仙人掌果色素的提取工藝優化及其穩定性研究

溫春燕 王彩霞 張俊豪 王辰宇 郭大龍 連海婷 曹君

摘 ?要：為充分開發利用仙人掌果色素，本研究在單因素試驗基礎上，通過L9（34）正交試驗優化溶劑浸提法提取海南野生仙人掌果色素，并研究了pH、溫度、光照、金屬離子等對色素穩定性的影響。結果表明，仙人掌果色素的最佳提取工藝條件為pH 7.5的水溶液，料液比1∶20（g/mL），浸提溫度30 ℃，浸提時間10 min，在此條件下，仙人掌果色素得率可達7.75%;仙人掌果色素在pH 4～10，溫度低于30 ℃，避光下較穩定;金屬離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+對色素的穩定性無明顯影響，而Cu2+、Fe2+、Fe3+、Al3+均會降低色素的穩定性，其中Cu2+、Fe3+對色素穩定性的破壞最大;氧化劑H2O2、還原劑Na2SO3、維生素C均降低色素的穩定性。

關鍵詞：仙人掌果色素;溶劑浸提;工藝優化;正交試驗;穩定性

中圖分類號：TS202.3 ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： A solvent extraction technique was developed to extract the pigment from the wild cactus fruit in Hainan and optimized using the L9 （34） orthogonal test. The stability of the pigment to pH， temperature， light， metal ions and so on was also investigated. The optimal extraction conditions using distilled water were 10 min at pH 7.5 and 30 ℃ with a solid/liquid ratio 1∶20 （g/mL）. Under the conditions， the yield of pigment was up to 7.75%. The pigment had good stability under pH 4～10， temperature less than 30 ℃， darkness conditions. The metal ions such as Na+， K+， Ca2+， Mg2+ had no obvious effect on the stability of the pigment. However， metal ions Cu2+， Fe2+， Fe3+， Al3+ could worsen its stability， especially Cu2+ and Fe3+. Oxidizing agent， reducing agent Na2SO3 and Vc reduced the stability of the pigment.

Keywords： cactus fruit pigment; solvent extraction; process optimization; orthogonal design; stability

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.04.023

仙人掌（Opuntia），又名先巴掌、觀音掌、霸王樹、龍舌等，為仙人掌科仙人掌屬多年生常綠肉質灌木狀植物[1-3]。其原產于南美洲，現在我國海南、廣東、廣西、云南、四川及東南亞等熱帶、亞熱帶地區均有分布[4-5]。仙人掌果，又名仙掌子，為仙人掌的果實。其表皮呈紫色、青綠色或金黃色，果漿呈紫紅色，味酸甜。仙人掌果富含糖、氨基酸、有機酸、維生素、礦物質、果膠、黃酮類等營養物質，具有清熱解毒、提高免疫力、抗腫瘤、降低血壓血糖、清除自由基、鎮痛等作用[6-13]。

色素，分為天然色素和合成色素2種。研究表明，大部分合成色素均有不同程度的毒性，危害人體健康[14-15]。與之相比，天然色素無毒無害，營養價值高，且具有一定的生物活性[16-17]。近年來，合成色素由于安全性差，在品種和數量上均受到了嚴格的限制。有文獻報道，在歐美日等發達國家和地區，天然色素已成為主要的食品著色劑。在我國，自80年代以來，列入食品添加劑衛生標準的天然食用色素品種從幾種增加到幾十種，相反，批準使用的合成色素已經減為9種[18]。但目前國內外天然色素的種類和數量還比較少，遠遠滿足不了食品、化妝品及藥品等行業的發展需求。因此，研究開發新的天然色素具有一定的實際意義。

仙人掌果富含色素。據文獻報道，仙人掌果色素為甜菜苷類化合物[7]。仙人掌果色素色澤鮮艷，水溶性好，無毒無害，是一種優質的天然色素[7]。但目前國內對仙人掌果的研究多集中于多糖上，對色素的研究相對較少。目前，色素的提取方法主要有溶劑浸提法，酶提取法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法、超臨界CO2提取法等[19-20]。溶劑浸提法是最簡單、最常用的方法，工藝簡單易行，且提取成本低，但其存在一定的溶劑殘留問題;酶提取法不僅可以有效快速地得到目標色素，還能有效去除淀粉、蛋白質、果膠等一系列雜質，但由于酶的活性條件較苛刻，難以運用到實際的生產中;微波輔助提取法具有提取時間短，選擇性好，回收率高，試劑用量少，污染低等優點，但因其輻射大，具有明顯的熱效應，只適用于受溫度影響比較小的物料;超聲波輔助提取法具有簡便快捷，高速高效，無需加熱等優點，但超聲波發生器噪音大，造成嚴重的噪音污染，對提取容器壁的厚度要求繁瑣，難以進行工業化應用。在天然色素的開發利用過程中，除了提取方法外，色素穩定性的考察亦尤為重要。色素產品需具有良好的穩定性才能滿足加工環節中各種條件的變化。

海南島屬熱帶海洋性氣候，陽光充足，自然生長著大量的仙人掌果，但目前當地多以直接食用為主，較少對其進行深加工。為了合理開發利用這一寶貴的綠色資源，本研究以海南三亞野生仙人掌果為原料，運用溶劑浸提法提取仙人掌果色素，并通過L9（34）正交表排列優化提取工藝參數。同時，研究了pH、溫度、光照等因素對仙人掌果色素穩定性的影響，以期為仙人掌果色素的開發利用提供一定的理論基礎。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

1.1.1 ?材料與試劑 ?新鮮成熟的野生綠皮紅心仙人掌果購于三亞市。無水乙醇、30%過氧化氫、無水亞硫酸鈉、六水合硫酸鎂，西隴科學股份有限公司;氫氧化鈉、鹽酸、氯化鉀、氯化鈣、氯化鈉、五水合硫酸銅、七水合硫酸亞鐵，廣州化學試劑公司;三氯化鐵，上海阿拉丁生化科技股份有限公司;L（+）-抗壞血酸，廣州市金華大化學試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

1.1.2 ?儀器與設備 ?ME104型精密天平，梅特勒托利多儀器（上海）有限公司;TDL-5-A低速臺式大容量離心機，上海安亭科學儀器廠;XW-80A旋渦混合儀，海門市其林貝爾儀器制造有限公司;HH-4數顯恒溫水浴鍋，常州澳華儀器有限公司;SHA-B雙功能水浴恒溫振蕩器，江蘇金壇億通電子有限公司;FST-DZ-TA30普利菲爾超純水制備機，上海富詩特儀器設備有限公司;PHS-3C型pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司;Zirbus vaco2冷凍干燥機，北京涵美生物科技發展有限公司;752N分光光度計，上海佑科儀器儀表有限公司。

1.2 ?方法

1.2.1 ?仙人掌果色素的提取工藝流程 ?新鮮仙人掌果→洗凈晾干→分離果皮、果籽和果肉，得到果漿→溶劑浸提法提取→離心→定容→色素粗提液。

1.2.2 ?仙人掌果色素提取的單因素試驗 ?以仙人掌果為原料，一定pH的乙醇水溶液為提取試劑進行提取工藝優化。準確稱取一定量的仙人掌果漿，按照一定的料液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50 g/mL），在一定的溫度（30、35、40、45、50 ℃）下，浸提一定的時間（20、40、60、80、100 min），離心后取上清液，用相應提取試劑定容至25 mL，測其在530 nm的吸光值。

1.2.3 ?仙人掌果色素提取的正交試驗 ?以吸光值為考察指標，分別研究提取試劑pH、乙醇體積分數、溫度、時間對提取效果的影響。在單因素試驗的基礎上，采用4因素3水平，按L9（34）正交表排列優化乙醇浸提工藝參數，因素水平設計見表1，每組試驗重復3次。

1.2.4 ?仙人掌果色素得率 ?將按正交最優方案提取得到的仙人掌果色素溶液冷凍干燥至恒重，按下式計算得率：

仙人掌果色素得率 %

式中：m1為仙人掌果恒重的色素的質量（g）;m2為仙人掌果漿的質量（g）。

1.2.5 ?仙人掌果色素穩定性的研究 ?pH：準確移取5 mL仙人掌果色素溶液，分別加入5 mL pH為2、4、6、7.5、8、10的水溶液，并分別測定1 h后其在530 nm處的吸光值。

金屬離子、氧化還原劑：準確移取5 mL仙人掌果色素溶液，分別加入5 mL 金屬離子（0.01 mol/L的K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+、Fe2+、Fe3+、Cu2+）溶液，氧化還原劑（1%、1.5%、2%、2.5%、3%的H2O2、Na2SO3、維生素C）溶液，并分別測定0、6 h其在530 nm處的吸光值。

溫度、光照：準確移取8 mL仙人掌果色素溶液，分別在4 ℃、室溫和30、45、60、75、90 ℃恒溫水浴鍋，分別于室內自然光和避光、室外太陽光和避光下放置5 h，每隔1 h在530 nm處測定其吸光值。

1.3 ?數據處理

實驗至少設3個平行，數據以均值±標準偏差（mean±SD）的形式表達。采用SPSS17.0對數據進行單因素方差分析，用One-way ANOVA方法比較數據間的差異顯著性。采用Origin 2017軟件繪圖。

2 ?結果與分析

2.1 ?單因素試驗結果

2.1.1 ?乙醇體積分數的選擇 ?如圖1所示，在料液比1∶20（g/mL），pH 5，40 ℃恒溫水浴振蕩提取40 min的條件下，隨著乙醇體積分數的增加，仙人掌果色素溶液的吸光值呈下降趨勢。這可能是由于仙人掌果色素屬于水溶性色素，更易溶解在含水量多的試劑中。因此，選擇10%乙醇溶液為提取試劑。

2.1.2 ?料液比的選擇 ?如圖2所示，以pH 5的10%乙醇溶液為提取試劑，在40 ℃恒溫水浴振蕩提取40 min的條件下，隨著料液比的增大，仙人掌果色素溶液的吸光值無顯著變化。可能是由于當料液比為1∶10（g/mL）時，便已經將果漿中的色素充分提取出來了。因此，為了便于操作，料液比選擇1∶20（g/mL）。

2.1.3 ?提取溫度的選擇 ?由圖3可知，在料液比1∶20（g/mL），pH 5的10%乙醇溶液為提取試劑，恒溫水浴振蕩提取40 min的條件下，隨著溫度的升高，仙人掌果色素溶液的吸光值不斷減小，可能是由于溫度升高而使色素分解的緣故。當溫度為30、35 ℃時，其吸光值無顯著差別。鑒于海南天氣炎熱，為了便于控制，提取溫度選擇35 ℃。

2.1.4 ?提取試劑pH的選擇 ?由圖4可知，在料液比1∶20（g/mL），10%乙醇溶液為提取試劑，35 ℃恒溫水浴振蕩提取40 min的條件下，隨著pH的增大，仙人掌果色素溶液的吸光值呈先上升后下降趨勢，在pH 7時達到最大值。因此，選擇提取試劑pH值為7。

2.1.5 ?提取時間的選擇 ?由圖5可知，在料液比1∶20（g/mL），pH 7的10%乙醇溶液為提取試劑，35 ℃恒溫水浴振蕩提取的條件下，隨著振蕩時間的延長，仙人掌果色素溶液的吸光值呈先下降后趨于平緩的趨勢，在20 min處有最大吸光值。可能是由于隨著提取時間的延長，空氣的氧化作用使色素成分分解而產生褪色現象，40 min后，易氧化的部分已分解完，故吸光值幾乎不變。因此，提取時間選擇20 min。

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