響應面法優化洋蔥色素提取工藝及其穩定性

鄭青波，廖月姣，楊解解，王福彬，劉傳麗，劉俊林

(西北民族大學 生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730110)

洋蔥(AlliumcepaL.)為單子葉植物綱、百合目、百合科，含有豐富的甾體皂苷、多糖、維生素等活性物質[1]，是一種典型的具有藥用價值和食用價值的兩用植物[2]，在我國甘肅、福建等地均有廣泛種植[3]。洋蔥作為廉價的家常便菜，其肉質鮮美，芳香撲鼻，又有抗炎抑菌、抗衰老、降血糖、促消化之功效[4-5]，因此，洋蔥成為深受消費者青睞的健康蔬菜，被外國消費者稱為“菜中皇后”[6]。隨著消費者健康意識的增強，天然無公害綠色產品的市場份額不斷擴大，深入開發利用洋蔥加工制品潛力巨大[7]。目前，我國對洋蔥的深加工水平相對較低，缺少高附加值產品，開發利用具有高附加值的洋蔥產品是未來洋蔥產業發展的重要趨勢[8]。

天然色素包含了動植物色素以及微生物代謝所產色素，與人工合成色素相比，天然色素具有安全無毒、營養價值高、色澤鮮艷等優點[9]，并且許多有藥用價值的植物所含的色素有一定的生物活性，對一些疾病具有一定的預防及治療作用[10]，開發應用天然色素已成為近年來各行各業普遍關注的熱點[11]。本研究以洋蔥為原料，提取液中色素吸光度為指標，利用單因素試驗和響應面分析法對洋蔥色素提取工藝進行優化，并探究了金屬離子、糖類、食鹽和檸檬酸對洋蔥色素穩定性的影響[12]，為更好地開發利用洋蔥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

洋蔥，榆中縣市售；無水乙醇、丙酮、甲醇、葡萄糖、果糖、蔗糖、檸檬酸、食鹽、氯化鉀、氯化鎂等試劑均為分析純。

UV-1800紫外可見分光光度計，日本島津公司；DK-S26型電熱恒溫水浴鍋，上海精宏實驗設備有限公司；超聲波清洗機，上海聲彥超聲波儀器有限公司；組織搗碎機，江蘇金壇市環宇科學儀器廠；TG16-WS臺式高速離心機，湘儀離心機。

1.2 處理設計

1.2.1 洋蔥粉末制備

用組織搗碎機將烘干的洋蔥粉碎，用60目標準篩(孔徑0.25 mm)篩取洋蔥粉末備用。鑒于天然色素提取溶液中含有大量非色素成分[13]，在波長402 nm處洋蔥色素有最佳吸收波長[7]，本試驗選取402 nm波長檢測洋蔥色素提取液的吸光度。

1.2.2 單因素試驗

乙醇濃度對洋蔥色素提取的影響。準確稱取洋蔥粉末0.1 g，加入10 mL不同體積分數(15%、35%、55%、75%、95%、100%)的乙醇，超聲提取30 min，然后8 000 r·min-1離心5 min，檢測上清液吸光度。

超聲時間對洋蔥色素提取的影響。準確稱取洋蔥粉末0.1 g，加入10 mL體積分數為75%的乙醇，超聲提取不同時間(5、15、25、30、35、40 min)，8 000 r·min-1離心5 min，檢測上清液吸光度。

液料比對洋蔥色素提取的影響。準確稱取洋蔥粉末0.1 g，分別加入1、5、10、15、20、250 mL體積分數為75%的乙醇(液料比為10∶1、50∶1、100∶1、150∶1、200∶1、250∶1)進行色素提取，然后超聲提取30 min，8 000 r·min-1離心5 min，檢測上清液吸光度。

1.2.3 響應面法試驗

根據單因素試驗結果，采用Design expert應用軟件和Box-Behnken原理[14-15]，選取乙醇濃度(A)、超聲時間(B)、液料比(C)3個因素進行優化組合，共設15個處理(表1)。每個因素各有3個水平：A-1為體積分數35%乙醇，A0為體積分數55%乙醇，A1為體積分數75%乙醇；B-1為超聲25 min，B0為超聲30 min，B1為超聲35 min；C-1為液料比100∶1，C0為液料比150∶1，C1為液料比200∶1。

1.2.4 洋蔥色素穩定性試驗

將0.1 g洋蔥粉末放入20 mL的體積分數75%的乙醇中，超聲提取30 min，8 000 r·min-1離心5 min，獲得洋蔥色素提取液，即刻檢測提取液在402 nm處的吸光度，并用于色素穩定性試驗。

金屬離子對洋蔥色素穩定性的影響。向洋蔥色素提取液中分別加入金屬離子Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Al3+，將洋蔥色素提取液配成0.06 g·mL-1的溶液，避光放置2、4 h，檢測溶液吸光度。

食鹽對洋蔥色素穩定性的影響。以食鹽為溶質，色素提取液為溶劑，準確配置0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 g·mL-1的洋蔥色素溶液，避光放置2、4 h，然后檢測溶液吸光度。

糖類對洋蔥色素穩定性的影響。向洋蔥色素提取液中分別加入乳糖、可溶性淀粉、蔗糖、果糖、葡萄糖，將洋蔥色素提取液配置為0.06 g·mL-1的含糖溶液，避光放置2、4 h，檢測溶液吸光度。

檸檬酸對洋蔥色素穩定性的影響。以色素提取液為溶劑，檸檬酸作為溶質，準確配置0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 g·mL-1的洋蔥色素溶液。避光放置2、4 h，檢測溶液吸光度。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 乙醇濃度對洋蔥色素提取效果的影響

由圖1可知，乙醇體積分數為15%～55%時，洋蔥色素提取效果隨乙醇體積分數的增加而增加；乙醇體積分數為55%～100%時，隨乙醇體積分數的增加，色素提取效果有所降低。因此，乙醇體積分數過高不利于洋蔥色素提取，在55%時，色素提取效果最佳。

2.1.2 超聲時間對洋蔥色素提取效果的影響

超聲提取5、15、25、30、35、40 min，色素提取效果先上升再下降，提取30 min，提取液的吸光度最大，提取時間超過30 min，提取效果逐漸下降(圖1)。由于超聲會破壞色素的活性導致色素提取效果下降[16]，因此，選取30 min為洋蔥色素的最佳超聲提取時間。

圖1 乙醇濃度、超聲時間、液料比對洋蔥色素提取效果的影響

2.1.3 液料比對洋蔥色素提取效果的影響

由圖1可知，洋蔥色素的吸光度隨液料比的升高先降低再緩慢上升而后降低，液料比為150∶1時提取液的吸光度最大。因此，150∶1為洋蔥色素提取最佳液料比。

2.2 響應面試驗

在單因素試驗結果中選取A、B、C進行3水平3因素正交試驗，從而獲得洋蔥色素在各種條件下的吸光度。結果如表1所示，組合10(A0B1C-1)的吸光度最大，為2.859，說明乙醇體積分數為55%，超聲時間為35 min，液料比100∶1時，提取的洋蔥色素含量最高。

表1 各因素對洋蔥色素提取效果的影響

利用Design Expert軟件進行試驗優化，得到洋蔥色素最佳提取條件為乙醇體積分數38%，超聲時間34.92 min，液料比100.06∶1，洋蔥色素吸光度的預測值為2.864 95。由于實際操作條件的限制，將提取條件設定為乙醇體積分數38%，超聲時間35 min，液料比100∶1，通過3次重復試驗得到吸光度為2.875，其值較為接近，說明通過響應面分析法優化洋蔥色素提取工藝比較可靠。

2.3 洋蔥色素的穩定性

2.3.1 金屬離子對洋蔥色素穩定性的影響

由圖2可以看出，洋蔥色素提取液在402 nm處的吸光度為1.737，Na+、Al3+對洋蔥色素具有明顯的增色作用，其中，Al3+對洋蔥色素的增色效果最好，并且放置時間越長，增色效果越顯著。放置2 h，K+對洋蔥色素有增色效果，放置4 h，K+對洋蔥色素反而有不良影響。加入Mg2+、Ca2+洋蔥色素提取液吸光度降低，故在生產洋蔥色素時應避免添加Mg2+、Ca2+。

圖2 金屬離子對色素穩定性的影響

2.3.2 食鹽對洋蔥色素穩定性的影響

由圖3可知，添加食鹽后，洋蔥色素的吸光度有所提升，食鹽體積質量為0.2、0.4、1.0 g·mL-1時，對洋蔥色素有明顯的增色效應，并且隨時間的延長，食鹽對洋蔥的增色效應也增強。故生產中可在洋蔥色素中加入適量食鹽，以起到增色作用。

圖3 食鹽對洋蔥色素穩定性的影響

2.3.3 糖類對洋蔥色素穩定性的影響

如圖4所示，在前2 h內，葡萄糖對洋蔥色素增色效果較好，而可溶性淀粉、蔗糖與果糖對洋蔥色素沒有增色效果，說明色素對可溶性淀粉、蔗糖和果糖較為敏感。靜置4 h后，蔗糖對洋蔥色素的增色效果明顯提高，而乳糖、可溶性淀粉、果糖的增色效果變化不大。

圖4 不同糖類對洋蔥色素穩定性的影響

2.3.4 檸檬酸對洋蔥色素穩定性的影響

由圖5可知，添加檸檬酸2 h后，洋蔥色素的吸光度降低，4 h后，不同濃度的檸檬酸對洋蔥色素有一定的增色效果，且檸檬酸濃度越高，增色作用越強。故當檸檬酸與洋蔥色素結合使用時應該存放一段時間以達到較好的增色效果。

圖5 不同濃度檸檬酸對洋蔥色素穩定性的影響

3 小結

天然色素的提取工藝受諸多因素影響，傳統色素提取方法存在原料消耗高、色澤差、不穩定等缺點。本研究通過單因素試驗及響應面分析法對洋蔥色素提取時間、乙醇濃度、超聲時間進行探究，并確定了優化后的提取工藝：乙醇濃度為38%，超聲時間為35 min，液料比為100∶1。在此條件下，提取的色素吸光度為2.875，相對誤差小于0.01，說明該模型的工藝優化具有較高的可靠性，可為更好地開發利用洋蔥提供理論依據。另外，檸檬酸、葡萄糖、食鹽及金屬離子Al3+對色素存在一定的增色作用，而金屬離子Mg2+、Ca2+對洋蔥色素的穩定性有不良影響。考慮到時間、成本及安全問題，可在色素中添加食鹽以增強其穩定性，若不用于食品生產可選用Al3+作為添加劑，更為節約成本。綜合考慮，本研究所提取的洋蔥色素穩定性較高，大部分有機溶液、金屬離子對其影響小，生產應用中可根據實際情況，在不破壞色素穩定性和保證最大經濟效益的前提下調整其提取工藝。