微波辅助提取火龙果果皮红色素及其稳定性的研究

张兆英，韩婧，宋丽丽，张亚楠，王君

(沧州师范学院 生命科学学院，河北 沧州 061001)

目前，市场上作为食品添加剂应用的色素大部分为人工合成类的色素，其对人体十分有害，使用过量会有致癌风险。天然色素含有丰富的营养物质及对人体有益的功能性活性成分，具有消炎、抗氧化等作用[1]。天然色素着色均匀，色泽鲜艳，亮度好，常作为安全的着色剂被用于食品、药品、化妆品等行业[2,3]。在食品方面改善食物、饮料鲜亮的颜色，清除加工食品中的亚硝酸盐，增加食品的安全性[4]。新鲜的甜菜苷色素可以作为调味品添加入汤、酱汁、甜点、果酱、果冻、糖果、冰淇淋等食品中，是一种很受生产者和消费者喜爱的天然色素[5]。

火龙果(HylocereusundulatusBritt)，也有人称之为红龙果，最初生产于巴西和墨西哥等中美洲的热带戈壁地区，目前在我国的南方和很多沿海地区均有种植。火龙果的整体外形呈现橄榄状，外皮是粉红色，果肉的颜色大致有3种，即：白、黄和红。我们在市场上见得最多的是粉红皮、白果肉的红龙果。火龙果含有丰富的维生素、水溶性的膳食纤维和人体所需的无机盐，具有解毒、明目、降血压等功效，目前已成为一种新奇、优良的绿色保健食品[6，7]。

火龙果外皮含有丰富的甜菜苷类色素，使得红龙果外皮成为红色素提取的最理想试验原料[8]。我国是人口大国，火龙果的消费量较大，火龙果的食用、加工方式很多，比如制作果干、果脯等，无论是人们的日常食用还是企业对火龙果进行食品加工，往往都是取其肉而弃其皮，不仅造成了环境的污染，同时也浪费了资源[9]。

火龙果果皮红色素的提取方法较多，大部分学者较多采用溶剂浸提法。此外，超声波辅助萃取技术、超临界萃取技术等辅助提取技术开始备受关注[10,11]。微波辅助提取是使用合适的溶剂在微波场中从天然植物、动物组织、矿物等中提取分离各化学成分的技术方法[12]。本研究旨在前人研究的基础之上将微波技术作为辅助工具进一步探讨火龙果果皮色素的最佳提取条件，以及色素在不同条件下的稳定性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

火龙果：购于沧州市市场。

将购买的火龙果去除可使用部分取皮，然后将皮清洗干净，用刀切割成条状放到鼓风干燥箱中在70 ℃的条件下烘制24 h(2次称量数之间没有差值，即为烘干彻底)。将烘干好的干果皮放到九阳料理机中打碎，然后将粉末过40目的筛，最后将粉末保存备用[13]。

1.2 试验方法

1.2.1 单因素试验

火龙果果皮色素提取选择料液比、微波功率、提取时间、乙醇浓度4个影响因素，每个影响因素分别设置5个水平(见表1)[14]。

表1 单因素试验表Table 1 Single factor test table

1.2.1.1 料液比

分别称取0.5 g红龙果外皮粉末于100 mL三角瓶中，加入浓度为30%的乙醇溶液，料液比为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50，在微波功率为300 W的条件下提取90 s，冷却后以6000 r/min离心5 min，上清液在538 nm波长下测定吸光度值。

1.2.1.2 微波功率

分别称取0.5 g红龙果外皮粉末于100 mL三角瓶中，加入浓度为30%的乙醇溶液，按料液比为1∶30，分别在微波功率为100，200，300，400，500 W的条件下提取90 s，冷却后以6000 r/min离心5 min，上清液在538 nm波长下测定吸光度值。

1.2.1.3 提取时间

分别称取0.5 g红龙果外皮粉末于100 mL三角瓶中，加入浓度为30%的乙醇溶液，按料液比为1∶30，微波功率为300 W，提取时间分别为70，80，90，100，110 s，冷却后以6000 r/min离心5 min，上清液在538 nm波长下测定吸光度值。

1.2.1.4 乙醇浓度

分别称取0.5 g红龙果外皮粉末于100 mL三角瓶中，分别加入浓度为10%、20%、30%、40%、50%的乙醇溶液，料液比为1∶30，在微波功率为300 W的条件下提取90 s，冷却后以6000 r/min离心5 min，上清液在538 nm波长下测定吸光度值。

1.2.2 正交试验

在单因素的基础上，设计正交试验。选择L9(34) 正交表，选出火龙果果皮红色素的最佳提取条件，见表2和表3。

表2 正交试验因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal test

表3 正交试验设计表Table 3 Orthogonal test design table

1.2.3 色素稳定性的测定

1.2.3.1 温度对色素稳定性的影响

准确量取红龙果果皮红色素提取液4 mL，定容于100 mL的容量瓶中。分别量取10 mL色素溶液于6支干净试管中，标号为1，2，3，4，5，6。将6支试管分别在室温、40，50，60，70，80 ℃的恒温水浴锅中放置1 h。取出，冷却后，在538 nm波长下测其吸光度值。

1.2.3.2 光照对色素稳定性的影响

准确量取红龙果果皮红色素提取液4 mL，定容于100 mL的容量瓶中。分别量取10 mL色素溶液于8支干净试管中，将8支试管分别在黑暗、820，1230，2030，2820，3700，4180，4950 lux的光照培养箱中放置1 h。取出后，在538 nm波长下测其吸光度值。

1.2.3.3 甜味剂对色素稳定性的影响

准确量取红龙果果皮红色素提取液4 mL，定容于100 mL的容量瓶中。分别量取10 mL色素溶液于6支干净的三角瓶中，每个三角瓶分别加入浓度为2%、4%、6%、8%、10%、12%的葡萄糖溶液和蔗糖溶液5 mL，常温下避光放置24 h后，在538 nm波长下测其吸光度值。

1.2.3.4 食用酸对色素稳定性的影响

准确量取红龙果果皮红色素提取液4 mL，定容于100 mL的容量瓶中。分别量取10 mL色素溶液于6支干净的三角瓶中，每个三角瓶分别加入浓度为0.01%、0.05%、0.1%、0.5%、1%、5%的柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸溶液5 mL，常温下避光放置24 h后，在538 nm波长下测其吸光度值。

1.2.3.5 金属离子对色素稳定性的影响

准确称取Al(NO3)3、CuSO4、KCl、FeCl3、BaCl2、ZnSO4、MgCl2固体，配制成浓度为0.01 mol/L的溶液，保存备用。取4 mL的红龙果外皮红色素提取液，将其定溶到100 mL的容量瓶中，备用。分别取定容后的色素提取液10 mL于8支干净的三角瓶中，分别加入5 mL的蒸馏水、 Al(NO3)3、CuSO4、KCl、FeCl3、BaCl2、ZnSO4、MgCl2溶液。常温下避光放置24 h后，在538 nm的条件下测定其吸光度值。

2 结果与分析

2.1 色素浓度与吸光度之间的关系曲线

为测定色素的含量与其吸光度值之间的联系进行如下试验：各取色素提取液1，2，3，4，5，6 mL并且将它们在50 mL的容量瓶中定溶，在黑暗条件下保存备用。各取5 mL，分别进行吸光度测定，绘制色素浓度和吸光度关系图，见图1。

图1 色素浓度与吸光度之间的关系Fig.1 Relationship between pigment concentration and absorbance

根据作图和计算得出曲线方程为y=0.0475x+0.0252，R2=0.9994。因此可以得出如下结论：色素的含量与其在538 nm条件下的吸光度值呈线性关系。因此，在后续的试验中通过测定色素的吸光度值的大小，可以间接地反映色素的浓度大小，从而选取出提取条件的最优组合以及保存的最佳条件。

2.2 单因素试验

2.2.1 不同料液比对色素提取的影响

料液比的大小对火龙果果皮红色素的提取有一定的影响。

图2 不同料液比对色素提取的影响Fig.2 Effect of different ratios of material to liquid on pigment extraction

由图2可知，当料液比小于1∶40时，色素提取液的吸光度逐渐增加；当料液比为1∶50时，吸光度降低。火龙果果皮红色素提取的最佳料液比为1∶40。

2.2.2 不同微波功率对色素提取的影响

图3 不同微波功率对色素提取的影响Fig.3 Effect of different microwave power on pigment extraction

由图3可知，所提取出的红色素含量会随着微波功率的改变而改变。当微波的功率小于400 W时，随着微波功率的增大，吸光度也增大；当微波功率达到500 W时，色素的吸光度降低。

2.2.3 不同提取时间对色素提取的影响

由图4可知，所提取出的红色素含量会随着微波提取时间的改变而改变。当微波提取时间小于80 s时，随着提取时间的延长，吸光度也增大，表明色素的提取效率也在上升；当微波提取时间大于80 s时，随着提取时间的延长，吸光度减小，表明色素的提取效率也在减小。因此，火龙果果皮红色素提取的最佳时间确定为80 s。

图4 不同提取时间对色素提取的影响Fig.4 Effect of different extraction time on pigment extraction

2.2.4 不同乙醇浓度对色素提取的影响

不同乙醇浓度对火龙果果皮红色素的提取也产生不同的影响。

图5 不同乙醇浓度对色素提取的影响

由图5可知，当乙醇浓度为10%，吸光度较低；乙醇浓度为20%时，吸光度最大；当乙醇浓度大于20%时，随着浓度的增大吸光度逐渐减小。所以，选择20%的乙醇浓度为火龙果果皮红色素提取的最佳浓度。

2.3 正交试验

根据单因素试验结果，设计L9(34)正交试验，正交试验结果见表4。

表4 正交试验结果Table 4 The results of orthogonal test

续 表

正交试验结果表明：微波功率、乙醇浓度、料液比、提取时间4个因素对火龙果果皮红色素的提取都有影响。火龙果果皮红色素的最佳提取条件为：微波功率400 W，料液比1∶30，乙醇浓度30%，提取时间80 s，即A3B1C3D2。影响色素提取的主次因素为：A>B>C>D，即：微波功率>料液比>乙醇浓度>提取时间。

2.4 色素稳定性的研究

2.4.1 温度对色素稳定性的影响

天然色素食用安全，但稳定性较差，对光、温度、酸碱、金属离子等比较敏感[15]。

图6 温度对色素稳定性的影响Fig.6 Effect of temperature on the stability of pigment

由图6可知，火龙果果皮红色素的吸光度随着温度的上升而下降，稳定性降低。当温度低于60 ℃时，吸光度随着温度的变化趋势较小，表明色素利于在该条件下保存；当温度为60 ℃时，吸光度随着温度的升高下降较为迅速，表明该条件下不利于色素的保藏；由此可知，高温可以破坏色素的稳定性。

2.4.2 光照对色素稳定性的影响

图7 光照对色素稳定性的影响Fig.7 Effect of light on the stability of pigment

由图7可知，以黑暗条件下保存的色素为对照，随着光照强度的增加，火龙果果皮红色素的稳定性下降，表明色素对光照敏感。

2.4.3 甜味剂对色素稳定性的影响

葡萄糖和蔗糖是食品中经常添加的甜味剂，甜味剂对色素稳定性也有一定的影响作用。

图8 甜味剂对色素稳定性的影响Fig.8 Effect of sweetener on the stability of pigment

由图8可知，随着葡萄糖和蔗糖浓度的增加，火龙果果皮红色素的吸光度逐渐下降，浓度较高时，蔗糖对色素的影响表现更明显。

2.4.4 食用酸对色素稳定性的影响

图9 食用酸对色素稳定性的影响Fig.9 Effect of edible acid on the stability of pigment

由图9可知，柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸对火龙果果皮红色素稳定性都有一定的影响。随着浓度的增加，色素吸光度逐渐下降。

2.4.5 金属离子对色素稳定性的影响

以加入蒸馏水的一组作为参照， K+和Mg2+2种离子对火龙果果皮红素的影响较小；Ba2+、Al3+和Zn2+3种离子的作用下，色素吸光度稍有下降，下降幅度不明显； Cu2+和Fe3+对色素吸光度的影响最为明显，相比对照，色素吸光度分别下降了78.26%和85.51%，见图10。

图10 金属离子对色素稳定性的影响Fig.10 Effect of metal ions on the stability of pigment

3 结论

本试验对火龙果果皮红色素采用微波辅助提取法进行提取。在单因素的基础上进行正交试验设计，确定适合火龙果皮红色素提取的微波提取法的最优提取工艺为：微波功率400 W，料液比1∶30，乙醇浓度30%，提取时间80 s。并对提取的色素进行了稳定性研究，研究结果表明：高温、强光对火龙果果皮红色素的稳定性影响较大，保存时适宜低温、遮光保存。不同的甜味剂对色素稳定性也有不同程度的影响，且浓度越高，色素稳定性越低。金属离子中Cu2+和Fe3+对火龙果果皮红色素稳定性的影响最为强烈。所以，在色素保存及含有食用色素的食品保存时要注意器皿的选择。