火龙果果皮色素固液法萃取工艺优化及其加工性能研究

阙小峰， 余 雁， 方志成， 司文会

(1.苏州农业职业技术学院食品科技学院，江苏苏州 215008； 2.苏州泰事达检测技术有限公司，江苏苏州 215008)

红心火龙果(red pitaya)是仙人掌科火龙果的改良品种，其果皮约占果质量的25%，含有蛋白质、多糖、色素等多种物质。火龙果果皮富含的果皮色素主要成分为甜菜苷(betanin，CHNO)，其含量占果皮中甜菜苷类色素的75%～95%，是一种极性或弱极性水溶性有机物，为火龙果果皮的主要呈红色物质。研究证明，火龙果果皮色素不仅组成稳定，含量高，而且色域广，具有较好着色、抑菌、抗氧化等作用，在食品、医药、印染等行业应用广泛，对开发食品天然色素添加剂和应用其功能活性等具有重要价值。

本研究采用正交试验设计优化固液萃取红心火龙果果皮色素的最佳工艺，并建立体外抗氧化模型，对果皮色素在食品加工中的稳定性和抗氧化性质进行探究。以期将红心火龙果果皮变废为宝，提高火龙果深加工的附加值，并为食品天然色素添加剂和抗氧化剂的开发应用提供新的途径，促进火龙果产业健康高效发展。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

所用材料如下：红心火龙果果皮(市售红皮红肉火龙果)、甜菜苷标准品(纯度≥98%，由四川省维克奇生物科技有限公司生产)、蒸馏水(实验室自制)及甲醇、无水乙醇、丙酮、盐酸、冰醋酸、氢氧化钠、亚硫酸氢钠、氯化钠、硫酸铜、氯化镁等试剂均为分析纯，由国药集团化学试剂苏州有限公司生产。

所用仪器如下：紫外可见分光光度计(UV-7502PC型，上海沪粤明科学仪器有限公司)、pH计(PSH-3C型，上海雷磁仪器股份有限公司)、恒温水浴锅(DK-24型，上海精宏实验设备有限公司)、冷冻干燥机(FDU-1200型，杭州嘉维创新科技有限公司)、粉碎机(FW177型，上海耶茂仪器仪表有限公司)、离心机(ST16R型，赛默飞世尔科技有限公司)、分析天平(ME104E/02型，北京海天友诚科技有限公司)、电子天平(YP10002型，上海平轩科学仪器有限公司)等实验室常用仪器设备。

1.2 试验条件

试验红心火龙果自购于苏州大润发超市，产自江苏省如皋市，品种为美龙1号，单果平均质量 450 g，为当年生果实。试验场所为苏州农业职业技术学院食品科技学院实验室及苏州泰事达检测技术有限公司，试验时间为2020年9月19日至11月26日。

1.3 萃取工艺流程

火龙果清洗、晾干，分离果皮后依次将其切碎、冷冻冻干、粉碎成粉末，然后过70目筛网，浸提萃取，离心分离后收集上清液，此为果皮色素萃取液，将其真空干燥，制成果皮色素干粉，待试验分析。

1.4 试验方法

1.4.1 单因素萃取影响及正交试验设计

1.4.1.1 萃取剂 分别称取0.5 g火龙果果皮干粉，各加入20%甲醇、20%乙醇、20%丙酮、蒸馏水、0.1 mol/L盐酸萃取剂15 mL，在30 ℃下振荡萃取30 min。然后于8 000 r/min离心10 min，收集上清液5 mL至棕色容量瓶中，定容至100 mL，在538 nm波长处测定吸光度()，计算甜菜苷含量，计算公式如下：

(1)

式中：表示吸光度；表示萃取剂体积，mL；表示稀释倍数；表示火龙果果皮干粉质量，mg；550.47表示标准甜菜苷分子量；61 600表示标准甜菜苷摩尔消光系数。

1.4.1.2 固液比 分别称取0.5 g火龙果果皮干粉，按固液比(1 g ∶20 mL、1 g ∶30 mL、1 g ∶40 mL、1 g ∶50 mL、1 g ∶60 mL)加入pH值为6.5的乙醇萃取剂，于30 ℃恒温水浴锅中振荡30 min萃取，按式(1)计算甜菜苷含量。

1.4.1.3 乙醇浓度 称取0.5 g火龙果果皮干粉，分别加入15 mL pH值为6.5的浓度为10%、20%、30%、40%、50%、60%的乙醇，于30 ℃恒温水浴锅中振荡30 min萃取，按式(1)计算甜菜苷含量。

1.4.1.4 萃取pH值 称取0.5 g火龙果果皮干粉，分别加入15 mL pH值为2.0～12.0的40%乙醇萃取剂，在30 ℃恒温水浴锅中振荡30 min萃取，按式(1)计算甜菜苷含量。

1.4.1.5 萃取温度 称取0.5 g火龙果果皮干粉，加入15 mL浓度为20% pH值为6.5的乙醇萃取剂，分别放入20～100 ℃恒温水浴锅中振荡30 min萃取，按式(1)计算甜菜苷含量。

1.4.1.6 萃取时间 称取0.5 g火龙果果皮干粉，加入10 mL浓度为20% pH值为6.5的乙醇萃取剂，分别放入30 ℃恒温水浴锅中振荡不同时间(30～105 min)萃取，按式(1)计算甜菜苷含量。

1.4.1.7 正交试验设计 在上述单因素试验的基础上，开展4因素3水平L(3)正交试验设计，优化固液萃取火龙果果皮色素的最佳工艺。

1.4.2 火龙果果皮色素在食品加工性能

1.4.2.1 果皮色素在食品加工中的稳定性研究 准确量取最优工艺条件下萃取的火龙果果皮色素提取液5.0 mL，定容至100 mL，分别测量其在不同温度(20、40、60、80、100 ℃)、辐照(200、400、600、800、1 000 W)、pH值(2.0～11.0)、金属离子[KCl、CuSO、ZnSO、MgCl、FeCl、Al(NO)，浓度 0.01 mol/L]下在538 nm处的吸光度(以蒸馏水吸光度为CK)，依次建立温度、辐照功率、pH值、金属离子与果皮色素吸光度的线性关系，考察火龙果果皮色素作为添加剂在食品加工中的稳定性。

(2)

式中：表示以水或无水乙醇作参比液，代替色素溶液所测得的吸光值；表示色素溶液与HO、邻苯三酚、DPPH·反应后所测得的吸光值；表示以水代替HO、邻苯三酚、DPPH·溶液所测得的吸光值。

1.5 数据处理

采用SPSS 22.0软件的单因素方差分析，以最小显著性差数法(，=0.05)作为差异显著的判断标准，并以正交设计助手Ⅱ V3.1开展正交设计及方差分析(=0.01)，最后采用Excel进行数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 单因素对火龙果果皮色素萃取的影响

可以看出：果皮色素萃取剂作用效果依次为乙醇>甲醇>丙酮>蒸馏水>KCl，乙醇萃取效果最佳，有效去除了果皮溶出的蛋白质、脂类等杂质，该处理的甜菜苷含量最高(图1-A)；随着固液比的减小，甜菜苷萃取量呈现先增大后降低的趋势(图1-B)，固液比1 g ∶30 mL处理效果最佳；乙醇浓度对果皮色素萃取量差异显著(图1-C)，随着乙醇浓度的增大甜菜苷含量出现先上升后下降趋势，40%乙醇萃取值最大(35.4 mg/kg)，表明乙醇浓度的增大有助于果皮皮质细胞中的磷脂及其他脂类的溶解，果皮色素亲和力大，但乙醇浓度持续增大，也增加了杂质的溶解；随着pH值增大，甜菜苷含量呈现先增大后减小的趋势(图1-D)，在pH值为6.5时萃取值最大，为51.4 mg/kg。试验中，随着萃取液pH值的增大，其颜色出现变化，由初期淡红色逐渐变为粉红色(pH值2.0～6.5)，再变为红色(pH值7.0～11.0)，最后变为浅黄色或浅灰黄色(pH值﹥11.0)，其原因是强碱条件下甜菜苷色素不稳定，甜菜红素转变为甜菜黄素，分子结构发生变化或被破坏，溶液颜色发生明显的变化。

随着温度升高，甜菜苷含量呈现先平稳上升后快速下降的趋势(图1-E)，40 ℃时甜菜苷含量达最高(21.8 mg/kg)，其原因是高温易破坏甜菜苷的稳定性，使其分解；随着萃取时间延长，甜菜苷含量先增大后减小(图1-F)，在60 min时达最大(25.6 mg/kg)，显示出萃取时间越长，越不利于甜菜苷的稳定，影响萃取效果。

综上可见，果皮色素萃取的最佳单因素条件为萃取剂20%乙醇溶液、固液比1 g ∶30 mL、pH值6.5、温度40 ℃及萃取时间60 min。

2.2 正交及优化试验

在上述单因素试验基础上，以果皮色素萃取液中甜菜苷含量为参数，对萃取影响较为明显的pH值、时间、温度、乙醇浓度等因素，开展4因素3水平L(3)正交试验(表1)。

表1 正交试验的因素及水平

表2、表3表明，影响果皮色素萃取的因素极差为：>>>，即乙醇浓度>pH值>温度>时间。试验中，组合ABCD提取的甜菜苷含量最高，对应最佳提取工艺为40%乙醇萃取剂、温度30 ℃、pH值6.5、时间75 min。

表2 正交试验结果

表3 正交试验结果的方差分析

综合考虑单因素对果皮色素萃取的影响，称取0.5 g的火龙果果皮粉末，按照优化水平条件ABCD进行试验，结果(表4)显示，优化水平条件下得到的甜菜苷含量显著高于最佳工艺条件。由此可得，优化水平为ABCD作为火龙果果皮色素的最优萃取条件，即萃取剂40%乙醇、温度30 ℃、pH值6.5、时间45 min，萃取量为65.2 mg/kg。

表4 验证试验结果

2.3 火龙果果皮色素在食品加工中的性能探究

2.3.1 食品加工中的稳定性 随着食品加工温度的升高，火龙果果皮色素的稳定性下降(图2-A)，且温度越高，其稳定性越差，高温破坏了果皮色素的稳定性。食品加工中，火龙果果皮色素作为着色剂时，在40 ℃以下添加，其呈色效果较好。而辐照也不利于火龙果果皮色素的加工稳定性(图2-B)，对其结构破坏更为明显；因此，火龙果果皮色素不宜作为添加剂加入用于辐照加热或杀菌的食品。图2-C显示，食品pH值对火龙果果皮色素稳定性有显著影响，在酸性(pH值2.0～7.0)条件时，果皮色素稳定性随pH值的增大而逐渐增大；在碱性(pH值7.0～11.0)条件时果皮色素稳定性随pH值的增大而迅速减小，表明果皮色素在酸性食品中的稳定性略高于碱性食品，其最佳稳定pH值为6.0～8.0。此外，食品加工中金属离子对火龙果果皮色素稳定性有显著影响(K、Zn除外，图2-D)，表现为Mg离子影响最低，Al离子略有下降，Cu、Fe离子影响最大，稳定性对比CK分别下降了47.93%和46.89%。结果表明，食品加工中天然火龙果果皮色素稳定性较差，对温度、酸碱、辐照、金属离子等加工条件敏感。高温、强辐照对火龙果果皮红素的稳定性影响较大，适宜低温、避光及中性pH值加工环境，此外加工容器须隔绝金属离子中 Cu、Fe离子。

3 结论

以红心火龙果果皮为研究对象，优化了固液法萃取果皮色素的最佳工艺条件，并对萃取的果皮色素在食品加工中的性能进行了探究。结果表明，固液法最优萃取火龙果果皮色素的工艺为：萃取剂40%乙醇、固液比1 g ∶30 mL、温度30 ℃、萃取液pH值6.5、时间45 min，萃取量为65.2 mg/kg。