仙人掌果红色素提取工艺及其稳定性研究

马丹雅，赵 晶，姚 晶，*，王红梅，宋 琳，杨同舟，陈智斌

(1.黑龙江东方学院，黑龙江哈尔滨150086;2.黑龙江天宏工程设计有限公司，黑龙江哈尔滨150090)

食用色素是食品添加剂的重要组成部分，其中天然食用色素对人体健康一般无毒无害，许多还具有一定的营养价值和药理作用［1］。目前国内外天然食用色素的种类和产量还比较少，远远不能满足食品工业、酒类、化妆品及药物等行业的发展需要，为此，应积极致力于天然食用色素的研究和开发。仙人掌果又名仙掌子，为仙人掌科植物仙人掌的果实，在我国广东雷州半岛海岸产量十分丰富，由于果皮毛刺多，食用不便而长期未被开发利用，仅民间作水果食用［2-3］。仙人掌果表皮呈深红色，果汁呈紫红色，无毒，风味独特且营养价值高。有文献报道仙人掌果红色素为甜菜色苷类化合物，而我国于甜菜中提取的甜菜红色素已成为商品天然色素，用于糖果、冷饮、药品糖衣的着色，又因为仙人掌果的红色素含量大且易于提取，若能加工利用，其经济效益将十分可观［4］。本实验建立了仙人掌果红色素提取的最佳工艺条件，并研究了光照、pH、氧化剂、还原剂以及金属离子、食品添加剂等因素对仙人掌果红色素稳定性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

仙人掌果 海南野生品种;硫酸镁、氯化钡、氯化锌、氯化钠、乙酸铅、四氯化锡 分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司;硫酸铜、碳酸氢钠 分析纯，天津市光复精细化工研究所;亚硫酸钠、浓盐酸、三氯化铁 分析纯，天津市耀华化学试剂有限责任公司。

电热恒温水浴锅DKS-24型 上海经济区沈荡中新电器厂;DELTA 320系列pH计 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;80-2型离心机 上海浦东物理光学仪器厂;Sectrumlab54紫外可见分光光度计上海棱光技术有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的前处理 鲜仙人掌果去籽、去皮，加0.7%的果胶酶，在 pH4.0、温度 40℃条件下水解1.5h。

1.2.2 仙人掌果红色素的提取 用乙醇的水溶液完全覆盖仙人掌果渣，不断搅拌，使色素不断溶解在乙醇中，多次浸提;将浸提液在3000r/min条件下离心20min，弃去下面沉淀;将上清液在530nm下测定其吸光度［5-6］。

1.2.3 仙人掌果红色素提取的单因素实验研究

1.2.3.1 料液比的选择 控制温度在50℃，取5份仙人掌果渣各1g，分别加入10mL缓冲液，再分别加入20、40、60、80、100mL pH4 的 70% 乙醇-水溶液(用5mol/L的 HCl溶液调节)，浸提 60min，然后在530nm下测定不同物料比条件下的吸光度。

1.2.3.2 提取温度的选择 取6份鲜仙人掌果渣各1g，分别加入10mL缓冲液再加入20mL pH4的70%乙醇-水溶液(用5mol/L的HCl溶液调节)，然后分别在 30、40、50、60、70、80℃ 的温度下搅拌，浸取60min，在530nm下测定各种温度条件下的吸光度。

1.2.3.3 提取pH的选择 取6份鲜仙人掌果渣各1g，分别加入10mL缓冲液再分别加入20mL pH分别调为3、4、5、6、7、8 的70%乙醇-水溶液，在50℃条件下搅拌，浸取60min，然后在530nm下测定各种pH条件下的吸光度。

1.2.3.4 提取时间的选择 控制温度在50℃，取6份仙人掌果渣各1g，分别加入10mL缓冲液再分别加入20mL pH5.0的70%乙醇水溶液，浸取时间分别为30、40、50、60、70、80min，然后在 530nm 下测定不同提取时间条件下的吸光度。

1.2.4 仙人掌果红色素提取的正交实验研究 以提取温度，提取pH和物料比为因素，进行因素实验，根据单因素实验结果，选取合适的因素水平设计正交实验，以确定最佳提取条件，正交实验因素水平如表1所示。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Orthogonal experiment design

1.2.5 红色素得率的计算 提取的仙人掌果红色素滤液放入烘箱中，烘干至恒重，所得恒重红色素的质量与仙人掌果样品质量之比即为仙人掌果红色素的得率。

1.2.6 稳定性实验 以测定530nm处的吸光度为指标，研究光照、pH、氧化剂、还原剂和金属离子对色素稳定性的影响，并研究在不同浓度范围内的变化趋势。

2 结果与分析

2.1 仙人掌果红色素提取单因素实验结果

2.1.1 料液比的选择 实验结果如图1所示。由图1可以看出，随着提取溶剂的增加，吸光度有所下降，随着提取溶剂的量增加，色素相当于被稀释了，在提取溶剂为20mL时，吸光度最大，提取时料液比1∶20比较适宜。

图1 料液比对红色素提取的影响Fig.1 Response of material ratio on extraction of red pigment

2.1.2 红色素提取温度的选择 在提取体系pH为5.0，料液比为1∶20，提取时间为60min的条件下，改变提取温度，实验结果如图2所示。

图2 温度对红色素提取的影响Fig.2 Response of extraction temperature on the extraction of red pigment

从图2可以看出，在提取温度在50℃以下时，随着温度的升高，色素的吸光度不断提高。而当温度达到50℃时，色素类物质的溶出速度达到最大，超过50℃后，天然色素会分解，使吸光度下降。

2.1.3 提取红色素pH的选择 将温度控制在50℃，料液比为1∶20，用70%的乙醇溶液浸提60min，改变pH，实验结果如图3所示。

图3 pH对红色素提取的影响Fig.3 Response of pH on extraction of red pigment

由图3可以看出在一定范围内，红色素的提取率随pH的增加而增大，随着pH的升高，红色素提取率呈先上升后下降的趋势。当pH到5时吸光度最大，即提取率最大，但pH＞7时，天然色素受到破坏，由图可以看出红色素在酸性条件下较稳定，在碱性条件下不稳定易分解。

2.1.4 红色素提取时间的选择 在提取体系pH为5.0，料液比为1∶20，提取温度50℃时，改变反应需要的时间，实验结果如图4所示。

图4 提取时间对红色素提取的影响Fig.4 Response of extraction time on extraction of red pigment

由图4可以看出，随着提取时间的延长，色素的提取率呈先上升后降低的趋势。这可能是因为随着时间的延长，色素类物质溶出得更加充分，提取时间为60min时，吸光度最高。但时间过长，会导致色素的降解，使色素的提取率降低，所以提取红色素时选取最佳的时间为60min。

2.2 仙人掌果红色素提取正交实验结果

由正交实验结果可知(见表2)，三因素的极差大小顺序是:B＞C＞A，即提取体系的料液比对提取率影响最大，其他几个因素影响相对较小。通过极差分析计算，得到各因子的最佳组合是A2B1C2，即最佳工艺条件是:提取温度为50℃，提取体系的料液比为1∶20，提取 pH 为 5.0。

以最佳提取工艺条件提取的仙人掌果红色素滤液放入烘箱中，烘干至恒重，得出原料中红色素的得率约为5.2%。

表2 正交实验分析结果Table 2 Results of orthogonal experiment

2.3 仙人掌果红色素稳定性的研究

2.3.1 光照对仙人掌果红色素稳定性的影响 取已提取的仙人掌果红色素1mL置于6个25mL的具塞刻度试管，用70%乙醇-水溶液稀释至10mL，放置有阳光的地方0、1、2、3、4、5d 后，在波长 530nm 下测定其吸光度。结果见图5，得出2～3d时，红色素的吸光度明显下降，自然光对红色素的影响比较大，放置5d后红色素完全分解，得出结论仙人果红色素不宜在自然光下放置过久，应避光贮存。

图5 不同天数光照色素稳定性的影响Fig.5 Effects of days of sunlight on pigment stability

2.3.2 pH对仙人掌果红色素稳定性的影响 吸取已提取的仙人掌果红色素1mL置于25mL的具塞刻度试管，用70%乙醇水溶液稀释至10mL，再加入用酸度计分别调配 pH 为2.9、5.0、7.1、9.2、11.0 一系列的缓冲溶液静置6h后，在530nm处测定其吸光度。

图6 不同pH对色素稳定性的影响Fig.6 Effect of pH on pigment stability

由图6可以看出仙人掌果红色素在pH3～5时红色素的稳定性较好，颜色也较稳定，而pH9～11时相对来说稳定性较差，在碱性条件下加速了色素的分解，因此红色素适宜在酸性条件下贮存。

2.3.3 氧化剂、还原剂对仙人掌果红色素稳定性的影响 氧化剂对红色素的影响:过氧化氢为氧化剂，用30%的H2O2配制体积分数分别为0、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、4.0%的过氧化氢溶液，取提取的仙人掌果红色素各1mL置于7个25mL的具塞刻度试管，再分别用配制好的溶液稀释至10mL，室温放置6h后在530nm处测定其吸光度。

图7 H2O2对色素稳定性的影响Fig.7 Effect of H2O2on pigment stability

由图7可以看出随着H2O2体积分数的增加，红色素受到的破坏越严重，可能是氧化剂使得一部分色素分解了，使得吸光度下降。

还原剂对红色素的影响:无水亚硫酸钠作为还原剂，配制质量浓度分别为 0、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0g/100mL的亚硫酸钠溶液，取提取的仙人掌果红色素各1mL置于7个25mL的具塞刻度试管，再分别用配制好的溶液稀释至10mL，室温放置6h后在530nm处测定其吸光度。

表3 各种金属离子对色素稳定性的影响Table 3 Effects of metal ions on pigment stability

由图8可以看出随着还原剂Na2SO3含量的增加，红色素的吸光度有所下降，说明还原剂的存在会对仙人果红色素的稳定性起到破坏作用，使色素发生降解。

图8 Na2SO3对色素稳定性的影响Fig.8 Effect of Na2SO3on pigment stability

2.3.4 金属离子对仙人果红色素稳定性的影响 分别称取相应质量的药品，配制成含0.1g/20mL的Zn2+、Mg2+、Sn2+、Fe3+、Na+、Pb2+、Ag+、Cu2+的金属离子溶液，取提取的仙人掌果红色素各1mL置于10个25mL的具塞刻度试管，再分别用配制好的金属离子溶液稀释至10mL，室温放置6h后在530nm处测定其吸光度，并与未加金属离子的对照组的吸光度进行比较，其结果见表3。

根据金属离子对仙人掌果红色素稳定性的影响的实验，由表3可以看出Mg2+、Na+对仙人掌红色素的稳定性影响不大，Zn2+、Sn2+、Fe3+、Pb2+、Cu2+对仙人掌红色素的稳定性影响相对较大，且随着金属离子浓度的变化，溶液的颜色会产生一定的变化。因此应该避免仙人掌果红色素与金属离子尤其是铁、锌、铜、铅、锡制品接触。

3 结论

3.1 提取仙人掌果红色素得出最佳的提取条件为:提取温度为50℃，提取体系的料液比是1∶20，提取pH是5.0，提取时间1h。

3.2 仙人掌果红色素的稳定性研究结果表明:光照时间越长，色素受到的破坏越大，光照使色素分解，色素应避光保存;仙人掌红色素在pH为3～5时较稳定，在碱性条件下容易分解;仙人掌果红色素易受到双氧水，亚硫酸钠的影响，随浓度的增加受到的破坏越大;仙人掌果提取的红色素对Mg2+、Na+等金属离子较稳定，而对 Zn2+、Sn2+、Fe3+、Pb2+、Cu2+等金属离子较不稳定。

3.3 仙人掌果红色素原料易得，提取工艺简单，色泽艳丽，天然安全。可应用于食品及药品，是一种有较大发展前途的天然食用色素。

［1］胡正强.食用天然色素的开发与应用［J］.农牧产品开发，1996(1):33-35.

［2］易美华，林丽梅.仙人掌保健饮料的技术研究［J］.食品科技，2000(2):43-45.

［3］赵声兰，陈朝银，刘宏刚，等 .仙人掌脯的研制［J］.食品科技，2002(3):17-18.

［4］王钊，林琳，鲍世铨.我国海南仙人掌的成分分析及开发前景［J］.天然产物研究与开发，2000，13(1):44-48.

［5］戴玉锦，叶琴，丁梅，等.橙皮色素的鉴定及稳定性研究［J］.江苏农业科学，2005(1):105-108.

［6］李明.提取技术与实例［M］.北京:化学工业出版社，2006:287-288.