仙人掌果紅色素提取工藝及其穩定性研究

馬丹雅，趙 晶，姚 晶，*，王紅梅，宋 琳，楊同舟，陳智斌

(1.黑龍江東方學院，黑龍江哈爾濱150086;2.黑龍江天宏工程設計有限公司，黑龍江哈爾濱150090)

食用色素是食品添加劑的重要組成部分，其中天然食用色素對人體健康一般無毒無害，許多還具有一定的營養價值和藥理作用［1］。目前國內外天然食用色素的種類和產量還比較少，遠遠不能滿足食品工業、酒類、化妝品及藥物等行業的發展需要，為此，應積極致力于天然食用色素的研究和開發。仙人掌果又名仙掌子，為仙人掌科植物仙人掌的果實，在我國廣東雷州半島海岸產量十分豐富，由于果皮毛刺多，食用不便而長期未被開發利用，僅民間作水果食用［2-3］。仙人掌果表皮呈深紅色，果汁呈紫紅色，無毒，風味獨特且營養價值高。有文獻報道仙人掌果紅色素為甜菜色苷類化合物，而我國于甜菜中提取的甜菜紅色素已成為商品天然色素，用于糖果、冷飲、藥品糖衣的著色，又因為仙人掌果的紅色素含量大且易于提取，若能加工利用，其經濟效益將十分可觀［4］。本實驗建立了仙人掌果紅色素提取的最佳工藝條件，并研究了光照、pH、氧化劑、還原劑以及金屬離子、食品添加劑等因素對仙人掌果紅色素穩定性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

仙人掌果 海南野生品種;硫酸鎂、氯化鋇、氯化鋅、氯化鈉、乙酸鉛、四氯化錫 分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司;硫酸銅、碳酸氫鈉 分析純，天津市光復精細化工研究所;亞硫酸鈉、濃鹽酸、三氯化鐵 分析純，天津市耀華化學試劑有限責任公司。

電熱恒溫水浴鍋DKS-24型 上海經濟區沈蕩中新電器廠;DELTA 320系列pH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;80-2型離心機 上海浦東物理光學儀器廠;Sectrumlab54紫外可見分光光度計上海棱光技術有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的前處理 鮮仙人掌果去籽、去皮，加0.7%的果膠酶，在 pH4.0、溫度 40℃條件下水解1.5h。

1.2.2 仙人掌果紅色素的提取 用乙醇的水溶液完全覆蓋仙人掌果渣，不斷攪拌，使色素不斷溶解在乙醇中，多次浸提;將浸提液在3000r/min條件下離心20min，棄去下面沉淀;將上清液在530nm下測定其吸光度［5-6］。

1.2.3 仙人掌果紅色素提取的單因素實驗研究

1.2.3.1 料液比的選擇 控制溫度在50℃，取5份仙人掌果渣各1g，分別加入10mL緩沖液，再分別加入20、40、60、80、100mL pH4 的 70% 乙醇-水溶液(用5mol/L的 HCl溶液調節)，浸提 60min，然后在530nm下測定不同物料比條件下的吸光度。

1.2.3.2 提取溫度的選擇 取6份鮮仙人掌果渣各1g，分別加入10mL緩沖液再加入20mL pH4的70%乙醇-水溶液(用5mol/L的HCl溶液調節)，然后分別在 30、40、50、60、70、80℃ 的溫度下攪拌，浸取60min，在530nm下測定各種溫度條件下的吸光度。

1.2.3.3 提取pH的選擇 取6份鮮仙人掌果渣各1g，分別加入10mL緩沖液再分別加入20mL pH分別調為3、4、5、6、7、8 的70%乙醇-水溶液，在50℃條件下攪拌，浸取60min，然后在530nm下測定各種pH條件下的吸光度。

1.2.3.4 提取時間的選擇 控制溫度在50℃，取6份仙人掌果渣各1g，分別加入10mL緩沖液再分別加入20mL pH5.0的70%乙醇水溶液，浸取時間分別為30、40、50、60、70、80min，然后在 530nm 下測定不同提取時間條件下的吸光度。

1.2.4 仙人掌果紅色素提取的正交實驗研究 以提取溫度，提取pH和物料比為因素，進行因素實驗，根據單因素實驗結果，選取合適的因素水平設計正交實驗，以確定最佳提取條件，正交實驗因素水平如表1所示。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Orthogonal experiment design

1.2.5 紅色素得率的計算 提取的仙人掌果紅色素濾液放入烘箱中，烘干至恒重，所得恒重紅色素的質量與仙人掌果樣品質量之比即為仙人掌果紅色素的得率。

1.2.6 穩定性實驗 以測定530nm處的吸光度為指標，研究光照、pH、氧化劑、還原劑和金屬離子對色素穩定性的影響，并研究在不同濃度范圍內的變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 仙人掌果紅色素提取單因素實驗結果

2.1.1 料液比的選擇 實驗結果如圖1所示。由圖1可以看出，隨著提取溶劑的增加，吸光度有所下降，隨著提取溶劑的量增加，色素相當于被稀釋了，在提取溶劑為20mL時，吸光度最大，提取時料液比1∶20比較適宜。

圖1 料液比對紅色素提取的影響Fig.1 Response of material ratio on extraction of red pigment

2.1.2 紅色素提取溫度的選擇 在提取體系pH為5.0，料液比為1∶20，提取時間為60min的條件下，改變提取溫度，實驗結果如圖2所示。

圖2 溫度對紅色素提取的影響Fig.2 Response of extraction temperature on the extraction of red pigment

從圖2可以看出，在提取溫度在50℃以下時，隨著溫度的升高，色素的吸光度不斷提高。而當溫度達到50℃時，色素類物質的溶出速度達到最大，超過50℃后，天然色素會分解，使吸光度下降。

2.1.3 提取紅色素pH的選擇 將溫度控制在50℃，料液比為1∶20，用70%的乙醇溶液浸提60min，改變pH，實驗結果如圖3所示。

圖3 pH對紅色素提取的影響Fig.3 Response of pH on extraction of red pigment

由圖3可以看出在一定范圍內，紅色素的提取率隨pH的增加而增大，隨著pH的升高，紅色素提取率呈先上升后下降的趨勢。當pH到5時吸光度最大，即提取率最大，但pH＞7時，天然色素受到破壞，由圖可以看出紅色素在酸性條件下較穩定，在堿性條件下不穩定易分解。

2.1.4 紅色素提取時間的選擇 在提取體系pH為5.0，料液比為1∶20，提取溫度50℃時，改變反應需要的時間，實驗結果如圖4所示。

圖4 提取時間對紅色素提取的影響Fig.4 Response of extraction time on extraction of red pigment

由圖4可以看出，隨著提取時間的延長，色素的提取率呈先上升后降低的趨勢。這可能是因為隨著時間的延長，色素類物質溶出得更加充分，提取時間為60min時，吸光度最高。但時間過長，會導致色素的降解，使色素的提取率降低，所以提取紅色素時選取最佳的時間為60min。

2.2 仙人掌果紅色素提取正交實驗結果

由正交實驗結果可知(見表2)，三因素的極差大小順序是:B＞C＞A，即提取體系的料液比對提取率影響最大，其他幾個因素影響相對較小。通過極差分析計算，得到各因子的最佳組合是A2B1C2，即最佳工藝條件是:提取溫度為50℃，提取體系的料液比為1∶20，提取 pH 為 5.0。

以最佳提取工藝條件提取的仙人掌果紅色素濾液放入烘箱中，烘干至恒重，得出原料中紅色素的得率約為5.2%。

表2 正交實驗分析結果Table 2 Results of orthogonal experiment

2.3 仙人掌果紅色素穩定性的研究

2.3.1 光照對仙人掌果紅色素穩定性的影響 取已提取的仙人掌果紅色素1mL置于6個25mL的具塞刻度試管，用70%乙醇-水溶液稀釋至10mL，放置有陽光的地方0、1、2、3、4、5d 后，在波長 530nm 下測定其吸光度。結果見圖5，得出2～3d時，紅色素的吸光度明顯下降，自然光對紅色素的影響比較大，放置5d后紅色素完全分解，得出結論仙人果紅色素不宜在自然光下放置過久，應避光貯存。

圖5 不同天數光照色素穩定性的影響Fig.5 Effects of days of sunlight on pigment stability

2.3.2 pH對仙人掌果紅色素穩定性的影響 吸取已提取的仙人掌果紅色素1mL置于25mL的具塞刻度試管，用70%乙醇水溶液稀釋至10mL，再加入用酸度計分別調配 pH 為2.9、5.0、7.1、9.2、11.0 一系列的緩沖溶液靜置6h后，在530nm處測定其吸光度。

圖6 不同pH對色素穩定性的影響Fig.6 Effect of pH on pigment stability

由圖6可以看出仙人掌果紅色素在pH3～5時紅色素的穩定性較好，顏色也較穩定，而pH9～11時相對來說穩定性較差，在堿性條件下加速了色素的分解，因此紅色素適宜在酸性條件下貯存。

2.3.3 氧化劑、還原劑對仙人掌果紅色素穩定性的影響 氧化劑對紅色素的影響:過氧化氫為氧化劑，用30%的H2O2配制體積分數分別為0、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、4.0%的過氧化氫溶液，取提取的仙人掌果紅色素各1mL置于7個25mL的具塞刻度試管，再分別用配制好的溶液稀釋至10mL，室溫放置6h后在530nm處測定其吸光度。

圖7 H2O2對色素穩定性的影響Fig.7 Effect of H2O2on pigment stability

由圖7可以看出隨著H2O2體積分數的增加，紅色素受到的破壞越嚴重，可能是氧化劑使得一部分色素分解了，使得吸光度下降。

還原劑對紅色素的影響:無水亞硫酸鈉作為還原劑，配制質量濃度分別為 0、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0g/100mL的亞硫酸鈉溶液，取提取的仙人掌果紅色素各1mL置于7個25mL的具塞刻度試管，再分別用配制好的溶液稀釋至10mL，室溫放置6h后在530nm處測定其吸光度。

表3 各種金屬離子對色素穩定性的影響Table 3 Effects of metal ions on pigment stability

由圖8可以看出隨著還原劑Na2SO3含量的增加，紅色素的吸光度有所下降，說明還原劑的存在會對仙人果紅色素的穩定性起到破壞作用，使色素發生降解。

圖8 Na2SO3對色素穩定性的影響Fig.8 Effect of Na2SO3on pigment stability

2.3.4 金屬離子對仙人果紅色素穩定性的影響 分別稱取相應質量的藥品，配制成含0.1g/20mL的Zn2+、Mg2+、Sn2+、Fe3+、Na+、Pb2+、Ag+、Cu2+的金屬離子溶液，取提取的仙人掌果紅色素各1mL置于10個25mL的具塞刻度試管，再分別用配制好的金屬離子溶液稀釋至10mL，室溫放置6h后在530nm處測定其吸光度，并與未加金屬離子的對照組的吸光度進行比較，其結果見表3。

根據金屬離子對仙人掌果紅色素穩定性的影響的實驗，由表3可以看出Mg2+、Na+對仙人掌紅色素的穩定性影響不大，Zn2+、Sn2+、Fe3+、Pb2+、Cu2+對仙人掌紅色素的穩定性影響相對較大，且隨著金屬離子濃度的變化，溶液的顏色會產生一定的變化。因此應該避免仙人掌果紅色素與金屬離子尤其是鐵、鋅、銅、鉛、錫制品接觸。

3 結論

3.1 提取仙人掌果紅色素得出最佳的提取條件為:提取溫度為50℃，提取體系的料液比是1∶20，提取pH是5.0，提取時間1h。

3.2 仙人掌果紅色素的穩定性研究結果表明:光照時間越長，色素受到的破壞越大，光照使色素分解，色素應避光保存;仙人掌紅色素在pH為3～5時較穩定，在堿性條件下容易分解;仙人掌果紅色素易受到雙氧水，亞硫酸鈉的影響，隨濃度的增加受到的破壞越大;仙人掌果提取的紅色素對Mg2+、Na+等金屬離子較穩定，而對 Zn2+、Sn2+、Fe3+、Pb2+、Cu2+等金屬離子較不穩定。

3.3 仙人掌果紅色素原料易得，提取工藝簡單，色澤艷麗，天然安全。可應用于食品及藥品，是一種有較大發展前途的天然食用色素。

［1］胡正強.食用天然色素的開發與應用［J］.農牧產品開發，1996(1):33-35.

［2］易美華，林麗梅.仙人掌保健飲料的技術研究［J］.食品科技，2000(2):43-45.

［3］趙聲蘭，陳朝銀，劉宏剛，等 .仙人掌脯的研制［J］.食品科技，2002(3):17-18.

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