甜菜红素的提取优化及稳定性研究

何敏，苗侨伟，刘伟，刘军海

(1.陕西理工大学 化学与环境科学学院，陕西 汉中 723000；2.陕西理工大学陕西省催化基础与应用重点实验室，陕西 汉中 723000)

红甜菜是藜科甜菜属的变种[1]，也称火焰菜、紫菜头[2-3]。红甜菜富含糖类、维生素等，内含多种微量元素和大量甜菜苷，营养成分丰富，医用价值高，是世卫组织确定的最佳蔬菜之一[4]。甜菜红素[5-6]是一种水溶性天然色素[7-8]，色泽鲜艳、着色性好，在甜菜色素中含量高达90%。甜菜红素具有较好的抗氧化能力，可作为保健品、药品和食品添加剂。目前甜菜红素的提取工艺收率较低，对其稳定性的研究较少[9-11]，因此，对甜菜红素提取优化和稳定性的研究很有必要[12-13]。常用的提取方法有超声辅助提取法、溶剂提取法、微波辅助提取法等，超声辅助提取技术具有提取效率高、节能环保等优势，在提取生物活性物质方面应用广泛[14-15]。本研究以红甜菜为原料，采用超声辅助提取甜菜红素，在单因素试验的基础上进行正交试验，进一步探究甜菜红素的稳定性，为提取甜菜红素及其在食品添加剂中的应用提供了参考。

1 材料与方法

1.1 原料、试剂与仪器

新鲜甜菜：市售；无水乙醇、乙醚、盐酸、丙酮、氢氧化钠、山梨酸钾、苯甲酸钠、氯化铁、硫酸镁、硫酸锌、氯化钙、硫酸铜、硫酸铅：均为分析纯。

BSA224S-CW型分析天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；BCD-218ZM2D型冰箱 合肥美菱股份有限公司；H1850型低速离心机 北京京立离心机有限公司；DF-101S型恒温水浴锅 郑州长城科工贸有限公司；MT-5000型pH计 上海亚荣生化仪器厂；GW1030型超声波清洗机 深圳市洁盟清洗设备有限公司；WGLL-230BE型电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司；Cary 50型紫外分光光度计 上海仪电分析仪器有限公司。

1.2 甜菜红素的提取及测定

1.2.1 原料预处理

将新鲜红甜菜洗净，放入干燥箱中除去表面水分，将干燥好的甜菜切丝备用。

1.2.2 甜菜红素的提取及测定

称取1.0 g 甜菜丝，加入50 mL的蒸馏水进行浸泡，用保鲜膜密封后，设置超声波清洗机温度为40 ℃，提取40 min后，将提取液放入离心机中以3 000 r/min 离心10 min，抽滤得到甜菜红素提取液。

取25 mL甜菜红素提取液稀释于50 mL容量瓶中，加蒸馏水至刻度线并充分摇匀，将所得溶液在200～800 nm波长处扫描，确定最大吸收波长。

1.2.3 甜菜红素提取的单因素试验

在1.2.2提取试验的基础上，分别改变料液比、提取温度、提取时间、提取pH进行单因素试验设计，考察各因素对甜菜红素提取的影响。参数考察范围分别为料液比1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6 (g/mL)；提取温度20，30，40，50，60 ℃；提取时间20，30，40，50，60 min；提取pH 2，3，4，5，6，每组平行提取3次。

1.2.4 甜菜红素提取的正交试验

以单因素试验为基础，选取料液比、提取时间、pH、提取温度4个因素进行L9(34)正交试验优化甜菜红素的提取条件，以甜菜红素最大吸收波长535 nm处的吸光度为指标，优化甜菜红素提取条件。正交试验因素水平设计表见表1。

表1 正交试验因素水平设计表Table 1 Design of factors and levels of orthogonal test

1.3 甜菜红素的稳定性研究

以单因素试验及正交试验所得最优提取条件提取甜菜红素，取5 mL提取液加入50 mL容量瓶中，加入蒸馏水定容，取稀释液5 mL置于5个25 mL的具塞刻度试管中，待用。

分别考察温度、光照、金属离子、防腐剂对甜菜红素稳定性的影响。参数考察范围分别为温度20，40，60，80，100 ℃；光照 2，8，24，48，120 h；金属离子Fe3+、Cu2+、Ca2+、Zn2+、Mg2+、Pb2+0.01 g/mL；防腐剂1%苯甲酸钠、1%山梨酸钾、对照组。

2 结果与分析

2.1 甜菜红素浸提剂的选择与最大吸收波长的确定

甜菜红素在不同提取溶剂下的溶解性见表2。

表2 甜菜红素在不同提取剂下的颜色及溶解性Table 2 Color and solubility of betacyanin under different extractants

由表2可知，甜菜红素在蒸馏水中提取液为红色，溶解性最强，吸光度值为 0.783 5；微溶于乙醇，提取液呈淡红色，不溶于无水乙醇、乙醚和丙酮；在乙醚中提取液为黑紫色，可能是乙醚促进了色素氧化。用蒸馏水作提取溶剂时，甜菜红素在535 nm处出现最大吸光度值，故选用蒸馏水为最佳提取剂。

2.2 单因素试验分析

2.2.1 料液比对甜菜红素提取的影响

以蒸馏水为提取剂，在不同料液比条件下，对提取的甜菜红素溶液的吸光度进行测定，结果见图1。

图1 料液比对甜菜红素提取的影响Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on the extraction of betacyanin

由图1可知，随着料液比的增大，甜菜红素的提取效率逐渐增大，吸光度值在达到最大后开始减小，当料液比达到1∶5 (g/mL)时，吸光度值达到最大，随后吸光度值减小，这可能是由于甜菜中的甜菜红素是有限的，继续增加料液比，多余的提取剂稀释了提取液，因此吸光度小幅度降低。综上，选择料液比为1∶5 (g/mL)更合适。

2.2.2 提取温度对甜菜红素提取的影响

不同温度下甜菜红素的提取结果见图2。

图2 提取温度对甜菜红素提取的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on the extraction of betacyanin

由图2可知，温度升高，甜菜红素的吸光度增大，在30 ℃时达到最大值。超过30 ℃时，色素逐渐分解，吸光度值下降，由此可见温度对甜菜红素提取的影响较大。甜菜红素易氧化、耐热性差，所以在生产中甜菜红素的提取温度控制在30 ℃左右为宜。

2.2.3 提取时间对甜菜红素提取的影响

不同提取时间下甜菜红素的提取结果见图3。

图3 提取时间对甜菜红素提取的影响Fig.3 Effect of extraction time on the extraction of betacyanin

由图3可知，随着提取时间的延长，吸光度不断增大，但在40 min后甜菜红素的吸光度变化不大，可能是提取过程已经达到动态平衡。其次，在40 min后延长提取时间，甜菜红素的吸光度变化不是很大，从经济成本和时间效率上考虑，提取时间为40 min较合适。

2.2.4 pH对甜菜红素提取的影响

不同pH下甜菜红素的提取结果见图4。

图4 pH对甜菜红素提取的影响Fig.4 Effect of pH on the extraction of betacyanin

由图4可知，提取溶剂的pH增大，甜菜红素的吸光度增大，在pH为4时达到最大值，pH大于4后，吸光度开始减小，呈先增大后减小的趋势，原因可能是pH的增大破坏了色素结构，导致吸光度减小，故选择pH 4为较佳的酸度。

2.3 正交试验结果分析

在单因素试验的基础上，选用料液比(A)、提取时间(B)、pH(C)、提取温度(D)4个因素进行正交试验，结果见表3。

表3 正交试验结果Table 3 Results of orthogonal test

由表3中极差R分析结果可知，影响甜菜红素提取效果的4个因素由大到小为C>A>B>D，即pH对甜菜红素提取效果的影响最大，其次为料液比。甜菜红素的最佳提取条件为A2B2C2D2，即料液比为1∶5 (g/mL)，提取pH为4，提取温度为30 ℃，提取时间为40 min。

验证试验：利用单因素试验和正交试验优化后的条件提取甜菜红素，平行3组试验，测定吸光度，取平均值，得到最大吸光度为0.836 4，说明正交试验优化得到的提取条件是可行的。

2.4 甜菜红素稳定性结果分析

2.4.1 温度对甜菜红素稳定性的影响

在波长535 nm处对处理过的甜菜红素提取液进行吸光度测定，结果见图5。

图5 温度对甜菜红素稳定性的影响Fig.5 Effect of temperature on the stability of betacyanin

由图5可知，温度对甜菜红素稳定性的影响较大，随着温度的升高，吸光度减小，当温度上升到40 ℃后，甜菜红素的吸光度下降速度加快，可能是温度过高破坏了甜菜红素的结构，说明甜菜红素的热稳定性较差，其储存环境的温度应低于40 ℃。

2.4.2 光照对甜菜红素稳定性的影响

在波长535 nm处对处理过的甜菜红素提取液进吸光度测定，结果见图6。

图6 光照对甜菜红素稳定性的影响Fig.6 Effect of light on the stability of betacyanin

由图6可知，在避光条件下，甜菜红素的吸光度值变化并不是很大；而在日光条件下照射后，甜菜红素的吸光度值随着时间的推移有明显的下降趋势，并且两条折线之间的距离也在变大，说明光照对甜菜红素稳定性有明显的影响，这可能是随着光照时间的增加，甜菜红素发生了氧化变质，导致吸光度下降。

2.4.3 金属离子对甜菜红素稳定性的影响

对甜菜红素在生产加工过程中常使用的仪器设备及溶液进行理化分析，选用Fe3+、Cu2+、Zn2+、Pb2+、Mg2+、Ca2+6种金属离子作为考察参数。在波长535 nm处对加入各金属离子的甜菜红素溶液进行吸光度测定，试验结果见表4。

表4 金属离子对甜菜红素稳定性的影响Table 4 Effect of metal ions on the stability of betacyanin

由表4可知，各金属离子对甜菜红素色泽无明显影响；Ca2+对甜菜红素稳定性的影响较小；Fe3+和Cu2+对甜菜红素稳定性的影响较大，所以甜菜红素应尽量避免与Fe3+和Cu2+接触。

2.4.4 防腐剂对甜菜红素稳定性的影响

在波长535 nm处对甜菜红素在不同防腐剂下的吸光值进行测定，结果见图7。

图7 防腐剂对甜菜红素稳定性的影响Fig.7 Effect of preservatives on the stability of betacyanin

由图7可知，苯甲酸钠和山梨酸钾均对甜菜红素的稳定性有一定影响，尤其是添加1%苯甲酸钠溶液对甜菜红素的稳定性有明显加强作用。因此，在甜菜产品生产时可以添加1%苯甲酸钠作为防腐剂。

3 结论

以红甜菜为原料，采用超声辅助提取技术，通过单因素试验和正交试验确定了甜菜红素的最佳提取条件。结果表明甜菜红素提取的最佳条件为料液比1∶5 (g/mL)、提取pH 4、提取温度30 ℃、提取时间40 min。在此条件下，甜菜红素的最大吸光度可达到0.836 4，表明提取效果较佳。

甜菜红素稳定性试验表明，温度超过40 ℃时，甜菜红素的吸光度明显下降；光照对甜菜红素吸光度的影响明显大于避光条件；Fe3+和Cu2+对甜菜红素吸光度的影响较大；山梨酸钾对甜菜红素吸光度的影响小于苯甲酸钠。因此，甜菜红素应在40 ℃以下避光保存，避免与Fe3+和Cu2+接触，可与苯甲酸钠作为食品添加剂共同使用。综上所述，采用超声辅助提取的甜菜红素提取率高、稳定性较好。研究结果可为甜菜红素的提取及在食品、药品添加剂方面的应用提供参考。