紫色馬鈴薯花青素的提取和穩定性評價

張海霞，包良，王曉蘭，張燁

（1.呼和浩特職業學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古醫科大學民族醫藥創新中心，內蒙古自治區中蒙藥重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010010；3.內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特 010051）

紫色馬鈴薯是一種色澤鮮美的糧食作物，口感美味、營養豐富、富含花青素，用來提取花青素具有來源豐富、產量大、成本低等多方面優點，開發利用前景廣闊。花青素是廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，常以不同形式的糖苷存在[1]，它賦予植物漂亮的顏色，同時能滿足人體對某些營養的需求，具有較高食用價值。此外，花青素是黃酮多酚類化合物[2-3]，有較強的抗氧化性，可以起到防突變、降血糖、消炎等作用[4]，也可部分修復肝損傷[5]，同時是一種無毒、綠色健康的天然色素，廣泛使用于醫藥保健品和食品、化妝品中。花青素有多方面的應用價值，但其在植物中的含量相對低，人體若要獲得理想效果，需食用過量富含花青素的水果或蔬菜，會超出身體的負荷；另外，花青素具有熱敏感性，烹飪過程會導致花青素失活。因此從富含花青素的植物中提取和濃縮花青素，并對其深度開發具有良好的發展潛力。

目前花青素的提取方法中，超臨界萃取技術和高壓脈沖等先進技術對設備的要求極高，影響了其大范圍使用；溶劑法由于操作簡單、成本低、對設備要求低而備受青睞。但超聲波輔助溶劑法提取紫色馬鈴薯花青素的報道較少。李佳橋等[6]以蓮房為原料，采用超聲波輔助法提取蓮房原花青素，得率可高達6.81%。本試驗通過超聲波輔助乙醇法提取紫色馬鈴薯花青素，優化提取工藝參數，并對其不同條件下制備的提取物的穩定性進行探討，以期為紫色馬鈴薯工業化生產和深度應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

“黑美人”紫色馬鈴薯：武川縣哈樂鄉。

1.2 試劑與儀器

鹽酸、醋酸、氯化鉀、醋酸鈉、無水乙醇、磷酸、磷酸氫二鈉、乙酸乙酯、磷酸二氫鈉（均為分析純）：內蒙古愛爾法生物科技公司。

SB-5200DTS超聲波多頻清洗機：寧波新芝生物科技股份有限公司；H/716M高速臺式離心機機：湖南赫西儀器公司；UV755B紫外可見分光光度計、YS1509332電子分析天平：上海佑科儀器儀表有限公司；HWS-24型電熱恒溫水浴鍋：上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫色馬鈴薯花青素的提取

取紫色馬鈴薯用自來水沖洗干凈削去表皮，切成薄片，放于干燥箱60℃條件下干燥至恒重，打碎成粉末，過濾，收集篩下物[7]。

花青素是一類能溶于乙醇、甲醇、稀酸、稀堿、水等極性溶劑中的極性分子。本試驗參照李玲等[8]的方法，適當進行調整。稱取10 g紫色馬鈴薯粉末放于圓底蒸餾燒瓶，用量筒移入一定體積提取液，混勻，放在超聲條件下浸提。獲得的浸提液按照4 500 r/min離心15 min，取上清液[8]，加入乙酸乙酯萃取，萃取后下層溶液旋轉蒸發濃縮，真空干燥后，所得固體物為花青素粗提物，稱量。花青素得率E按下式計算[9]。

式中：E為得率，%；M1為紫色馬鈴薯花青素粗提物的質量，g；M0為紫色馬鈴薯干粉重，g。

1.3.2 單因素試驗

將1.3.1中處理好的紫色馬鈴薯粉末加入一定體積的1%酸化乙醇提取液。設定乙醇濃度75%，浸提溫度50℃，超聲功率300 W，浸提時間50 min，液料比分別為 10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1（mL/g），依次測定紫色馬鈴薯花青素得率。

提取方法和基本條件同上，固定液料比為20∶1（mL/g），調整乙醇濃度 45%、55%、65%、75%、85%、95%，依次測定紫色馬鈴薯花青素得率。

提取方法和基本條件同上，固定液料比為20∶1（mL/g）、乙醇濃度 85%，調整溫度為 25、35、45、55、65、75℃，依次測定紫色馬鈴薯花青素得率。

通過以上數據分析液料比、乙醇濃度和提取溫度對紫色馬鈴薯花青素得率的影響。

1.3.3 正交試驗

根據以上單因素試驗數據，選擇液料比、乙醇濃度、提取溫度為考察對象，用花青素得率作為指標[10-11]，采用正交試驗，對紫色馬鈴薯花青素的提取條件進行優化。

表1 正交試驗因素水平Table 1 Levels of orthogonal test factors

1.3.4 紫色馬鈴薯花青素穩定性研究

1.3.4.1 pH值對馬鈴薯花青素穩定性的影響

本試驗通過測定紫色馬鈴薯花青素可見光區的最大接收波長下的吸光度值衰減率ΔA和可見光區的最大接收波長的改變值（BI），研究紫色馬鈴薯花青素穩定性。按照參考文獻表述[12-13]，ΔA越大說明花青素降解越快，BI值越大，花青素的含量越低。

吸光度值衰減率：ΔA/%=Δ（A0-At）/A0

式中：A0為起始時可見光區的最大吸光度；At為在t時在可見光區的最大吸光度。

吸收波長改變值（BI）=A430/Amax

式中：A430為430 nm下的吸光度；Amax為可見光區的最大吸光度值。

紫色馬鈴薯花青素提取物主要用來生產食品和藥品，因此本試驗參照李敏[13]的方法選取胃內pH 2.0、果汁飲料常規pH 3.6、人的正常生理pH 7.4，這3個pH值來研究從紫色馬鈴薯中提取出的花青素穩定性。在25℃時，測定不同pH值條件下紫色馬鈴薯花青素的最大吸光度隨時間的衰減率ΔA以及BI值。

1.3.4.2 光照對馬鈴薯花青素穩定性的影響

參照羅冠中[14]的方法，根據本試驗目的進行改良，設定紫色馬鈴薯花青素溶液的濃度為0.35 mg/mL，分別置于暗處、自然光下，每2 h測定紫色馬鈴薯花青素在波長525 nm處的吸光度值，計算3次測定的平均值，研究光照對紫色馬鈴薯花青素的影響。

1.3.4.3 溫度對馬鈴薯花青素穩定性的影響

參照1.3.4.2的方法，設定紫色馬鈴薯花青素溶液的濃度為0.35 mg/mL，每2 h分別測定室溫（25℃）、80℃及100℃的水浴條件下紫色馬鈴薯花青素溶液在波長525 nm處的吸光度值，取每種溫度條件下的3次重復，取其平均值。分析溫度對紫色馬鈴薯花青素穩定性的影響。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗數據分析

2.1.1 液料比對紫色馬鈴薯花青素得率的影響

液料比對紫色馬鈴薯花青素得率的影響見圖1。

圖1 液料比對紫色馬鈴薯花青素得率的影響Fig.1 Effect of liquid－material ratio on anthocyanin yield of purple potato

由圖1可以看出，當其它因素固定時，液料比在10∶1（mL/g）～15∶1（mL/g）時，紫色馬鈴薯花青素得率變化不大，繼續增大液料比，花青素得率開始明顯提高，液料比調整為20∶1（mL/g）時，此條件下紫色馬鈴薯花青素得率最高達到1.26%。繼續增加提取液的體積，花青素得率開始下降。液料比是紫色馬鈴薯花青素提取中的影響因素之一。有研究表明原料和提取液質量體積比越大，固相中的溶出成分更易受傳質推動力的作用，釋放在液相中[15]；但隨著提取液體積繼續增大，過量的液體影響固相內溶劑分子接收能量，花青素不能完全溶出，得率降低[16]，也造成原料的浪費。因此，液料比為20∶1（mL/g）時，從紫色馬鈴薯提取花青素效果最佳。

2.1.2 乙醇濃度對紫色馬鈴薯花青素得率的影響

乙醇濃度對紫色馬鈴薯花青素得率的影響見圖2。

圖2 乙醇濃度對紫色馬鈴薯花青素得率的影響Fig.2 Effect of ethanol concentration on anthocyanin yield of purple potato

由圖2可以看出，以酸化乙醇作為提取液進行超聲浸提時，當其他因素不變，隨著乙醇濃度的提高，紫色馬鈴薯花青素得率升高；乙醇濃度為85%時，花青素得率達到1.23%；繼續增加乙醇濃度，花青素得率反而下降。花青素是黃酮類物質，可溶于極性和它相似的物質[14]。乙醇濃度不同，提取液的極性也有差異。當提取液的極性和花青素極性比較相近時，花青素的溶出率最高[17]。因此，乙醇濃度為85%時，從紫色馬鈴薯提取花青素效果最佳。

2.1.3 提取溫度對紫色馬鈴薯花青素得率的影響

提取溫度對紫色馬鈴薯花青素得率的影響見圖3。

圖3 提取溫度對紫色馬鈴薯花青素得率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on anthocyanin yield of purple potato

由圖3可知，固定其他因素不變，溫度較低時，紫色馬鈴薯花青素的得率隨著提取溫度的升高而增大。當浸提溫度為65℃時，得率最大；繼續升高浸提溫度，花青素得率開始下降，這可能與花青素的熱穩定性較差有關[18]。因此，浸提溫度為65℃時，提取花青素效果最佳。

2.2 正交試驗結果

本試驗選取液料比、乙醇濃度、提取溫度為考察因素，分析3個因素對紫色馬鈴薯花青素提取的影響作用。正交試驗結果見表2。

表2 正交試驗結果Table 2 Results of orthogonal test

由表2可知，對紫色馬鈴薯花青素提取影響排序依次為：乙醇濃度＞液料比＞提取溫度。乙醇濃度對紫色馬鈴薯花青素提取影響最大，其次是液料比，提取溫度影響最小。本試驗中獲得的最佳提取條件為A2B3C2。 按照此種組合，選擇液料比 20∶1（mL/g）、乙醇濃度85%、提取溫度為65℃，其它提取條件不變進行驗證，測得紫色馬鈴薯中花青素得率為1.27%，高于正交設計A3B3C2組合中1.25%的花青素得率，同時能有效降低成本。

2.3 花青素穩定性評價

2.3.1 不同pH值對紫色馬鈴薯花青素的影響

不同pH值條件下的吸光度值衰減率ΔA和吸收波長改變值BI見表3。

由表3數據可知，紫色馬鈴薯花青素在pH值為2.0時，吸光度衰解率最大為17.04%；pH值為3.6，放置14 h，測定吸光度降解率為22.14%，變化幅度分別介于3%和8%之內，吸收波長改變值BI變化幅度為0.04和0.02，穩定性較好；當pH值為7.4時，吸光度降解率最大為44.72%，變化幅度達到25%，BI變化幅度為0.56；隨著放置時間的延長，溶液也由原來的紫色逐漸變成淺紫色，表明穩定性明顯低于pH值2.0和3.6。這是由于花青素在不同的酸堿條件下，其內部存在的酸堿平衡、水合平衡和結構異構化反應發生改變，導致穩定性和顏色發生改變，含量也下降[19-20]。

表3 不同pH值條件下的吸光度值衰減率ΔA和吸收波長改變值BITable 3 The absorbance value attenuation rate ΔA and absorption wavelength change value BI under different pH conditions

2.3.2 不同光照對紫色馬鈴薯花青素的影響

光照對花青素的影響如圖4所示。

圖4 不同光照下的吸光度Fig.4 Absorbance under different light

自然光下，經8 h測試，發現紫色馬鈴薯花青素吸光度值一直處于下降趨勢。在2 h之內吸光度值變化緩慢；2 h～4 h之間吸光度值下降幅度最大；之后緩慢下降。有研究認為長時間光照會誘導花青素炭骨架結構改變，導致花色苷被降解，花青素含量降低。說明紫色馬鈴薯花青素對光照敏感，不宜長時間暴露于光照下，但短時間的光照對其含量影響不大。黑暗條件2 h之內，紫色花青素吸光度基本沒變化，4 h之后紫色馬鈴薯花青素吸光度值下降明顯，但整體下降幅度低于光照條件，表明紫色馬鈴薯花青素在黑暗條件下穩定性優于光照條件。

2.3.3 不同溫度對紫色馬鈴薯花青素的影響

不同溫度下的吸光度見圖5。

如圖5所示，室溫（25℃）條件2 h之內，紫薯花青素吸光度值變化不大；2 h～4 h之間，吸光度值明顯下降，表明紫薯花青素含量有所降低；4 h之后，吸光度值趨于穩定，花青素含量基本不變。80℃條件下，紫薯花青素吸光度值整體處于下降趨勢，說明部分花青素結構發生改變，導致花青素含量下降，與何娜等[21]對紫甘薯花青素熱穩定性結論一致。100℃條件下，花青素吸光度值下降幅度最大，尤其在1 h～2 h之間，說明花青素含量迅速下降，可能溫度升高，加劇對花青素結構的破壞，其抗氧化能力顯著下降，影響紫薯花青素的穩定性。因此，在紫色馬鈴薯花青素產品的貯藏與應用中盡量避免長時間處于受熱狀態。

圖5 不同溫度下的吸光度Fig.5 Absorbance at different temperatures

3 結論

紫色馬鈴薯是提取花青素的一種優質原料，在提取過程中多種因素會影響花青素得率，如提取方法、提取劑種類和濃度、提取溫度、pH值等。本試驗采用超聲波輔助法提取“黑美人”紫色馬鈴薯花青素，通過優化試驗條件，發現在液料比為20∶1（mL/g），乙醇濃度為85%，提取溫度為65℃時，花青素得率最高達到1.27%。對“黑美人”花青素穩定性進行試驗，結果顯示花青素受pH值、環境溫度和光照條件影響顯著，酸性、低溫和黑暗條件下穩定性較好，這可能與花青素自身化學結構有關。花青素具有2-苯基苯并毗喃陽離子結構，且母核上連接多個不同種類官能團，性質不穩定，當環境發生變化，其穩定性也會有差異。