紫薇花紅色素的提取及穩定性的研究

晏 麗

吉首大學城鄉資源與規劃學院林產化工工程湖南省重點實驗室，張家界427000

隨著醫學毒理學和生物學實驗的深入發展，發現部分化學合成色素對人體有致癌性或其他毒害作用，而天然色素是從植物、動物及礦物質中提取得到或天然存在色素的合成復制品，具有安全、無毒、色調自然、廣泛的營養和藥理作用及諸多優點，被廣泛用于食品、醫藥、化妝品及服裝等工業中。但天然色素的也具有色澤穩定性較差，提取效率低，在食品加工過程中容易受光、熱、pH值等外界條件影響等方面的缺點。因此，開發天然色素資源，優化提取效率和提高天然色素穩定性已成為推廣天然食用色素的關鍵［1-3］。

紫薇(Lagerstroemia indica)為千屈菜科(Lythraceae)紫薇屬(Lagerstroemia)落葉灌木或小喬木，又名小葉紫薇、癢癢樹、海棠樹、百日紅、無皮樹等，吉林、廣東、廣西、湖南等省均有生長或栽培［4］。紫薇還具有葉細枝密、干粗、根露等特點，便于攀扎，故宜作盆景、樁景等的素材。紫薇花也可剪作切花，瓶養時間較其它花長。紫薇的木材堅硬、耐腐，可作農具、家具、建筑等用材;樹皮、葉及花為強瀉劑;根和樹皮煎劑可治咯血、吐血、便血［5］。紫薇花具有豐富的紅色素，是開發天然色素的良好資源。本實驗以紫薇花為原料，采用超聲波輔助對影響其色素提取的主要因素進行單因素和正交試驗，以吸光度值為指標，用方差分析方法進行分析，優選紫薇花紅色素的最佳提取條件，并對其穩定性進行了研究，為進一步開發利用紫薇花紅色素提供科學依據。

1 材料與方法

1．1 材料、試劑及儀器

新鮮紫薇花采自吉首大學張家界校區校園，經吉首大學廖博儒研究員鑒定為千屈菜科(Lythraceae)紫薇屬(Lagerstroemia)。挑取鮮艷的紫薇花，去掉花托、苞片，洗凈后置真空干燥箱中烘干備用。

乙醇、鹽酸、氫氧化鈉、FeCl3、NaCl、KCl、AlCl3、FeSO4、MgSO4、ZnSO4、CuSO4、CaCl2(均為國產分析純);實驗用水為蒸餾水。

UV 757 CRT紫外可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司;AEL-40SM型電子天平，日本島津公司;DP-32真空干燥箱，日本 YAMATO公司;B8200-G4超聲波發生器，日本島津公司;SHE-D循環水式真空泵，河南省鞏義市英峪儀器一廠;BS-220恒溫水浴鍋，北京長安科學儀器廠。

1．2 方法

1．2．1 超聲波提取工藝

將新鮮的紫薇花洗凈晾干后，置于真空干燥箱中60℃烘干至恒重，粉碎過30目篩。在文獻［6，7］的研究基礎上，選擇以乙醇提取劑，進行超聲波輔助提取。

1．2．2 紫薇花紅色素的光譜特性

取1．0mL紫薇花紅色素乙醇提取液，用的相同體積分數的乙醇溶液稀釋至10．0 mL，在波長為400～800 nm范圍內進行掃描，得到其最大吸收波長(λmax)和最大吸光度(Amax)。

1．2．3 紫薇花色素提取條件的單因素試驗

以乙醇為提取劑，在其他條件相同的前提下，分別研究不同乙醇體積分數(0、20%、40%、60%、80%、無水乙醇)、料液比(1∶20、1∶30、1∶40、1∶50)和超聲提取時間(10、30、60、90、120 min)等單因素對紫薇花紅色素提取效果的影響。紫薇花紅色素提取效果以將提取液稀釋至相同體積后在532 nm下的吸光度作為衡量指標。

1．2．4 紫薇花紅色素提取條件的優化

以乙醇為提取溶劑，選擇不同的乙醇體積分數、料液比、超聲時間，采用三因素三水平正交設計，按照正交設計表進行實驗，選出最佳的提取工藝條件。表1為各因素水平值。

表1 正交試驗因素與水平Table 1 Factors and level of orthogonal experiments

1．3 紫薇花色素的穩定性研究［8］

1．3．1 pH值對色素穩定性的影響

取30 mL色素提取液，在室溫下用0．1 mol/L鹽酸和0．1 mol/L氫氧化鈉溶液調節色素溶液為pH 1～12，測定其在532 nm處的吸光度A532，并觀察其顏色變化。

1．3．2 光對色素穩定性的影響

取5 mL色素提取液，用蒸餾水定容至10 mL，取稀釋好的色素分別置于紫外燈下和室內自然光下，每隔一定時間，測定其在532 nm處的吸光度A532，并觀察其顏色變化。

1．3．3 溫度對色素穩定性的影響

取5 mL色素提取液，用蒸餾水定容至10 mL，取稀釋好的色素置于不同溫度恒溫水浴鍋中，水浴30 min后取出，迅速冷卻至室溫，測定其在532 nm處的吸光度A532并觀察其顏色變化。

1．3．4 金屬離子對色素穩定性的影響

分別配制濃度為 1 mol/L的 ZnSO4、CuSO4、CaCl2、MgSO4、AlCl3、KCl、FeSO4、NaCl和 Pb(NO3)2鹽溶液。取10支試管，一支加5mL蒸餾水為對照，其余各試管分別加入上述新鮮配制的鹽溶液5 mL，然后在10支試管中分別加入稀釋2倍的5 mL色素提取液，充分搖勻，靜置12 h后在測定其532 nm處的吸光度A532，并觀察其顏色變化。

2 結果與分析

2．1 紫薇花紅色素最大吸收波長的確定

紫薇花提取液在紫外可見分光光度計上按波長間隔2 nm在400～800 nm波長進行波譜掃描，測出色素吸收峰所對應的最大吸收波長。由圖1(以波長為橫坐標，吸光度值為縱坐標)可知，色素液在532 nm左右處出現特征吸收峰，說明該色素具有花色苷特征，屬于花色苷類物質。

圖1 紫薇花紅色素紫外光譜圖Fig.1 UV spectrum of red pigments extracted from L．indica flowers

2．2 單因素試驗

2．2．1 乙醇濃度對提取效果的影響

稱取干燥粉碎好的紫薇花1．000 g，分別加入水和20%、40%、60%、80%、無水乙醇(質量百分比)的乙醇水溶液各50 mL，處理60 min后，定容至相同的體積，在λmax=532 nm處用紫外分光光度計測其吸光度(A)。結果見圖2。

圖2 乙醇濃度對提取的影響Fig.2 Effects of ethanol concentration on extraction results

由圖2可知表明，紫薇色素在水、乙醇溶液中溶解性較好，提取液吸光度隨乙醇濃度增加而逐漸增大，乙醇濃度增加到40%時，提取液的吸光度最大，隨后，繼續增加乙醇溶液的濃度，提取液的吸光度反而減小。因此，選擇40%乙醇溶液為提取劑效果最好。

2．2．2 料液比對浸提的影響

用40%乙醇溶液對紫薇花色素進行超聲輔助提取，選擇不同的料液比進行實驗，其分別1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60，超聲提取時間為 60 min。結果見圖3。

圖3 料液比對提取的影響Fig.3 Effects of ratio of solid to liquid on extraction results

由圖3可知，紫薇色素提取液的吸光度隨料液比增加而逐漸增大，料液比增加到1∶40時，提取液的吸光度最大，隨后，繼續增加料液比，提取液的吸光度變化不大。因此，從經濟角度出發，選擇料液比為1∶40提取效果較好。

2．2．3 提取時間對浸提的影響

在料液比1∶40，40%的乙醇的條件下，選擇不同的超聲提取時間進行實驗，其超聲時間分別為10、30、60、90、120 min。結果見圖 4。

圖4 提取時間對提取的影響Fig.4 Effects of ultrasonic time on extraction results

由圖4可知，紫薇色素提取液的吸光度隨超聲時間增加而逐漸增大，超聲時間增加到90 min時，提取液的吸光度最大，繼續增加提取時間，體系溫度會不斷升高，從而使部分紅色素分解，導致提取液的吸光度反而減小。因此，選擇90 min提取時間效果較好。

2．3 正交試驗

各試驗號根據具體給定的提取條件所得的提取液，用相應提取劑分別定容于相同體積，在532 nm處分別測其吸光度A。由極差數據和方差數據可見(表2和表3)，在正交試驗的3個因素中，超聲時間和乙醇濃度對紫薇花紅色素的提取具有顯著影響，各因子對提取率的影響依次為:超聲時間＞乙醇濃度＞料液比。優化的各因素最佳工藝條件為A2B3C2，即乙醇濃度為40%、料液比為1∶40、超聲時間為90 min，正交設計與單因素試驗結果相符。

表2 正交試驗結果Table 2 Results of orthogonal experiments

60 1∶30 60 3 0．487 9 60 1∶40 90 1 0．621 K1 0．611 0．590 0．537 0．598 K2 0．666 0．608 0．673 0．609 K3 0．548 0．628 0．616 0．619 8 R 0．118 0．038 0．136 0．021

表3 正交試驗方差分析表Table 3 Variance analysis of orthogonal experiment

2．4 紫薇花紅色素的穩定性

2．4．1 pH值對色素穩定性影響

由表4可知，pH值對紫薇花色素提取液的穩定性影響很大，在酸性條件下，即pH＜4時，提取液溶液顏色穩定，呈鮮紅色;在弱酸條件下即5＜pH＜6，該色素液的紅色減弱，逐漸向淺黃色轉變;而在堿性條件下，即pH＞6時，色素與堿液發生反應，顏色變化較大。通過對于酸、堿環境中的色素溶液滴加堿、酸的反向處理，發現該花色素溶液的色澤是隨pH的逆轉而呈可逆變化。因此，初步判斷該花色素屬于花色苷類［9，10］。表4結果還提示，紫薇花色素若作為色素資源只適宜在pH≤5的酸性環境條件下使用。

表4 pH值對色素穩定性影響Table 4 Effect of pH value on the stability of pigment

2．4．2 光對色素穩定性的影響

表5 自然光對紅色素穩定性的影響Table 5 Effect of indoor natural light illumination on the stability of red pigment

表6 紫外光光照對紅色素穩定性的影響Table 6 Effect of ultraviolet illumination on the stability of red pigment

由表5可知，在室溫條件下經過白熾光5 d的光照，色素的色澤無明顯變化，其吸光度只下降了0．087，說明室內自然光對紫薇紅色素的影響不大。由表6可知，在紫外光下，色素的色澤明顯變淺，其吸光度顯著下降，可能紫外光引起色素分子降解。因此紫薇花紅色素應避免紫外光照射。

表7 溫度對色素穩定性的影響Table 7 Effect of temperature on stability of red pigment

2．4．3 溫度對色素穩定性的影響

由表7可知，隨溫度升高色素吸光度下降，但在100℃條件下色素吸光度隨時間上升，可能是由于溶劑蒸發加快，產生的濃縮效應超過了色素本身的降解速率。同時從此表看出，色素在20～80℃時，吸光度變化幅度不大，說明紫薇花紅色素在此范圍內對熱有較強的穩定性。

2．4．4 金屬離子對色素穩定性的影響

表8 金屬離子對紅色素穩定性的影響Table 8 Effect ofmetal ions on the stability of red pigment

從表8中可看出，Na+、K+、Mg2+離子對紫薇花色素的吸光度值基本無影響，且色素液的色澤也基本未發生變化，表明這些金屬離子對紫薇花色素無不良影響。加入Cu2+、Pb2+、Fe2+離子時色素液產生沉淀，顏色發生明顯變化，說明紫薇花色素對Cu2+、Pb2+、Fe2+金屬鹽極不穩定;加入 Ca2+、Zn2+、Al3+時雖然不引起色素產生沉淀，但使其顏色發生明顯可見變化，反映紫薇花色素對Ca2+、Zn2+也不穩定。

3 結論

紫薇花花瓣呈現紅色，易被水和乙醇等強極性物質溶解。正交試驗結果表明:影響紫薇花色素提取因素的順序為超聲時間＞乙醇濃度＞料液比，最佳提取工藝條件為:乙醇濃度40%，提取時間90 min，料液比1∶40。穩定性研究表明:在酸性條件，色素液呈紅色，較為穩定，在堿性條件下，色素顏色變化較大，應用受到一定限制;室內自然光對色素無影響，紫外光能引起色素降解，應避免紫外光照射;在80℃以內，溫度對色素無影響;Na+、K+、Mg2+離子對紫薇花色素基本無影響，而 Ca2+、Zn2+、Al3+、Cu2+、Pb2+、Fe2+離子對紫薇花色素穩定性影響較大，使紫薇花色素明顯改變，對色素影響較大，應避免與 Ca2+、Zn2+、Al3+、Cu2+、Pb2+、Fe2+離子接觸。

1 Ling GT(凌關庭)．Natural Food Additive Manual(天然食品添加劑手冊)．Beijing:Chemical Industry Press，2000．214-215．

2 CuiWX(崔文新)，Geng Y(耿越)，Wang FQ(王鳳芹)，et al．Study on antioxidation of natural edible pigments．Food Sci(食品科學)，2008，29:401-404．

3 Gao YX(高彥祥)，Xu ZH(許正虹)．Research progress on the safety of the natural pigment．Food Sci(食品科學)，2005，26:158-160．

4 Gu ZC(谷中村)，Chen GX(陳功錫)，Huang YL(黃玉蓮)，et al．Xining:An Overview of XiangxiMedicinal Plants．Qinghai:People’s Publishing House，2004．188．

5 Egolf DR．“Biloxi”，“Miami”and“Wichita”Lagerstroemia．HortScience，1987，22:336-338．

6 Chen H(陳洪)，Liang LH(梁利華)，Xie JY(謝建英)．Study on extraction and stability of pigment from lagerstroe mia specious flower．Food Sci Technol(食品科技)，2007，8:201-204．

7 Yu F(余凡)，Lei Y(雷迎)，Ren JR(任堅忍)，et al．Study on extraction and stability of pigment from Lagerstroemia indica flowers．Sci Technol Food Ind(食品工業科技)，2012，33:231-234．

8 Tang KH(唐克華)，Yu HZ(于華忠)，Gong J(龔劍)，et al．Microwave-assisted extraction techniques and some properties of anthocyanidin in Loropetalum chinense var．rubrum Flowers．Acta Bot Boreal-Occident Sin(西北植物學報)，2005，25:568-574．

9 Wang Z(王璋)，Xu SY(許時嬰)，Tang J(湯堅)．Food Chemistry(食品化學)．Beijing:China Light Industry Press，1999．288-291．

10 Yu J(余杰)，Guo HM(郭慧敏)，Chen MZ(陳美珍)．Study on the physicochemical properties and extraction process of red pigment from He Dong Black Wheat．Food Ferment Ind(食品與發酵工業)，2002，28(11):12-16．