北陵鸢尾花色素的提取及稳定性研究

付 尧，许 言，万宗喆，方佳楠，宝力格，萧萧，杨丽鹏，王 玲

(东北林业大学 园林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

鸢尾属(Iris L.)是单子叶植物鸢尾科中最大的属，也是最进化的属。在中国，鸢尾属植物主要分布于西南、西北及东北地区［1］。鸢尾属植物花型优美，花色鲜艳，观赏价值极高，除在园林中可用于布置花坛、花境、地被及切花等，还可做干燥花压制，应用前景广阔。而作为干燥花保色技术的重要工艺，花色素稳定性的研究非常必要。

目前对花色素稳定性的研究较多，但主要集中在红色素［2－4］和黄色素［5－6］方面。并在温度、光照、pH值、氧化还原剂等影响因子下进行花色素稳定性研究。但对蓝色花花色素稳定性影响因素的研究较少，其中肖亚中等［7］认为栀子(Gardenia jasminoides)花蓝色素具有良好的化学稳定性;而程超等［8］研究了麦冬(Ophiopogon japonicus)果实的蓝色素稳定性，发现与栀子蓝色素相比，其对pH的稳定性较差。在紫玉兰(Magnolia liliflora)色素稳定性研究中认为色素在强碱和光照条件下不稳定［9］;朱振宝等［10］认为高温和光照会降低紫甘蓝(Brassica oleracea)色素的稳定性;陆卿卿等［11］研究发现蓝莓(Vaccinium uliginosum)汁中的花色苷在60℃以下的热稳定性较好，加热4 h后，其花色苷残留率达80%以上。但目前关于鸢尾属植物花色素提取及稳定性的研究未见报道。本文以北陵鸢尾为代表，确定蓝紫色鸢尾类植物花色素的适宜提取工艺，并对该色素的稳定性进行初步研究，可为鸢尾类蓝紫色花色素的开发利用和干燥花保色研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2009年6月中旬北陵鸢尾盛花期时进行，新鲜花瓣采自东北林业大学帽儿山实验林场。花瓣用蒸馏水浸泡片刻、吸水纸吸干后放入4℃冰箱内冷藏备用。

1.2 试验方法

1.2.1 北陵鸢尾花色素提取方法的研究 (1)提取剂的选择。以不同溶剂为提取剂进行试验。各提取液分别以相应提取剂作参比，用紫外可见光谱仪比较在200～800 nm波长范围其最大吸收波长处的吸光度值。(2)平行试验。取10 mL色素原液若干份，分别在不同温度、光线条件、pH值、金属离子、氧化还原剂等条件下做单因子平行试验。并在540 nm处测量各样品的吸光度。(3)正交试验。采用L9(34)正交试验设计，对提取时间、浓度、提取温度及物料比4因子在3个不同水平进行优选，见表1。按平行试验的方法在540 nm处测量各样品的吸光度。

表1 北陵鸢尾色素提取的L9(34)正交试验Tab.1 Result of orthogonal test L9(34)of Iris typhifolia

1.2.2 北陵鸢尾色素稳定性的影响因素 (1)光对北陵鸢尾色素的影响。取20 mL色素原液室温(20℃左右)放置，在室内暗处、室内自然光、日光直射3种光线条件下，每隔2 d取样，测定吸光度A，计算色素残存率R，分析光稳定性。(2)温度对北陵鸢尾色素的影响。取10 mL色素常溶液，分别放入40、50、60、70、80、90℃恒水浴中加热，每隔1 h取样，测其吸光度，计算色素残存率R，分析热稳定性。(3)pH对北陵鸢尾色素的影响。取色素原液20 mL，调节pH 0、1、2、3、4、5。测定其吸光度并观察颜色变化。(4)金属离子对北陵色素的影响。取色素原液5 mL于试管中，分别加入0.1 mol/L Mn2+、Fe2+、Mg2+、Ca2+、Na+、Cu2+各3 mL后静置，定期观察颜色并测其吸光度。

1.3 统计分析

对原始数据进行标准化处理，用SPSS软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 北陵鸢尾花色素的提取方法

2.1.1 色素最大波长的确定 在紫外可见光谱下扫描(200～800 nm)，确定北陵鸢尾花色素的最大吸收波长。花青素在可见光区域最大吸收波长在500～550 nm内［14］，图1可知，北陵鸢尾最大吸收波长为540 nm，符合花青素类物质的特征吸收峰，故可初步断定是花青素类物质。

2.1.2 色素提取剂的选择 不同提取剂对鸢尾类花色素的吸光度不同(表2)。由表可知，北陵鸢尾花色素微溶于极性较弱的有机溶剂。其中在0.1 mol/L盐酸－50%乙醇中浸提后色素液吸光度最大，颜色最深。该色素在酸性条件下提取率较好，而且在其他条件相同时，盐酸的浓度选择0.1 mol/L最好(图2)。再用0.1 mol/L盐酸+不同浓度的乙醇作为提取剂进行选择(图3)，所得结果表明0.1 mol/L盐酸－50%乙醇的吸光度最高。因此提取剂初步选择为40%、50%、60%的乙醇。

图1 北陵鸢尾色素吸收光谱特性Fig.1 Absorbance spectrum of Iris typhifolia

表2 鸢尾色素提取剂的选择(λmax=540 nm)Tab.2 Selection of different solvents on the Iris pigment

图2 盐酸浓度的选择(λmax=540 nm)Fig.2 Selction of different concentrations hydrochlotic acid(λmax=540 nm)

图3 不同乙醇浓度对色素提取的影响(λmax=540 nm)Fig.3 Effect on the different concentrations of ethanol on the violet Iris(λmax=540 nm)

表3 北陵鸢尾色素提取的L9(34)正交试验结果(λmax=540 nm)Tab.3 Result of orthogamol experiment of extraction of Iris typhifolia

2.1.3 色素提取的最佳工艺 在单因素试验基础上，对色素提取量影响因素较大的条件进行选择，最终确定提取最佳组合(表3)。以浸提时间(A)、浸提浓度(B)、料液比(C)和浸提温度(D)4个因素进行L9(34)正交试验。由表中可看出，最佳提取方案组合为A2B3C1D2，即提取时间50 min，提取剂浓度0.1 mol/L HCl－60%乙醇，提取物料比1∶5，提取温度70℃。通过方差分析可以看出，各因素主次影响顺序是D＞C＞A＞B，即温度是影响色素提取量的主要因素，其次是物料比，影响最小的是乙醇溶液的浓度。显著性分析显示，不同温度色素提取量差异显著，其他因素对色素提取量的差异不显著。

2.2 北陵鸢尾花色素稳定性的影响因素

2.2.1 光对北陵鸢尾色素的影响 北陵鸢尾花色素在不同光照强度下的残存率随时间延长呈下降趋势(表4)。其中在室内黑暗条件下，色素液颜色变化微小;在室内自然光及直射光条件下，北陵色素液吸光度降低较慢。因此，北陵花色素最好避光保存。

表4 不同光照强度下北陵鸢尾花色素残存率(λmax=540 nm)Tab.4 The survival rate of Iris typhifolia under different light conditions(λmax=540 nm)

2.2.2 温度对北陵鸢尾色素的影响 由表5可知，北陵鸢尾色素残存率随着温度升高，加温时间延长呈下降趋势。当温度达到70℃以上时，色素残存率存在不同程度的波动。其中，温度为90℃，加热2和7 h时，色素残存率有较大程度的升高，因此在北陵色素保色时，可适当考虑高温处理，达到较好保色效果。

表5 不同温度对北陵鸢尾花色素稳定性的影响(λmax=540 nm)Tab.5 The stability of Iris typhifolia under different temperature conditions

2.2.3 pH对北陵鸢尾色素的影响 色素液的吸光度随pH的降低而升高，色素颜色加深;随着pH增大，色素液由pH 3时的浅紫色逐渐过度到pH 4～5时的绿色(表6)。因此，在保存及使用北陵色素时应在强酸条件下。

表6 pH对北陵鸢尾色素稳定性的影响(λmax=540 nm)Tab.6 Effect of pH on the Iris typhifolia pigment

2.2.4 金属离子对北陵鸢尾色素的影响 由表7可知，Mg2+、Ca2+和Na+最初均会使色素液的吸光度升高，但随着时间的延长，2种离子对北陵鸢尾花色素稳定性影响不明显。而加入Cu2+和Mn2+的色素液吸光度会迅速降低，尤其在第8天时，加入Cu2+的色素液吸光度变为零，表明Cu2+可能会破坏色素的结构。Fe2+的加入会使色素液的吸光度有较大幅度上升，但又在短时间内降为0。从所有金属离子对色素液的影响看，Mg2+对北陵花色素具有一定的保护作用。

表7 金属离子对北陵花色素稳定性的影响(λmax=540 nm)Tab.7 Effect of metal ions on the Iris typhifolia pigment

3 结论

本试验中60%乙醇作提取剂时，色素含量最高，吸光度最大，同时提取剂更加经济。当乙醇浓度超过60%时，色素吸光度降低，提取率下降，这可能是由于高浓度的乙醇会使一些醇溶性的杂质、脂类物质溶出，从而导致色素的提取率下降。北陵鸢尾花色素的最佳提取温度为70℃，若在更高的温度和更长的时间浸提下，将会引起色素的严重降解。花色苷的颜色随着pH的改变会发生明显的变化，水溶液介质中，花色苷可能出现4种不同结构，进而呈现颜色变化。本研究中，花色苷会随着pH的升高，降解速度会变快。因此，在酸性条件下浸提北陵鸢尾花色素更为有利，此结果也与花色苷性质相吻合。

4 讨论

鸢尾蓝花色素是酰化花色素，即花色素苷(锦葵苷、矮牵牛、花翠苷)与有机酸(p－香豆酸)通过酰化形成的［12-13］，属类黄酮化合物花青素。花青素易溶于水、乙醇与稀酸等极性溶剂，不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂［14］，花色苷在中性及弱碱性溶液中不太稳定，因此，提取过程常采用酸性溶剂。最常用的提取剂是甲醇，但由于甲醇的毒性，故本研究选择了乙醇、丙酮、蒸馏水和无水乙醚作浸提剂［15-16］。

光是花色苷生物合成的重要因子，同时光又会加速花色苷的降解。试验中，在黑暗条件下，北陵鸢尾花色素的吸光度下降速率较慢，色素颜色变化微小，故北陵鸢尾花色素在避光条件下保存效果较好。该色素的分解率会随着温度的升高而加快，故应避免在高温条件下使用。此外，金属离子可能会与花色苷中的某一部分结合生成配合物［17］，从而使结构稳定而保持花不退色。本试验结果表明，Ca2+和Na+对北陵鸢尾花色素稳定性影响不大，而Cu2+和Fe2+对色素影响较大，长时间下甚至导致色素液变为无色。所以在提取及应用该色素的过程中，应该避免使用铁器皿和铜器皿。

本研究对北陵鸢尾花色素的提取以及稳定性进行了初步探讨，可为其干燥花保色条件的确定提供实践基础。

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