紫薯色素的微波提取及其稳定性和抗氧化活性的研究

余 凡，杨恒拓，葛亚龙，田光辉

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723000）

紫薯（Solanum tuberodsum L.）俗称紫山芋、黑薯，薯肉呈紫色至深紫色，煮熟后肉味紫黑色，故又叫“紫黑薯”，现已经在国内广泛种植，有良好的经济效益，在国内外市场上十分走俏，应用和发展前景广阔。紫薯中营养成分丰富多样[1-2]，含有淀粉、蛋白质、粗脂肪、多糖[3]、膳食纤维素，还含有多种维生素、胡萝卜素、色素[4]、绿原酸以及钙、磷、铁等微量元素[5]。紫薯色素是一种从紫薯中提取的水溶性紫红色素[6]，在紫薯的块根、茎、叶和薯皮含量都较高，属于天然花青类色素，该类色素清除自由基的能力是维生素C的20倍、维生素E的50倍，还具有强耐热性和耐光性，稳定性好，抗突变性强，对动物的肝功能阻碍具有缓解作用[6]，是广泛应用的功能性食品添加剂和保健食品的好原料。紫薯花青素分子结构中含有多个酚羟基，生物活性显著，也已将紫薯色素应用于化妆品和纺织品染织中，由于天然色素安全可靠用途广泛，且种类繁多，不少天然色素兼有营养和药理作用，具有非常广阔的开发应用前景[7]。目前提取紫薯色素已有微波或超声等方法的研究报道，但对紫薯色素的稳定性和抗氧化性的研究还尚少。本研究采用微波辅助提取紫薯色素，可以大幅度地提高紫薯色素的溶出率，简化提取操作步骤，节约溶剂，缩短生产周期，通过单因素实验和正交实验，确定紫薯色素最佳提取工艺，使紫薯中色素提取达到一个较高水平。对紫薯色素在常见氧化剂、还原剂、食品添加剂以及一些金属离子等存在下测试其稳定性，并进行了体外抗氧化实验，探讨其清除羟自由基·OH的能力，为紫薯色素天然色素的工业化提取及规模化生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫薯 收集于秦巴山区优质种植地基，漂洗干净，研碎，避光低温密封备用；柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、氯化钠、甲酸钠、无水乙醇、双氧水、亚硫酸钠、明矾、维生素C、FeSO4·7H2O、Fe2（SO4）3、CuSO4·5H2O、CaCl2、Na2SO4、MgSO4、K2SO4、ZnSO4·7H2O、MnSO4·H2O、邻二氮菲等试剂 均为国产分析纯，西安试剂厂；水 为超纯水。

UWave-1000型微波反应仪 上海新仪微波化学科技有限公司；UV-6300PC型紫外可见分光光度计

上海美谱达仪器有限公司；DOB-2003型光电分析天平 重庆实验设备厂；PHS-3C型数字显示酸度计 上海精密科学仪器有限公司雷磁厂；SHB-III型循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；101型电热鼓风干燥箱 北京科伟永兴仪器有限公司；HH-系列恒温水浴锅 河北省黄骅市渤海电器厂；800型离心机 上海磁极器材厂；LRH-250A型生化培养箱 广东省医疗器械厂。

1.2 实验方法

1.2.1 紫薯色素的提取 将紫薯洗净，切成小块在研钵中研碎，然后用电子天平准确称取1.5g，加入一定浓度的柠檬酸提取液，微波提取一定的时间，抽滤，再重复提一次，合并滤液并定容，在450nm处测其吸光度。

1.2.2 紫薯色素最大吸收峰的确定 用电子天平准确称取1.5g研碎的紫薯，加入15mL 5%的柠檬酸溶液，微波提取额15min，抽滤，滤渣再重复提取一次，再次抽滤，合并滤液并定容在50mL的容量瓶中，取15mL溶液稀释至100mL。然后取一定量的溶液放入1cm的比色皿中，在波长为300.00～700.00nm范围内进行扫描，测定吸光度，筛选最大吸收波长。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 微波温度对紫薯色素提取的影响 在微波功率为100W、提取时间为15min、柠檬酸浓度为5%、料液比为1∶10的条件下，温度依次为10、20、30、40、50、60℃下提取，测定其在最大吸收波长处的吸光度。

1.2.3.2 时间的影响 在微波功率为100W、温度为30℃、柠檬酸浓度为5%、料液比为1∶10的条件下，时间将依次为3、6、9、12、15、18min下提取，测定其在最大吸收波长处的吸光度。

1.2.3.3 柠檬酸浓度对紫薯色素提取的影响 在微波功率为100W、温度为30℃、时间为15min、料液比为1∶10的条件下，柠檬酸浓度将依次为0.5%、1%、5%、10%、15%下提取，测定其在最大吸收波长处的吸光度。

1.2.3.4 微波功率对紫薯色素提取的影响 在温度为30℃、柠檬酸浓度为5%、料液比为1∶10、时间为15min的条件下，微波功率为25、50、75、100、125W下提取，测定其在最大吸收波长处的吸光度。

1.2.3.5 料液比对紫薯色素提取的影响 在微波功率为75W、温度为30℃、柠檬酸浓度为5%、时间为15min的条件下，料液比依次为1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25下提取，测定其在最大吸收波长处的吸光度。

1.2.4 正交实验的设计 在单因素实验中选取温度、时间、料液比、柠檬酸浓度4个影响较大的因素对紫薯色素提取率的影响进行考察，设计四因素三水平L9（34）的正交实验，寻求最佳提取工艺条件，正交实验设计如表1所示。

表1 正交实验因素表Table 1 Factor level of orthogonal design

1.2.5 紫薯色素的稳定性 选取正交实验中温度、时间、柠檬酸浓度、料液比的最优结果，进行提取，用50%的乙醇提取一定量的紫薯色素溶液，稀释至所需浓度备用。色素稳定性（用加入其他溶液后其溶液中色素保留率表示）的计算：色素保留率（%）=加其他溶液以后的吸光度/加蒸馏水的吸光度×100。

1.2.5.1 温度对紫薯色素稳定性的影响 取3mL紫薯色素溶液，加入7mL蒸馏水，分别在室温（25℃）、35、45、55、65、75℃下放置2h，测定其在450nm处的吸光度，并计算色素保留率。

1.2.5.2 食品添加剂对紫薯色素稳定性的影响 取3mL紫薯色素提取液，分别加入7mL 0.001、0.002、0.003mol/L的食盐、柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、乙酸钠和VC溶液，另取一支加7mL蒸馏水，室温下放置12h，分别测定其在450nm处的吸光度，计算色素保留率。

1.2.5.3 常见的饮料对紫薯色素稳定性的影响 取3mL紫薯色素提取液，分别加入7mL碳酸饮料、苏打水、矿泉水（均无色），另取一支加7mL蒸馏水室温下放置12h，分别测定其在450nm处的吸光度，计算色素保留率。

1.2.5.4 不同pH对紫薯色素稳定性的影响 取3mL紫薯色素提取液，分别加入7mL pH为3、4、5、6、7、8、9、10、11的溶液，另取一支加7mL蒸馏水，室温下放置4h，分别测定其在450nm处的吸光度，计算色素保留率。

1.2.5.5 氧化剂和还原剂对紫薯色素稳定性的影响 取3mL紫薯色素提取液，分别加入7mL浓度为1%、2%、3%的H2O2，浓度为1%、2%、3%的Na2SO3溶液，另取一支加7mL蒸馏水，室温下放置4h，分别测定其在450nm处的吸光度，计算色素保留率。

1.2.5.6 常见的金属离子对紫薯色素稳定性的影响 取3mL紫薯色素提取液，分别加入7mL 0.001、0.002、0.003mol/L的只含有Mg2+、Na+、K+、Ca2+、Al3+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Fe3+和Fe2+的溶液，另取一支加7mL蒸馏水，室温下放置12h，分别测定其在450nm处的吸光度，计算色素保留率。

1.2.6 体外清除·OH作用的实验 体外抗氧化活性实验采用H2O2/Fe2+体系法[8-9]。将紫薯色素配成浓度为1.54mg/L的乙醇溶液，取8支试管分别加入0.75mmol/L邻二氮菲溶液1mL、200mmol/L pH为7.4的PBS（Phosphate Buffered Saline混合磷酸盐缓冲剂）1.5mL，充分混匀后再加入0.75mmol/L FeSO41mL立即混匀，然后向8支试管分别加入不同梯度的紫薯色素溶液，混匀，最后向其中加入0.01%的H2O21mL，摇匀。另2支分别为损伤管和未损伤管，这两支试管不加紫薯色素溶液，除0.01%的H2O2外依次加入与前面8只试管中等量的不同溶液，最后在损伤管中加入0.01%的H2O21mL，未损伤管不加H2O2，对10支试管都以二次蒸馏水补充到相同的体积，将10支试管置于生化培养箱中，在37℃保温1h，测A510值。重复三次取平均值。对·OH清除率计算公式为：

·OH清除率（%）=（A2-A1）/（A0-A1）×100

式中，A0为未损伤管吸光度；A1为损伤管吸光度；A2为加入紫薯色素溶液的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 紫薯色素最大吸收峰的确定

以紫薯色素吸收的波长为横坐标，以不同波长下的吸光度为纵坐标，在不同波长下的吸光度如图1所示，紫薯色素光谱吸收曲线图，紫薯色素最大吸收峰长为450nm。

图1 紫薯色素的光谱吸收图Fig.1 Purple sweet potato pigment spectral absorption in Figure

2.2 单因素实验

2.2.1 温度对紫薯色素提取的影响 如图2所示，表明紫薯色素在10～30℃时提取率（用吸光度表示，下文同）随温度升高而增大，在30℃时，紫薯色素的提取率最大，超过30℃提取率会随温度升高而降低，可能是由于微波温度过高将紫薯色素破坏了。所以从经济及提取率角度考虑，30℃的提取温度最佳。

图2 不同温度对紫薯色素的提取的影响Fig.2 The impact of different temperatures on the extraction of the pigment of the purple sweet potato

2.2.2 时间对紫薯色素提取的影响 如图3所示，微波时间对紫薯色素提取率随时间增大；在15min时，紫薯色素提取率达到最大；超过15min增幅不明显，18min时开始有小幅度的下降，可能原因是搅拌的时间过长，将紫薯色素中一些易碎物搅碎了。综合经济考虑，紫薯色素的最佳提取时间为15min。

图3 不同时间对紫薯色素的提取的影响Fig.3 Different time on the extraction of the pigment of the purple sweet potato

2.2.3 柠檬酸浓度对紫薯色素提取的影响 如图4所示，在柠檬酸浓度小于5%时，随着柠檬酸浓度的增大，紫薯色素的提取率有显著的提高，柠檬酸浓度为5%时，紫薯色素的提取率最大，但柠檬酸浓度超过5%时基本保持不变，从经济的角度考虑，紫薯色素提取时柠檬酸浓度在5%是最经济实惠的。

图4 不同的柠檬酸浓度对紫薯色素提取率的影响Fig.4 Different concentrations of citric acid on the purple sweet potato pigment extraction

2.2.4 微波功率对紫薯色素提取的影响 如图5所示，微波功率小于75W时，紫薯色素的提取率随功率的升高而增大，75W时紫薯色素的提取率最大，但当功率超过75W时随着功率的升高紫薯色素的提取率会下降，原因可能微波功率过大会对紫薯色素造成破坏。所以紫薯的最佳微波功率为75W。

图5 不同的微波功率对紫薯色素提取率的影响Fig.5 Different microwave power on the purple sweet potato pigment extraction

2.2.5 料液比对紫薯色素提取的影响 如图6所示，当料液比在1∶10左右时，紫薯色素提取率基本稳定，超过1∶10基本保持不变，从经济角度考虑，最佳料液比为1∶10。

图6 不同的料液比对紫薯色素提取率的影响Fig.6 The impact of different solid-liquid ratio of purple sweet potato pigment extraction

2.3 紫薯中色素提取的优化

将温度、时间、柠檬酸浓度、料液比四个因素各取三个水平，正交实验结果及分析如表2所示。

表2 正交实验结果与分析Table 2 Results and analysis of orthogonal test

由表2直观分析可知，紫薯色素提取工艺的影响因素次序大小是D＞A＞C＞B，由此可知适当的料液比对提取率的影响很大，其次是温度、柠檬酸浓度、时间；结合各因素k值可知紫薯色素的最佳提取条件是A2B2C3D3，即温度为30℃，时间为15min，柠檬酸浓度为10%，料液比为1∶15，在最优条件下，经验证提取率（以吸光度表示）可高达0.462，均高于表2中其他组合的提取率，比普通浸提高（普通浸提为用蒸馏水室温浸提24h，吸光度为0.225）。

2.4 紫薯稳定性的研究

2.4.1 温度对紫薯色素稳定性的影响 如表3所示，可以看出紫薯色素在65℃以下稳定性较好，但在65℃以上稳定性会显著降低，因此其在保存和使用的过程中应尽量避免高温。

表3 温度对紫薯色素稳定性的影响Table 3 The influence of temperature on pigment stability of the purple sweet potato

2.4.2 食品添加剂对紫薯色素稳定性的影响 如表4所示，紫薯色素在食盐、柠檬酸、葡糖糖、蔗糖、乙酸钠、VC溶液中都较稳定，因此，说明紫薯色素是一种极好的天然食品着色剂。

表4 食品添加剂对紫薯色素稳定性的影响Table 4 The impact of food additives on the stability of the pigment of the purple sweet potato

2.4.3 常见的饮料对紫薯色素稳定性的影响 如表5所示，可以看出常见的苏打水和矿泉水对紫薯色素的稳定性影响很小，但碳酸饮料对其影响有利。

表5 常见的饮料对紫薯色素稳定性的影响Table 5 Common beverages on the stability of the pigment of the purple sweet potato

2.4.4 不同pH对紫薯色素稳定性的影响 如表6所示，紫薯色素在酸性条件下稳定性较好且在酸性条件时随pH的增大稳定性减小，在碱性条件下随pH的增大，稳定性先增大后减小。在实验中还观察到紫薯色素在酸性条件下呈红色，在中性条件下呈紫色，在碱性条件下呈蓝色。

表6 不同pH对紫薯色素稳定性的影响Table 6 The impact of pH on the stability of the pigment of the purple sweet potato

2.4.5 氧化剂和还原剂对紫薯色素稳定性的影响如表7所示，紫薯色素在有氧化剂存在的条件下极不稳定，可能已被氧化成其他物质，在有还原剂存在的条件下较稳定，所以，紫薯色素在使用的过程中应尽量避免与氧化剂一起使用，以防止其稳定性被破坏。

表7 氧化剂和还原剂对紫薯色素稳定性的影响Table 7 Oxidizing and reducing agents on the stability of pigment of the purple sweet potato

2.4.6 常见的金属离子对紫薯色素稳定性的影响如表8所示，紫薯色素在Na+、Ca2+、Al3+的溶液中较稳定，在有K+、Zn2+离子的溶液中会形成一种非沉淀的配合物，在Mg2+、Cu2+、Mn2+、Fe2+、Fe3+的溶液中会生成沉淀，所以在使用时应注意不要和这些离子混用。

2.5 紫薯色素体外清除·OH的作用

按照1.2.6的方法确定紫薯色素对·OH的清除作用，结果如图7所示，结果说明紫薯色素对H2O2/Fe2+体系通过Fenton反应产生的·OH有明显的清除作用，且随着加入量的增加清除率呈上升趋势，清除率和紫薯色素的用量存在一定的量效关系。羟基自由基是造成组织细胞损伤的主要活性氧之一，能引起膜过氧化，蛋白质交联变性，核酸损伤等，许多疾病如肿瘤、炎症、癌症、衰老、动脉硬化等的引发大多数和羟基自由基有关，紫薯色素对·OH有清除作用，是一种待开发且非常具有前景的天然保健色素。

图7 紫薯色素体外清除·OH作用Fig.7 Purple sweet potato pigment to clear the role of·OH in vitro

3 结论

紫薯色素在提取过程中用10%的柠檬酸较好，对环境无危害，温度、柠檬酸浓度、料液比、时间、微波功率对紫薯色素提取率影响较大。紫薯色素的提取温度不宜太高，在常温下最好，也很节能，时间为15min，微波功率为75W时提取效果较好，较为绿色节能。紫薯色素在室温下较稳定，易保存，在一些常见的食品添加剂和常见的饮料中也较稳定，是一种很好的天然食品着色剂，会有很好的市场；在酸性介质中较为稳定，而且呈现出鲜艳的红色，在碱性下也较稳定，颜色会随着介质酸碱性的改变而发生变化；和还原剂共存时也很稳定，但在氧化剂中易被氧化成其他物质；在Mg2+、Cu2+、Mn2+、Fe2+、Fe3+的溶液中会有沉淀生成，所以使用时应避免这些不利的因素。紫薯色素是一种待开发且具有前景的天然保健色素，在保健食品或饮品开发方面具有较大的应用空间，其具体的应用还需要进一步深入探讨。

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