紫青稞色素提取工艺研究

张文会

紫青稞色素提取工艺研究

张文会

（西藏自治区农牧科学院农业研究所，西藏拉萨 850032）

以隆子紫青稞为原料，采用单因素试验和响应面优化试验设计,用分光光度法测定并计算紫青稞色素的提取率。结果表明，紫青稞色素提取工艺条件为乙醇体积分数60%，料液比1∶10（g∶mL），提取温度65.84℃，提取时间1 h，盐酸调节pH值1.0，在此条件下紫青稞色素提取量为1.43 mg/g。

黑青稞；色素；提取工艺

青稞属禾本科大麦属，主要分布于西藏、青海、甘肃，以及四川阿坝和甘孜州，因其在收获时颖果与稃壳分离而得名，在其他产区也称米大麦、米麦、裸麦。青稞品种资源丰富，不同颜色、不同形状的品种多达1 000种，如按颜色可分为白青稞、花青稞、黑青稞、紫青稞等[1-2]。研究发现，深色食品中富含花青素等天然抗氧化物，具有延缓衰老、增强免疫力、益气补肾、保护心血管、抗动脉粥样硬化等保健功能[3-4]。而紫青稞、黑青稞含有独特的花青素类物质，且原花青素和总黄酮含量较高，符合现代人对健康食品的需求，极具开发利用价值。以隆子紫青稞为原料，采取单因素试验及响应面优化试验，确定了紫青稞色素的提取方法，为紫青稞色素应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

紫青稞种子，西藏自治区农牧科学院农业研究所提供，紫青稞经过筛选后得到的无杂质种子在55℃烘箱中烘干，取出冷却，备用。

主要试剂包括盐酸、乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮、乙二醇、草酸、苹果酸、柠檬酸、硫酸、磷酸、氢氧化钠等，均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

紫外可见分光光度计，上海科登精密仪器有限公司产品；电子天平，上海上天精密科学仪器有限公司产品；离心机，科大创新股份有限公司产品；电热恒温鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司产品；电热恒温水浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司产品；pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司产品。

2 试验方法

2.1 单因素试验

分别考查提取剂、提取剂体积分数、酸化剂、pH值、提取温度、提取时间、料液比7个因素对紫青稞色素提取量的影响，每个试验平行3次。

式中：A530——波长530 nm处的吸光度；

V——稀释后的体积，mL；

N——稀释倍数；

98.2 ——花色素的平均消光系数；

m——样品质量，g。

2.2 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，固定提取剂为60%乙醇，提取时间为1 h，酸化剂使用盐酸，选择对紫青稞色素提取量影响较大的提取温度、料液比、pH值等因素用Design Expert中的Box-Behnken设计三因素三水平响应面试验。

紫青稞色素提取响应面试验因素与水平设计见表1。

表1 紫青稞色素提取响应面试验因素与水平设计

3 结果与分析

3.1 紫青稞色素提取单因素试验结果

3.1.1 不同提取剂对紫青稞色素提取量的影响

不同提取剂对紫青稞色素提取量的影响见图1。

图1 不同提取剂对紫青稞色素提取量的影响

花青素易溶于极性溶剂中，由图1可知，醇类等极性大的溶剂有利于紫青稞色素的提取，其中乙醇的提取效果最佳，乙醇-乙酸乙酯（1∶1） 混合溶液的效果仅次于乙醇，丙酮的提取效果最差。由于乙醇常常作为天然产物的萃取剂，且具有安全廉价、黏性小、易回收等诸多优点，因此选用乙醇溶液作为提取剂。

3.1.2 提取剂体积分数对紫青稞色素提取量的影响

提取剂体积分数对紫青稞色素提取量的影响见图2。

提取剂的体积分数对紫青稞色素提取量有显著影响，由图2可知，花青素的提取量随着乙醇体积分数的增大而提高，当乙醇体积分数达到60%时，提取率达到最大；而当乙醇体积分数超过60%时，花青素的提取率随着乙醇体积分数的升高而有所降低。可能由于乙醇体积分数较低时，淀粉和其他水溶性物质溶解性好，影响了花青素的溶出，导致提取率较低；而当乙醇体积分数过高时，脂溶性物质容易溶出，降低了花青素的提取量。因此，将紫青稞色素提取剂体积分数设为60%。

图2 提取剂体积分数对紫青稞色素提取量的影响

3.1.3 酸化剂对紫青稞色素提取量的影响

花青素在酸性条件下较稳定，提取剂酸化后花青素的提取效果明显增强，这可能是因为紫青稞色素富含酚羟基，呈弱酸性，所以酸性条件有利于其溶出。

酸化剂对紫青稞色素提取量的影响见图3。

图3 酸化剂对紫青稞色素提取量的影响

由图3可知，在相同的pH值条件下，有机酸中的柠檬酸加入后提取效果最好，盐酸加入的效果仅次于柠檬酸，苹果酸加入的效果最差。但是柠檬酸溶液容易饱和，饱和柠檬酸溶液的pH值为2，不利于后续试验中对花青素提取条件的进一步优化，同时由于盐酸能与乙醇任意混溶可以减小试验误差，因此选择盐酸作为酸化剂。

3.1.4 pH值对紫青稞色素提取量的影响

pH值对紫青稞色素提取量的影响见图4。

图4 pH值对紫青稞色素提取量的影响

花青素在中性和碱性条件下不稳定，因此一般在酸性条件下进行提取。由图4可知，随着提取剂pH值的增大，紫青稞色素提取量呈下降趋势，当pH值为1.0时，色素的提取量达到最大值。说明提取剂中较强的酸性有利于紫青稞色素物质的溶出，且能使色素在此条件下稳定，而高pH值能将花青素裂解为花色素基元及糖基2个部分，导致花色素结构不稳定。因此，将紫青稞色素提取剂的pH值设为1.0～2.0。

3.1.5 提取温度对紫青稞色素提取量的影响

提取温度对紫青稞色素提取量的影响见图5。

图5 提取温度对紫青稞色素提取量的影响

由图 5可知，随着提取温度的升高，紫青稞色素提取量呈上升趋势，而超过70℃时又略有下降。说明在低温阶段，随着提取温度的升高，色素的溶出率增加，但是随着提取温度继续升高，导致花青素被氧化，结构受到破坏，朝着无色的查尔酮式结构移动，对色素的稳定性不利。因此，将紫青稞色素提取温度设为60～80℃。

3.1.6 提取时间对紫青稞色素提取量的影响

提取时间对紫青稞色素提取量的影响见图6。

图6 提取时间对紫青稞色素提取量的影响

由图6可知，在一定范围内随着提取时间的延长，紫青稞色素提取量的变化不大，说明提取时间对色素提取效果的影响不大。当提取时间为1 h时，提取率已经达到最大值，从实际经济的角度考虑，因此将提取时间设为1 h。

3.1.7 料液比对紫青稞色素提取量的影响

料液比对紫青稞色素提取量的影响见图7。

由图7可知，料液比对色素提取效果的影响较大，随着料液比的逐渐增大，紫青稞色素提取量呈先上升再下降的趋势，当料液比1∶15时，提取量达到最大值。

3.2 响应面优化紫青稞色素提取工艺条件

3.2.1 数学模型的建立

图7 料液比对紫青稞色素提取量的影响

Box-Behnken试验设计及响应面结果见表2。

表2 Box-Behnken试验设计及响应面结果

应用Design Expert软件对表2试验数据进行多元回归拟合，得到紫青稞色素的吸光度与所选 3个因素的二次多项回归模型为：

3.2.2 方差分析

模型的可靠性可从方差分析及相关系数来考查。回归模型方差分析见表3。

表3 回归模型方差分析

由表3可知，模型p＜0.05，说明试验所选用的二次多项模型显著，失拟项不显著，表明回归方程对试验数据拟合度高，可用此模型对试验响应值进行分析预测。二次多项模型中回归系数的显著性检验表明，因素X3对所提色素吸光度的线性效应极显著，影响因素从大到小的顺序为料液比＞pH值＞提取温度。

3.2.3 响应面分析

应用Design Expert软件对表2作回归分析，得到如下响应曲面和其等高线。

pH值和提取温度对紫青稞色素提取效果的影响见图8。

图8 pH值和提取温度对紫青稞色素提取效果的影响

由图8可知，当料液比一定时，pH值和提取温度及二者交互作用对紫青稞色素提取量的影响。当pH值不变时，随着提取温度的增大，紫青稞色素提取率逐渐增大；当提取温度不变时，随着pH值的增大，紫青稞色素提取量减小，但pH值和提取温度交互作用不显著。

料液比和pH值对紫青稞色素提取效果的影响见图9。

由图9可知，当提取温度一定时，料液比和pH值及二者交互作用对紫青稞色素提取量的影响。当料液比不变时，随着pH值的增大，紫青稞色素提取量逐渐减少；当pH值不变时，随着料液比的增加，紫青稞色素提取量逐渐减少，但pH值和料液比交互作用不显著。

提取温度和料液比对紫青稞色素提取效果的影响见图10。

图9 料液比和pH值对紫青稞色素提取效果的影响

图10 提取温度和料液比对紫青稞色素提取效果的影响

由图10可知，pH值一定时，提取温度和料液比及二者交互作用对紫青稞色素提取量的影响。当提取温度不变时，随着料液比的增大，紫青稞色素提取量逐渐减小；当料液比不变时，随着提取温度的增加，紫青稞色素提取量先增大后减小，但提取温度和料液比交互作用不显著。

4 结论

在单因素试验的基础上，用响应面优化试验得到了紫青稞色素的最佳提取工艺条件为乙醇体积分数60%，料液比1∶10（g∶mL），提取温度65.84℃，提取时间1 h，盐酸调节pH值1.0，理论计算紫青稞色素的最大提取量可达1.47 mg/g，在此条件下进行验证试验，实测提取量为1.43 mg/g，误差仅为2.7%，该值与其数学模型优化得到的理论值相近，说明该模型对紫青稞色素的提取工艺优化有一定实际应用价值。

[1]梁寒峭，李金霞，陈建国，等.黑青稞营养成分的检测与分析 [J].食品与发酵工业，2016，42（1）：180-182.

[2]陈建国，梁寒峭，李金霞，等.囊谦黑青稞的功效成分检测与分析 [J].食品与发酵工业，2016，42（8）：199-202.

[3]韩海华，梁名志，王丽，等.花青素的研究进展及其应用 [J].茶叶，2011，37（4）：217-220.

[4]陈建国，梁寒峭，李金霞，等.响应面法优化黑青稞花青素的提取工艺 [ J].食品工业，2015，37（1）：80-83.◇

Study on Extraction Technology of Black-barley Pigment

ZHANG Wenhui
（Institute of Agriculture Research，Tibet Academy of Agriculture and Animal Husbandry Sciences，Lhasa，Tibet 850032，China）

Take Longzi black barley as raw material to extract the pigment through the single-factor experiment and response surface optimization design，and the extraction rate of black barley pigment is determined by spectrophotometry.The results show that the optimal extraction：using volume fraction of ethanol is 60%，the ratio of liquid to material is 1∶10（g∶mL）extracted in 65.84 ℃ for 1 hour，pH is adjusted to 1.0 by hydrochloric acid.Under this process，the extraction amount of black barley pigment is 1.43 mg/g.

black barley；pigment；extraction process

TQ611

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.09.007

1671-9646（2017） 09a-0024-04

2017-06-21

国家现代农业（大麦、青稞）产业技术体系建设经费项目（CARS-05）。

张文会（1979— ），男，硕士，副研究员，研究方向为农产品加工工艺。