阿依古麗·塔什波拉提，阿不力孜·艾力，王苗苗，曼尼薩古麗

(1.新疆維吾爾自治區(qū)分析測試研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆烏魯木齊 830000)

新疆薰衣草屬于唇形科狹葉薰衣草(LavandulaangustifoliaMill.)，半灌木，高15～40 cm，氣芳香，味辛涼。薰衣草作為傳統(tǒng)維吾爾族藥材，具有利濕、健胃、清腦、祛風(fēng)寒的功能，用于寒性感冒、關(guān)節(jié)痛、胸腹脹滿、心悸氣短、頭痛頭暈、哮喘等疾病[1]，原產(chǎn)地中海沿岸，是具有悠久的種植和應(yīng)用歷史的香料植物。目前伊犁河谷地區(qū)是我國薰衣草栽培基地，占全國薰衣草種植面積的90%左右，是全國最大的薰衣草種植基地。與法國的普羅旺斯、日本北海道的富良野稱為世界上三大薰衣草基地[2]。目前，伊犁河谷地區(qū)的薰衣草除了觀賞外，主要用于提取精油。國內(nèi)關(guān)于薰衣草的研究主要側(cè)重于精油提取及其成分鑒定[3-5]和精油的應(yīng)用[6-8]方面，研究發(fā)現(xiàn)薰衣草精油具有抗菌抑菌[9-11]、降血壓[4，12]、抗焦慮[5]、燒傷治療[6]以及改善血管性癡呆大鼠認(rèn)知功能[7]等生物活性。近年來國內(nèi)關(guān)于薰衣草精油以外成分提取及其應(yīng)用方面的報道較少[13-15]，但關(guān)于薰衣草花色素提取及其穩(wěn)定性方面的研究鮮見報道。因此，筆者以新疆狹葉薰衣草花穗為研究對象，擬采用酸性有機(jī)溶劑，用恒溫振蕩提取薰衣草花中天然色素并對色素提取工藝和色素穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對于提高新疆優(yōu)勢自然資源薰衣草的附加值、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍具有重大現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1試材。原料狹葉薰衣草(LavandulaaugustifoliaMill.)干花購于新疆霍城縣薰衣草種植基地，放入密閉袋子里，置于避光，陰涼處保存。

1.1.2試劑。檸檬酸、無水乙醇、鹽酸、甲酸、甲醇、石油醚、乙酸乙酯、高錳酸鉀、碘化鉀、氯化鈉、氯化銅、三氯化鐵、氯化鎂、無水氯化鈣(粒)、葡萄糖、蔗糖，以上試劑均為分析純。

1.1.3儀器與設(shè)備。ZWY-211C恒溫培養(yǎng)振蕩器，上海智誠分析儀器制造有限公司；UV-2700型紫外分光光度計，日本島津有限公司；P-12型聯(lián)用型平行蒸發(fā)儀，瑞士布奇(BUCHI)公司；R-220型工業(yè)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，瑞士布奇(BUCHI)公司；Beta1-8型冷凍干燥器，德國(CHRIST)庫爾斯特有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1色素提取工藝流程。薰衣草花色素提取工藝流程如圖1所示。

圖1 薰衣草花色素提取工藝流程

1.2.2色素的光譜特征。精確稱取薰衣草花穗粉末(40目)3份各1.0 g，分別加入體積分?jǐn)?shù)為1.0%的甲酸水溶液，浸提24 h后，過濾，各取5.0 mL色素溶液定容至50 mL，以1.0% 體積分?jǐn)?shù)的甲酸水溶液為參比溶液，用紫外可見分光光度儀，在200～650 nm進(jìn)行掃描，觀察色素吸收光譜曲線，發(fā)現(xiàn)薰衣草花色素分別在紫外區(qū)270 nm附近和可見區(qū)545 nm附近產(chǎn)生較大吸收峰，該研究確定545 nm處吸收波長為薰衣草花穗最大特征吸收波長，色素光譜特性見圖2。

圖2 薰衣草花色素紫外-可見光譜

由薰衣草花穗天然色素吸收光譜(圖2)可知，色素在545 nm 附近出現(xiàn)最大吸收峰，色素光譜特征說明薰衣草花穗色素屬于黃酮家族中水溶性花色苷類色素。

1.2.3單因素試驗。以色素溶液在545 nm處吸光度為考察指標(biāo)，分別考察提取溶劑種類、提取溶劑體積分?jǐn)?shù)、提取溫度、提取時間、料液比等因素對色素提取效果的影響。

1.2.3.1提取溶劑種類的選擇。精密稱取11份各2.0 g薰衣草干花粉末(40目)，分別置于11個三角瓶里，分別加入不同溶劑[自來水、1%HCl、無水乙醇、1%HCl-乙醇(v/v)、甲醇、丙酮、乙醚、正丁醇、乙酸乙酯、石油醚、1.00%甲酸]各150 mL，浸提24 h后觀察不同溶劑對薰衣草花色素溶解效果并測定各溶液545 nm處的吸光度，根據(jù)色素顏色和吸光度選擇較適宜提取溶劑。

1.2.3.2提取溶劑體積分?jǐn)?shù)的選擇。精密稱取6份各2.0 g薰衣草干花粉末(40目)，分別置于6個三角瓶中，固定料液比1∶20(g∶mL)、提取溫度50 ℃、提取時間60 min，用體積分?jǐn)?shù)分別為0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%的甲酸溶液，在恒溫振蕩設(shè)備中振蕩提取，待色素提取溶液溫度降至室溫后，稀釋10倍定容，用相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)的提取溶劑為參比溶液，分別測定545 nm處的吸光度，根據(jù)吸光度確定甲酸最適宜的體積分?jǐn)?shù)。

1.2.3.3提取溫度的選擇。精密稱取6份各2.0 g薰衣草干花粉末(40目)，分別置于6個三角瓶中，固定料液比1∶20、提取溶劑1.00%甲酸、提取時間60 min，分別用30、35、40、45、50、55、60 ℃ 7個梯度的溫度下振蕩提取，過濾色素溶液，待色素溶液溫度降至室溫后，稀釋10倍定容，用1.00%甲酸為參比溶液，分別測定在545 nm處的吸光度，根據(jù)吸光度選擇最適宜提取溫度。

1.2.3.4提取時間的選擇。精密稱取6份各2.0 g薰衣草干花粉末(40目)，分別置于6個三角瓶中，固定料液比1∶20、提取溶劑1.00%甲酸、提取溫度50 ℃，分別在20、40、60、80、100、120 min 6個不同時間段振蕩提取，過濾色素溶液，待色素溶液溫度降至室溫后，稀釋10倍定容，用1.00%甲酸為參比溶液，分別測定各時間段下提取的色素溶液在545 nm處的吸光度，根據(jù)吸光度確定最適宜提取時間。

1.2.3.5料液比的選擇。精密稱取6份各2.0 g薰衣草干花粉末(40目)，分別置于6個三角瓶中，固定提取溶劑1.00%甲酸、提取溫度50 ℃、提取時間60 min，分別設(shè)定1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30共5個梯度料液比，恒溫振蕩提取，過濾色素溶液，待色素溶液溫度降至室溫后，稀釋10倍定容，用1.00%甲酸為參比溶液，分別測定料液比5個梯度提取的色素溶液在545 nm處的吸光度，根據(jù)吸光度確定最適宜料液比。

1.2.4正交試驗設(shè)計。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取對薰衣草花色素提取效果影響較大的4個因素，以吸光度為考察指標(biāo)，采用L9(34)進(jìn)行4因素3水平正交試驗，對薰衣草花色素提取工藝參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，確定色素最佳的提取工藝。

1.2.5色素的工藝驗證試驗。分別稱取各200 g的3份薰衣草花穗干粉樣品，在正交試驗得出的最適宜的提取工藝條件下平行提取花色素，按照“1.2.1”工藝流程，最后得到3份色素提取液干粉，分別稱重，按下列公式計算色素最佳工藝條件下的相對提取率：

(1)

式中，M1為薰衣草色素粗體液冷凍干燥后的質(zhì)量(g)；M2為薰衣草花穗樣品原料干粉質(zhì)量(g)。

1.2.6薰衣草花穗色素穩(wěn)定性研究[16-21]。在優(yōu)化后的最佳提取工藝條件下提取薰衣草花色素溶液，取相同濃度和體積的色素溶液，適當(dāng)稀釋后，以545 nm處吸光度為考察指標(biāo)，分別考察不同pH、溫度、光照(自然光、避光)、常用食品添加劑、氧化還原劑以及無機(jī)鹽類對色素顏色穩(wěn)定性的影響。具體試驗設(shè)計如下：

(1)pH對色素穩(wěn)定性的影響。取相同濃度和體積的薰衣草花色素提取液5份，分別稀釋20倍后，用0.1 mol/L HCl溶液和0.1 mol/L NaOH溶液將色素溶液的pH分別調(diào)至1、3、5、7、9，并充分混合均勻后定容至相同體積，在545 nm吸收波長處測定吸光度，考察不同pH條件下色素溶液吸光度和顏色的變化情況。

(2)加熱溫度對色素穩(wěn)定性的影響。取相同濃度和體積的薰衣草花色素提取液12份，每份樣品溶液稀釋20倍后，分別設(shè)定10、20、30、40、50、60 ℃ 6個梯度加熱溫度，分別加熱1 h，在每個加熱溫度下平行處理2個樣品，待6個梯度加熱樣品溫度降至室溫后，在545 nm處分別測定其吸光度，考察不同加熱溫度對色素顏色及形態(tài)的影響。

(3)光照對色素穩(wěn)定性的影響。取相同濃度和體積的薰衣草花色素提取液9份，分別稀釋20倍后，分成3組，每組3個平行樣品，第1組樣品置于避光處，第2組樣品置于自然光處，第3組樣品置于陽光直射處，分別存放7 d，在存放1、3、5和7 d后，分別測定這3組色素溶液在545 nm處的吸光度，觀察在3種不同的光照環(huán)境下存放的色素溶液吸光度的變化。

(4)常用食品添加劑對色素穩(wěn)定性的影響。取相同濃度和體積的薰衣草花色素提取液10份，分別稀釋20倍后，每2個色素溶液為一組(平行樣)，分成5組，第1組色素溶液為對照組樣品，只滴入2滴蒸餾水；第2組色素溶液中滴入2滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的碘化鉀溶液，第3組色素溶液中滴加2滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的高錳酸鉀溶液，第4組色素溶液中滴加2滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的蔗糖溶液，第5組色素溶液中滴加2滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的葡萄糖溶液。將5組裝有色素溶液的比色管分別在渦旋機(jī)上渦旋3 min，將溶液充分混勻后在545 nm處測定吸光度，并觀察色素溶液狀態(tài)。

(5)無機(jī)鹽類對色素穩(wěn)定性的影響。配制5種無機(jī)鹽類(Na+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Fe3+)溶液，各溶液濃度均為0.01 mol/L。取相同濃度和體積的薰衣草花色素提取液12份，分別稀釋20倍后，每2個色素溶液為一組(平行樣)，分成6組，第1組為對照組樣品色素溶液，該組溶液中只加入1.0 mL蒸餾水，第2組色素溶液中加入1.0 mL Na+溶液，第3組中加入1.0 mL Ca2+溶液，第4組中加入1.0 mL Mg2+溶液，第5組加入1.0 mL Cu2+溶液，第6組中加入1.0 mL Fe3+溶液，充分搖均，置于暗處分別存放2和24 h后，在最大吸收波長545 nm處分別測定6組色素溶液吸光度，并觀察色素溶液狀態(tài)的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1提取溶劑種類對色素提取效果的影響。用11種不同極性的提取溶劑提取薰衣草花色素，結(jié)果見表1。由表1可知，在11種不同極性的提取溶劑中，對薰衣草花穗色素溶解效果比較突出的是1.00%甲酸，1%HCl和1%HCl-乙醇次之，薰衣草花穗色素在極性較大的酸性溶劑中易溶解，并呈現(xiàn)出比較透明的玫紅色。其中1.00%甲酸提取的色素溶液呈現(xiàn)出透明的正玫紅色，因此，選取1.00%甲酸為薰衣草花穗色素的提取溶劑。

表1 薰衣草花色素在不同極性提取溶劑中的溶解性

2.1.2提取溶劑體積分?jǐn)?shù)對色素提取效果的影響。從圖3可以看出，甲酸體積分?jǐn)?shù)對色素提取效果的影響比較明顯，甲酸體積分?jǐn)?shù)在0.50%～1.00%，隨著甲酸體積分?jǐn)?shù)的增加色素溶液吸光度逐漸升高，當(dāng)甲酸溶液體積分?jǐn)?shù)為1.00%時色素溶液吸光度達(dá)到最大，然后繼續(xù)加大甲酸的體積分?jǐn)?shù)，色素溶液吸光度隨著甲酸體積分?jǐn)?shù)的增加而降低并趨于平穩(wěn)。究其原因，薰衣草花穗色素屬于水溶性花色苷類色素，花色苷類具有易溶于酸性介質(zhì)、也溶于堿性介質(zhì)的性質(zhì)，即溶劑的酸堿度對色素溶解性的影響比較大，當(dāng)溶劑酸度達(dá)到1.00% 時，花色苷類色素溶解性達(dá)到最大，該體積分?jǐn)?shù)(1.00%)色素溶液吸光度增加且溶液中酸性結(jié)構(gòu)的花色苷濃度達(dá)到平衡狀態(tài)，此時再繼續(xù)提高溶劑的酸度，花色苷類的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，打破了之前的平衡，色素吸光度隨著溶劑酸度的提高反而降低并趨于平穩(wěn)。因此，確定甲酸最適宜的酸度為1.00%。

圖3 甲酸體積分?jǐn)?shù)對色素提取效果的影響

2.1.3提取溫度對色素提取效果的影響。由圖4可知，提取溫度在30～55 ℃，隨著提取溫度的逐步升高色素溶液吸光度也逐漸增高，55 ℃達(dá)到最高，60 ℃時略微下降。說明隨著溫度的升高色素在提取溶劑中的溶解度變大，當(dāng)提取溫度提高到55 ℃后色素的溶解度達(dá)到平衡，因此，確定55 ℃為最適宜的提取溫度。

圖4 提取溫度對色素提取效果的影響

2.1.4提取時間對色素提取效果的影響。由圖5可知，恒溫振蕩提取時間對色素溶液吸光度的影響也比較明顯，提取時間在20～60 min，隨著提取時間的延長，色素溶液吸光度快速提高，當(dāng)提取時間延長到80 min后，色素溶液吸光度達(dá)到平衡，再繼續(xù)延長提取時間，色素溶液吸光度變化不明顯。因此，綜合考慮生產(chǎn)中能耗成本，確定80 min為較適宜的提取時間。

圖5 提取時間對色素提取效果的影響

2.1.5料液比對色素提取效果的影響。由圖6可知，料液比在1∶10～1∶15，隨著提取溶劑體積的增大，色素溶液吸光度保持在0.8左右，沒有明顯提高，當(dāng)料液比在1∶20時色素溶液的吸光度比前2個梯度的料液比提高了30%，達(dá)到最高，之后繼續(xù)加大提取溶劑體積，色素溶液吸光度不隨提取溶劑體積增大而變大，色素溶液吸光度保持在1.1左右。因此，綜合考慮試劑生產(chǎn)材料成本因素，最后確定1∶20為薰衣草花穗色素最適宜的料液比。

圖6 料液比對色素提取效果的影響

2.2 正交試驗根據(jù)單因素試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對色素提取效果影響較為顯著的因素有甲酸體積分?jǐn)?shù)、提取溫度、提取時間和料液比。因此，用4因素3水平正交試驗設(shè)計，對色素提取工藝進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，正交試驗結(jié)果見表2。

由表2可知，各因素對色素提取效果的影響程度從大到小依次為D(料液比)>B(提取溫度)>C(提取時間)>A(甲酸體積分?jǐn)?shù))；最終確定最佳提取條件為A3B3C3D2，薰衣草花色素的最佳提取工藝條件為用料液比1∶20的體積分?jǐn)?shù)1.00%甲酸在60 ℃溫度下加熱提取80 min后得到的色素溶液吸光度最大，說明利用優(yōu)化后的工藝可以有效提取薰衣草花穗中花色苷類色素。

表2 正交試驗結(jié)果

2.3 色素提取工藝驗證試驗分別稱取200.5 g薰衣草花穗粉末(40目)3份，在正交試驗得到的最佳工藝條件下，提取至薰衣草花穗原料無色素溶液析出為止，分別合并，按照“1.2.1”工藝流程將3份色素溶液分別凍干后得到3份色素粗提物粉末，分別稱量3份色素粗提物質(zhì)量，按照公式(1)分別計算3份薰衣草花穗色素的相對提取率分別為20.12%、20.10%、20.45%，平均相對提取率為20.22%。說明正交試驗優(yōu)化后色素提取工藝是穩(wěn)定有效、可行的。

2.4 色素穩(wěn)定性研究

2.4.1pH對色素穩(wěn)定性的影響。由圖7可知，pH對色素穩(wěn)定性的影響較為顯著，隨著色素溶液pH的增大，色素溶液吸光度顯著降低，色素在酸性條件下的吸光度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于弱酸性、中性及堿性條件下的吸光度。在試驗中發(fā)現(xiàn)色素溶液的顏色也隨著pH的逐步增大由紅色、玫紅色逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闇\棕色和深棕色，在酸性條件下(pH 1～3)薰衣草花穗色素呈現(xiàn)出穩(wěn)定的紅色和正玫紅色等鮮艷的顏色，而在弱酸性、中性及堿性條件下色素顏色變?yōu)闇\棕色和棕色。這進(jìn)一步證明薰衣草花色素屬于花色苷類色素，花色苷類的顏色隨著pH的變化而變化。

圖7 pH對色素穩(wěn)定性的影響

2.4.2加熱溫度對色素穩(wěn)定性的影響。從圖8可以看出，在10～60 ℃，色素溶液吸光度保持在0.6～0.8，色素溶液吸光度隨著加熱溫度的升高變化不太明顯，說明薰衣草花色素在10～60 ℃熱穩(wěn)定性比較好，在日常使用薰衣草花穗色素時，加熱溫度應(yīng)控制在60 ℃以下。試驗結(jié)果進(jìn)一步提示該色素可以作為著色劑添加到各種飲料和冰激凌等食品中。

圖8 加熱溫度對色素穩(wěn)定性的影響

2.4.3光照對色素穩(wěn)定性的影響。分別用避光、自然光、陽光直射3種環(huán)境條件下存放7 d，在保存的1、3、5、7 d后，分別測定3組色素溶液在最大吸收波長545 nm處的吸光度，并觀察色素溶液變化，結(jié)果見圖9。

圖9 光照對色素穩(wěn)定性影響

由圖9可以看到，這3組不同光照條件下保存的薰衣草花色素吸光度均隨著儲藏時間的延長逐漸降低，其中，避光組吸光度的降低速率明顯比其他2組的緩慢，自然光組降低速率位于中間，陽光直射組吸光度的降低速率最快。不同光照試驗結(jié)果表明，薰衣草花色素在避光且常溫條件下比較穩(wěn)定，陽光直射加速色素溶液的降解，說明薰衣草色素在強(qiáng)烈陽光照射環(huán)境下和常溫自然光照射環(huán)境下均不穩(wěn)定，在日常使用薰衣草花色素時應(yīng)注意避光保存。

2.4.4常用食品添加劑對色素穩(wěn)定性的影響。由圖10可知，常用的食品添加劑高錳酸鉀對色素溶液產(chǎn)生氧化作用，添加高錳酸鉀的色素溶液吸光度與對照樣品溶液(無添加任何添加劑的原色素溶液樣品)吸光度相比，添加高錳酸鉀的色素溶液吸光度明顯降低，說明薰衣草花色素應(yīng)避免與強(qiáng)氧化性食品添加劑一起使用。添加了碘化鉀、蔗糖和葡萄糖的色素溶液吸光度與對照樣品溶液吸光度相比相差不明顯，說明色素溶液在碘化鉀、蔗糖和葡萄糖等常用食品添加劑共存時比較穩(wěn)定。

圖10 食品添加劑對色素穩(wěn)定性的影響

2.4.5無機(jī)鹽類對色素穩(wěn)定性的影響。由圖11可知，除了Fe3+以外的其他離子均對色素不會產(chǎn)生不良影響，即滴入Na+、Ca2+、Mg2+、Cu2+常規(guī)無機(jī)鹽類的色素溶液在暗處存放2和24 h后吸光度與對照樣品同樣保存期限的吸光度相差不明顯，且顏色變化也不太明顯。但滴入Fe3+使薰衣草花色素溶液變渾濁，顏色變成棕色，鐵離子可能起到氧化劑的作用，加速薰衣草花色素氧化，產(chǎn)生發(fā)色團(tuán)的結(jié)構(gòu)變化，而影響色素形態(tài)和穩(wěn)定性。說明除了Fe3+以外無機(jī)鹽類對薰衣草花色素穩(wěn)定性的影響不太明顯，因此，在實際生產(chǎn)和使用過程中，薰衣草花色素應(yīng)避免使用鐵容器存放或烹飪。

圖11 無機(jī)鹽類對色素穩(wěn)定性的影響

3 結(jié)論與討論

該研究采用恒溫振蕩提取方法提取薰衣草花穗中天然色素。首先用單因素試驗考察了影響薰衣草花穗中天然色素提取效果的各因素，然后用正交試驗設(shè)計，對單因素試驗得出的提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，最后得到薰衣草花穗中天然色素的最佳提取工藝為料液比為1∶20的體積分?jǐn)?shù)1.00%甲酸在60 ℃提取80 min；與單因素試驗結(jié)果基本吻合。在此最佳提取工藝條件下，色素粗體物相對提取率高達(dá)20.22%，得到的薰衣草花穗中天然色素在1.00%甲酸中呈現(xiàn)出正玫紅色，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)并真空減壓干燥后得到的色素固體呈現(xiàn)出深紫紅色。

該試驗研究了薰衣草色素不同儲藏環(huán)境、溫度、光、食品添加劑及無機(jī)鹽類共存的條件下穩(wěn)定性的變化，結(jié)果表明薰衣草花穗中天然色素在60 ℃以下避光條件下比較穩(wěn)定。強(qiáng)氧化劑、常溫自然光和陽光直射環(huán)境下以及鐵離子共存的環(huán)境下很不穩(wěn)定。常用的食品添加劑以及Na+、Ca2+、Mg2+、Cu2+對色素穩(wěn)定性不會產(chǎn)生不良影響。

薰衣草作為新疆特色植物資源，資源較豐富，薰衣草花穗中含有較豐富的色素成分，而且提取工藝簡單、易控制，安全無毒，可以用于食品、化妝品的著色，是一種值得開發(fā)利用的天然著色劑。