火龍果果皮色素固液法萃取工藝優(yōu)化及其加工性能研究

闕小峰， 余 雁， 方志成， 司文會(huì)

(1.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品科技學(xué)院，江蘇蘇州 215008； 2.蘇州泰事達(dá)檢測技術(shù)有限公司，江蘇蘇州 215008)

紅心火龍果(red pitaya)是仙人掌科火龍果的改良品種，其果皮約占果質(zhì)量的25%，含有蛋白質(zhì)、多糖、色素等多種物質(zhì)。火龍果果皮富含的果皮色素主要成分為甜菜苷(betanin，CHNO)，其含量占果皮中甜菜苷類色素的75%～95%，是一種極性或弱極性水溶性有機(jī)物，為火龍果果皮的主要呈紅色物質(zhì)。研究證明，火龍果果皮色素不僅組成穩(wěn)定，含量高，而且色域廣，具有較好著色、抑菌、抗氧化等作用，在食品、醫(yī)藥、印染等行業(yè)應(yīng)用廣泛，對開發(fā)食品天然色素添加劑和應(yīng)用其功能活性等具有重要價(jià)值。

本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化固液萃取紅心火龍果果皮色素的最佳工藝，并建立體外抗氧化模型，對果皮色素在食品加工中的穩(wěn)定性和抗氧化性質(zhì)進(jìn)行探究。以期將紅心火龍果果皮變廢為寶，提高火龍果深加工的附加值，并為食品天然色素添加劑和抗氧化劑的開發(fā)應(yīng)用提供新的途徑，促進(jìn)火龍果產(chǎn)業(yè)健康高效發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

所用材料如下：紅心火龍果果皮(市售紅皮紅肉火龍果)、甜菜苷標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥98%，由四川省維克奇生物科技有限公司生產(chǎn))、蒸餾水(實(shí)驗(yàn)室自制)及甲醇、無水乙醇、丙酮、鹽酸、冰醋酸、氫氧化鈉、亞硫酸氫鈉、氯化鈉、硫酸銅、氯化鎂等試劑均為分析純，由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑蘇州有限公司生產(chǎn)。

所用儀器如下：紫外可見分光光度計(jì)(UV-7502PC型，上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司)、pH計(jì)(PSH-3C型，上海雷磁儀器股份有限公司)、恒溫水浴鍋(DK-24型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、冷凍干燥機(jī)(FDU-1200型，杭州嘉維創(chuàng)新科技有限公司)、粉碎機(jī)(FW177型，上海耶茂儀器儀表有限公司)、離心機(jī)(ST16R型，賽默飛世爾科技有限公司)、分析天平(ME104E/02型，北京海天友誠科技有限公司)、電子天平(YP10002型，上海平軒科學(xué)儀器有限公司)等實(shí)驗(yàn)室常用儀器設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)紅心火龍果自購于蘇州大潤發(fā)超市，產(chǎn)自江蘇省如皋市，品種為美龍1號，單果平均質(zhì)量 450 g，為當(dāng)年生果實(shí)。試驗(yàn)場所為蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品科技學(xué)院實(shí)驗(yàn)室及蘇州泰事達(dá)檢測技術(shù)有限公司，試驗(yàn)時(shí)間為2020年9月19日至11月26日。

1.3 萃取工藝流程

火龍果清洗、晾干，分離果皮后依次將其切碎、冷凍凍干、粉碎成粉末，然后過70目篩網(wǎng)，浸提萃取，離心分離后收集上清液，此為果皮色素萃取液，將其真空干燥，制成果皮色素干粉，待試驗(yàn)分析。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 單因素萃取影響及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1.1 萃取劑 分別稱取0.5 g火龍果果皮干粉，各加入20%甲醇、20%乙醇、20%丙酮、蒸餾水、0.1 mol/L鹽酸萃取劑15 mL，在30 ℃下振蕩萃取30 min。然后于8 000 r/min離心10 min，收集上清液5 mL至棕色容量瓶中，定容至100 mL，在538 nm波長處測定吸光度()，計(jì)算甜菜苷含量，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：表示吸光度；表示萃取劑體積，mL；表示稀釋倍數(shù)；表示火龍果果皮干粉質(zhì)量，mg；550.47表示標(biāo)準(zhǔn)甜菜苷分子量；61 600表示標(biāo)準(zhǔn)甜菜苷摩爾消光系數(shù)。

1.4.1.2 固液比 分別稱取0.5 g火龍果果皮干粉，按固液比(1 g ∶20 mL、1 g ∶30 mL、1 g ∶40 mL、1 g ∶50 mL、1 g ∶60 mL)加入pH值為6.5的乙醇萃取劑，于30 ℃恒溫水浴鍋中振蕩30 min萃取，按式(1)計(jì)算甜菜苷含量。

1.4.1.3 乙醇濃度 稱取0.5 g火龍果果皮干粉，分別加入15 mL pH值為6.5的濃度為10%、20%、30%、40%、50%、60%的乙醇，于30 ℃恒溫水浴鍋中振蕩30 min萃取，按式(1)計(jì)算甜菜苷含量。

1.4.1.4 萃取pH值 稱取0.5 g火龍果果皮干粉，分別加入15 mL pH值為2.0～12.0的40%乙醇萃取劑，在30 ℃恒溫水浴鍋中振蕩30 min萃取，按式(1)計(jì)算甜菜苷含量。

1.4.1.5 萃取溫度 稱取0.5 g火龍果果皮干粉，加入15 mL濃度為20% pH值為6.5的乙醇萃取劑，分別放入20～100 ℃恒溫水浴鍋中振蕩30 min萃取，按式(1)計(jì)算甜菜苷含量。

1.4.1.6 萃取時(shí)間 稱取0.5 g火龍果果皮干粉，加入10 mL濃度為20% pH值為6.5的乙醇萃取劑，分別放入30 ℃恒溫水浴鍋中振蕩不同時(shí)間(30～105 min)萃取，按式(1)計(jì)算甜菜苷含量。

1.4.1.7 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展4因素3水平L(3)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化固液萃取火龍果果皮色素的最佳工藝。

1.4.2 火龍果果皮色素在食品加工性能

1.4.2.1 果皮色素在食品加工中的穩(wěn)定性研究 準(zhǔn)確量取最優(yōu)工藝條件下萃取的火龍果果皮色素提取液5.0 mL，定容至100 mL，分別測量其在不同溫度(20、40、60、80、100 ℃)、輻照(200、400、600、800、1 000 W)、pH值(2.0～11.0)、金屬離子[KCl、CuSO、ZnSO、MgCl、FeCl、Al(NO)，濃度 0.01 mol/L]下在538 nm處的吸光度(以蒸餾水吸光度為CK)，依次建立溫度、輻照功率、pH值、金屬離子與果皮色素吸光度的線性關(guān)系，考察火龍果果皮色素作為添加劑在食品加工中的穩(wěn)定性。

(2)

式中：表示以水或無水乙醇作參比液，代替色素溶液所測得的吸光值；表示色素溶液與HO、鄰苯三酚、DPPH·反應(yīng)后所測得的吸光值；表示以水代替HO、鄰苯三酚、DPPH·溶液所測得的吸光值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件的單因素方差分析，以最小顯著性差數(shù)法(，=0.05)作為差異顯著的判斷標(biāo)準(zhǔn)，并以正交設(shè)計(jì)助手Ⅱ V3.1開展正交設(shè)計(jì)及方差分析(=0.01)，最后采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對火龍果果皮色素萃取的影響

可以看出：果皮色素萃取劑作用效果依次為乙醇>甲醇>丙酮>蒸餾水>KCl，乙醇萃取效果最佳，有效去除了果皮溶出的蛋白質(zhì)、脂類等雜質(zhì)，該處理的甜菜苷含量最高(圖1-A)；隨著固液比的減小，甜菜苷萃取量呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(圖1-B)，固液比1 g ∶30 mL處理效果最佳；乙醇濃度對果皮色素萃取量差異顯著(圖1-C)，隨著乙醇濃度的增大甜菜苷含量出現(xiàn)先上升后下降趨勢，40%乙醇萃取值最大(35.4 mg/kg)，表明乙醇濃度的增大有助于果皮皮質(zhì)細(xì)胞中的磷脂及其他脂類的溶解，果皮色素親和力大，但乙醇濃度持續(xù)增大，也增加了雜質(zhì)的溶解；隨著pH值增大，甜菜苷含量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(圖1-D)，在pH值為6.5時(shí)萃取值最大，為51.4 mg/kg。試驗(yàn)中，隨著萃取液pH值的增大，其顏色出現(xiàn)變化，由初期淡紅色逐漸變?yōu)榉奂t色(pH值2.0～6.5)，再變?yōu)榧t色(pH值7.0～11.0)，最后變?yōu)闇\黃色或淺灰黃色(pH值﹥11.0)，其原因是強(qiáng)堿條件下甜菜苷色素不穩(wěn)定，甜菜紅素轉(zhuǎn)變?yōu)樘鸩它S素，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或被破壞，溶液顏色發(fā)生明顯的變化。

隨著溫度升高，甜菜苷含量呈現(xiàn)先平穩(wěn)上升后快速下降的趨勢(圖1-E)，40 ℃時(shí)甜菜苷含量達(dá)最高(21.8 mg/kg)，其原因是高溫易破壞甜菜苷的穩(wěn)定性，使其分解；隨著萃取時(shí)間延長，甜菜苷含量先增大后減小(圖1-F)，在60 min時(shí)達(dá)最大(25.6 mg/kg)，顯示出萃取時(shí)間越長，越不利于甜菜苷的穩(wěn)定，影響萃取效果。

綜上可見，果皮色素萃取的最佳單因素條件為萃取劑20%乙醇溶液、固液比1 g ∶30 mL、pH值6.5、溫度40 ℃及萃取時(shí)間60 min。

2.2 正交及優(yōu)化試驗(yàn)

在上述單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以果皮色素萃取液中甜菜苷含量為參數(shù)，對萃取影響較為明顯的pH值、時(shí)間、溫度、乙醇濃度等因素，開展4因素3水平L(3)正交試驗(yàn)(表1)。

表1 正交試驗(yàn)的因素及水平

表2、表3表明，影響果皮色素萃取的因素極差為：>>>，即乙醇濃度>pH值>溫度>時(shí)間。試驗(yàn)中，組合ABCD提取的甜菜苷含量最高，對應(yīng)最佳提取工藝為40%乙醇萃取劑、溫度30 ℃、pH值6.5、時(shí)間75 min。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

綜合考慮單因素對果皮色素萃取的影響，稱取0.5 g的火龍果果皮粉末，按照優(yōu)化水平條件ABCD進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果(表4)顯示，優(yōu)化水平條件下得到的甜菜苷含量顯著高于最佳工藝條件。由此可得，優(yōu)化水平為ABCD作為火龍果果皮色素的最優(yōu)萃取條件，即萃取劑40%乙醇、溫度30 ℃、pH值6.5、時(shí)間45 min，萃取量為65.2 mg/kg。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

2.3 火龍果果皮色素在食品加工中的性能探究

2.3.1 食品加工中的穩(wěn)定性 隨著食品加工溫度的升高，火龍果果皮色素的穩(wěn)定性下降(圖2-A)，且溫度越高，其穩(wěn)定性越差，高溫破壞了果皮色素的穩(wěn)定性。食品加工中，火龍果果皮色素作為著色劑時(shí)，在40 ℃以下添加，其呈色效果較好。而輻照也不利于火龍果果皮色素的加工穩(wěn)定性(圖2-B)，對其結(jié)構(gòu)破壞更為明顯；因此，火龍果果皮色素不宜作為添加劑加入用于輻照加熱或殺菌的食品。圖2-C顯示，食品pH值對火龍果果皮色素穩(wěn)定性有顯著影響，在酸性(pH值2.0～7.0)條件時(shí)，果皮色素穩(wěn)定性隨pH值的增大而逐漸增大；在堿性(pH值7.0～11.0)條件時(shí)果皮色素穩(wěn)定性隨pH值的增大而迅速減小，表明果皮色素在酸性食品中的穩(wěn)定性略高于堿性食品，其最佳穩(wěn)定pH值為6.0～8.0。此外，食品加工中金屬離子對火龍果果皮色素穩(wěn)定性有顯著影響(K、Zn除外，圖2-D)，表現(xiàn)為Mg離子影響最低，Al離子略有下降，Cu、Fe離子影響最大，穩(wěn)定性對比CK分別下降了47.93%和46.89%。結(jié)果表明，食品加工中天然火龍果果皮色素穩(wěn)定性較差，對溫度、酸堿、輻照、金屬離子等加工條件敏感。高溫、強(qiáng)輻照對火龍果果皮紅素的穩(wěn)定性影響較大，適宜低溫、避光及中性pH值加工環(huán)境，此外加工容器須隔絕金屬離子中 Cu、Fe離子。

3 結(jié)論

以紅心火龍果果皮為研究對象，優(yōu)化了固液法萃取果皮色素的最佳工藝條件，并對萃取的果皮色素在食品加工中的性能進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，固液法最優(yōu)萃取火龍果果皮色素的工藝為：萃取劑40%乙醇、固液比1 g ∶30 mL、溫度30 ℃、萃取液pH值6.5、時(shí)間45 min，萃取量為65.2 mg/kg。