菱角皮红色素的提取及其稳定性研究

黄爱妮，王洪斌，严碧云，梅大佐，赵昕，向梦甜

(1.武昌工学院 城市建设学院，武汉 430065；2.湖北华贵食品有限公司，湖北 洪湖 433200)

菱角，又名腰菱、水栗、菱实，属菱科菱属，是一年生草本水生植物菱的果实，有几千年的栽培历史，盛产于中国南方，多地繁殖，年产量大。菱角果实外果皮则为菱角皮，成熟后的颜色呈紫红至黑色，含有丰富的色素[1]。

目前市场上使用的色素主要包括天然色素和合成色素，但部分合成色素会对人体的健康造成一定的危害，甚至有致畸、致癌的风险。因此，天然色素受到了越来越多的关注[2-5]。许多可食用植物来源的天然色素含有人体自身无法合成的必需营养素，植物来源的天然色素不仅可以改善食物呈现的颜色，也能起到补充人体必需营养素的作用[6-9]。在酱油、番茄酱、辣椒酱等调味品的加工中往往需要加入一定量的色素来调节颜色，有研究表明植物源天然色素具有稳定性好、着色能力强、安全性高等诸多优点，在调味品中的应用前景广阔[10-15]。菱角皮材料来源广泛，价格低廉，将其作为着色剂和添加剂用于食品、医药、化妆品等行业，可以丰富天然色素的种类，也可以为菱角皮的加工提供一定的基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

菱角：由湖北华贵食品有限公司提供，剥皮晒干，经超微粉碎过60目筛后储藏备用。

JY-1000A高速多功能粉碎机 浙江省永康市象珠松青五金厂；KQ-500DB数控超声波清洗器 昆山舒美超声仪器有限公司；GM-9070MBE电热鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 上海力辰邦西仪器科技有限公司；HH-2数显电子恒温水浴锅 常州国华电器有限公司；THZ-82B离心机 金坛市医疗仪器厂；UV-1800紫外可见分光光度计 日本岛津公司。

1.2 方法

1.2.1 菱角皮红色素提取方法的比较与选择

1.2.1.1 乙醇溶液提取

取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于锥形瓶中，加入50 mL 95%乙醇溶液，在集热式恒温加热磁力搅拌器中以60 ℃水浴加热搅拌1 h后，取出锥形瓶，以2000 r/min的速度在离心机中离心10 min，取离心管中的上清液，在538 nm处测吸光值。

1.2.1.2 石油醚∶丙酮(体积比2∶1)混合溶液提取

取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于锥形瓶中，加入100 mL石油醚∶丙酮(体积比2∶1)混合溶液，在集热式恒温加热磁力搅拌器中以60 ℃水浴加热搅拌1 h后，取出锥形瓶，以2000 r/min的速度在离心机中离心10 min，取离心管中的上清液，在538 nm处测吸光值。

1.2.1.3 超声波辅助乙醇溶液提取

取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于锥形瓶中，加入50 mL 95%乙醇溶液，在超声波中以温度60 ℃、功率600 W的条件提取1 h，取出锥形瓶，以2000 r/min的速度在离心机中离心10 min，取离心管中的上清液，在538 nm处测吸光值。

1.2.1.4 超声波辅助石油醚∶丙酮(体积比2∶1)混合溶液提取

取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于锥形瓶中，加入100 mL石油醚∶丙酮(体积比2∶1)混合溶液，在超声波中以温度60 ℃、功率600 W的条件提取1 h，取出锥形瓶，以2000 r/min的速度在离心机中离心10 min，取离心管中的上清液，在538 nm处测吸光值。

1.2.2 菱角皮红色素得率的测定方法

根据朗伯比尔定律，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的浓度c成正比，其表现的颜色越深，吸光值越高。因此，本文以538 nm处菱角皮红色素提取液的吸光值来评价提取效果，即菱角皮红色素提取液的吸光值越高，表明菱角皮红色素的得率越高。

1.2.3 菱角皮红色素提取工艺的优化

选择乙醇溶液作为菱角皮红色素的提取剂，采用超声波辅助进行提取，以菱角皮红色素的得率为考察指标，分别考察超声时间(30，40，50，60，70，80 min)、料液比(1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80， g/mL)、乙醇浓度(40%、50%、60%、70%、80%、90%)、超声温度(30，40，50，60，70，80 ℃)、超声功率(450，600，750，900，1050，1200 W)等因素对菱角皮红色素提取效果的影响，在单因素试验的基础上，选择超声时间、料液比、乙醇浓度、超声温度4个因素进行正交试验，对菱角皮红色素的提取条件进行优化。

1.2.4 菱角皮红色素稳定性的研究

1.2.4.1 温度对菱角皮红色素稳定性的影响研究

将5支装有菱角皮红色素提取液的比色管分别置于20，40，60，80，100 ℃的水浴中保温1 h，期间每20 min振动一次，分别测量各提取液的吸光值，考察温度对菱角皮红色素稳定性的影响。

1.2.4.2 光线对菱角皮红色素稳定性的影响研究

在10支比色管中分别加入10 mL菱角皮红色素提取液，将它们分成两组：一组储存在黑暗的房间，另一组储存在室外稳定的自然光下。每隔1 h从两组中各取1支比色管测量吸光值，考察光线对菱角皮红色素稳定性的影响。

1.2.4.3 pH值对菱角皮红色素稳定性的影响研究

在11支比色管中分别加入10 mL菱角皮红色素提取液，分别调节色素溶液的pH值为1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，在室温下保持1 h，期间每20 min振动一次，分别测量各提取液的吸光值，考察pH值对菱角皮红色素稳定性的影响。

2 结果与分析

2.1 菱角皮红色素提取方法的选择

分别采用乙醇溶液、石油醚∶丙酮(体积比2∶1)混合溶液、超声波辅助乙醇溶液、超声波辅助石油醚∶丙酮(体积比2∶1)混合溶液对菱角皮中的红色素进行提取，试验结果见图1。

图1 菱角皮红色素提取方法的选择Fig.1 The selection of extraction methods of red pigment from Trapa natans husk

由图1可知，以菱角皮红色素的吸光值为提取效果的评价指标，超声波辅助乙醇提取的效果最好，菱角皮红色素提取液的吸光值为0.304，其次为乙醇溶液提取，提取液的吸光值为0.139，提取效果较差的为超声波辅助石油醚与丙酮混合提取、石油醚与丙酮混合提取，吸光值分别为0.059和0.058。试验结果说明菱角皮红色素在乙醇溶液中的溶解度较高，且采用超声波辅助有利于提高提取效果。因此，选择超声波辅助乙醇溶液提取作为菱角皮红色素的提取方法。

2.2 菱角皮红色素提取工艺优化的单因素试验结果与分析

2.2.1 超声时间对菱角皮红色素提取效果的影响

以乙醇溶液为提取剂，采用超声波辅助对菱角皮中的红色素进行提取，保持其他条件不变，分别调整超声时间为30，40，50，60，70，80 min，测定提取液的吸光值，试验结果见图2。

图2 超声时间对菱角皮红色素提取效果的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on extraction of red pigment from Trapa natans husk

由图2可知，超声提取时间对菱角皮红色素的提取效果有一定的影响，当提取时间从30 min上升到50 min时，由于超声波的空化效应，增加了分子的运动速度和介质的穿透力，使溶剂迅速进入菱角皮，提取效果逐渐增强。当提取时间超过50 min后，吸光值逐渐下降，主要是由于提取时间过长导致红色素发生了分解。因此，选择菱角皮红色素提取的最佳超声时间为50 min。

2.2.2 料液比对菱角皮红色素提取效果的影响

以乙醇溶液为提取剂，采用超声波辅助对菱角皮中的红色素进行提取，保持其他条件不变，分别调整料液比为1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80(g/mL)，测定提取液的吸光值，试验结果见图3。

图3 料液比对菱角皮红色素提取效果的影响Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on extraction of red pigment from Trapa natans husk

由图3可知，当料液比在1∶30～1∶60之间时，菱角皮红色素提取液的吸光值逐渐上升，可能是由于随着乙醇溶液用量的增加，加大了菱角皮与乙醇之间的接触面，使红色素能够被充分提取出来。当料液比在1∶60～1∶80之间时，提取液的吸光值显著下降。因此，选择菱角皮红色素提取的最佳料液比为1∶60。

2.2.3 乙醇浓度对菱角皮红色素提取效果的影响

图4 乙醇浓度对菱角皮红色素提取效果的影响Fig.4 Effect of ethanol concentration on extraction of red pigment from Trapa natans husk

以乙醇为提取剂，采用超声波辅助对菱角皮中的红色素进行提取，保持其他条件不变，分别调整乙醇浓度为40%、50%、60%、70%、80%、90%，测定提取液的吸光值，试验结果见图4。

由图4可知，菱角皮红色素的提取效果受乙醇浓度的影响较大，当乙醇溶液的浓度在40%～60%之间时，随着乙醇浓度的增加，菱角皮红色素提取液的颜色逐渐加深，吸光值逐渐增大，在乙醇浓度为60%时达到最大，此后随着乙醇浓度的增加，吸光值逐渐减小，可能是由于过高的乙醇浓度降低了菱角皮红色素的溶解速率。因此，选择最佳乙醇浓度为60%。

2.2.4 超声温度对菱角皮红色素提取效果的影响

以乙醇为提取剂，采用超声波辅助对菱角皮中的红色素进行提取，保持其他条件不变，分别调整超声温度为30，40，50，60，70，80 ℃，测定提取液的吸光值，试验结果见图5。

图5 超声温度对菱角皮红色素提取效果的影响Fig.5 Effect of ultrasonic temperature on extraction of red pigment from Trapa natans husk

由图5可知，当超声温度低于60 ℃时，菱角皮红色素提取的吸光值缓慢上升，在60 ℃时达到最大，当超声温度高于60 ℃时，吸光值逐渐降低，同时过高的温度会使红色素分解，从而影响了菱角皮红色素的提取效果。因此，选择最佳超声温度为60 ℃。

2.2.5 超声功率对菱角皮红色素提取效果的影响

以乙醇为提取剂，采用超声波辅助对菱角皮中的红色素进行提取，保持其他条件不变，分别调整超声功率为450，600，750，900，1050，1200 W，测定提取液的吸光值，试验结果见图6。

由图6可知，当超声功率低于900 W时，菱角皮红色素提取液的吸光值逐渐上升。功率低于900 W时，超声波的振动幅度较小，红色素提取不彻底；高于900 W时，超声波的振动幅度过大，超声波的机械效应、空化效应、热效应等可能破坏红色素的分子结构，导致提取效果不佳。因此，选择菱角皮红色素提取的最佳超声功率为900 W。

2.3 菱角皮红色素提取工艺优化的正交试验结果与分析

在单因素试验的基础上，选择超声时间、料液比、乙醇浓度、超声温度4个因素进行正交试验，以菱角皮红色素提取液的吸光值为评价指标，对菱角皮红色素的提取条件进一步优化。正交试验因素水平见表1，试验结果见表2。

表1 正交试验因素水平Table 1 The factors and levels of orthogonal test

表2 正交试验结果Table 2 The results of orthogonal test

由表2可知，影响菱角皮红色素提取效果的因素主次顺序为B>C>D>A，即影响最大的因素是料液比，其次是乙醇浓度，影响较小的因素是超声温度和超声时间。综合正交试验的数据可知，菱角皮红色素的最佳提取条件为A2B2C2D2，即提取时间50 min、料液比1∶60 (g/mL)、乙醇浓度60%、超声温度60 ℃。

称取一定量的菱角皮原料，选择60%乙醇为提取剂，调节料液比为1∶60 (g/mL)，在60 ℃下超声提取50 min，测得提取液的吸光值为0.823，高于正交表中的最大吸光值，验证了正交试验设计的正确性。

2.4 菱角皮红色素稳定性的研究结果与分析

2.4.1 温度对菱角皮红色素稳定性的影响

将提取得到的菱角皮红色素溶液置于比色管中，分别放置在不同温度的恒温水浴锅中，放置1 h并振荡3次，随后测定吸光值，并观察菱角皮红色素溶液颜色的变化，试验结果见图7。

由图7可知，随着温度的升高，菱角皮红色素的吸光值变化很小，说明温度的变化对菱角皮红色素的影响较小，即菱角皮红色素具有良好的热稳定性。

2.4.2 光线对菱角皮红色素稳定性的影响

将提取的菱角皮红色素溶液分成两组：一组储存在黑暗的房间，另一组储存在室外稳定的自然光下。每隔1 h从两组中各取1支比色管测量吸光值，试验结果见图8。

图8 光线对菱角皮红色素稳定性的影响Fig.8 Effect of light on the stability of red pigment from Trapa natans husk

由图8可知，菱角皮红色素在黑暗条件和自然光下，颜色逐渐加深，吸光值逐渐升高，在自然光下的变化趋势更明显。因此，光线对菱角皮红色素的稳定性有一定的影响，在储藏中应尽量避光保存。

2.4.3 pH值对菱角皮红色素稳定性的影响

将菱角皮红色素提取液分别在不同的pH环境下保持1 h，测量各提取液的吸光值，试验结果见图9。

图9 pH值对菱角皮红色素稳定性的影响Fig.9 Effect of pH value on the stability of red pigment from Trapa natans husk

由图9可知，随着pH值的升高，菱角皮红色素的吸光值逐渐变大，当pH达到9以后吸光值逐渐趋于稳定，试验中观察到色素溶液的颜色逐渐加深，直至变为紫褐色。因此，pH值对菱角皮红色素稳定性的影响较大。

3 结论与讨论

以菱角皮为原料，比较了乙醇提取、石油醚∶丙酮混合溶液提取、超声波辅助乙醇提取、超声波辅助石油醚∶丙酮混合溶液提取4种方法，选择了超声波辅助乙醇法作为菱角皮红色素的提取方法，并通过单因素试验和正交试验对提取工艺进行了优化。试验结果表明，超声波辅助乙醇提取菱角皮中红色素的最佳工艺参数为：乙醇浓度60%、料液比1∶60(g/mL)、超声提取时间50 min、超声温度60 ℃、超声功率900 W，在此条件下，菱角皮红色素提取液的吸光值为0.823。对提取的菱角皮红色素的稳定性进行了分析，试验结果表明，pH值对菱角皮红色素稳定性的影响较大，光线对其稳定性有一定的影响，温度对其影响较小。

菱角皮红色素的超声提取工艺较简单，提取效果较好，提取得到的红色素稳定性较高，可作为化学合成色素的替代产品用于调味品、饮料、酒类等食品的着色，具有很大的市场潜力。