水浴振荡法提取紫薯花青素的工艺研究

【摘要】植物的色彩是由各种色素组成的，其中，花青素是重要的组成部分，可以随着其溶剂的酸碱度、温度等物理或化学条件的变化改变其自身的颜色，是一种功能性自然色素。本文采用水浴振荡法，以紫薯粉末为实验材料，柠檬酸-水溶液为溶剂，通过正交实验研究得到水浴振荡法提取紫薯中花青素的最完美的提取条件为料液比1:40，柠檬酸制剂浓度4％，提取时间五十分钟，提取温度六十摄氏度，提取率为7.9036mg/g。

【关键词】紫薯；花青素；水浴振荡

1前言

1.1紫薯与花青素概述

紫薯，又称黑薯、苕薯，属于双子叶植物纲（Dicotyledona）茄目（Solanales）旋花科（Convolvulaceae）番薯属，紫薯广泛的分布在我国的长江流域一带，尤其是在两湖，江西，同时在福建等热带地区也有分布。紫薯具有极高的健康价值，不仅含有花青素、淀粉、维生素、果胶、蛋白质等普通营养物质，紫薯还富含铁元素、硒元素等对人体极度有利的矿物质元素。正是由于紫薯本身极高的营养价值，它对于人体的健康管理也颇有效果除了可以被人体很快吸收的蛋白质和氨基酸外，番薯富含维生素A以及维生素C不仅能够极大提高眼科疾病的防治效果，还可以极大增强人体各种蛋白物质的生成，防止细胞异常和病变。综上所述，紫薯具有良好食用价值以及高效保健功能，它本身的特性也极大推进了紫薯在国内外的广泛种植和各项产品加工产业（技术）的发展。

花青素(Anthocyanidin)可以叫做花色素或是花青色素，其成分大部分都在被子植物的体内中进行产生，同时花青素也是自然界常见的天然水溶性颜料，除此以外，由于花青素本身的特性，所拥有它的植物也会显现本身的颜色。因为不同所属的花青素在分子构造与周遭环境气温、酸碱值及其营养物质具有着不同，使得植物本身颜色不断发生变化，例如，植物界大多数植物的颜色都在红、蓝、紫三个色彩之中。据文献记载，当植物体内在酸性环境的条件下时，其颜色趋近于紫红色，而在碱性环境条件下则会趋近于蓝色，而且植物所显现色彩的程度与花青素的占有量有着正比关系。还有资料显示，当温度低或营养不足（尤其是缺少磷元素）时，一些植物的茎和叶会由于碳水化合物转换成花青素而转变为紫色或红色。花青素还是自然存在的自由基清除剂，除常见的消炎抑菌，抗癌，抗氧化，抗衰老外，它还拥有对器官的强大保护能力，例如保护肝脏，视力以及心脑血管等，具有极高的药用价值。

1.2花青素主要的提取方法

现在科学界经常使用的有酶法辅助提取、溶剂提取法、超声波浸提法、微波辅助法这四种提取方法，这里选择的方法是溶剂提取法。[8]

溶剂法做为花费较低、过程便利且迅速有效的花青素提取方法。由于在酸性条件下，花青素本身的特性使其拥有良好的稳定性，所以常规情况下，我们都会利用这一特性，选择酸性溶剂进行花青素的提取。但是在某种状况里，使用PH值过低的溶剂提出花青素，还可能对花青素的稳定结构以及抗氧化性产生不利作用，以此作者选取了柠檬酸-水溶剂做提取液。柠檬酸不仅是弱酸，它分子结构中存在的酰基，花青素的双键遇到它的酰基，会不可避免的发生酰基化反应，这种反应对花青素本身具有良好保护功能，因为它会让花青素的结构很难改变。

溶剂法提取过程中的常见步骤：先将干净的生紫薯制成粉末状、配制所需溶剂，完成材料的预处理，然后在盛有紫薯粉末的容器中加入提取溶剂，水浴振荡萃取适当时间后离心滤出取得色素提取物。

酶法辅助提取是卓越并且常见的花青素提出方法。

在同时段提取多种酶时对于花青素的提取效率会有显著提升，但如果控制不好酶的用量，比如酶的使用不当会有很大可能使细胞壁造成不可避免的损伤，进而让花青素的提取效果极大的降低，以此这个方式运用时务必一丝不苟的操控剂量，以防酶解程度太高。酶法提取的一般步骤是在完成材料的预处理之后将紫薯粉末加入提取溶剂中，然后进行水浴萃取，最后进行离心、沉淀、过滤等步骤得到所需提取液。

超声波提取法是最为便利、效率好、污染性小的青素提取法，一般在药材物质提取中发挥作用，超声波不只能够让提取物发生震动，加快速度变化率或是空化效果以外的特别影响，还能非常精准的破坏和分解细胞壁，以便于溶剂进入细胞的同时还能有效的溶解细胞本身所含有的化学成分，这种使用超声波的方式可以极大的提高工作效率。超声波浸提法提取的一般步骤是在完成材料的预处理后，先在紫薯粉末中加入提取溶剂，接着运用超声波提炼，最终进行离心、滤出获得提取液。

微波提取作为一种可以快速提炼和简单控制的常见加热手段，它本身的作用能够短时间内破坏细胞壁，加快花青素等其他功能成分从细胞的丢失，最终可以获得纯度良好的萃取物，不失为一种好的提取方式。在萃取过程中能够然乙醇充当气化剂，乙醇可以以很高的效率来破坏蛋白质，改变膜透明程度，使花青素的萃取率上升。在使用此方法前乙醇含量务必严格把控，否则可能导致花色苷键破坏。微波提取的一般步骤是在完成材料的预处理后，先在紫薯粉末中加入乙醇作汽化剂，然后进行微波辐射，最后进行汽化、提取而得到所需的提取液。

1.2国内外研究现状与发展趋势

因为花青素是一种遍布于自然界里的可食用的色素，所以当前花青素的首要探索目标是食用色素。花青素也在医疗、染料、美白产品等层面有着很高的利用价值。具有安全、无毒、资源丰富等特点，它在药理和染色方面有很大的应用价值，因此在食品、化妆品、医药等市场有巨大的应用潜力。但是，同别的天然色素相同，花青素的染色本领不高。用量大且不稳定(易受PH、氧化剂、亲核试剂、酶、金属离子、温度、光线等影响)，使其使用受到一定程度的限制。截止现在，外国的关于花青素萃取方式的探索领先于我国。亚临界水提取、超高压辅助提取、新的花青素提取分离办法像高压脉冲电场辅助提取还在研究层面。但它们的优势和独特性更有创意。尽管中国对花青素的探究时间还不长，但是，花青素的萃取、分离以及提纯探索进程速度很快。因此，我们未来花青素的萃取、分离和提纯该从下列几个层面开始进行研究:一是实现传统提取工艺的工业化。二是加快对花青素萃取提纯新办法的探索。第三，由于每种方法各有优缺点，我们应该开发一种联合辅助提取工艺，为了提高提取效率和质量，以满足更多领域的要求。我相信通过大多数研究人员的努力，开发出一种更有效、更环保、更节能、更经济的花青素提取、分离和纯化方法。从而使花青素在更多领域得到广泛的应用，为人们的生活带来更多的便利。

1.3研究目的及意义

到目前为止，食品业界大部分工厂都使用合成色素，而所有的合成色素都有一定程度的毒性，长时间使用将会让人体健康产生不可避免的危险，形成小部分的危害。因此，伴随时代的不断进步，人们的生活更加需要无污染无公害的天然色素，在科学探索方面，花青素此类无污染的天然色素也理所因当地得到更加广泛地关注。同时因为中国市场上不可能具有纯花青素，然而高纯度花青素萃取又可以给花青素的探索过程给予重要的表征前提以及理论根本，对工业利用也有帮助，所以这项关于花青素的研究是非常有必要的。

本文利用经过处理而变得干净、干燥、细腻的紫薯粉末为实验材料，以提取得率为指标，对提取液浓度、提取时间、料液比以及提取温度进行单一因素研究，而且在这之上再结合正交实验法，探索得到最好萃取得率的前提，用来提高紫薯里花青素的萃取得率，得到水浴振荡法萃取紫薯里花青素的最好萃取方法。

2实验材料与设备

2.1材料与试剂

实验过程中主要使用的材料与试剂见表1。

表1 实验所用的主要材料与试剂

Tab.1Main materials and reagents used in the experiment

2.2设备与仪器

实验过程中主要使用的仪器设备见表1。

表2 实验所用的主要仪器与设备

Tab.2Main instruments and equipment used in the experiment

3实验方法设计

3.1紫薯预处理步骤设计

首先把紫薯表面的污渍用水冲洗干净得到干净无脏污的紫薯；把紫薯的表皮削掉，然后用削皮刀把紫薯切割成厚度均衡且厚度均小于2mm的薄片，得到利于干燥的紫薯薄片；把削好的紫薯薄片放入电热恒温鼓风干燥箱中，在50℃下烘至恒重，获得完全干燥的紫薯干；用高速多功能粉碎机将已经得到的干燥的紫薯干粉碎成粉状，得到较粗的紫薯粉末；最后将已经得到的紫薯粉末再用80目筛过滤一遍，得到细腻干燥的紫薯粉末，密封备用。

3.2花青素的提取与测定基本步骤设计

称取0.5g干燥的紫薯粉，用3%的柠檬酸-水溶液进行提取，在水浴振荡之后，把提取液温度降低至室温，之后在离心机中用三千转每分的转速，离心十五分钟，取上清液，将其上清液用柠檬酸-水溶液浓度降低十倍，最终在波长五百三十纳米的前提下测量他的吸光数值，倒入同种浓度的柠檬酸-水溶液作空白对照。平行三次，取平均值。

3.3单因素试验设计

在此次单因素实验流程里，本文把料液比、萃取液浓度、萃取时间、提取温度当做单因素考察因素，探究这些因素对提取得率的影响。

3.3.1不同料液比对紫薯中花青素提取得率的影响

精确量取0.50克干燥的紫薯粉末五次，分开放在五个一样的具塞离心管里，在明确萃取时间为三十分钟，萃取温度为三十摄氏度，萃取剂浓度为百分之三的前提下，分别设置料液比为1：20、1：30、1：40、1：50、1:60（g/mL），来观测料液比对紫薯中花青素提取得率所产生的作用。

3.3.2不同提取剂浓度对紫薯中花青素提取得率的影响

精确量取0.50克干燥的紫薯粉末五次，分别放在五个相同的具塞离心管里，在明确料液比为1:20，超声时间为三十分钟，萃取温度为三十摄氏度，分别设计提取剂浓度为百分之一至百分之五，用以观测提取剂浓度对紫薯里花青素萃取得率所产生的作用。

3.3.3不同提取温度对紫薯中花青素提取得率的影响

精确量取0.50克干燥的紫薯粉末五次，分别放在五个相同的具塞离心管里，在明确料液比为1:20，萃取时间为三十分钟，萃取剂浓度为百分之三的前提下，分别设置萃取温度为三十至七十摄氏度，用以观测提取温度对紫薯里花青素萃取得率所产生的作用。

3.3.4不同提取时间对紫薯中花青素提取得率的影响

精确量取0.50克干燥的紫薯粉末五次，分别放在五个相同的具塞离心管里，在明确料液比为1:20，，萃取温度为三十摄氏度，萃取剂浓度为百分之三的前提下，分别设定萃取时间为二十至六十分钟，来考究探察提取时间对紫薯里花青素提取得率所产生的作用。

3.4正交实验设计

在4个单因素试验中，明确了料液比、萃取剂浓度、萃取时间、萃取温度给紫薯里花青素萃取得率有带来的巨大作用，以此为根本，选择正交研究理论，创建正交研究原因水平表，见表3，进行四因素三水平的正交分析试验，研究A料液比、B萃取剂浓度、C 萃取温度、D萃取时间4个水浴振荡萃取原因对紫薯内花青素提取带来的作用。

表3正交实验方案因素水平表

Tab.3Factor level table of orthogonal experiment scheme

3.5提取得率的计算公式

花青素的提取得率：D=C*V*n/(1000*m）

D：花青素提取得率，mg/g

C：花青素浓度，mg/ml

V：试样定容体积，ml

n：稀释倍数

m：试样质量，g

4实验结果与分析

4.1花青素标准曲线绘制

依据花青素标准品（矢车菊素）浓度-吸光值的数据描绘标准函数，如图1所示。

4.2单因素实验结果与分析

4.2.1不同料液比对紫薯中花青素提取得率的影响

通过多次的研究，各种料液比对紫薯中花青素萃取得率的作用如图二所示。

Fig. 2 Effect of different solid-liquid ratio on extraction yield of anthocyanins from purple sweet potato

由图2得知，在一定范围内，紫薯中花青素萃取得率随料液比的下降先升高在降低。当料液比小于1:40时，紫薯中花青素萃取得率近似不变。原因是当花青素提取达到最大时，已经几乎完全溶出，再增加更多的柠檬酸水溶液体积，花青素的含量也不会发生明显的变化。所以，水浴振荡法萃取紫薯里花青素最好料液比是1:40，因此选取1:30、1:40、1:50三个水平进行正交试验。

4.2.2不同提取剂浓度对紫薯中花青素提取得率的影响

通过多次的研究，各种提取剂浓度对紫薯里花青素萃取得率的作用如图三所示。

从上图3可以得知，选择采用水浴振荡法提取时，紫薯内花青素萃取得率会因为萃取剂浓度的升高而增加，同时紫薯内花青素萃取得率越高也说明在现在前提下萃取出的花青素萃取率越大，同时也存在一些特殊情况，由于提取液浓度过高（比如4%）造成了花青素部分分解，从而产生了花青素提取的抑制效果。结合以上可以知道，有关萃取剂的浓度，最合适的界限应在百分之四附近，所以选择百分之三至百分之五三个水平实施正交研究。

4.2.3不同提取温度对紫薯中花青素提取得率的影响

通过多次的研究，各种萃取剂浓度对紫薯内花青素提取得率的作用如图四所示。

从上图4可以得知，紫薯内花青素萃取得率，会在适当界限里跟着提取温度提升先上升再降低。

六十摄氏度是一个临界值，提取温度低于六十摄氏度时，紫薯内花青素萃取得率随着提取温度的升高而增加，

这表明六十摄氏度以下时温度的升高对花青素的溶解有积极作用。当提取温度达到六十摄氏度时，紫薯里花青素萃取得率趋近于峰值；接着提升温度，紫薯里花青素萃取得率明显降低，紫薯里花青素萃取得率下降的理由可能是温度太高致使花青素活性下降。因此选取的提取温度在六十摄氏度附近最好，所以选择五十至七十摄氏度三个水平实施正交研究。[16]

4.2.4不同提取时间对紫薯中花青素提取得率的影响

通过多次的研究，不同提取时间对紫薯内花青素萃取得率的作用如图五所示。

从上图5中可以得知，随着提取时间的延长，在水浴振荡的持续影响下，更多的花青素溶于萃取剂里.萃取得率提升。吸光值在萃取时间到达五十分钟时为最好数值。后续吸光值变换开始平淡，这时花青素萃取效果逐渐为最好的程度，花青素溶出完全。为了节省时间，削减能源虚耗。最好的萃取时间应在五十分钟附近，并选取四十分钟至六十分钟三个时间水平实施正交研究。

4.3正交实验结果分析

使用水浴振荡法提取紫薯花青素萃取，影响紫薯内花青素萃取后果的原因先后如表4所示。

由表4能够知道，超声波法萃取紫薯花青素时，影响萃取结果的原因顺序为D小于C小于A小于B，相应的是萃取剂浓度大于料液比大于萃取温度大于萃取时间，这之中萃取剂浓度的最佳水平是百分之四，料液比的最佳水平为1:40，萃取温度的最佳水平为六十摄氏度，萃取时间的最好时间是五十分钟。[3]

表3 水浴振荡实验结果

Table 3 experimental results of water bath oscillation

因而依据计算所得的极差可以肯定，提取紫薯花青素最佳的技艺前提是，但是想到节源问题，减少对材料以及试剂的耗费，选择为最好技艺,即按物料比1:40加入添加浓度为4%的柠檬酸萃取剂，在超水浴振荡萃取前提下温度固定为六十摄氏度提取五十分钟。多次研究表明，该前提下所得到的紫薯内花青素萃取得率为7.9036mg/g，高于表2里任何一组的研究结果，萃取效果是最佳。因此水浴振荡法萃取紫薯花青素的最佳组合为:料液比1:30、萃取剂浓度百分之四、萃取温度六十摄氏度、提取时间五十分钟。

5结论

萃取技艺前提在对紫薯里花青素萃取的流程当中对紫薯里花青素得率的作用巨大。伴随提取时间的增多和料液比的减少，紫薯里花青素的萃取得率先上升，再趋近与缓慢，最好数值在五十分钟以及1:60（g/ml）；伴随提取剂浓度的升高，紫薯里花青素的萃取得率先上升，在下降，最好数值为百分之四；伴随温度的提升，紫薯里花青素的萃取得率先上升，后迅速降低。

通过正交研究程序，改良紫薯里花青素萃取流程的技艺前提设立，结论为，紫薯在提取液为浓度百分之四的柠檬酸-水溶液里。使萃取温度达到60℃，提取时间五十分钟，料液比1:40，这时紫薯里花青素萃取得率是最佳值。通过研究表明，在改良的前提下,紫薯花青素萃取得率达到7.9036mg/g，与研究结果基本一致，证明这个模型能够映照影响原因以及紫薯里花青素萃取得率两者的真实关联，能够运用这个模型对紫薯里花青素萃取得率实行解析。

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水浴振荡法提取紫薯花青素的工艺研究

价格 ¥9.90 发布时间 2022年11月20日

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