枸杞紅色素的提取工藝

任旭桐，崔振華*，邱佳，徐桂花，劉敦華，楊子輝，劉鳳偉

(1.寧夏紅枸杞產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750000；2.寧夏紅愛枸杞產(chǎn)業(yè)科技有限公司，寧夏 銀川 750000；3.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750000；4.長安大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710064；5.湖南人文科技學(xué)院 信息學(xué)院，湖南 婁底 417000)

枸杞(Lyciumbarbarum)為茄亞目茄科枸杞屬灌木植物成熟果實[1]，始見于《詩經(jīng)》。《鄭風(fēng)·將仲子》里云：“將仲子兮，無逾我里，無折我樹杞”，明代藥物學(xué)家李時珍曾記載：“枸杞，二樹名。此物棘如枸之刺，莖如杞之條，故兼名之”。枸杞喜光照，耐鹽堿，主要產(chǎn)區(qū)為我國的西北五省(陜西、甘肅、寧夏、青海、內(nèi)蒙古)，以及河北、天津等地[2]，其中寧夏枸杞享譽盛名，并作為唯一品種收錄于《中國藥典》(2010版)，其果實、葉、花、根等都可作為藥材使用。枸杞子之所以呈現(xiàn)紅色是因為果實中含有較多的花色苷成分[2]。花色苷是花色素與糖以糖苷鍵結(jié)合而成的一類化合物[3]，水溶性較好，屬于黃酮類色素，一般存在于植物的根、莖、葉、花、果實等器官的細(xì)胞液中[4]，它不僅可以使植物呈現(xiàn)紅色、紫紅色等不同的顏色，還具有很多生理活性功能，是一種非常理想、亟待開發(fā)的植物紅色素儲備資源。

食用色素按照來源一般分成2大類，即天然色素和人工合成色素[5]。19世紀(jì)中葉前，食品工業(yè)發(fā)展較為落后，普遍使用天然色素著色，例如紅曲色素制酒。1856年，首個合成有機(jī)色素誕生，因優(yōu)點較多逐漸成為主要的食用色素。直至20世紀(jì)90年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)人工合成色素存在明顯的致癌性和一系列毒副作用，繼而將研究方向逐步向天然色素靠攏[6-8]，與合成色素穩(wěn)定的優(yōu)勢相比，雖然天然色素受到加工的時長、溫度、周期、食品酸度等不利因素影響，但由于其無毒、安全、色澤自然的先決條件，并且具備一定的營養(yǎng)效果和藥理作用，更符合人們的心理需求，隨著科技的進(jìn)步，其穩(wěn)定性逐步得到提升，產(chǎn)品應(yīng)用也愈發(fā)便捷安全[9-11]。枸杞果實中所含的豐富紅色素，是亟待開發(fā)的優(yōu)質(zhì)天然色素資源[12]。開發(fā)性質(zhì)穩(wěn)定、純度高、品質(zhì)佳，以及具備相應(yīng)附加值等多元化的枸杞紅色素產(chǎn)品，符合未來健康食品發(fā)展的趨勢。本研究采用溶劑浸提法和超聲輔助法研究了枸杞紅色素的提取效果，并設(shè)計單因素試驗和正交試驗優(yōu)化枸杞紅色素提取的工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮枸杞果實由寧夏紅枸杞產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司提供，乙酸乙酯(分析純)、正己烷(分析純)購自無錫市亞盛化工有限公司；丙酮(分析純)、乙醇(分析純)購自上海化學(xué)試劑有限公司；純凈水(分析純)購自南京娃哈哈飲料有限公司。

UV-2000型紫外可見分光光度計購自日本Shimadzu公司，AR224CN系列電子天平(0.000 1 g)購自上海奧豪斯儀器有限公司，JP-010恒溫超聲波提取儀購自深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司，DEF-6050真空干燥箱購自上海博訊實業(yè)有限公司，101-AB電熱鼓風(fēng)干燥箱購自天津市泰斯特儀器有限公司，TGL-16G離心機(jī)購自上海安亭科學(xué)儀器廠，800粉碎機(jī)購自永康紅太陽機(jī)電有限公司，SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵購自鄭州長城科工貿(mào)有限公司，KH-100B超聲波清洗器購自昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司。

1.2 處理設(shè)計

1.2.1 原料預(yù)處理

將新鮮枸杞果實清洗后置于烘箱，在一定溫度(60～65 ℃)下烘干至質(zhì)量恒定。去葉柄，粉碎后過篩，然后將(40、60、100目)不同粉碎度(孔徑0.42、0.25、0.149 mm)的枸杞末分裝于自封袋中，于5 ℃冷藏備用。

1.2.2 單因素試驗

枸杞紅色素的主要成分是黃酮類色素花色苷，查找文獻(xiàn)得知花色苷在0.01%鹽酸-甲醇溶液中的最大吸收波長Amax-vis在可見光區(qū)的500～540 nm處[13]。試驗室分離純化得到的枸杞紅色素，經(jīng)紫外分光光度法鑒定，在520 nm處出現(xiàn)最大吸收波長。

提取溶劑的選擇：準(zhǔn)確稱取5份1.0 g樣品置于具塞試管，分別倒入乙酸乙酯、正己烷、丙酮、乙醇和純凈水各10 mL，振蕩溶解。然后置于50 ℃恒溫水箱內(nèi)提取2 h。過濾并離心，取1 mL上清液于10 mL容量瓶中，定容，在520 nm處測其吸光度。

提取方法的選擇：準(zhǔn)確稱取2份1.0 g樣品置于具塞試管內(nèi)，分別倒入10 mL純凈水。1支試管置于50 ℃恒溫提取2 h，另1支超聲常溫提取30 min。過濾并離心，取1 mL上清液于10 mL容量瓶中，定容，在520 nm處測其吸光度。

單因素試驗：以枸杞為原料，通過控制提取溫度(50、60、70、80、90 ℃)、提取時間(1、2、3、4、5 h)、液固比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1)和粉碎度(40、60、100目)4個因素，探討不同提取條件對枸杞紅色素提取效果的影響。

1.2.3 正交試驗

在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上考查，進(jìn)行4因素3水平試驗，將吸光度作為評價指標(biāo)對枸杞紅色素的提取工藝展開進(jìn)一步優(yōu)化。各因素的1、2、3水平分別為：A(提取時間)3、4、5 h，B(提取溫度)70、80、90 ℃，C(粉碎度)40、60、100目，D(液固比)1∶15、1∶20、1∶25。

2 結(jié)果與分析

2.1 適宜提取溶劑

采用溶劑浸提法，在50 ℃下，提取粉碎度為100目的枸杞葉末2 h，液固比為1∶10時，不同提取溶劑對枸杞紅色素提取效果的影響如表1所示。乙酸乙酯、正己烷、乙醇作為提取劑，濾液雖澄清，但吸光度較小。由Lambert-Beer定律可知，乙醇提取枸杞紅色素含量最低，正己烷與乙醇提取的枸杞紅色素吸光度相近，而丙酮和純凈水提取的濾液雖然渾濁，但吸光度較高，考慮到丙酮具有一定毒性，而純凈水成本較低，回收方便。綜合考慮，枸杞紅色素的最佳提取溶劑為純凈水。

表1 不同溶劑提取枸杞紅色素的效果

2.2 適宜提取方法

通過設(shè)置不同提取時間和提取溫度，在相同條件下，考察溶劑法和超聲輔助法對枸杞紅色素提取效果的影響。如表2所示，超聲輔助法用時少，溫度低，提取得到枸杞紅色素含量更高，故選擇超聲輔助法作為本次試驗提取方法。

表2 不同方法對枸杞紅色素的提取效果

2.3 單因素試驗

2.3.1 溫度對枸杞紅色素提取效果的影響

從圖1可知，提取液吸光度隨著提取溫度的升高逐漸上升，提取溫度達(dá)到80 ℃時，吸光度達(dá)到峰值，為0.394 0；持續(xù)升溫，吸光度開始下降。推測在紅色素提取中隨著溫度升高，分子間動能增加，相互產(chǎn)生劇烈碰撞，有效碰撞機(jī)會增多，導(dǎo)致色素大量溶出；當(dāng)溫度超過80 ℃，各分子碰撞更加劇烈，相應(yīng)產(chǎn)生的動能也急劇增大，使得部分非紅色素物質(zhì)也被溶解在溶液體系中，從而使提取液中參有較多雜質(zhì)，導(dǎo)致枸杞紅色素有效濃度較低，吸光度下降。綜上所述，提取枸杞紅色素的最佳溫度為80 ℃。

圖1 溫度對枸杞紅色素提取效果的影響

2.3.2 時間對枸杞紅色素提取效果的影響

從圖2可知，隨著提取時間的延長，紅色素提取液吸光度也在持續(xù)上升。因為提取時間的延長使得枸杞紅色素大量溶出，體系濃度逐漸變大。提取時間超過4 h后，紅色素提取液吸光度雖在上升，但上升速率明顯放緩。提取5 h時，提取液吸光度增長不顯著，僅僅提高了0.005 5。因此，從提取效率來看，最佳提取時間為4 h。

圖2 時間對枸杞紅色素提取效果的影響

2.3.3 液固比對枸杞紅色素提取效果的影響

由圖3可知，紅色素提取液吸光度隨著液固比的增大整體趨勢符合普拉斯-高斯曲線，當(dāng)液固比達(dá)到20∶1時，提取液吸光度達(dá)到最大，為0.505 4。此后，隨著液固比的逐漸增大，提取液吸光度逐漸下降。說明起初溶液體系因液固比過小，導(dǎo)致枸杞紅色素溶出較少，隨著液固比增大，枸杞紅色素溶出量增多。但是液固比增加過快，使得整個溶液體系溶劑過多，進(jìn)而會引起其他非色素物質(zhì)溶出，對整個體系產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致枸杞紅色素濃度下降，提取液吸光度變小。綜上所述，最佳的液固比是20∶1。

圖3 液固比對枸杞紅色素提取效果的影響

2.3.4 粉碎度對枸杞紅色素提取效果的影響

由圖4可知，隨著粉碎度的增大，枸杞紅色素的吸光度也在增大，整體呈現(xiàn)上升趨勢。40目粉碎度時紅色素提取液吸光度值最小，100目粉碎度時最大。說明粉碎程度越高，枸杞末越細(xì)小，相應(yīng)與提取溶劑的接觸面積更大，提取更充分，提取速率更快，提取效果更顯著。由此可以得出，最佳粉碎度為100目，此時枸杞紅色素的吸光度為0.234 3。

圖4 粉碎度對枸杞紅色素提取效果的影響

2.4 正交試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果如表3所示，由極差值可得，A(提取時間)、B(提取溫度)、C(粉碎度)、D(液固比)4種因素對枸杞紅色素的提取工藝影響主次順序為B>C>D>A。以提取液吸光度作為評價指標(biāo)，綜合K值可得枸杞紅色素的最佳提取工藝參數(shù)為A2B3C3D3，即100目枸杞粉溶于25倍體積純凈水，在90 ℃下恒溫提取4 h。通過試驗驗證可知，此時枸杞紅色素的提取效果最好，吸光度可達(dá)1.052 9。

表3 正交試驗設(shè)計方案與結(jié)果

3 小結(jié)

本研究主要檢測枸杞紅色素中的花色苷成分，即黃酮類物質(zhì)的含量來確定枸杞紅色素的提取效果。黃酮類是一種水溶性化合物，用純凈水提取效果較好，以超聲輔助法進(jìn)行單因素試驗和正交優(yōu)化分析，得到枸杞紅色素的最佳工藝為100目枸杞粉溶于25倍體積純凈水，90 ℃恒溫提取4 h，在此參數(shù)下測得提取液吸光度為1.052 9。從優(yōu)化結(jié)果來看，一是獲得的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)為開發(fā)其他附加價值高的枸杞紅色素相關(guān)產(chǎn)品提供了新方向；二是掌握核心競爭力，為發(fā)展更綠色、更健康、更安全的食品工業(yè)奠定良好基礎(chǔ)。