锰、氯化锶、氯化铁、氯化铬等）等试剂：均为分析纯，天津市天力化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

AR124CN电子天平 奥豪斯仪器（常州）有限公司；UV-2600紫外可见分光光度计 日本岛津公司；PHS-3C pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司；KH19A高速离心机 湖南凯达科学仪器有限公司；JC-FW-400A粉碎机 青岛聚创环保集团有限公司；DHG-9245A电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；SHZ-D（Ⅲ） 循环水式多用真空泵 上海予英仪器有限公司。

1.3 马齿苋红色素的提取与测定

1.3.1 原料处理

取250 g干净的马齿苋于鼓风干燥箱中50 ℃烘至绝干，干燥，粉碎，过100目筛，装入密封袋中备用。

1.3.2 色素提取

取5.0 g马齿苋粉末，放置于250 mL干净的锥形瓶中，按照一定的料液比1∶40 （g/mL），加入200 mL去离子水浸泡，再加入一定量甜菜碱，用保鲜膜密封，于50 ℃超声浸提30 min，浸提后将提取液于5 000 r/min离心10 min，可得到红色澄清液体，即为马齿苋红色素提取液。

1.3.3 最大波长的选择

取上述提取液10 mL加水定容至100 mL待用，在室温下，以去离子水为空白参比，用紫外可见分光光度计在200～800 nm波长范围内进行光谱扫描，测定马齿苋的可见紫外光谱特征，确定最大吸收波长。

1.3.4 浸提溶剂的选择

取5份1.0 g马齿苋粉末，分别加入40 mL去离子水、乙醇、丙酮、石油醚、乙酸乙酯，再加入一定量甜菜碱，50 ℃超声浸提30 min，浸提后离心，分别吸取10 mL提取液，加水定容至100 mL，分别以相对应的提取剂为空白参照，于最大波长处测定吸光度，观察颜色，确定最佳浸提剂。每组进行5次平行实验，取平均值。

1.3.5 提取马齿苋红色素的单因素实验

分别改变不同料液比（g/mL）1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、浸提温度（30，40，50，60，70 ℃）、浸提时间（20，30，40，50，60 min）、甜菜碱用量（0，0.001，0.002，0.003，0.004 g）进行提取马齿苋红色素的单因素实验，探究这4个因素对马齿苋红色素提取的影响，每组进行5次平行实验，取平均值。

1.3.6 提取马齿苋红色素的正交实验

在单因素实验的基础上，以料液比、浸提温度、浸提时间和甜菜碱用量设计四因素三水平的正交实验，以空白列为误差列进行提取马齿苋红色素的正交实验，进一步优化马齿苋红色素提取工艺。

1.4 马齿苋红色素稳定性实验

1.4.1 pH值对马齿苋红色素稳定性的影响

取10 mL马齿苋红色素浓缩液，分别采用1 mol/L盐酸、1 mol/L氢氧化钠调节pH值，在pH 1.0～12.0范围内，以马齿苋红色素提取液为参比，在327 nm处测定吸光度，分析不同pH值对马齿苋红色素稳定性的影响。每组进行5次平行实验，取平均值。

1.4.2 热对马齿苋红色素稳定性的影响

取10 mL pH为4.0～10.0的马齿苋红色素浓缩液，分别在不同温度（30，40，50，60，70 ℃）的恒温水浴锅内恒温30 min，待冷却至室温后，在327 nm处测定吸光度。每组进行5次平行实验，取平均值。

1.4.3 食品添加剂对马齿苋红色素稳定性的影响

取5 mL马齿苋红色素浓缩液7份，分别加入5 mL浓度均为3%的蔗糖、葡萄糖、苯甲酸钠、酒石酸、山梨酸钾、柠檬酸、可溶性淀粉，振荡，静置30 min，以未添加食品添加剂的马齿苋红色素提取液为参比，在327 nm处测定吸光度。每组进行5次平行实验，取平均值。

1.4.4 氧化剂/还原剂对马齿苋红色素稳定性的影响

取5 mL马齿苋红色素浓缩液4份，分别加入5 mL 2% Na2S2O3、H2O2、（NH4）2S2O8、抗坏血酸溶液，振荡，静置30 min，以未添加氧化剂/还原剂的马齿苋红色素提取液为参比，在327 nm处测定吸光度。每组进行5次平行实验，取平均值。

1.4.5 金属离子对马齿苋红色素稳定性的影响

考虑食品及保健品等添加的常见金属离子以及生产过程中接触的金属离子，选取氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、硫酸锌、硫酸镍、氯化锰、氯化锶、氯化铁、氯化铬进行实验。取5 mL马齿苋红色素浓缩液10份，分别加入2 mL浓度为5%的 Fe3+、K+、Mg2+、Zn2+、Na+、Cr3+、Ni2+、Ca2+、Sr2+、Mn2+离子溶液，振荡，静置24 h，观察颜色变化，以未添加金屬离子的马齿苋红色素提取液为参比，在327 nm处测定吸光度。每组进行5次平行实验，取平均值。

1.4.6 光照对马齿苋红色素稳定性的影响

取5 mL马齿苋红色素浓缩液2份，分别置于自然光和紫外灯下，每间隔一定时间，在327 nm处测定吸光度。每组进行5次平行实验，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 马齿苋红色素浸提剂的选取

按1.3.3进行实验，选取去离子水、无水乙醇、丙酮、石油醚、乙酸乙酯等不同溶剂对马齿苋进行提取研究，结果见表1。

由表1可知，仅有去离子水的提取液为紫红色，其他浸提结果均为无色或颜色较浅，因此，最佳的浸提剂为去离子水且为水溶性色素。

2.2 马齿苋红色素的光谱特征

由1.3.3实验方法得到的数据见图1。

由图1可知，该色素在327 nm处有最大吸收峰，故测定时选用波长为327 nm。

2.3 超声波辅助提取马齿苋红色素的单因素实验

2.3.1 料液比对马齿苋红色素浸提效果的影响

按1.3.5进行实验，考察料液比对马齿苋红色素浸提效果的影响，结果见图2。

由图2可知，随着料液比的增大，马齿苋红色素的吸光度增大，当料液比为1∶35 （g/mL）时，吸光度值最大。当料液比较小时，少量提取液就已经饱和，随着料液比的增大，马齿苋红色素不断被浸提出来，吸光度不断增大。因此，料液比为1∶35 （g/mL）较适宜。

2.3.2 浸提温度对马齿苋红色素浸提效果的影响

按1.3.5进行实验，考察浸提温度对马齿苋红色素浸提效果的影响，结果见图3。

由图3可知，随着温度的增加，马齿苋红色素的溶解度增加，因此吸光度增加，在60 ℃时马齿苋红色素的吸光度最大。超过60 ℃吸光度逐渐减小，这是由于在高温下，大分子的马齿苋红色素化学结构被破坏，因此过高的温度不利于红色素的浸提。综合来看，提取温度为60 ℃较适宜。

2.3.3 浸提时间对马齿苋红色素提取的影响

按1.3.5进行实验，考察浸提时间对马齿苋红色素浸提效果的影响，结果见图4。

由图4可知，随着浸提时间的延长，马齿苋红色素的吸光度逐渐增大，但是在25 min后，吸光度值基本趋于平稳。这是由于浸提时间达到25 min时，马齿苋红色素已基本全部溶出，从浸提经济成本及生产效率等方面综合考虑，浸提时间为25 min较适宜。

2.3.4 甜菜碱用量对马齿苋红色素提取的影响

按1.3.5进行实验，考察甜菜碱用量对马齿苋红色素浸提效果的影响，结果见图5。

由图5可知，甜菜碱是表面活性剂，随着甜菜碱用量的增加，固液接触面增大，因此浸提效果好。但是继续增加甜菜碱用量，吸光度变化不大，这是因为过多的表面活性剂使得体系产生了一定的乳化现象，不利于红色素浸提，故甜菜碱用量0.002 g较合适。

2.4 正交实验结果分析

在单因素实验的基础上，选择料液比、浸提温度、浸提时间、甜菜碱用量进行四因素四水平正交实验，正交实验设计、结果及极差分析见表2。

由表2可知，影响马齿苋红色素提取的4个因素由大到小为浸提时间>料液比>甜菜碱用量>浸提温度，最佳提取条件为料液比1∶35 （g/mL）、浸提温度60 ℃、浸提时间30 min、甜菜碱用量0.003 g。

以空白列为误差列，对表2中结果进行方差分析，结果见表3。

由表3可知，浸提时间对马齿苋红色素有显著影响，而其他因素影响不显著，考虑到浸提成本，可适当减小料液比、降低温度。选取料液比1∶30 （g/mL）、浸提温度50 ℃、浸提时间30 min、甜菜碱用量0.003 g为适宜的超声辅助马齿苋红色素浸提工艺。在此条件下按1.3.5进行验证实验，吸光度值为0.768 5。

2.5 pH值对马齿苋红色素稳定性的影响

按1.4.1进行实验，考察pH值对马齿苋红色素稳定性的影响，结果见图6。

由图6可知，马齿苋红色素在pH≤7时，吸光度基本稳定，说明该色素具有一定的耐酸性，而在pH≥8时吸光度逐渐降低，这可能是因为pH过大，破坏了马齿苋红色素的化学结构，导致吸光度减小，故不建议在碱性环境下使用马齿苋红色素。

2.6 热对马齿苋红色素稳定性的影响

按1.4.2进行实验，考察热对马齿苋红色素稳定性的影响，结果见图7。

由图7可知，随着温度的升高，吸光度逐渐增大且颜色逐渐加深，在50～60 ℃吸光度值趋于平稳，当温度升高至80 ℃时，吸光度急速下降，可能是由于温度过高破坏了马齿苋红色素的结构，表明马齿苋红色素的热稳定性较差，因此，在提取及应用时需避免高温储存。

2.7 食品添加剂对马齿苋红色素稳定性的影响

按1.4.3进行实验，考察食品添加剂对马齿苋红色素稳定性的影响，结果见图8。

由图8可知，添加可溶性淀粉，马齿苋红色素的吸光度值最大，表明可溶性淀粉对马齿苋红色素具有一定的增色作用（可溶性淀粉溶液不透明）；添加葡萄糖和蔗糖，马齿苋红色素的吸光度基本不变；添加柠檬酸和酒石酸，马齿苋红色素的吸光度略有降低，可能是由于酸性条件下，马齿苋红色素会有极少量发生结构变化。综上，马齿苋红色素可与蔗糖、葡萄糖、苯甲酸钠、酒石酸、山梨酸钾、柠檬酸、可溶性淀粉等食品添加剂共同使用。

2.8 氧化剂/还原剂对马齿苋红色素稳定性的影响

按1.4.4进行实验，考察氧化剂/还原剂对马齿苋红色素稳定性的影响，结果见图9。

由图9可知，在马齿苋红色素中分别加入2%（NH4）2S2O8、2% H2O2、2% Na2S2O3、2%抗坏血酸，其中抗坏血酸使马齿苋红色素的吸光度略有增大，其余色素的吸光度趋于平稳，故该色素具有一定的抗氧化和抗还原作用。

2.9 金属离子对马齿苋红色素稳定性的影响

按1.4.5进行实验，考察金属离子对马齿苋红色素稳定性的影响，结果见图10。

由图10可知，Fe3+、Ni2+、Cr3+、Mn2+对马齿苋红色素稳定性的影响较大，因此，实验或者生产过程中，应尽量避免与含有Fe3+、Ni2+、Cr3+的试剂或者器皿接触。而Mg2+、K+、Na+、Zn2+、Ca2+、Sr2+等离子对色素稳定性的影响较小，因此，马齿苋红色素可作为食品添加剂，用于含有K+、Na+、Ca2+、Sr2+等对人体有益的金属溶液中。

2.10 光照对马齿苋红色素稳定性的影响

按1.4.6进行实验，考察光照对马齿苋红色素稳定性的影响，结果见图11。

由图11可知，自然光对马齿苋红色素稳定性的影响较小，而紫外光对色素的影响较大。色素的吸光度随着紫外光照射时间的延长而下降，可能是由于紫外线使色素发生结构性变化。阳光中有较强的紫外光，因此，应当避免在阳光下直射马齿苋红色素。自然光对色素的影响不大，但也有影响。综上，在马齿苋红色素的使用过程中，最好采用密封保存。

3 结论

超声辅助浸提马齿苋红色素的最佳提取工艺条件为料液比1∶30 （g/mL）、浸提温度50 ℃、浸提时间30 min、甜菜碱用量0.003 g。

马齿苋红色素具有一定的耐酸性，耐碱性较差，不建议在碱性环境下使用马齿苋红色素；高温易破坏马齿苋红色素，在提取及应用时需避免高温储存；马齿苋红色素可与蔗糖、葡萄糖、苯甲酸钠、酒石酸、山梨酸钾、柠檬酸、可溶性淀粉等食品添加剂共同使用；马齿苋红色素具有一定的抗氧化和抗还原作用；实验或者生产过程中，应尽量避免马齿苋红色素与含有Fe、Ni、Cr的试剂或者器皿接触，马齿苋红色素可作为食品添加剂，用于含有K+、Na+、Ca2+、Sr2+等对人体有益的金属溶液中；马齿苋红色素的使用过程中，最好采用密封保存。

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