云南省不同粒色青稞色素提取工藝優化及其體外抗氧化活性

阮玲麗，鄒青飛，魯朝鳳，陳壁，楊士花，楊明靜，劉東南，李永強*

（1.云南農業大學 食品科學技術學院，云南 昆明 650201；2.云南云測質量檢驗有限公司，云南 昆明 650201；3.云南農業大學 圖書館，云南 昆明 650201）

青稞（Hordeum vulgare L.var.nudum Hook.f.）是一種內外穎殼分離、籽粒裸露的大麥，又稱無殼大麥或裸大麥，主要分布于我國西藏、青海、云南等高原地區[1-2]，是唯一能夠在高寒、低溫及強紫外線輻射的極端條件下生長的谷物[3-4]。青稞因其獨特的生長環境不但含有豐富的蛋白質、碳水化合物和不飽和脂肪酸等營養成分[5-6]，而且還積累了β-葡聚糖、多酚和色素等功能成分[7]。根據青稞籽粒顏色可將其分為白青稞、黑青稞、紫青稞和藍青稞等品種[8]，其中白青稞與紫青稞的形狀為橢圓形，藍青稞與黑青稞的形狀為紡錘形。

色素可分為合成色素和天然色素，合成色素由于具有潛在毒性，對人體會產生一定的毒副作用，因此近些年來被許多國家限制使用[9]。天然色素主要來源于動植物和微生物，不僅具有安全性高、毒性低、著色力強及資源豐富等特點[10]，還具有一定的抗氧化[11]、抗炎[12]、保護視力[13]、抑制脂質過氧化[14]、預防糖尿病及心血管疾病[15]等作用，因此越來越受到人們的重視，具有廣闊的開發前景。近年來，人們對天然色素的提取工藝、生物活性和生理功能進行了一定的研究。徐洪宇等[16]使用溶劑浸提法、超聲波輔助法、微波輔助法和復合酶法對山竹殼色素進行提取，發現微波輔助提取法提取色素的效果最好。東子珺等[17]使用超聲波-生物酶協同方法對紫薯色素提取工藝進一步優化，研究發現采用超聲波-半纖維素生物酶協同提取紫薯色素的效果最佳。王姍姍等[18]對西藏地區268份具有不同粒色的青稞多酚與花青素含量進行了分析，結果表明，不同粒色青稞的多酚和花青素含量差異顯著，其中紫青稞、褐青稞及藍青稞中多酚和花青素含量均高于白青稞。李昌文等[19]對黑米色素的提取工藝及生物活性進行研究，發現黑米花色苷的抗氧化活性較強并具有較好的生理活性功能。以上研究表明，花色苷作為天然抗氧化劑來源具有一定的優勢，但目前對不同粒色青稞色素的研究鮮有報道。因此，本研究對4種不同粒色青稞色素進行初步定性，并在單因素試驗的基礎上利用響應面試驗設計進行提取工藝的優化，同時使用4種體外抗氧化測定體系進行抗氧化活性測定，以期為不同粒色青稞色素的開發利用提供理論依據，為青稞精深加工提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑青稞、紫青稞、藍青稞及白青稞：云南省迪慶藏族自治州農科所，除雜后磨粉過50目篩，避光并充氮氣于-20℃儲存備用。

1，1-二苯基-2-苦基肼基（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）（HPLC≥98%）、2，2-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸[2，2-azinobis（3-ethyl-benzothiazoline-6-sulfonate），ABTS]（純度98%）、2，4，6-三吡啶基三嗪[2，4，6-tris（2-pyridyl）-s-triazine，TPTZ]（BR，98%）：上海晶純生化科技股份有限公司；阿魏酸（HPLC≥98%）：北京北納創聯生物技術研究院；Trolox（純度97%）：美國Sigma公司。

1.2 儀器與設備

M-304不銹鋼五谷雜糧磨粉機：廣州雷邁機械設備有限公司；UV1800CP紫外分光光度計：上海美譜達儀器有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋：金壇市城西麗華實驗儀器廠；TDL-5-A離心機：上海安亭科學儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 青稞色素的初步定性

1.3.1.1 最佳提取溶劑的選擇和最大吸收波長的確定

準確稱取6份不同粒色青稞面粉各1g，置于100mL碘量瓶中，分別加入20 mL的1%鹽酸甲醇、1%鹽酸乙醇、1%甲酸甲醇、1%甲酸乙醇、0.1%鹽酸甲醇和0.1%鹽酸乙醇溶液（以上均為體積分數），在室溫（20℃～26℃）避光條件下提取30min，抽濾，分別用不同的提取溶劑定容于25mL棕色容量瓶中，在190nm～1100nm波長內進行全波長掃描，根據吸光度確定不同粒色青稞色素的最佳提取溶劑及最大波長。

1.3.1.2 青稞色素在不同pH值下的顏色變化

分別吸取最佳溶劑提取的4種不同粒色青稞色素溶液，利用1 mol/L的鹽酸和氫氧化鈉，調節pH值（1～14），觀察色素的顏色變化。

1.3.2 單因素試驗

1.3.2.1 最佳提取時間的選擇

準確稱取4種不同粒色青稞面粉1 g置于100 mL碘量瓶中，以1%鹽酸甲醇提取黑青稞、紫青稞及藍青稞，以1%甲酸甲醇提取白青稞，料液比1∶10（g/mL），提取次數為1次，在室溫（20℃～26℃）避光條件下分別提取 10、20、30、40、50 min，抽濾后分別用最佳提取溶劑定容于25 mL棕色容量瓶并適當稀釋后，于最大吸收波長處測定4種色素的吸光度，并確定最佳提取時間。

1.3.2.2 最佳提取溫度的選擇

準確稱取4種不同粒色青稞面粉1 g置于100 mL碘量瓶中，在避光條件下以1%鹽酸甲醇提取黑青稞、紫青稞及藍青稞，以1%甲酸甲醇提取白青稞，料液比為 1∶10（g/mL），提取時間為 30 min，分別在 25、30、40、50、60℃條件下避光提取，提取次數為1次，抽濾后分別用最佳提取溶劑定容于25 mL棕色容量瓶并適當稀釋后，于最大吸收波長測定4種色素的吸光度，確定最佳提取溫度。

1.3.2.3 最佳提取次數的選擇

準確稱取4種不同粒色青稞面粉1 g置于100 mL碘量瓶中，以1%鹽酸甲醇提取黑青稞、紫青稞及藍青稞，以1%甲酸甲醇提取白青稞，料液比為1∶5（g/mL），提取時間為30 min，在室溫（20℃～26℃）避光條件下提取1、2、3、4次，抽濾后分別用最佳提取溶劑定容于25 mL棕色容量瓶并適當稀釋后，于最大吸收波長測定4種色素的吸光度，確定最佳提取次數。

1.3.2.4 最佳提取料液比的選擇

準確稱取4種不同粒色青稞面粉1 g置于100 mL碘量瓶中，以1%鹽酸甲醇提取黑青稞、紫青稞及藍青稞，以1%甲酸甲醇提取白青稞，料液比分別為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25（g/mL），提取時間為 30 min，在室溫（20℃～26℃）避光條件下提取1次，抽濾后分別用最佳提取溶劑定容于25 mL棕色容量瓶并適當稀釋后，于最大吸收波長測定4種色素的吸光度，確定最佳提取料液比。

1.3.3 響應面試驗設計

根據單因素試驗結果，利用軟件Design-Expert 8.0.6進行響應面分析，采用中心組合設計（central composite design，CCD）三因素五水平響應面試驗，對4種不同粒色青稞色素的提取工藝進行優化，確定最佳提取條件。

1.3.4 體外抗氧化活性測定

色素溶液的制備：準確稱取4種不同粒色青稞面粉各1 g置于100 mL碘量瓶中，按照最優條件提取色素溶液，定容至25 mL棕色容量瓶中備用。

1.3.4.1 DPPH自由基清除能力測定

DPPH自由基清除能力測定參照文獻[20-21]的方法，并稍作修改，主要步驟：吸取適量色素溶液，加入2 mL DPPH溶液充分混合，在室溫（20℃～26℃）下暗反應10 min，在517 nm波長下測定其吸光度，以甲醇溶液作為空白。用阿魏酸繪制標準曲線，標準曲線方程：y=451.75x+32.31（R2=0.998 7），y為 DPPH 自由基清除率，%，x為阿魏酸濃度，μmol/L。每g樣品中DPPH自由基清除能力相當于阿魏酸的μmol數（μmol FAE/g）。

式中：A0為空白溶液的吸光度；A1為樣品溶液的吸光度。

1.3.4.2 鐵離子還原/抗氧化能力（ferric reducing ability of plasma，FRAP）測定

鐵離子還原/抗氧化能力的測定參照文獻[22-23]的方法并稍作修改，主要步驟：吸取適量色素溶液，加入3 mL FRAP溶液充分混合，在室溫（20℃～26℃）下反應4 min，在593 nm波長下測定吸光度，以乙酸溶液作為空白。用FeSO4標準溶液繪制標準曲線，標準曲線方程：y=6.24x+0.000 5（R2=0.998 4），y為吸光度，x為硫酸亞鐵濃度，mmol/L。每g樣品中鐵離子還原能力相當于Fe2+的 mmol數（mmol FE/g）。1.3.4.3 總抗氧化能力測定

總抗氧化能力（trolox equivalent and antioxidant capacity，TEAC）的測定參照文獻[20，24]的方法，并稍作修改，主要步驟：吸取適量色素溶液，加入3.8 mL ABTS工作液，在室溫（20℃～26℃）下反應 6 min，在734 nm波長下測定吸光度，以乙醇溶液作為空白組。用Trolox繪制標準曲線，標準曲線方程：y=103.95x+1.566 3（R2=0.998 4），y為 ABTS+自由基清除率，%，x為Trolox濃度，μmol/L。每g樣品中ABTS+自由基清除能力相當于Trolox的μmol數（μmol TE/g）。

式中：A0為空白吸光度；A1為樣品的吸光度。

1.3.4.4 過氧化氫（H2O2）清除活性測定

過氧化氫清除活性的測定參照文獻[23，25]的方法，并稍作修改，主要步驟：吸取適量色素溶液，加入0.9mL H2O2和1.5 mL的磷酸緩沖溶液，在室溫（20℃～26℃）下暗反應40 min，在230 nm波長下測定吸光度，以磷酸緩沖溶液作為空白。用阿魏酸繪制標準曲線，標準曲線方程：y=47.338x+32.772（R2=0.998 4），y為 H2O2清除率，%，x為阿魏酸濃度，μmol/L。每g樣品中H2O2清除能力相當于阿魏酸的μmol數（μmol FAE/g）。

式中：A0為H2O2自身吸光度；A1為樣品的吸光度。

1.4 統計分析

利用SPSS 25.0數據處理軟件中的Duncan方法對抗氧化活性試驗結果進行方差分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件對響應面回歸模型進行方差分析，試驗均進行3次重復，結果以平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 青稞色素初步定性

2.1.1 最佳提取溶劑的選擇及最大吸收波長的確定

通過使用6種溶劑對4種不同粒色青稞色素進行提取，并在190 nm～1 100 nm波長內進行全波長掃描，其最大吸收峰結果見圖1。

圖1 4種青稞色素最大吸收峰掃描圖Fig.1 Scanning chart of maximum absorption peaks of four highland barley pigments

由圖1可知，黑青稞及紫青稞色素在525 nm～539 nm下均有吸收峰，黑青稞色素在527 nm波長下出現最大吸收峰，紫青稞色素在525 nm波長下出現最大吸收峰；藍青稞及白青稞色素在396 nm～398 nm均有吸收峰，藍青稞色素在398 nm出現最大吸收峰，白青稞色素在396 nm出現最大吸收峰。同時可以看出黑青稞、紫青稞及藍青稞的最佳提取溶劑均為1%鹽酸甲醇，白青稞的最佳提取溶劑為1%甲酸甲醇。由于花色苷的特征吸收峰分別在500 nm～540 nm和275 nm附近，且易溶于酸性醇溶液，推斷黑青稞和紫青稞色素可能為花色苷[26]。根據文獻[27]得知，橙酮的主要吸收峰（帶Ⅰ）一般位于370 nm～430 nm，帶Ⅱ為次強峰，位于220 nm～270 nm，由此可推斷出白青稞和藍青稞色素可能為橙酮化合物。

2.1.2 不同pH值下色素顏色變化

花色苷是一種水溶性色素，易溶于酸性醇溶液，其顏色會隨著溶液的酸度和堿度而變化[28]。不同pH值下4種青稞色素變化見表1。

由表1可知，黑青稞與紫青稞的色素溶液在酸性條件下呈玫紅色，隨著pH值的升高，顏色由玫紅色變為無色，后變為淡黃綠色，最后變成黃綠色，說明此兩種色素受pH值大小影響，在酸性條件下色素較為穩定，在堿性條件下不穩定，符合花色苷的性質，因此可進一步將黑青稞及紫青稞色素推斷為花色苷[29]。藍青稞與白青稞的色素溶液在酸性條件下呈淡粉色，隨著pH值的升高，顏色由淡粉色變為無色，后變為淡黃色，根據文獻[27]可進一步將藍青稞及白青稞色素推斷為橙酮化合物。

表1 不同pH值下4種青稞色素變化Table 1 The pigment changes of four highland barley under different pH values

2.2 單因素試驗

2.2.1 最佳提取時間的確定

提取時間對4種青稞色素提取效果的影響見圖2。

圖2 提取時間對青稞色素提取效果的影響Fig.2 Influence of extraction time on the extraction effect of highland barley pigment

由圖2可知，隨提取時間的增加，4種青稞色素的吸光度呈先增加后緩慢下降的趨勢，其中黑青稞色素吸光度在30 min時達到最大值，紫青稞色素在20 min時吸光度達到最大值，而藍青稞與白青稞色素的吸光度在40 min時也達到最大值。由于光線和氧氣都會促進色素的分解，從而導致吸光度下降，因此選擇黑青稞、紫青稞、藍青稞及白青稞色素的提取時間分別為30、20、40、40 min 為宜。

2.2.2 最佳提取溫度的確定

提取溫度對4種青稞色素提取效果的影響見圖3。

圖3 提取溫度對青稞色素提取效果的影響Fig.3 Influence of extraction temperature on the extraction effect of highland barley pigment

由圖3可知，隨提取溫度的增加，4種青稞色素的吸光度呈先增加后下降或平緩的趨勢，其中黑青稞色素在60℃條件下吸光度最大，紫青稞與白青稞色素在40℃時吸光度最大，藍青稞色素在50℃條件下吸光度最大，這可能是因為高溫導致色素加速降解，降低其穩定性，導致吸光度下降。溫度升高有助于提高色素分子的擴散率和溶出率[23]，使色素的提取效果更加顯著；但由于色素在高溫條件下不穩定，易促使結構發生變化，使色素失去保護導致失活[30]，因此選擇黑青稞、紫青稞、藍青稞及白青稞色素的提取溫度分別為60、40、50、40 ℃為宜。

2.2.3 最佳提取次數的確定

提取次數對4種青稞色素提取效果的影響見圖4。

圖4 提取次數對青稞色素提取效果的影響Fig.4 Influence of extraction times on the extraction effect of highland barley pigment

由圖4可知，隨提取次數的增加，4種青稞色素吸光度呈增加趨勢，但提取次數達3次以后其吸光度增加緩慢，出現平緩或下降的趨勢，說明色素經過幾次提取后，顏色基本提取完畢。從經濟成本角度考慮，提取色素選擇3次較為適宜。

2.2.4 最佳料液比的確定

料液比對4種青稞色素提取效果的影響見圖5。

圖5 料液比對青稞色素提取效果的影響Fig.5 Influence of material-liquid ratio on the extraction effect of highland barley pigment

由圖5可知，隨提取溶劑用量的增加，4種青稞色素吸光度呈增加趨勢，其中黑青稞、紫青稞與白青稞在料液比為1∶15（g/mL）之后，色素的吸光度增加不明顯且逐漸趨于平緩，而藍青稞在料液比為1∶20（g/mL）之后，色素的吸光度逐漸趨于平緩，考慮到增加料液比會導致試驗試劑的浪費，因此選擇料液比為1∶15（g/mL）較為適宜。

2.3 響應面優化青稞色素提取工藝

2.3.1 響應面試驗設計及結果

在單因素試驗基礎上，選擇色素的提取時間、提取溫度和料液比3個因素，采用響應面分析方法進行三因素五水平試驗設計，4種青稞色素響應面試驗設計與結果見表2～表5。

表2 黑青稞響應面試驗設計及結果Table 2 Response surface test design and results of black highland barley

表3 紫青稞響應面試驗設計及結果Table 3 Response surface test design and results of purple highland barley

表4 藍青稞響應面試驗設計及結果Table 4 Response surface test design and results of blue highland barley

表5 白青稞響應面試驗設計及結果Table 5 Response surface test design and results of white highland barley

續表5 白青稞響應面試驗設計及結果Continue table 5 Response surface test design and results of white highland barley

2.3.2 響應面試驗結果分析

采用Design-expert 8.0.6軟件對表2～表5所得的試驗數據進行多元回歸擬合分析，以吸光度值為響應值得擬合二次回歸方程如下：黑青稞色素Y=0.552 93+0.017324X1-0.023335X2-0.010960X3+0.00228984X1X2+0.036 915X1X3+0.021 074X2X3-0.118 87X12-0.113 62X22-0.115 37X32；紫青稞色素Y=0.319 67-0.012 021X1-0.045 255X2+0.131 17X3-0.080 082X1X2-0.052 005X1X3-0.039 271X2X3；藍青稞色素Y=0.738 52-0.036 770X1-0.065054X2+0.00777817X3+0.00677817X1X2-0.092 054X1X3-0.073 77X2X3-0.22 391X12-0.150 41X22-0.088 907X32；白青稞色素Y=0.725 04+0.166 52X1+0.169 35X2+0.188 8X3+0.091 298X1X2+0.216 35X1X3+0.133 02X2X3-0.203 56X12-0.182 06X22-0.205 81X32。

4種青稞方差分析結果見表7～表10。由表7～表10可知，4種青稞色素的回歸模型中擬合檢驗P<0.01，均達到極顯著水平，失擬項檢驗P>0.05，失擬項均不顯著，說明以上方程與實際情況擬合良好，在一定程度上能夠反映色素提取效果與提取溫度、提取時間和料液比的關系。

表6 黑青稞回歸模型方差分析Table 6 The variance analysis of black highland barley regression model

表7 紫青稞回歸模型方差分析Table 7 The variance analysis of purple highland barley regression model

表8 藍青稞回歸模型方差分析Table 8 The variance analysis of blue barley regression model

表9 白青稞回歸模型方差分析Table 9 The variance analysis of white highland barley regression model

2.3.3 驗證試驗

由Design-Expert 8.0.6軟件得到黑青稞色素的最佳提取工藝條件：提取溫度59℃、提取時間30 min、料液比1∶20（g/mL），紫青稞色素的最佳提取工藝：提取溫度 30℃，提取時間 30min，料液比 1∶15（g/mL），藍青稞色素的最佳提取工藝：提取溫度47℃，提取時間38 min，料液比1∶17（g/mL），白青稞色素的最佳提取工藝：提取溫度 41 ℃，提取時間 41 min，料液比 1∶16（g/mL）。在最佳提取條件下提取的黑青稞色素、紫青稞色素、藍青稞色素及白青稞色素的預測吸光度分別為0.554、0.346、0.531和0.753，在該條件下進行驗證試驗，它們的實際吸光度分別為 0.552、0.341、0.527和 0.751，與理論值相近，說明使用響應面法提取4種青稞色素的優化方案是可靠的。

2.4 抗氧化活性的測定

4種青稞色素體外抗氧化活性見表10。

表10 4種不同粒色青稞色素的抗氧化活性測定Table 10 The antioxidant capacity of four kinds of barley pigments with different grain colors

利用DPPH自由基清除能力、鐵離子還原/抗氧化能力（FRAP）、總抗氧化能力（TEAC）及過氧化氫（H2O2）清除能力4種方法測定黑青稞、紫青稞、藍青稞及白青稞色素的體外抗氧化活性。由表11可知，4種青稞色素具有較好的抗氧化活性，其中黑青稞色素清除DPPH自由基及FRAP能力最強，分別為（7.54±0.0087）μmol/g及（29.28±1.64）mmol/g；紫青稞色素清除H2O2能力最強，為（21.05±2.47）μmol/g；白青稞色素清除ABTS自由基的能力最強，為（92.99±4.62）μmol/g。

3 結論

本文制取了云南產黑青稞、紫青稞、藍青稞及白青稞色素的粗提物，經全波長掃描確定了4種不同粒色青稞色素的最大吸收波長和最佳提取溶劑，其中黑青稞色素與紫青稞色素分別在527 nm及525 nm波長下具有特征吸收峰，藍青稞色素和白青稞色素分別在398 nm和396 nm波長下具有特征吸收峰，根據特征吸收峰將黑青稞與紫青稞色素初步定性為花色苷，藍青稞及白青稞色素初步定性為橙酮化合物，同時確定了黑青稞、紫青稞與藍青稞色素的最佳提取溶劑是1%鹽酸甲醇，白青稞色素的最佳提取溶劑是1%甲酸甲醇。經響應面方法優化了4種色素的提取工藝，其中黑青稞色素的最佳提取工藝為提取溫度59℃，提取時間 30 min，料液比 1∶20（g/mL）；紫青稞色素的最佳提取工藝為提取溫度30℃，提取時間30 min，料液比1∶15（g/mL）；藍青稞色素的最佳提取工藝為提取溫度47 ℃，提取時間 38 min，料液比 1∶17（g/mL）；白青稞色素的最佳提取工藝為提取溫度41℃，提取時間41 min，料液比 1∶16（g/mL），4 種青稞色素提取物在不同的抗氧化評價體系中均具有較好的抗氧化活性。本研究為青稞色素開發利用提供科學依據，同時也為青稞的精深加工提供了新思路，后續可進一步對色素在加工和儲存過程中的穩定性進行更深入的研究，從而拓寬其應用范圍，實現色素在加工產業鏈中的綜合開發和高值化利用。