冷凍對甘薯紫色花青素提取的影響

徐 飛， 鈕福祥， 孫 建， 朱 紅， 岳瑞雪， 張 毅， 張文婷

(江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇徐州 221121)

花青素具有抗氧化、抗腫瘤、降血壓、降血糖和增強免疫力等眾多醫(yī)療和營養(yǎng)保健價值[1-2]，而從紫薯中提取花青素是途徑之一。花青素的提取方法有多種多樣，既有水提取，也有有機溶劑提取和超臨界CO2萃取等，如采用0.8%檸檬酸水溶液、檸檬酸-磷酸二氫鈉緩沖液和1%鹽酸、95%酸化乙醇等作溶劑，采用高速逆流色譜、微波、酶法、超聲波、超高壓等手段提取，并采用大孔樹脂、超濾膜、有機溶劑沉淀，且通過紙層析、薄板層析、柱層析、高效液相、膜分離技術(shù)等進行純化分析[3-8]。工業(yè)生產(chǎn)中，用乙醇提取花青素時會造成環(huán)境污染、有機溶劑殘留及乙醇回收成本高等問題。用水提取時，為提高色素的浸出率，對原料一般采用破碎方法進行處理，破碎越充分浸提效果越好，花青素得率越高，但破碎越細，汁液分離越困難，不僅需要多級多次粗濾、精濾等，過濾速度緩慢，工作量大而復(fù)雜，而且耗水量很大，造成成本提高、水資源浪費、效率低下。目前，我國在花青素提取方面受到技術(shù)和裝備的制約，不僅生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品純度較低，且在國際市場上僅作為初級原料出口，沒有任何價格優(yōu)勢和市場競爭力。

花青素在紫色甘薯組織內(nèi)以游離狀態(tài)分散、溶解于組織液中，屬于水溶性物質(zhì)，可通過冷凍方法破壞組織細胞，將溶有色素的組織液釋放出來，并經(jīng)溶解、洗脫、分離來提取色素，而其他大部分非水溶性物質(zhì)則殘留在果肉組織中。目前，用新鮮甘薯進行冷凍處理提取花青素的研究鮮見報道。本試驗在借鑒現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上，采用冷凍提取的方法，即對原料進行冷凍處理后再進行提取和汁液分離，比較其與常規(guī)打漿方法對甘薯花青素的提取效率，以期為高純度花青素的制備提供思路和借鑒，同時達到保證提取率的前提下，能簡化工藝、節(jié)約溶劑和水資源的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器與材料

UV-2450型近紅外分光光度儀、用于離心沉淀和汁液分離的高速離心機、低溫冰箱、烘箱、破碎機；100目的尼龍濾布；pH值為3.0的95%酸化乙醇。徐紫薯3號，由江蘇徐州甘薯研究中心提供。

1.2 甘薯花青素提取與含量測定

1.2.1 提取工藝流程

1.2.1.1 打漿提取法 紫薯→清洗→切塊→打漿→浸提→過濾→稀釋→離心→上清液→測定

↓ ↓

濾渣 沉淀物

1.2.1.2 冷凍提取法 紫薯→清洗→切丁→冷凍→浸提→過濾→稀釋→離心→上清液→測定

↓ ↓

濾渣 沉淀物

1.2.2 標準樣品制作及試驗樣品處理

1.2.2.1 標準對照樣品的制作 準確稱取徐紫薯3號10 g，置于加有500 mL酸化乙醇的破碎機中，充分打漿，移液管吸取10 mL漿液，200 mL酸化乙醇稀釋(相當(dāng)于甘薯總稀釋比為1 ∶1 000)，離心沉淀，上清液即為標準對照樣品。

1.2.2.2 樣品的處理 甘薯樣品采取2種處理。冷凍法：準確稱取徐紫薯3號若干，切成邊長3～10 mm的丁狀，酸化乙醇浸泡5 min，濾出薯丁，置于-18～-22 ℃條件下冷凍18～24 h，過濾，濾液待用。常規(guī)打漿法：準確稱取徐紫薯3號若干，加入適量的酸化乙醇，用破碎機打漿。

1.2.3 花青素的提取

1.2.3.1 不同樣品處理方法 將甘薯分別進行切丁冷凍法、常規(guī)打漿法提取花青素，料液比為1 g ∶6 mL，濾液稀釋至 1 ∶1 000，3 000 r/min離心5 min；取上清液，待測。

1.2.3.2 不同料液比 分別將標準對照樣品、冷凍法及常規(guī)打漿法處理的樣品加入酸化乙醇，使料液比(g ∶mL)分別為1 ∶2、1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8、1 ∶10、1 ∶12、1 ∶14、1 ∶16；60 ℃水浴鍋中緩慢攪拌60 min以加速溶解，冷凍樣品須去除解凍時間；用100目尼龍布過濾，殘渣用離心機3 000 r/min離心 5 min，分別合并2次濾液；折算料液比，用酸化乙醇將濾液調(diào)整至總稀釋比為1 ∶1 000，搖勻；3 000 r/min離心5 min；取上清液，待測。

1.2.4 花青素提取率的測定 采用近紅外分光光度儀測定上清液波長為525 nm處的吸光度。測定前，用95%酸化乙醇調(diào)零。根據(jù)吸收峰值，也有采用相近的波長進行測定[3，5-7]。標準對照樣品的吸光度(D)視作試驗材料中花青素的絕對含量，花青素提取率視作100%。由于吸光度與樣品中花青素濃度或含量呈等比正相關(guān)[9-10]，因此，提取液樣品與標準樣品的吸光度比值可表示相對提取率。

1.3 樣品不同方法處理的濾液得率

分別將冷凍法及常規(guī)打漿法處理的樣品加入酸化乙醇，使料液比(g ∶mL)分別為1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5、1 ∶6、1 ∶7、1 ∶8、1 ∶9，以不添加提取劑為對照；離心機 3 000 r/min 離心5 min，統(tǒng)計濾液得率。

1.4 粗提液雜質(zhì)含量分析

在不加提取溶劑的條件下，分別對冷凍法和常規(guī)打漿法處理的樣品用100目濾布進行汁液分離，3 000 r/min離心 5 min，得粗提取液；分別采用自然沉淀法靜置2 h、3 000 r/min 高速離心法離心5 min、乙醇沉淀法等進行分離，分別得到淀粉、粗顆粒、可溶性膳食纖維等固形物；采用烘干法測定固形物含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品不同處理方法對花青素提取的影響

由圖1可知，甘薯標準樣品的花青素含量相對最高，冷凍法次之，常規(guī)打漿法提取的花青素含量相對最低，與標準對照樣品相比，冷凍法、常規(guī)打漿法對花青素的提取率分別是標準對照樣品的92.04%、78.68%，冷凍法對花青素的提取率相對較高，這一方面是由于物料在-18～-22 ℃冷凍18～24 h，組織內(nèi)形成的大小均勻且數(shù)量多的冰晶足以破壞細胞壁，使組織細胞破壞更加徹底[11]，組織液自由流出，花青素得以充分釋放和溶解出來，另一方面，冷凍在徹底破壞組織細胞的同時，由于組織細胞的物質(zhì)框架結(jié)構(gòu)沒有遭到破壞，物料的宏觀組織形態(tài)保持完整[12]，沒有產(chǎn)生細碎的組織顆粒，汁液易于過濾和分離，濾渣中殘留量較少，分離徹底；采用打漿方法分離花青素，色素的溶出也比較徹底，但由于組織固形物微細化，汁液分離比較困難，分離不徹底，從而導(dǎo)致汁液得率相對減少，影響了對色素的提取。

2.2 不同料液比對花青素提取的影響

由圖2可見，相同料液比條件下，甘薯冷凍法對花青素的提取率高于傳統(tǒng)打漿法；隨著料液中溶劑的增加(料液比減小)，冷凍法與傳統(tǒng)打漿法對甘薯花青素的提取率呈增大趨勢，而相互間差距逐漸縮小，并在料液比為1 g ∶8 mL時出現(xiàn)拐點，逐漸趨于平緩。因此，冷凍法提取甘薯花青素用較少的溶劑便可獲得較高的提取率，而傳統(tǒng)打漿法則需要更多的溶劑才能夠獲得與之相同的提取率，這也導(dǎo)致在提取劑用量上，前者比后者更節(jié)約。另外，提取甘薯花青素比較合理的料液比為1 g ∶8 mL。

2.3 樣品不同料液比、不同方法處理的濾液得率

由表1可知，相同離心、同一料液比條件下，經(jīng)過冷凍法處理的樣品濾液得率高于常規(guī)打漿法；不同樣品處理方法下，料液比越小(溶劑量越大)，樣品濾液得率越高；不添加提取溶劑條件下，甘薯樣品冷凍法、常規(guī)打漿法的濾液得率分別為55.3%、38.3%，兩者相差較大。因此，對冷凍法處理的樣品，在提取前進行高速離心分離，可將大部分溶有色素的汁液分離出來，再用少量提取劑進行二次提取，可獲得較高的花青素得率，同時提取劑用量減少，可大大節(jié)約用水，降低能耗。

表1 樣品不同料液比、不同方法處理的濾液得率

2.4 粗提液雜質(zhì)含量分析

由表2可知，甘薯樣品打漿法處理，其淀粉、粗顆粒、可溶性膳食纖維含量高于冷凍法處理的樣品，分別是冷凍法處理的4.17、3.56、3.71倍，冷凍處理的雜質(zhì)含量相對較少，這可能是由于冷凍處理只是細胞壁被冰晶穿透，使組織液自由釋放，而整個宏觀組織保持完整，除部分游離物質(zhì)外，淀粉、果膠、纖維等物質(zhì)與細胞壁結(jié)合依然比較緊密，從而導(dǎo)致提取液中雜質(zhì)含量較少，利于過濾、分離和進一步純化，而常規(guī)打漿處理主要通過機械的剪切作用，使構(gòu)成組織細胞的各種物質(zhì)被徹底分離和微細化，進而導(dǎo)致提取液的組成多元化、復(fù)雜化。

表2 不同處理方法粗提液中雜質(zhì)含量情況

3 結(jié)論與討論

在提取甘薯花青素過程中，為使花青素充分溶解出來，通常采用鮮薯打漿方法，也有采用紫薯粉末[13]的，但試驗的準確性不如鮮薯樣品[14]。甘薯樣品經(jīng)冷凍處理，實現(xiàn)了組織細胞微觀上的破壞，而宏觀組織結(jié)構(gòu)保持完整，既有利于組織液自由釋放和溶解，又有利于其過濾分離，濾液得率提高。試驗結(jié)果表明，相同的料液比條件下，冷凍法較常規(guī)打漿法可獲得較高的花青素提取率，其經(jīng)濟合理的料液比為1 g ∶8 mL，且冷凍法提取液雜質(zhì)含量相對較少、純度高。

須說明的是，冷凍處理時切丁不宜過細小，適當(dāng)?shù)念w粒度既有利于冷凍，也有利于提取和過濾分離；理論上講，料液比越小，提取率越高[3-5]，但料液比越小，消耗的溶劑越多，濃縮分離的成本也越高、效率越低，實際生產(chǎn)中要兼顧科學(xué)性與合理性。另外，冷凍破壞了組織細胞，增加了組織的通透性[11-12]，更有利于水提取，降低工業(yè)產(chǎn)生成本。為能徹底破壞甘薯組織細胞，適宜采用-18～-22 ℃的緩凍條件而不宜采用速凍或過緩凍結(jié)方式。