黃愛妮,王洪斌,嚴(yán)碧云,梅大佐,趙昕,向夢(mèng)甜
(1.武昌工學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院,武漢 430065;2.湖北華貴食品有限公司,湖北 洪湖 433200)
菱角,又名腰菱、水栗、菱實(shí),屬菱科菱屬,是一年生草本水生植物菱的果實(shí),有幾千年的栽培歷史,盛產(chǎn)于中國(guó)南方,多地繁殖,年產(chǎn)量大。菱角果實(shí)外果皮則為菱角皮,成熟后的顏色呈紫紅至黑色,含有豐富的色素[1]。
目前市場(chǎng)上使用的色素主要包括天然色素和合成色素,但部分合成色素會(huì)對(duì)人體的健康造成一定的危害,甚至有致畸、致癌的風(fēng)險(xiǎn)。因此,天然色素受到了越來越多的關(guān)注[2-5]。許多可食用植物來源的天然色素含有人體自身無法合成的必需營(yíng)養(yǎng)素,植物來源的天然色素不僅可以改善食物呈現(xiàn)的顏色,也能起到補(bǔ)充人體必需營(yíng)養(yǎng)素的作用[6-9]。在醬油、番茄醬、辣椒醬等調(diào)味品的加工中往往需要加入一定量的色素來調(diào)節(jié)顏色,有研究表明植物源天然色素具有穩(wěn)定性好、著色能力強(qiáng)、安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn),在調(diào)味品中的應(yīng)用前景廣闊[10-15]。菱角皮材料來源廣泛,價(jià)格低廉,將其作為著色劑和添加劑用于食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè),可以豐富天然色素的種類,也可以為菱角皮的加工提供一定的基礎(chǔ)。
菱角:由湖北華貴食品有限公司提供,剝皮曬干,經(jīng)超微粉碎過60目篩后儲(chǔ)藏備用。
JY-1000A高速多功能粉碎機(jī) 浙江省永康市象珠松青五金廠;KQ-500DB數(shù)控超聲波清洗器 昆山舒美超聲儀器有限公司;GM-9070MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 上海力辰邦西儀器科技有限公司;HH-2數(shù)顯電子恒溫水浴鍋 常州國(guó)華電器有限公司;THZ-82B離心機(jī) 金壇市醫(yī)療儀器廠;UV-1800紫外可見分光光度計(jì) 日本島津公司。
1.2.1 菱角皮紅色素提取方法的比較與選擇
1.2.1.1 乙醇溶液提取
取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于錐形瓶中,加入50 mL 95%乙醇溶液,在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中以60 ℃水浴加熱攪拌1 h后,取出錐形瓶,以2000 r/min的速度在離心機(jī)中離心10 min,取離心管中的上清液,在538 nm處測(cè)吸光值。
1.2.1.2 石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液提取
取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于錐形瓶中,加入100 mL石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液,在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中以60 ℃水浴加熱攪拌1 h后,取出錐形瓶,以2000 r/min的速度在離心機(jī)中離心10 min,取離心管中的上清液,在538 nm處測(cè)吸光值。
1.2.1.3 超聲波輔助乙醇溶液提取
取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于錐形瓶中,加入50 mL 95%乙醇溶液,在超聲波中以溫度60 ℃、功率600 W的條件提取1 h,取出錐形瓶,以2000 r/min的速度在離心機(jī)中離心10 min,取離心管中的上清液,在538 nm處測(cè)吸光值。
1.2.1.4 超聲波輔助石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液提取
取一定量超微粉碎后的菱角皮粉于錐形瓶中,加入100 mL石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液,在超聲波中以溫度60 ℃、功率600 W的條件提取1 h,取出錐形瓶,以2000 r/min的速度在離心機(jī)中離心10 min,取離心管中的上清液,在538 nm處測(cè)吸光值。
1.2.2 菱角皮紅色素得率的測(cè)定方法
根據(jù)朗伯比爾定律,當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí),其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度c成正比,其表現(xiàn)的顏色越深,吸光值越高。因此,本文以538 nm處菱角皮紅色素提取液的吸光值來評(píng)價(jià)提取效果,即菱角皮紅色素提取液的吸光值越高,表明菱角皮紅色素的得率越高。
1.2.3 菱角皮紅色素提取工藝的優(yōu)化
選擇乙醇溶液作為菱角皮紅色素的提取劑,采用超聲波輔助進(jìn)行提取,以菱角皮紅色素的得率為考察指標(biāo),分別考察超聲時(shí)間(30,40,50,60,70,80 min)、料液比(1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80, g/mL)、乙醇濃度(40%、50%、60%、70%、80%、90%)、超聲溫度(30,40,50,60,70,80 ℃)、超聲功率(450,600,750,900,1050,1200 W)等因素對(duì)菱角皮紅色素提取效果的影響,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇超聲時(shí)間、料液比、乙醇濃度、超聲溫度4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn),對(duì)菱角皮紅色素的提取條件進(jìn)行優(yōu)化。
1.2.4 菱角皮紅色素穩(wěn)定性的研究
1.2.4.1 溫度對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響研究
將5支裝有菱角皮紅色素提取液的比色管分別置于20,40,60,80,100 ℃的水浴中保溫1 h,期間每20 min振動(dòng)一次,分別測(cè)量各提取液的吸光值,考察溫度對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響。
1.2.4.2 光線對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響研究
在10支比色管中分別加入10 mL菱角皮紅色素提取液,將它們分成兩組:一組儲(chǔ)存在黑暗的房間,另一組儲(chǔ)存在室外穩(wěn)定的自然光下。每隔1 h從兩組中各取1支比色管測(cè)量吸光值,考察光線對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響。
1.2.4.3 pH值對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響研究
在11支比色管中分別加入10 mL菱角皮紅色素提取液,分別調(diào)節(jié)色素溶液的pH值為1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,在室溫下保持1 h,期間每20 min振動(dòng)一次,分別測(cè)量各提取液的吸光值,考察pH值對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響。
分別采用乙醇溶液、石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液、超聲波輔助乙醇溶液、超聲波輔助石油醚∶丙酮(體積比2∶1)混合溶液對(duì)菱角皮中的紅色素進(jìn)行提取,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。
圖1 菱角皮紅色素提取方法的選擇Fig.1 The selection of extraction methods of red pigment from Trapa natans husk
由圖1可知,以菱角皮紅色素的吸光值為提取效果的評(píng)價(jià)指標(biāo),超聲波輔助乙醇提取的效果最好,菱角皮紅色素提取液的吸光值為0.304,其次為乙醇溶液提取,提取液的吸光值為0.139,提取效果較差的為超聲波輔助石油醚與丙酮混合提取、石油醚與丙酮混合提取,吸光值分別為0.059和0.058。試驗(yàn)結(jié)果說明菱角皮紅色素在乙醇溶液中的溶解度較高,且采用超聲波輔助有利于提高提取效果。因此,選擇超聲波輔助乙醇溶液提取作為菱角皮紅色素的提取方法。
2.2.1 超聲時(shí)間對(duì)菱角皮紅色素提取效果的影響
以乙醇溶液為提取劑,采用超聲波輔助對(duì)菱角皮中的紅色素進(jìn)行提取,保持其他條件不變,分別調(diào)整超聲時(shí)間為30,40,50,60,70,80 min,測(cè)定提取液的吸光值,試驗(yàn)結(jié)果見圖2。
圖2 超聲時(shí)間對(duì)菱角皮紅色素提取效果的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on extraction of red pigment from Trapa natans husk
由圖2可知,超聲提取時(shí)間對(duì)菱角皮紅色素的提取效果有一定的影響,當(dāng)提取時(shí)間從30 min上升到50 min時(shí),由于超聲波的空化效應(yīng),增加了分子的運(yùn)動(dòng)速度和介質(zhì)的穿透力,使溶劑迅速進(jìn)入菱角皮,提取效果逐漸增強(qiáng)。當(dāng)提取時(shí)間超過50 min后,吸光值逐漸下降,主要是由于提取時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致紅色素發(fā)生了分解。因此,選擇菱角皮紅色素提取的最佳超聲時(shí)間為50 min。
2.2.2 料液比對(duì)菱角皮紅色素提取效果的影響
以乙醇溶液為提取劑,采用超聲波輔助對(duì)菱角皮中的紅色素進(jìn)行提取,保持其他條件不變,分別調(diào)整料液比為1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80(g/mL),測(cè)定提取液的吸光值,試驗(yàn)結(jié)果見圖3。
圖3 料液比對(duì)菱角皮紅色素提取效果的影響Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on extraction of red pigment from Trapa natans husk
由圖3可知,當(dāng)料液比在1∶30~1∶60之間時(shí),菱角皮紅色素提取液的吸光值逐漸上升,可能是由于隨著乙醇溶液用量的增加,加大了菱角皮與乙醇之間的接觸面,使紅色素能夠被充分提取出來。當(dāng)料液比在1∶60~1∶80之間時(shí),提取液的吸光值顯著下降。因此,選擇菱角皮紅色素提取的最佳料液比為1∶60。
2.2.3 乙醇濃度對(duì)菱角皮紅色素提取效果的影響
圖4 乙醇濃度對(duì)菱角皮紅色素提取效果的影響Fig.4 Effect of ethanol concentration on extraction of red pigment from Trapa natans husk
以乙醇為提取劑,采用超聲波輔助對(duì)菱角皮中的紅色素進(jìn)行提取,保持其他條件不變,分別調(diào)整乙醇濃度為40%、50%、60%、70%、80%、90%,測(cè)定提取液的吸光值,試驗(yàn)結(jié)果見圖4。
由圖4可知,菱角皮紅色素的提取效果受乙醇濃度的影響較大,當(dāng)乙醇溶液的濃度在40%~60%之間時(shí),隨著乙醇濃度的增加,菱角皮紅色素提取液的顏色逐漸加深,吸光值逐漸增大,在乙醇濃度為60%時(shí)達(dá)到最大,此后隨著乙醇濃度的增加,吸光值逐漸減小,可能是由于過高的乙醇濃度降低了菱角皮紅色素的溶解速率。因此,選擇最佳乙醇濃度為60%。
2.2.4 超聲溫度對(duì)菱角皮紅色素提取效果的影響
以乙醇為提取劑,采用超聲波輔助對(duì)菱角皮中的紅色素進(jìn)行提取,保持其他條件不變,分別調(diào)整超聲溫度為30,40,50,60,70,80 ℃,測(cè)定提取液的吸光值,試驗(yàn)結(jié)果見圖5。
圖5 超聲溫度對(duì)菱角皮紅色素提取效果的影響Fig.5 Effect of ultrasonic temperature on extraction of red pigment from Trapa natans husk
由圖5可知,當(dāng)超聲溫度低于60 ℃時(shí),菱角皮紅色素提取的吸光值緩慢上升,在60 ℃時(shí)達(dá)到最大,當(dāng)超聲溫度高于60 ℃時(shí),吸光值逐漸降低,同時(shí)過高的溫度會(huì)使紅色素分解,從而影響了菱角皮紅色素的提取效果。因此,選擇最佳超聲溫度為60 ℃。
2.2.5 超聲功率對(duì)菱角皮紅色素提取效果的影響
以乙醇為提取劑,采用超聲波輔助對(duì)菱角皮中的紅色素進(jìn)行提取,保持其他條件不變,分別調(diào)整超聲功率為450,600,750,900,1050,1200 W,測(cè)定提取液的吸光值,試驗(yàn)結(jié)果見圖6。
由圖6可知,當(dāng)超聲功率低于900 W時(shí),菱角皮紅色素提取液的吸光值逐漸上升。功率低于900 W時(shí),超聲波的振動(dòng)幅度較小,紅色素提取不徹底;高于900 W時(shí),超聲波的振動(dòng)幅度過大,超聲波的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)等可能破壞紅色素的分子結(jié)構(gòu),導(dǎo)致提取效果不佳。因此,選擇菱角皮紅色素提取的最佳超聲功率為900 W。
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇超聲時(shí)間、料液比、乙醇濃度、超聲溫度4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn),以菱角皮紅色素提取液的吸光值為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)菱角皮紅色素的提取條件進(jìn)一步優(yōu)化。正交試驗(yàn)因素水平見表1,試驗(yàn)結(jié)果見表2。
表1 正交試驗(yàn)因素水平Table 1 The factors and levels of orthogonal test
表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of orthogonal test
由表2可知,影響菱角皮紅色素提取效果的因素主次順序?yàn)锽>C>D>A,即影響最大的因素是料液比,其次是乙醇濃度,影響較小的因素是超聲溫度和超聲時(shí)間。綜合正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知,菱角皮紅色素的最佳提取條件為A2B2C2D2,即提取時(shí)間50 min、料液比1∶60 (g/mL)、乙醇濃度60%、超聲溫度60 ℃。
稱取一定量的菱角皮原料,選擇60%乙醇為提取劑,調(diào)節(jié)料液比為1∶60 (g/mL),在60 ℃下超聲提取50 min,測(cè)得提取液的吸光值為0.823,高于正交表中的最大吸光值,驗(yàn)證了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。
2.4.1 溫度對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響
將提取得到的菱角皮紅色素溶液置于比色管中,分別放置在不同溫度的恒溫水浴鍋中,放置1 h并振蕩3次,隨后測(cè)定吸光值,并觀察菱角皮紅色素溶液顏色的變化,試驗(yàn)結(jié)果見圖7。
由圖7可知,隨著溫度的升高,菱角皮紅色素的吸光值變化很小,說明溫度的變化對(duì)菱角皮紅色素的影響較小,即菱角皮紅色素具有良好的熱穩(wěn)定性。
2.4.2 光線對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響
將提取的菱角皮紅色素溶液分成兩組:一組儲(chǔ)存在黑暗的房間,另一組儲(chǔ)存在室外穩(wěn)定的自然光下。每隔1 h從兩組中各取1支比色管測(cè)量吸光值,試驗(yàn)結(jié)果見圖8。
圖8 光線對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響Fig.8 Effect of light on the stability of red pigment from Trapa natans husk
由圖8可知,菱角皮紅色素在黑暗條件和自然光下,顏色逐漸加深,吸光值逐漸升高,在自然光下的變化趨勢(shì)更明顯。因此,光線對(duì)菱角皮紅色素的穩(wěn)定性有一定的影響,在儲(chǔ)藏中應(yīng)盡量避光保存。
2.4.3 pH值對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響
將菱角皮紅色素提取液分別在不同的pH環(huán)境下保持1 h,測(cè)量各提取液的吸光值,試驗(yàn)結(jié)果見圖9。
圖9 pH值對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響Fig.9 Effect of pH value on the stability of red pigment from Trapa natans husk
由圖9可知,隨著pH值的升高,菱角皮紅色素的吸光值逐漸變大,當(dāng)pH達(dá)到9以后吸光值逐漸趨于穩(wěn)定,試驗(yàn)中觀察到色素溶液的顏色逐漸加深,直至變?yōu)樽虾稚?。因此,pH值對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響較大。
以菱角皮為原料,比較了乙醇提取、石油醚∶丙酮混合溶液提取、超聲波輔助乙醇提取、超聲波輔助石油醚∶丙酮混合溶液提取4種方法,選擇了超聲波輔助乙醇法作為菱角皮紅色素的提取方法,并通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明,超聲波輔助乙醇提取菱角皮中紅色素的最佳工藝參數(shù)為:乙醇濃度60%、料液比1∶60(g/mL)、超聲提取時(shí)間50 min、超聲溫度60 ℃、超聲功率900 W,在此條件下,菱角皮紅色素提取液的吸光值為0.823。對(duì)提取的菱角皮紅色素的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,試驗(yàn)結(jié)果表明,pH值對(duì)菱角皮紅色素穩(wěn)定性的影響較大,光線對(duì)其穩(wěn)定性有一定的影響,溫度對(duì)其影響較小。
菱角皮紅色素的超聲提取工藝較簡(jiǎn)單,提取效果較好,提取得到的紅色素穩(wěn)定性較高,可作為化學(xué)合成色素的替代產(chǎn)品用于調(diào)味品、飲料、酒類等食品的著色,具有很大的市場(chǎng)潛力。