紫甘薯渣紫色素的微波提取及精制工藝研究

李 帥，葉玲玲，張 晨，張應烙

（浙江師范大學化學與生命科學學院，浙江金華 321004）

紫甘薯（Ipomoes batatasL.）又名山川紫，為旋花科根莖類一年生草本植物[1]。紫甘薯肉質紫色至深紫色，含有豐富的碳水化合物、纖維素、礦物質及花青素類色素，具有防癌抗癌[2]、清除自由基、防止動脈硬化[3]、改善肝功能[4]等多種生理活性，是當前農產品開發的熱點[5]。紫甘薯渣是紫甘薯淀粉提取過程中產生的副產品，含水量大，極易腐敗，日常生活中除作為飼料加以簡單利用外[6]，通常被當作廢棄物丟棄，既浪費資源又破壞環境。如何開發和利用紫甘薯渣資源，提高紫甘薯附加值，是紫甘薯加工相關企業迫切需要解決的問題。相比于合成色素，天然色素具有較高的安全性和一定的生理活性，是色素開發的總趨勢[7-8]。紫甘薯渣含有豐富的紫色素，因此，可以從紫甘薯渣中制取天然紫色素，以增加其附加值。

微波提取是近年來發展的一門新提取技術，其具有選擇性好、加熱速度快、受熱體系溫度均勻、節約能量等優點[9]，在食品色素提取方面得到了廣泛的應用[10-11]。關于紫甘薯肉質紫色素的溶劑、超聲、索氏提取等方法的工藝已有報道[12-14]，但利用微波法提取紫甘薯渣紫色素的工藝未見報道。本研究以紫甘薯渣為原料，利用微波輔助萃取法對紫甘薯紫色素提取工藝進行了初步探索，并采用樹脂法對其進行純化，以期為紫甘薯的深加工和綜合利用奠定一定的基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫甘薯 購自于金華市蘭溪門農貿市場，模擬工廠流程，切塊，打漿，沉淀，去淀粉得到紫甘薯渣[15]，含水量74%；樹脂（D201，D301，D113，001×7，201×7，D001，HPD100，HPD400，HPD600，HPD722，AB-8，X-5，NKA-9，D101） 河北滄州寶恩化工有限公司；95%乙醇、檸檬酸、鹽酸、冰醋酸 均為分析純；水 去離子水。

MDS-8G多通道密閉微波化學工作站 上海新儀微波化學科技有限公司；UV-7504紫外可見分光光度計 上海欣茂儀器有限公司；UV-2550紫外可見分光光度計 日本島津公司；JA3003A電子分析天平 上海精天電子儀器有限公司；高速離心機 德國Hettich公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋 山東鄄城科源儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫甘薯渣紫色素的微波提取工藝

1.2.1.1 紫甘薯渣紫色素最大吸收波長及最佳提取溶劑的確定 實驗以紫甘薯渣提取液在最大吸收波長處的吸光度值表示待測液中色素的含量，從而確定紫甘薯渣紫色素微波提取的最佳工藝條件。

取紫甘薯渣5.0g于4支錐形瓶中，分別加入pH2的95%乙醇，pH2的檸檬酸水，pH2的鹽酸水，pH2的醋酸水各20mL，在溫度為60℃，功率為500W的條件下微波萃取5min，離心（5000r/min，5min），分別以上述溶劑為參比溶液，利用UV-2550紫外可見分光光度計在200～800nm波長下進行掃描，確定其最大吸收波長。同時，在最大吸收波長處測定各浸提液色素吸光度，確定最佳提取溶劑。每處理設置3個重復。

1.2.1.2 單因素實驗設計 以下單因素實驗中每個處理均設置3個重復。

料液比對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響：分別稱取定量紫甘薯渣于錐形瓶中，各加入25、50、75、100mL pH2鹽酸水溶液，在溫度為60℃，功率為500W的條件下微波萃取5min，離心（5000r/min，5min），上清液用pH2鹽酸水溶液定容至100mL，測定吸光度。

提取時間對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響：分別稱取紫甘薯渣5.0g于6支錐形瓶中，各加入pH2鹽酸水溶液25mL，在溫度為60℃，功率為500W的條件下微波萃取3、4、5、6、7、8min，離心（5000r/min，5min），取上清液測定吸光度。

提取溫度對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響：分別稱取紫甘薯渣5.0g于6支錐形瓶中，各加入pH2鹽酸水溶液25mL，分別在溫度為30、40、50、60、70、80℃，功率為500W的條件下微波萃取5min，離心（5000r/min，5min），取上清液測定吸光度。

微波功率對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響：分別稱取紫甘薯渣5.0g于6支錐形瓶中，各加入pH2鹽酸水溶液25mL，分別在溫度為60℃，功率為300、400、500、600、700、800W的條件下微波萃取5min，離心（5000r/min）5min，取上清液測定吸光度。

1.2.1.3 正交實驗 在單因素實驗結果的基礎上選用L9（34）正交表進行實驗方案設計，確定微波提取紫甘薯渣紫色素的最佳工藝參數，因素及水平見表1。

表1 紫甘薯渣紫色素微波提取工藝條件正交實驗設計Table 1 The orthogonal array design of extraction conditions of purple pigment from I.batatas L.pomace

1.2.2 紫甘薯渣紫色素的精制

1.2.2.1 樹脂預處理 取定量供試樹脂于錐形瓶中，95%乙醇浸泡24h，去掉上層懸浮物，蒸餾水反復洗滌至流出液澄清。50℃烘箱烘干，備用。

1.2.2.2 樹脂篩選實驗 分別取1.0g經過預處理的各種樹脂（D201，D301，D113，001×7，201×7，D001，HPD100，HPD400，HPD600，HPD722，AB-8，X-5，NKA-9，D101）于14支250mL錐形瓶中，加入吸光度為0.493，pH2的色素溶液30mL，28℃恒溫振蕩器（170r/min）振蕩吸附24h，吸附平衡后取上清液于524nm處測定吸光度，計算吸附率。將吸附平衡的各型號樹脂，置于含同體積、同濃度乙醇的錐形瓶中，重復上述操作，計算解吸率。每處理設置3個重復實驗。

吸附率（%）=（A0-A1）/A0×100

解吸率（%）=A2V2/（A0-A1）V1×100

式中：A0為樹脂吸附前色素液吸光度；A1為樹脂吸附后上清液的吸光度；A2為樹脂解吸后上清液的吸光度；V1為原色素液的體積；V2為解吸液的體積。

1.2.2.3 樹脂吸附、解吸靜態實驗 分別取1.0g樹脂，加入30mL紫甘薯渣色素溶液，恒溫振蕩器（170r/min）振蕩吸附，吸附平衡后于524nm處測定上清液吸光度。在固定其他條件不變的情況下，分別考察紫色素初始吸光度（0.5～1.3），吸附時間（1～4h），pH（1～4），溫度（20～40℃）等因素對樹脂吸附率的影響，確定樹脂吸附的最佳條件。

同樣條件下，將吸附平衡的樹脂分別置于含50mL不同濃度乙醇的錐形瓶中解吸。解吸1h后，將解吸液稀釋至乙醇濃度20%，調節至相同pH后于524nm處測定上清液吸光度，計算解吸率。確定樹脂解吸的最佳解吸液濃度。

1.2.2.4 樹脂吸附動態實驗 將30mL經預處理的AB-8樹脂濕法裝柱（21mm×450mm），室溫下用吸光度為1.169的紫甘薯渣紫色素分別以1、2、3mL/min的流速通過樹脂柱，收集流出液（50mL/管），測定吸光度，得到動態吸附曲線。選擇泄漏點[16]出現較晚的流速確定為最佳吸附流速。

1.2.3 紫甘薯渣紫色素色價測定 按上述實驗優化條件提取精制紫甘薯渣紫色素，計算精制后色素的色價：色價E（524nm）=Af/（100×m）（公式中A為吸光度、m為樣品的質量、f為測定吸光度時所吸取樣品的稀釋倍數）。

2 結果與分析

2.1 最大吸收波長及提取溶劑的確定

表2 不同溶劑對紫甘薯渣紫色素的提取效果Table 2 Extraction effects of purple pigment from I.batatas L.pomace by different solvents

不同提取溶劑對紫甘薯渣紫色素的提取效果如表2所示，結果表明，在實驗選定的4種提取溶劑中，pH2鹽酸水的提取效果最好，吸光度為0.626，優于其他供試溶劑的提取效果（吸光度均小于0.55）。因此，本實驗選定pH2鹽酸水為最佳提取溶劑。

2.2 單因素實驗結果及分析

2.2.1 料液比對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響 不同料液比對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響如圖1所示。結果表明，在選定的料液比范圍內，浸提液的吸光度先隨提取溶劑用量的增加而升高，當料液比為1∶10時，色素的吸光值達到最大，提取效果最好。之后隨著提取溶劑用量的增加，浸提液的吸光度逐漸下降。因此選用料液比1∶10提取較好。

圖1 料液比對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響Fig.1 Effect of ratio of material to solvent on the extraction of purple pigment from I.batatas L.pomace

2.2.2 提取時間對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響不同提取時間對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響如圖2所示，結果表明在實驗選取時間范圍內隨微波提取時間延長，浸提液的吸光度逐漸增加，但5min后開始降低，原因可能是隨時間的延長，色素發生分解[17]。因此，選擇提取時間為5min較好。

2.2.3 提取溫度對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響不同提取溫度對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響如圖3所示，結果表明，浸提液吸光度值隨著溫度升高，先逐漸增大，在60℃時達到最高值。然后隨溫度的升高，吸光度逐漸降低，其原因可能是某些糖苷降解，使花青素類色素含量下降[17]。所以，選擇提取溫度60℃較好。

圖2 提取時間對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響Fig.2 Effect of time on the extraction of purple pigment from I.batatas L.pomace

圖3 提取溫度對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響Fig.3 Effect of temperature on the extraction of purple pigment from I.batatas L.pomace

2.2.4 微波功率對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響微波功率對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響如圖4所示，結果表明，浸提液吸光度值隨著微波功率的增加，先逐漸升高，在500W時達到最大值，600W時緩慢降低，至700W時明顯降低。微波功率過大，導致色素受熱分解[18]，考慮到提高效率和能源消耗，選擇提微波功率500W時較好。

圖4 微波功率對紫甘薯渣紫色素提取效果的影響Fig.4 Effect of temperature on the extraction of purple pigment from I.batatas L.pomace

2.3 正交實驗結果與分析

采用L9（34）正交設計確定了微波提取紫甘薯渣紫色素的最佳工藝參數，結果見表3和表4。根據方差分析結果可知，料液比和微波功率是影響色素提取的主要因素，達到極顯著水平（p＜0.01），提取時間和提取溫度對色素提取的影響也較大，達到顯著水平（p＜0.05）；四個因素影響程度的大小依次是A（料液比）＞D（微波功率）＞C（提取時間）＞B（提取溫度）。極差分析表明，最佳工藝條件為A1D3C2B3，即料液比1∶5（g/mL），微波功率600W，提取時間5min，提取溫度70℃。按照上述最優條件進行驗證實驗，平行三次，紫甘薯渣紫色素的吸光度平均值為0.791，RSD為0.8%，優于正交實驗及單因素中任何一組實驗。

表3 正交實驗結果分析表Table 3 Results and analysis of orthogonal test

表4 方差分析結果Table 4 Results of the analysis variance

2.4 樹脂的確定

14種供試樹脂的吸附率和解吸率見表5，其中D201、D301、D113、001×7、201×7、D001為離子交換樹脂，其余為大孔吸附樹脂。各型號樹脂對紫甘薯渣色素液的吸附、解吸能力表現各異，其中D301、001×7、AB-8三種樹脂對紫甘薯渣紫色素的吸附率均大于80%，但D301、001×7解吸率僅為6.0%和7.6%，遠小于AB-8的解吸率（84.7%）。因此AB-8大孔樹脂的純化效率最高，可以選擇它用于精制紫甘薯渣紫色素。

2.5 樹脂吸附、解吸靜態實驗

2.5.1 不同色素吸光度對樹脂吸附率的影響 不同色素吸光度對樹脂吸附率的影響見圖5，由圖5可知，隨色素溶液吸光度值增大，經樹脂吸附后的色素液中殘留的色素越多，可能是由于多糖競爭吸附樹脂，影響了色素物質在樹脂內部的擴散[19]。當色素溶液的吸光度在0.5～0.7時，樹脂的吸附率較高。因此，在實驗選定的條件下，色素溶液吸光度在0.5～0.7時吸附效果較好。

表5 不同型號樹脂對紫甘薯渣紫色素的吸附率和解吸率Table 5 The purple pigment absorption and desorption rate of different resins

圖5 不同色素吸光度對樹脂吸附率的影響Fig.5 Effect of pigment absorbance on the resin absorption rate

2.5.2 吸附時間對樹脂吸附率的影響 不同吸附時間對樹脂吸附率的影響見圖6，由圖可知，隨著時間的延長，樹脂吸附率逐漸增加，1h時趨于平衡。因此，選擇吸附時間為1h，既可以節省時間，又可以取得最佳吸附效果。

圖6 吸附時間對樹脂吸附率的影響Fig.6 Effect of time on the resin absorption rate

2.5.3 不同色素pH對樹脂吸附率的影響 溶液pH的變化可以改變紫甘薯渣紫色素中花色苷的存在形式，花色苷在酸性條件下以穩定的形式存在，而在堿性條件下則迅速降解[20]。因此，本實驗主要考察酸性條件下的吸附。不同色素pH對樹脂吸附率的影響見圖7，由圖7可知，隨著pH的增大，樹脂吸附率略呈上升趨勢，在pH 2～3間的吸附率最高，約80%左右；隨后隨pH的升高，樹脂吸附率降低。因此，色素溶液pH在2～3時吸附效果較好。

圖7 不同色素pH對樹脂吸附率的影響Fig.7 Effect of pH on the resin absorption rate

2.5.4 不同溫度對樹脂吸附率的影響 不同吸附溫度對樹脂吸附率的影響見圖8，由圖8可知，在實驗選定的條件下，隨溫度的升高色素的吸附效果呈上升趨勢。但高溫和低溫的吸附率相差無幾。因此選用30℃左右即可。

圖8 不同溫度對樹脂吸附率的影響Fig.8 Effect of temperature on the resin absorption rate

圖9 不同乙醇濃度對樹脂解吸率的影響Fig.9 Effect of ethanol concentration on the resin desorption rate

2.5.5 不同乙醇濃度對樹脂解吸率的影響 不同乙醇濃度對樹脂解吸率的影響見圖9，由圖9可知，乙醇濃度對樹脂解吸率有明顯影響。在實驗選取范圍內，隨乙醇濃度的增加樹脂的解吸率逐漸升高。當乙醇濃度為95%時，樹脂解吸效果最好，解吸率為88.2%。因此選用濃度為95%的乙醇溶液為解吸液。

2.6 樹脂吸附動態實驗

上柱液不同流速對AB-8樹脂動態吸附性能的影響見圖10，由圖10可知，流速為1mL/min時泄露點出現較晚，色素吸附效果最佳。色素溶液流速越慢，色素成分在樹脂床中粒擴散和膜擴散越充分，吸附效果越好。

圖10 上柱液不同流速對AB-8樹脂動態吸附性能的影響Fig.10 Effect of different feeding flow rate on the absorption of resin AB-8

2.7 色價測定

根據上述最佳條件精制并干燥的紫甘薯渣紫色素，按照色價計算公式，計算精制后紫色素色價為41.3，高于文獻報道值[21]，色價較高。

3 結論

3.1 本實驗以pH2鹽酸水溶液為提取溶劑，采用單因素實驗和正交實驗設計優化了微波提取紫甘薯渣紫色素的工藝，結果表明，微波提取紫甘薯渣紫色素的4個因素影響順序為：料液比、微波功率、提取時間、提取溫度；最佳工藝條件為：料液比1∶5（g/mL），微波功率600W，提取時間5min，提取溫度70℃。在此提取條件下，紫甘薯渣紫色素的平均吸光度值為0.791。

3.2 通過對供試的14種樹脂進行篩選，發現AB-8大孔樹脂對紫甘薯渣紫色素的精制效果較好，其純化紫甘薯渣紫色素的最佳工藝條件為紫甘薯渣紫色素吸光度0.5～0.7、吸附時間1h、色素pH2～3、溫度30℃左右、上樣流速1mL/min，洗脫液95%乙醇。經上述條件精制紫甘薯渣紫色素色價為41.3。

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