水浴振荡法提取紫薯花青素的工艺研究 (1).docx

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1、水浴振荡法提取紫薯花青素的工艺研究【摘要】花青素是构成植物颜色的一种主要色素，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，柠檬酸溶液浓度4，提取时间50min，提取温度60，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

2、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。紫薯蕴含丰富的营养价值，除蛋白质、淀粉、果胶、氨基酸、纤维素、花青素、维生素等常见营养成分外，它还具有寻常番薯所不具备的多种矿物质，例如丰富的铁元素、硒元素等。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，番薯所含有的维生素A可以有效的预防视力疾病，改善人体皮肤上皮细胞，维生素C则能有效的增进胶原蛋白的正常合成，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。

3、 花青素(Anthocyanidin)又称花色素或者花青色素，这种物质大多都广泛的存在于被子植物门中，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。由于不同种类的花青素在分子结构和周围环境温度、PH值以及营养成分等的差异，植物体常表现出不同的色彩。比如说，自然界中植物体所显现的红、蓝、紫三种颜色。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，并且植物所呈现颜色的深浅与花青素的含量成正比。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

4、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当前科学界较为常见的花青素提取方法有四种，酶法辅助提取、溶剂提取法、微波辅助法、超声波浸提法等，这里选择的方法是溶剂提取法。8溶剂法是一种低成本、操作简单且高效快捷的花青素提取方式。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。可在某种情况下，用过酸的溶剂去提取青素，又会影响花青素的稳定性和抗氧化性，所以本文选

5、用柠檬酸-水溶剂作为提取溶剂。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，水浴振荡萃取一段时间后离心过滤得到色素提取液。酶法辅助提取是高效且专一的花青素提取方式。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，例如酶的用量过多又会大概率严重破坏细胞壁，从而使得花青素的提取效率大幅度的下降，所以该方法使用时需要严格控制用

6、量，避免过度酶解。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。超声波浸提法是一种高效、快捷、无污染的花青素提取方式，通常用于药用成分的提取，超声波不仅可以有效的使提取物产生振动，加速度或者空化效应等特殊的作用外，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，然后进行超声波萃取，最后进行离心、过滤得到提取液。微波提取作为一种可以快速提炼和简

7、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，最后还能得到高纯度的提取物，是一种非常可行的提取方法。在提炼过程当中可以用乙醇作汽化剂，乙醇可以有效地损坏蛋白质，转变膜透明度，提升花青素的提炼率。但是，乙醇的浓度必须适当，不然会造成花色苷键损失。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由于花青素是一种广泛存在于自然界中的食用色素，目前花青素的主要研究方向是食用色素。同时，花青素在医药、染料、化妆品等方面也有广泛的应用。具有安全、

8、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。然而，与其他天然色素一样，花青素的染色能力较弱。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。到目前为止，国外对花青素提取方法的研究比较成熟。亚临界水萃取、超高压辅助萃取、新的花青素提取分离方法如高压脉冲电场辅助提取还处于实验阶段。但它们的优势和独特性更有创意。虽然我国对花青素的研究才刚刚起步，然而，花青素的提取、分离和纯化研究进展非常迅速。因此，我们未来花青素的提取、分离和纯化应从以下几个方面着手探讨方向:一是实现传统提取工艺的

9、工业化。二是加强花青素提取纯化新方法的研究。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，长期使用会对人体健康增加更多的风险，造成一定的危害。所以，随着时代的发展，人类的生活越来越需要无毒无害的自然色素，在科学研究领域，花青素这样健康无害的自然色素也相应地受到更多人

10、们的关注。同时由于国内市场上纯花青素并不存在，但高纯度的花青素提取又能够为花青素的研究开发提供必要的表征条件和理论基础，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，对提取剂浓度、提取时间、料液比和提取温度进行单因素试验，并且在其上再运用正交实验法，研究获得最佳提取得率的条件，以提高紫薯中花青素的提取得率，找到水浴振荡法提取紫薯中花青素的最佳提取条件。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 rea

11、gents used in the experiment材料产地生紫薯广西玉林无水柠檬酸无锡市亚泰联合化工有限公司矢车菊素标准品南京源植生物科技有限公司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型号名称厂家JSP-100型高速多功能粉碎机浙江省永康市金穗机械制造厂BSA224S-CW 型电子分析天平赛多利斯科学仪器（北京）有限公司SHA-B型双功能水浴恒温振荡器金坛市天宏实验仪器厂UV-2802SH 型紫外可见光分光光度计龙尼柯上海仪器有限

12、公司DHG-9070型电热恒温鼓风干燥箱上海精宏试验设备有限公司TDL-40B型低速离心机北京海天有诚科技有限公司3实验方法设计3.1紫薯预处理步骤设计（1） 先将紫薯表面的泥垢用清水洗净，得到干净无脏污的紫薯；（2） 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；（3） 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；（4） 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；（5） 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

13、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，在水浴振荡处理后，将提取液冷却至室温，然后在离心机中用3000r /min的转速，离心15min，取上清液，将其上清液用柠檬酸-水溶液进行10倍稀释，最后在波长530nm的情况下测定其吸光值，加入相同浓度的柠檬酸-水溶液作空白对照。平行三次，取平均值。3.3单因素试验设计在本次单因素试验过程当中，本文将料液比、提取剂浓度、提取时间、提取温度作为单因素考察工具，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准确称取0.50g干燥的紫薯粉末5份，分别置于5个相同的具塞离心管中，在确定提取时间为

14、30min，提取温度为30，提取剂浓度为3%的条件下，分别设置料液比为1：20、1：30、1：40、1：50、1:60（g/mL），来考察料液比对紫薯中花青素提取得率的影响。3.3.2不同提取剂浓度对紫薯中花青素提取得率的影响准确称取0.50g干燥的紫薯粉末5份，分别置于5个相同的具塞离心管中，在确定料液比为1:20，超声时间为30min，提取温度为30的条件下，分别设置提取剂浓度为1%、2%、3%、4%、5%，来考察提取剂浓度对紫薯中花青素提取得率的影响。3.3.3不同提取温度对紫薯中花青素提取得率的影响准确称取0.50g干燥的紫薯粉末5份，分别置于5个相同的具塞离心管中，在确定料液比为1:

15、20，提取时间为30min，提取剂浓度为3%的条件下，分别设置提取温度为30、40、50、60、70（），来考察提取温度对紫薯中花青素提取得率的影响。3.3.4不同提取时间对紫薯中花青素提取得率的影响准确称取0.50g干燥的紫薯粉末5份，分别置于5个相同的具塞离心管中，在确定料液比为1:20，提取温度为30，提取剂浓度为3%的条件下，分别设定提取时间为20，30，40，50，60（min），来考究探察提取时间对紫薯中花青素提取得率的影响。3.4正交实验设计在4个单因素试验中，确定了料液比、提取剂浓度、提取时间、提取温度对紫薯中花青素的提取得率有显著影响，在此基础上，采用正交实验原理，建立正交实

16、验因素水平表，见表3，进行4因素3水平的正交分析试验，探究A料液比、B提取剂浓度、C提取温度、D提取时间4个水浴振荡提取因素对紫薯中花青素提取的影响。表3正交实验方案因素水平表Tab.3Factor level table of orthogonal experiment scheme水平与编码因素A料液比（g/mL）B提取剂浓度（%）C提取温度（）D提取时间（min）11:303504021:404605031:50570603.5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/gC：花青素浓度，mg/mlV：试样定容体积，mln：稀释倍数m：试

17、样质量，g4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-吸光值绘制标准曲线，如图1所示。图1花青素标准曲线Fig.1Standard curve of anthocyanins4.2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经由一系列实验，不同料液比对紫薯中花青素提取得率的影响效果如图二所示。图2不同料液比对紫薯中花青素提取得率的影响Fig. 2 Effect of different solid-liquid ratio on extraction yield of anthocyanins from purple sweet potat

18、o由图2得知，在一定范围内，紫薯中花青素提取得率随料液比的减小先增加后下降。当料液比小于1:40时，紫薯中花青素提取得率几乎平缓。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。因此，水浴振荡法提取紫薯中花青素最佳料液比为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经由一系列实验，不同提取剂浓度对紫薯中花青素提取得率的影响效果如图三所示。图3不同提取剂浓度对紫薯中花青素提取得率的影响Fig. 3 Effects of different extract

19、ant concentrations on the extraction yield of anthocyanins from purple sweet potato从上图3可以得知，选择采用水浴振荡法提取时，紫薯中花青素提取得率会随着提取剂浓度的增加而提高，同时紫薯中花青素提取得率越大也意味着在当前条件下提取出的花青素提取率越高，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。综上可得结论，关于提取剂的浓度，最适宜的范围应为4%左右，因此选取3% 、4% 、5%三个水平进行正交试验。4.2.3不同提取温度对紫薯中花青素提取得率的影响

20、经由一系列实验，不同提取剂浓度对紫薯中花青素提取得率的影响效果如图四所示。图4不同提取温度对紫薯中花青素提取得率的影响Fig.4 Effect of different extraction temperature on the yield of anthocyanins from purple sweet potato从上图4可以得知，紫薯中花青素提取得率，会在一定范围内随提取温度升高先增加后下降。60作为一个临界值，提取温度小于60时，紫薯中花青素提取得率随着提取温度的升高而增加，这说明60以下时温度的增加有利于花青素的溶解。当提取温度达到60时，紫薯中花青素提取得率达到最大值；继续升高温

21、度，紫薯中花青素提取得率显著下降，紫薯中花青素提取得率降低的原因可能是温度过高导致花青素失活。所以选择的提取温度为60左右为宜，因此选取50 、60 、70三个水平进行正交试验。164.2.4不同提取时间对紫薯中花青素提取得率的影响通过一系列实验，不同提取时间对紫薯中花青素提取得率的影响结果如图五所示。图5不同提取时间对紫薯中花青素提取得率的影响Fig. 5 Effect of different extraction time on the extraction yield of anthocyanins from purple sweet potato从上图5中可以得知，随着提取时间的延长

22、，在水浴振荡的连续作用下，越来越多的花青素溶于提取剂中.提取得率增大。吸光值在提取时间到达50m in时达到最佳。之后吸光值变化趋于平稳，此时花青素提取效果到达最佳的程度，花青素溶出彻底。为了节省时间，削减能源虚耗。最佳的提取时间选为50min左右，并选用40min，50min，60min三个时间水平进行正交实验。4.3正交实验结果分析用水浴振荡法提取紫薯花青素时，影响紫薯中花青素提取结果的因素主次如表4所示。由表4可以看出，超声波法提取紫薯花青素时，影响提取效果的因素顺序为BACD，即对应的是提取剂浓度料液比提取温度提取时间，其中提取剂浓度的最佳水平为4%，料液比的最佳水平为1:40，提取温

23、度的最佳水平为60，提取时间的最佳水平为50m in。3表3 水浴振荡实验结果Table 3 experimental results of water bath oscillation序号A料液比（g/mL）B提取剂浓度（）C提取温度（）D提取时间（min）花青素得率（mg/g）111113.356212225.6844313334.8967421235.4168522317.2703623127.0387731324.821832137.138933216.578均值14.6464.5315.8445.735均值26.5756.6985.8935.848均值36.1796.1715.663

24、5.817极差1.9292.1670.2300.113因而依据计算所得的极差可以肯定，提取紫薯花青素最好的工艺条件为，然而考虑到节源问题，避免对物料和试剂的虚耗，选择ABCD为最佳工艺,即按物料比1:40加入添加浓度为4%的柠檬酸提取剂，在超水浴振荡提取条件下恒温60提取50m in。多次实验证明，该条件下所获得的紫薯中花青素提取得率为7.9036mg/g，高于表2中任意一组的实验效果，提取效果是最好的。所以水浴振荡法提取紫薯花青素的最佳组合是:料液比1:30、提取剂浓度4% 、提取温度60、提取时间50min。5结论提取工艺条件在对紫薯中花青素提取的过程当中对紫薯中花青素得率的影响很大。随着

25、提取时间的延长和料液比的降低，紫薯中花青素的提取得率先增加，后趋于平缓，最佳值在50min和1:60（g/ml）；随着提取剂浓度的增大，紫薯中花青素的提取得率先增长，后削减，最佳值在4；随着温度的增加，紫薯中花青素的提取得率先增加，后急剧下降。经由正交试验软件，优化紫薯中花青素提取过程的工艺条件设计，结果得出，紫薯在提取剂为浓度4%的柠檬酸-水溶液中。设定提取温度60，提取时间50min，料液比1:40，此时紫薯中花青素的提取得率为最佳值。经过试验验证，在优化的条件下,紫薯花青素提取得率为7.9036mg/g，符合实验结果推论，表明此模型可以反映影响因素和紫薯中花青素提取得率之间的真实关系，可

26、以用此模型对紫薯中花青素的提取得率进行分析。参考文献1 张婷，陈小伟，张琪，等.紫薯功能性与其食品开发研究进展J.食品工业科技，2018，39（13）：246-2512 卢梦婷，陶志杰，祁文慧，等.火龙果果皮花青素提取及其热稳定性研究J.广州化工，2020，48（23）：66-753 李琪，刘大苗，陈兰，等.超声波法提取紫薯花青素的工艺研究J.中国果蔬，2014，34（12）：21-244 王超雪，陈瑞战，陆娟，等.黑枸杞花青素不同提取工艺及抗氧化活性J.食品工业，2020,41（6）：24-285 王鑫，韩茜宇，薛宏坤，等.响应面法优化超高压提取蓝莓花色苷工艺及其活性研究J.中国调味品，20

27、20，45（8）：147-1586 李崇平，张钎，丁海琴，等.响应面法优化商陆果皮花青素提取工艺J.宜宾学院学报，20207 崔帅，何博，黄定强.响应面法优化火龙果中花青素的提取研究J.化学世界，2020,61（11）：767-7718 郑丽瑶.紫薯花青素及其工艺的研究进展J.东南园艺，2019,7（03）：56-609 韩瑜，景笑沛.紫薯花青素提取工艺的研究进展J.粮食加工，2020，45（06）：45-5210 宋丹靓敏，雷虹.植物中花青素研究现状J.食品安全导刊，2018，（36）：101-10410张茜，赵军锋，李巨勇.花青素提取，分离及纯化方法的研究现状和发展趋势J.生物技术世界，2

28、014，（03）：55-5711乌日罕，付艳茹，张烨.天然食用色素花青素的研究现状及发展趋势J.现代食品，2016，（16）：35-3612Rytel Elzbieta,TajnerCzopek Agnieszka,Kita Agnieszka,.The Influence of the Production Process on the Anthocyanin Content and Composition in Dried Potato Cubes, Chips, and French Fries Made from Red-Fleshed PotatoesJ.Applied Scienc

29、es，2021,11（3）:1104-110413魏国平，王宇萧，杨立飞，等.生菜富硒富花青素研究现状与展望J.现代农业科技，2019，（19）：92-9414汪洋,丁龙,王四清不同产地黑果枸杞中原花青素和花青素含量研究J食品工业科技.2016，37（13）:122-12615徐颖,樊凡,阴鹏涛,等紫薯花青素超声波辅助酶法提取工艺优化及其抗氧化性研究J.食品与机械,2017,33（3）： 150-15416马义虔,彭黔荣,杨敏,等.响应面法优化超声提取桑椹花青素工艺的研究J.中国调味品，2016，（8）：21-25Extraction of anthocyanins from purple s

30、weet potato by water bath shaking methodAbstract：anthocyanins are one of the main pigments that make up the color of plants. They can change their color with the pH value of solvents. They are functional natural pigments. In this paper, the water bath oscillation method was used to extract anthocyan

31、ins from purple sweet potato with citric acid solution as solvent. Through orthogonal experiment, the optimum extraction conditions were as follows: the ratio of material to liquid was 1:40, the concentration of citric acid solution was 4%, the extraction time was 50 min, and the extraction temperature was 60 .Key words：purple sweet potato; anthocyanin; water bath oscillation