尹艷，羅曉梅，李曼玉，黃瑩琳，彭永宏，2

（1.惠州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東惠州 516007；2.華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣州 510631）

超聲波提取紫薯花青素的研究

尹艷1，羅曉梅1，李曼玉1，黃瑩琳1，彭永宏1，2

（1.惠州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東惠州 516007；2.華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣州 510631）

以“紫羅蘭”紫薯作為試驗(yàn)材料，通過(guò)正交試驗(yàn)，研究了超聲功率、提取溫度、超聲時(shí)間和料液比（g/ml）對(duì)紫薯中花青素提取率的影響，優(yōu)化研究了紫薯中花青素的工藝條件.結(jié)果顯示，溫度對(duì)紫薯花青素的超聲波提取影響甚小，而其他三個(gè)因素與紫薯花青素的超聲波提取都有關(guān)聯(lián).正交試驗(yàn)結(jié)果表明，料液比（g/ml）是對(duì)提取率影響最大的因素.超聲波提取紫薯花青素的最佳工藝條件是料液比（g/ml）為7：10（m：v），超聲時(shí)間為3min，超聲功率為400W.

“紫羅蘭”紫薯；花青素；超聲波；正交試驗(yàn)

前言

“紫羅蘭”紫薯是一種優(yōu)良的紫薯品種，含有豐富的花青素，是一種天然色素源和營(yíng)養(yǎng)食品源［1］.紫薯花青素是一種水溶性的天然色素，能夠清除自由基，具有很強(qiáng)的抗氧化活性［2-4］和穩(wěn)定性［5］，能夠抗突變、抗腫瘤［6］，可以減輕肝機(jī)能障礙［7-10］，具有預(yù)防心血管疾病和Ⅱ型糖尿病等功能［11］.花青素在我國(guó)食品、藥品、保健品等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景.

鑒于紫薯花青素優(yōu)良的特性，紫薯花青素的提取就尤為重要了.2015年，我們通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得到了熱浸提紫薯花青素的最佳工藝，但是，整個(gè)工藝耗時(shí)4.5 h［12］. 2009年，在水溶性大豆多糖的提取研究中，我們發(fā)現(xiàn)超聲波能夠有效提高提取效率［13］.因此，我們期望借助超聲波，找到一種比熱浸提法更高效的紫薯花青素的提取方法.

本研究以“紫羅蘭”紫薯為原料，在熱浸提法［12］的基礎(chǔ)上，用超聲處理器輔助探究紫薯花青素的提取工藝的優(yōu)化條件.分別對(duì)料液比、提取溫度、超聲功率以及超聲時(shí)間等因素進(jìn)行分析，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)獲取最佳提取工藝條件，以期為花青素的工業(yè)提取提供基礎(chǔ)和依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試材與設(shè)備

紫羅蘭紫薯惠州學(xué)院生命科學(xué)系基地種植；

MP120-2電子天平上海精密科學(xué)儀器有限公司；

粉碎機(jī)上海嘉定糧油儀器有限公司；

LD4-2A低速離心機(jī)北京京立離心機(jī)有限公司；

722 G可見(jiàn)分光光度計(jì)上海儀電分析儀器有限公司；

島津UV2660紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)島津；

美國(guó)PALL實(shí)驗(yàn)室超純水系統(tǒng)廣州譽(yù)維生物科技儀器有限公司；

超聲波處理器FS-1200上海生析超聲儀器有限公司；

HWS24型電熱恒溫提取鍋上海恒科學(xué)儀器有限公司.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 預(yù)處理和花青素的提取

紫羅蘭紫薯收獲后，清洗干凈，切塊，冷凍干燥24h，中藥粉碎機(jī)粉碎后，過(guò)篩，備用［12］.

我們已經(jīng)研究過(guò)用熱浸提取法來(lái)提取花青素，并得出了最佳的提取條件：最佳的溫度55℃，提取劑的比例95%乙醇和0.1%鹽酸溶液1：1，料液比1：2以及時(shí)間4.5 h.可以分析出，熱浸提取耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，因此我們需要再研究用超聲波輔助的方法來(lái)優(yōu)化工藝.

精確稱取紫羅蘭紫薯粉末，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在指定的提取劑的比例，提取時(shí)間，提取溫度，料液比及超聲波輔助下提取一定時(shí)間后，樣品在離心機(jī)中以3 000 r/ min，離心5 min，得到澄清的花青素上清液，將上清液稀釋20倍，放入紫外分光光度計(jì)中在波長(zhǎng)為530 nm下測(cè)其吸光度，記錄結(jié)果，每組重復(fù)3次，每次測(cè)3次吸光值，重復(fù)取平均值.

鑒于熱浸提紫薯花青素中溫度是影響最大的條件，而一般提取工藝中料液比也是重要的研究對(duì)象，同時(shí)，大部分的超聲波提取工藝研究［13-17］中都把超聲時(shí)間和超聲功率作為最主要的因素進(jìn)行研究，因此，本研究中，重點(diǎn)對(duì)料液比、提取溫度、超聲功率以及超聲時(shí)間等因素進(jìn)行分析，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)獲取最佳提取工藝條件.

1.2.2 單因素試驗(yàn)

1.2.2.1 超聲時(shí)間對(duì)提取效果的影響

提取劑的比例95%乙醇和0.1%鹽酸溶液1：1，料液比1：2及提取溫度在60℃，在超聲波功率為400 W條件下，超聲波時(shí)間分別為0，2，3，4，5 min，每組重復(fù)3次，離心機(jī)離心5 min，稀釋20倍，測(cè)吸光值.

1.2.2.2 超聲功率對(duì)提取效果的影響

提取劑的比例95%乙醇和0.1%鹽酸溶液1：1，料液比1：2及提取時(shí)間為30 min，提取溫度為60℃，在超聲波功率分別為300，400，500，600，700 W，每組重復(fù)3次，離心機(jī)離心5 min，稀釋20倍，測(cè)吸光值.

1.2.2.3 料液比對(duì)提取效果的影響

提取劑的比例95%乙醇和0.1%鹽酸溶液1：1，提取時(shí)間為30 min，提取溫度為60℃，在超聲波功率為400 W條件下，料液比分別為3：10，4：10，5：10，6：10，7：10，每組重復(fù)3次，離心機(jī)離心5 min，稀釋20倍，測(cè)吸光值.

1.2.2.4 提取溫度對(duì)提取效果的影響

提取劑的比例95%乙醇和0.1%鹽酸溶液1：1，料液比1：2及提取時(shí)間為30 min，在超聲波功率為400 W條件下，提取溫度分別為40，45，50，55，60，65℃，離心5 min，稀釋20倍，測(cè)吸光值.

1.2.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)，由于溫度對(duì)提取效果無(wú)明顯作用，所以對(duì)紫薯花青素超聲波功率、料液比、超聲時(shí)間3個(gè)因素進(jìn)行L9（33）正交試驗(yàn)，因素水平表、結(jié)果與分析分別如表1，表2.

表1 因素水平表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 超聲時(shí)間對(duì)提取效果的影響

超聲時(shí)間對(duì)提取效果的影響的結(jié)果如圖1.由圖1可知，在提取劑的比例95%乙醇和0.1%鹽酸溶液1：1，料液比為1：2，提取溫度為60℃，超聲功率為400 W條件下，當(dāng)超聲時(shí)間為3 min時(shí)花青素提取效果最好.在其他條件不變的情況下，隨著超聲時(shí)間的增加，花青素的提取效果逐漸提高，在3 min時(shí)達(dá)到最高，當(dāng)超聲時(shí)間繼續(xù)增加，提取效果明顯減弱.因此初步選擇超聲時(shí)間為3 min.這可能因?yàn)槌晻r(shí)間超過(guò)一定時(shí)間會(huì)破壞花青素的穩(wěn)定性.綜合考慮，選擇2，3，4 min作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平.

圖1 不同提取時(shí)間對(duì)提取效果的影響

2.1.2 超聲功率對(duì)提取效果的影響

超聲功率對(duì)提取效果的影響的結(jié)果如圖2.由圖2可知，在提取劑的比例95%乙醇和0.1%鹽酸溶液1：1，料液比為1：2，提取溫度為60℃，超聲功率為400 W條件下，當(dāng)超聲功率為500 W時(shí)花青素提取效果最好.在其他條件不變的情況下，隨著超聲功率的增加，花青素的提取效果逐漸提高，在500 W時(shí)達(dá)到最高，繼續(xù)增大功率，提取效果明顯減弱.因此初步選擇超聲功率為500 W，綜合考慮，選擇400，500，600 W作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平.

圖2 不同超聲功率對(duì)提取效果的影響

2.1.3 料液比對(duì)提取效果的影響

料液比對(duì)提取效果影響的結(jié)果如圖3.由圖3可知，在提取劑的比例95%乙醇和0.1%鹽酸溶液1：1，提取溫度為60℃，超聲功率為400 W條件下，料液比的效果變化較大，當(dāng)料液比為6：10時(shí)花青素提取效果最好.在其他條件不變的情況下，隨著料液比的變化，花青素的提取效果逐漸提高，在6：10時(shí)達(dá)到最高，之后提取效果明顯減弱.綜合考慮，選擇5：10，6：10，7：10作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平.

圖3 不同料液比對(duì)提取效果的影響

2.1.4 提取溫度對(duì)提取效果的影響

提取溫度對(duì)提取效果的影響的結(jié)果如圖1.由圖1可知，在提取劑的比例95%乙醇和0.1%鹽酸溶液1：1，提取時(shí)間為30 min，超聲功率為400 W條件下，當(dāng)提提取溫度為60℃時(shí)，花青素提取效果最好.但是，在其他條件不變的情況下，綜合發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)花青素的提取效果無(wú)明顯影響，波動(dòng)變化也不大，不同溫度的結(jié)果都是集中在0.5-0.55之間.分析得，溫度對(duì)提取效果的影響不明顯，因此不選取溫度這一因素.

圖4 不同提取溫度對(duì)提取效果的影響

2.2 正交試驗(yàn)

表2 正交試驗(yàn)表

我們選取超聲時(shí)間、超聲功率、料液比三個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.從表2中可以看到，料液比是對(duì)花青素提取效果影響最大的因素，各因素對(duì)花青素提取效果的影響程度依次是A＞C＞B，即料液比＞超聲功率＞超聲時(shí)間.從正交試驗(yàn)中也得到了最佳的提取條件A3B2C1，即料液比為7：10，超聲時(shí)間為3 min，超聲功率400 W.

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

表3 花青素驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)

進(jìn)行了3次驗(yàn)證試驗(yàn)，花青素的吸光值分別是0.605、0.564、0.562，平均值為0.577，RSD為2.45%.綜合分析，可以將A3B2C1確定為最佳提取工藝.

4 結(jié)論

本研究以“紫羅蘭”紫薯為原料，在熱浸提法的基礎(chǔ)上，加超聲波輔助的方法，通過(guò)單因素以及L9（33）正交試驗(yàn)，研究了提取溫度、超聲功率、超聲時(shí)間和料液比對(duì)紫薯中花青素提取得率的影響，優(yōu)化研究了紫薯中花青素的工藝條件.

本研究認(rèn)為溫度對(duì)超聲波提取紫薯花青素影響甚小，而與之前本團(tuán)隊(duì)研究熱浸提紫薯花青素中溫度是對(duì)提取率影響最大的因素的結(jié)論［12］相悖，可能是在超聲波輔助的條件下，提取時(shí)間驟然降低（從4.5小時(shí)降至3分鐘），溫度的影響就顯得微不足道了.這一結(jié)論也與我們之前研究超聲波提取水溶性大豆多糖的研究是一致的［13］，也可能在超聲輔助的提取過(guò)程中，溫度的影響是微乎其微的.

在熱浸提紫薯花青素的研究中，最佳的提取條件中提取時(shí)間4.5h，相對(duì)應(yīng)的A530是1.588［12］.而在本研究中，最佳提取時(shí)間是3min，A530是0.577，提取率雖然只有熱浸提的1/3，提取時(shí)間卻大大降低，只是熱浸提的1/90，提取效率顯著提高.因此，我們找到了一種比熱浸提方法更為高效提取方法——超聲波輔助提取紫薯花青素的方法.

而與同期其他研究者的研究相比，我們的超聲波提取法也具有一定的優(yōu)勢(shì).李琪［14］、田喜強(qiáng)［15］、許青蓮［16］和秦紫馨［17］等人也通過(guò)超聲輔助提取紫薯花青素，其中李琪的研究得出超聲時(shí)間為30 min［14］，田喜強(qiáng)的超聲時(shí)間為60 min［15］，許青蓮的結(jié)論為15 min［16］.而在本研究中，最佳的超聲時(shí)間只需要3 min.本研究中使用的是超聲波細(xì)胞破碎儀，能夠直接作用于紫薯細(xì)胞，使花青素充分釋放，與使用超聲波清洗儀相比，作用力更強(qiáng)，更直接，整個(gè)提取過(guò)程也更有效率.本研究中最佳超聲功率是400 W，即33 Hz，而與許青蓮等人［16］認(rèn)為的100 Hz，相差較大，與秦紫馨［17］得出的40 Hz，田喜強(qiáng)［15］得出的300 W，比較相近.本研究認(rèn)為400 W既保證了有較高的提取量，又不會(huì)破壞花青素結(jié)構(gòu)，還節(jié)約能量，是比較合適的超聲功率.儀器是因素之一，紫薯的品種也是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素之一.因此，本研究是建立在以超聲波細(xì)胞破碎儀作用下的研究基礎(chǔ)上，為“紫羅蘭”紫薯花青素的超聲提取與應(yīng)用提供參考依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步促進(jìn)花青素的大規(guī)模的高效生產(chǎn)，并廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、醫(yī)療等相關(guān)行業(yè).

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【責(zé)任編輯：吳躍新】

Ultrasonic-assisted Extraction of Anthocyanins from‘Violet’Purple Sweet Potato

YIN Yan1，LUO Xiao-mei1，LI Man-yu1，HUANG Ying-lin1，PENG Yong-hong1，2
（1.School of Life Science，Huizhou University，Huizhou 516007，Guangdong China；2.School of Life Science，South China Normal University，Guangzhou 510631，Guangdong China）

Taking‘Violet’purple sweet potato as test materials，the effect of ultrasonic power，temperature，ultrasonic time and the ratio of raw material to liquid（g/ml）on extraction of anthocyanins from‘Violet’purple sweet potato were studied by orthogonal test.The results showed that temperature was irrelevant to the extraction while the other three factors were relevant to extraction of anthocyanins from‘Violet’purple sweet potato by single factor test.Orthogonal test results showed that the ratio of raw material to liquid（g/ml）was the most relevant factor.The optimum parameters were that the ratio of raw material to liquid（g/ml），ultrasonic time and power was 7：10（m：v），3 minutes and 400W，respectively.

‘Violet’purple sweet potato；anthocyanins；ultrasonic；orthogonal experiment

Q946

A

1671-5934（2016）06-0040-05

2016-10-20

廣東省重大科技專項(xiàng)（2011A080801020）；廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣專項(xiàng)（201201162）；惠州學(xué)院科研項(xiàng)目（2012QN08）；惠州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012-25）；省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201510577062）

尹艷（1982-），女，江西永新人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橹参锾烊划a(chǎn)物的研究.