微波輔助提取火龍果果皮紅色素及其穩定性的研究

張兆英，韓婧，宋麗麗，張亞楠，王君

(滄州師范學院 生命科學學院，河北 滄州 061001)

目前，市場上作為食品添加劑應用的色素大部分為人工合成類的色素，其對人體十分有害，使用過量會有致癌風險。天然色素含有豐富的營養物質及對人體有益的功能性活性成分，具有消炎、抗氧化等作用[1]。天然色素著色均勻，色澤鮮艷，亮度好，常作為安全的著色劑被用于食品、藥品、化妝品等行業[2,3]。在食品方面改善食物、飲料鮮亮的顏色，清除加工食品中的亞硝酸鹽，增加食品的安全性[4]。新鮮的甜菜苷色素可以作為調味品添加入湯、醬汁、甜點、果醬、果凍、糖果、冰淇淋等食品中，是一種很受生產者和消費者喜愛的天然色素[5]。

火龍果(HylocereusundulatusBritt)，也有人稱之為紅龍果，最初生產于巴西和墨西哥等中美洲的熱帶戈壁地區，目前在我國的南方和很多沿海地區均有種植。火龍果的整體外形呈現橄欖狀，外皮是粉紅色，果肉的顏色大致有3種，即：白、黃和紅。我們在市場上見得最多的是粉紅皮、白果肉的紅龍果。火龍果含有豐富的維生素、水溶性的膳食纖維和人體所需的無機鹽，具有解毒、明目、降血壓等功效，目前已成為一種新奇、優良的綠色保健食品[6，7]。

火龍果外皮含有豐富的甜菜苷類色素，使得紅龍果外皮成為紅色素提取的最理想試驗原料[8]。我國是人口大國，火龍果的消費量較大，火龍果的食用、加工方式很多，比如制作果干、果脯等，無論是人們的日常食用還是企業對火龍果進行食品加工，往往都是取其肉而棄其皮，不僅造成了環境的污染，同時也浪費了資源[9]。

火龍果果皮紅色素的提取方法較多，大部分學者較多采用溶劑浸提法。此外，超聲波輔助萃取技術、超臨界萃取技術等輔助提取技術開始備受關注[10,11]。微波輔助提取是使用合適的溶劑在微波場中從天然植物、動物組織、礦物等中提取分離各化學成分的技術方法[12]。本研究旨在前人研究的基礎之上將微波技術作為輔助工具進一步探討火龍果果皮色素的最佳提取條件，以及色素在不同條件下的穩定性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

火龍果：購于滄州市市場。

將購買的火龍果去除可使用部分取皮，然后將皮清洗干凈，用刀切割成條狀放到鼓風干燥箱中在70 ℃的條件下烘制24 h(2次稱量數之間沒有差值，即為烘干徹底)。將烘干好的干果皮放到九陽料理機中打碎，然后將粉末過40目的篩，最后將粉末保存備用[13]。

1.2 試驗方法

1.2.1 單因素試驗

火龍果果皮色素提取選擇料液比、微波功率、提取時間、乙醇濃度4個影響因素，每個影響因素分別設置5個水平(見表1)[14]。

表1 單因素試驗表Table 1 Single factor test table

1.2.1.1 料液比

分別稱取0.5 g紅龍果外皮粉末于100 mL三角瓶中，加入濃度為30%的乙醇溶液，料液比為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50，在微波功率為300 W的條件下提取90 s，冷卻后以6000 r/min離心5 min，上清液在538 nm波長下測定吸光度值。

1.2.1.2 微波功率

分別稱取0.5 g紅龍果外皮粉末于100 mL三角瓶中，加入濃度為30%的乙醇溶液，按料液比為1∶30，分別在微波功率為100，200，300，400，500 W的條件下提取90 s，冷卻后以6000 r/min離心5 min，上清液在538 nm波長下測定吸光度值。

1.2.1.3 提取時間

分別稱取0.5 g紅龍果外皮粉末于100 mL三角瓶中，加入濃度為30%的乙醇溶液，按料液比為1∶30，微波功率為300 W，提取時間分別為70，80，90，100，110 s，冷卻后以6000 r/min離心5 min，上清液在538 nm波長下測定吸光度值。

1.2.1.4 乙醇濃度

分別稱取0.5 g紅龍果外皮粉末于100 mL三角瓶中，分別加入濃度為10%、20%、30%、40%、50%的乙醇溶液，料液比為1∶30，在微波功率為300 W的條件下提取90 s，冷卻后以6000 r/min離心5 min，上清液在538 nm波長下測定吸光度值。

1.2.2 正交試驗

在單因素的基礎上，設計正交試驗。選擇L9(34) 正交表，選出火龍果果皮紅色素的最佳提取條件，見表2和表3。

表2 正交試驗因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal test

表3 正交試驗設計表Table 3 Orthogonal test design table

1.2.3 色素穩定性的測定

1.2.3.1 溫度對色素穩定性的影響

準確量取紅龍果果皮紅色素提取液4 mL，定容于100 mL的容量瓶中。分別量取10 mL色素溶液于6支干凈試管中，標號為1，2，3，4，5，6。將6支試管分別在室溫、40，50，60，70，80 ℃的恒溫水浴鍋中放置1 h。取出，冷卻后，在538 nm波長下測其吸光度值。

1.2.3.2 光照對色素穩定性的影響

準確量取紅龍果果皮紅色素提取液4 mL，定容于100 mL的容量瓶中。分別量取10 mL色素溶液于8支干凈試管中，將8支試管分別在黑暗、820，1230，2030，2820，3700，4180，4950 lux的光照培養箱中放置1 h。取出后，在538 nm波長下測其吸光度值。

1.2.3.3 甜味劑對色素穩定性的影響

準確量取紅龍果果皮紅色素提取液4 mL，定容于100 mL的容量瓶中。分別量取10 mL色素溶液于6支干凈的三角瓶中，每個三角瓶分別加入濃度為2%、4%、6%、8%、10%、12%的葡萄糖溶液和蔗糖溶液5 mL，常溫下避光放置24 h后，在538 nm波長下測其吸光度值。

1.2.3.4 食用酸對色素穩定性的影響

準確量取紅龍果果皮紅色素提取液4 mL，定容于100 mL的容量瓶中。分別量取10 mL色素溶液于6支干凈的三角瓶中，每個三角瓶分別加入濃度為0.01%、0.05%、0.1%、0.5%、1%、5%的檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸溶液5 mL，常溫下避光放置24 h后，在538 nm波長下測其吸光度值。

1.2.3.5 金屬離子對色素穩定性的影響

準確稱取Al(NO3)3、CuSO4、KCl、FeCl3、BaCl2、ZnSO4、MgCl2固體，配制成濃度為0.01 mol/L的溶液，保存備用。取4 mL的紅龍果外皮紅色素提取液，將其定溶到100 mL的容量瓶中，備用。分別取定容后的色素提取液10 mL于8支干凈的三角瓶中，分別加入5 mL的蒸餾水、 Al(NO3)3、CuSO4、KCl、FeCl3、BaCl2、ZnSO4、MgCl2溶液。常溫下避光放置24 h后，在538 nm的條件下測定其吸光度值。

2 結果與分析

2.1 色素濃度與吸光度之間的關系曲線

為測定色素的含量與其吸光度值之間的聯系進行如下試驗：各取色素提取液1，2，3，4，5，6 mL并且將它們在50 mL的容量瓶中定溶，在黑暗條件下保存備用。各取5 mL，分別進行吸光度測定，繪制色素濃度和吸光度關系圖，見圖1。

圖1 色素濃度與吸光度之間的關系Fig.1 Relationship between pigment concentration and absorbance

根據作圖和計算得出曲線方程為y=0.0475x+0.0252，R2=0.9994。因此可以得出如下結論：色素的含量與其在538 nm條件下的吸光度值呈線性關系。因此，在后續的試驗中通過測定色素的吸光度值的大小，可以間接地反映色素的濃度大小，從而選取出提取條件的最優組合以及保存的最佳條件。

2.2 單因素試驗

2.2.1 不同料液比對色素提取的影響

料液比的大小對火龍果果皮紅色素的提取有一定的影響。

圖2 不同料液比對色素提取的影響Fig.2 Effect of different ratios of material to liquid on pigment extraction

由圖2可知，當料液比小于1∶40時，色素提取液的吸光度逐漸增加；當料液比為1∶50時，吸光度降低。火龍果果皮紅色素提取的最佳料液比為1∶40。

2.2.2 不同微波功率對色素提取的影響

圖3 不同微波功率對色素提取的影響Fig.3 Effect of different microwave power on pigment extraction

由圖3可知，所提取出的紅色素含量會隨著微波功率的改變而改變。當微波的功率小于400 W時，隨著微波功率的增大，吸光度也增大；當微波功率達到500 W時，色素的吸光度降低。

2.2.3 不同提取時間對色素提取的影響

由圖4可知，所提取出的紅色素含量會隨著微波提取時間的改變而改變。當微波提取時間小于80 s時，隨著提取時間的延長，吸光度也增大，表明色素的提取效率也在上升；當微波提取時間大于80 s時，隨著提取時間的延長，吸光度減小，表明色素的提取效率也在減小。因此，火龍果果皮紅色素提取的最佳時間確定為80 s。

圖4 不同提取時間對色素提取的影響Fig.4 Effect of different extraction time on pigment extraction

2.2.4 不同乙醇濃度對色素提取的影響

不同乙醇濃度對火龍果果皮紅色素的提取也產生不同的影響。

圖5 不同乙醇濃度對色素提取的影響

由圖5可知，當乙醇濃度為10%，吸光度較低；乙醇濃度為20%時，吸光度最大；當乙醇濃度大于20%時，隨著濃度的增大吸光度逐漸減小。所以，選擇20%的乙醇濃度為火龍果果皮紅色素提取的最佳濃度。

2.3 正交試驗

根據單因素試驗結果，設計L9(34)正交試驗，正交試驗結果見表4。

表4 正交試驗結果Table 4 The results of orthogonal test

續 表

正交試驗結果表明：微波功率、乙醇濃度、料液比、提取時間4個因素對火龍果果皮紅色素的提取都有影響。火龍果果皮紅色素的最佳提取條件為：微波功率400 W，料液比1∶30，乙醇濃度30%，提取時間80 s，即A3B1C3D2。影響色素提取的主次因素為：A>B>C>D，即：微波功率>料液比>乙醇濃度>提取時間。

2.4 色素穩定性的研究

2.4.1 溫度對色素穩定性的影響

天然色素食用安全，但穩定性較差，對光、溫度、酸堿、金屬離子等比較敏感[15]。

圖6 溫度對色素穩定性的影響Fig.6 Effect of temperature on the stability of pigment

由圖6可知，火龍果果皮紅色素的吸光度隨著溫度的上升而下降，穩定性降低。當溫度低于60 ℃時，吸光度隨著溫度的變化趨勢較小，表明色素利于在該條件下保存；當溫度為60 ℃時，吸光度隨著溫度的升高下降較為迅速，表明該條件下不利于色素的保藏；由此可知，高溫可以破壞色素的穩定性。

2.4.2 光照對色素穩定性的影響

圖7 光照對色素穩定性的影響Fig.7 Effect of light on the stability of pigment

由圖7可知，以黑暗條件下保存的色素為對照，隨著光照強度的增加，火龍果果皮紅色素的穩定性下降，表明色素對光照敏感。

2.4.3 甜味劑對色素穩定性的影響

葡萄糖和蔗糖是食品中經常添加的甜味劑，甜味劑對色素穩定性也有一定的影響作用。

圖8 甜味劑對色素穩定性的影響Fig.8 Effect of sweetener on the stability of pigment

由圖8可知，隨著葡萄糖和蔗糖濃度的增加，火龍果果皮紅色素的吸光度逐漸下降，濃度較高時，蔗糖對色素的影響表現更明顯。

2.4.4 食用酸對色素穩定性的影響

圖9 食用酸對色素穩定性的影響Fig.9 Effect of edible acid on the stability of pigment

由圖9可知，檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸對火龍果果皮紅色素穩定性都有一定的影響。隨著濃度的增加，色素吸光度逐漸下降。

2.4.5 金屬離子對色素穩定性的影響

以加入蒸餾水的一組作為參照， K+和Mg2+2種離子對火龍果果皮紅素的影響較小；Ba2+、Al3+和Zn2+3種離子的作用下，色素吸光度稍有下降，下降幅度不明顯； Cu2+和Fe3+對色素吸光度的影響最為明顯，相比對照，色素吸光度分別下降了78.26%和85.51%，見圖10。

圖10 金屬離子對色素穩定性的影響Fig.10 Effect of metal ions on the stability of pigment

3 結論

本試驗對火龍果果皮紅色素采用微波輔助提取法進行提取。在單因素的基礎上進行正交試驗設計，確定適合火龍果皮紅色素提取的微波提取法的最優提取工藝為：微波功率400 W，料液比1∶30，乙醇濃度30%，提取時間80 s。并對提取的色素進行了穩定性研究，研究結果表明：高溫、強光對火龍果果皮紅色素的穩定性影響較大，保存時適宜低溫、遮光保存。不同的甜味劑對色素穩定性也有不同程度的影響，且濃度越高，色素穩定性越低。金屬離子中Cu2+和Fe3+對火龍果果皮紅色素穩定性的影響最為強烈。所以，在色素保存及含有食用色素的食品保存時要注意器皿的選擇。