溫文君，李 森，李鑫鵬，李占蓉

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中 030801）

花青素是一類多羥基酚類物質(zhì)，在黑豆種皮中總花青素含量較高[1-2]。抗氧化能力是黑豆種皮花青素許多重要生理功能的基礎(chǔ)[3]，研究表明，花青素在較低劑量時(shí)可以直接清除活性氧，具有較好的抗氧化作用[4-5]，基于此，可將其作為安全無(wú)毒的抗氧化劑應(yīng)用于多種行業(yè)中[6]。由于黑豆的可直接食用性和抗氧化性，將其制成保健品成為研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)方向。目前市場(chǎng)上已開(kāi)發(fā)出一些生血養(yǎng)血和護(hù)眼明目的黑豆保健食品[7]。此外，黑豆種皮的花青素還可以作為天然著色劑和防腐劑應(yīng)用于各種食品中[8]，既能保障食用安全性，又具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

目前對(duì)植物中花青素的提取方法已有大量的研究，常用的花青素提取法一般有溶劑提取法、超聲波提取法、酶提取法和微波輔助提取法等[9]。其中溶劑提取法具有操作安全的特點(diǎn)，但同時(shí)也具有提取時(shí)間長(zhǎng)、溶劑消耗量大、成本高等缺點(diǎn)[10-11]；超聲波提取法具有浸提溫度低、時(shí)間短、速度快和節(jié)約溶劑且無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，但提取過(guò)程會(huì)產(chǎn)生噪音[12-13]；酶提取法反應(yīng)條件溫和、無(wú)有機(jī)溶劑殘留且提取率較高，但是能耗成本及對(duì)試驗(yàn)精準(zhǔn)度的要求均較高[14-15]；微波輔助提取操作簡(jiǎn)單、選擇性多、提取時(shí)間短、效率高[16-18]。綜合來(lái)看，微波輔助提取法可縮短提取時(shí)間，減少熱損失，且適用范圍較廣，試驗(yàn)更加便利。花青素在較高溫度下會(huì)發(fā)生分解，影響其抗氧化活性，降低其應(yīng)用價(jià)值[19-21]。因此，在優(yōu)化花青素提取條件時(shí)還需要考慮對(duì)抗氧化活性的影響。

黑豆種皮中花青素含量豐富，為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)黑豆中花青素資源，本研究采用微波輔助提取法，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)花青素提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)測(cè)定其不同提取條件下的抗氧化性，進(jìn)一步優(yōu)化提取溫度，為黑豆種皮的合理開(kāi)發(fā)及黑豆種皮花青素的深入研究和應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

黑豆種皮（已脫殼），購(gòu)于本地超市；矢車菊素-3-O-葡萄糖苷、水楊酸、過(guò)硫酸鉀，上海麥克林生化科技有限公司；無(wú)水乙醇、抗壞血酸，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；H2O2，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；FeSO4、1,1-二苯基-2-苦基肼（DPPH），上海晶純生化科技股份有限公司；2,2′-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS），羅氏集團(tuán)。

1.1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9023A 型臺(tái)式干燥箱，浙江和呈科學(xué)儀器公司；ESW-1.0 實(shí)驗(yàn)室粉碎磨，上海易勒機(jī)電有限公司；ZX-S24電熱恒溫水浴鍋，蘇州力意達(dá)儀器科技有限公司；Heraeus Multifuge X1R 離心機(jī)，賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司；UV-1100 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海美譜達(dá)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 提取工藝

將黑豆種皮粉碎，過(guò)40目篩，稱取1.0 g黑豆種皮粉置于離心管中，加入體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液20 mL，350 W 微波處理30 s 后，40 ℃恒溫水浴提取30 min。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

稱取10 mg 矢車菊素-3-O-葡萄糖苷，配制成0.1 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別取標(biāo)準(zhǔn)溶液0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 mL，并用60%乙醇定容至10 mL的容量瓶中，然后進(jìn)行30 ℃恒溫水浴10 min。使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在520 nm處測(cè)定待測(cè)溶液的吸光度。以花青素質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線:y=3.458 8x-0.035 5，R2=0.992 1。

1.2.3 花青素提取量的計(jì)算

稱取1.0 g黑豆種皮粉末，以60%乙醇為提取劑，在不同試驗(yàn)條件下進(jìn)行花青素提取，以4 000 r/min離心10 min，取上清液在520 nm 處測(cè)定吸光度，根據(jù)“1.2.2”中的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算提取液中花青素質(zhì)量濃度（C），花青素含量（mg/g）以矢車菊素-3-O-葡萄糖苷含量計(jì)，計(jì)算公式如下：

其中：C 為花青素濃度（mg/mL）；V 為提取體系體積（mL）；n為稀釋倍數(shù)；m為黑豆種皮原料質(zhì)量（g）。

1.2.4 微波輔助提取單因素試驗(yàn)

1.2.4.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)的篩選

固定黑豆粉質(zhì)量和乙醇體積比（料液比）為1∶20（g/mL），350 W微波30 s，40 ℃恒溫水浴提取30 min，設(shè)置乙醇體積分?jǐn)?shù)分別為40%、50%、60%、70%、80%，以花青素提取量為指標(biāo)篩選提取溶劑體積分?jǐn)?shù)。

1.2.4.2 料液比的篩選

固定乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，350 W微波30 s，40 ℃恒溫水浴提取30 min，設(shè)置料液比分別為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30（g/mL），以花青素提取量為指標(biāo)篩選提取料液比。

1.2.4.3 提取時(shí)間的篩選

固定料液比1∶20（g/mL），乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，350 W 微波30 s，40 ℃恒溫水浴，設(shè)置水浴時(shí)間分別為20、30、40、50、60 min，以花青素提取量為指標(biāo)篩選提取時(shí)間。

1.2.4.4 微波時(shí)間的篩選

固定料液比1∶20（g/mL），乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，350 W 微波不同時(shí)間（10、20、30、40、50 s），40 ℃恒溫水浴30 min，以花青素提取量為指標(biāo)篩選微波時(shí)間。

1.2.4.5 提取溫度的篩選

固定料液比1∶20（g/mL），乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，350 W微波30 s，設(shè)置提取溫度分別為20、30、40、50、60、70 ℃，恒溫水浴30 min，以花青素提取量為指標(biāo)篩選提取溫度。

1.2.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取提取溫度（A）、提取時(shí)間（B）、微波時(shí)間（C）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（D）、料液比（E）為影響因素，以黑豆種皮花青素提取量為考察指標(biāo)，進(jìn)行L16(45)正交試驗(yàn)，因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.6 花青素抗氧化活性的測(cè)定

1.2.6.1 羥基自由基清除能力

參考高潔等[22]的方法。配制一系列質(zhì)量濃度梯度的黑豆種皮花青素溶液（0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg/mL），取不同質(zhì)量濃度待測(cè)液2 mL，按順序加入2 mL 9 mmol/L FeSO4溶液、2 mL 9 mmol/L 乙醇-水楊酸溶液，最后加入2 mL 8.8 mmol/L H2O2后搖勻，在37 ℃恒溫水浴15 min 后取出，使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定待測(cè)溶液在510 nm處的吸光度（A1），設(shè)置對(duì)照（A2）和空白（A0），以VC為陽(yáng)性對(duì)照。清除率計(jì)算公式為：

1.2.6.2 DPPH自由基清除能力

參考高潔等[22]的方法。用無(wú)水乙醇配制濃度為0.2 mmol/L的DPPH溶液，避光保存，現(xiàn)配現(xiàn)用。配制質(zhì)量濃度分別為0.001、0.005、0.010、0.020、0.030、0.040 mg/mL 的黑豆種皮花青素溶液，取不同質(zhì)量濃度待測(cè)液0.5 mL，加入0.5 mL配制好的DPPH乙醇溶液，搖勻，室溫避光靜置反應(yīng)30 min，使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在517 nm處測(cè)量待測(cè)溶液的吸光度（A1），設(shè)置對(duì)照（A2）和空白（A0），以VC為陽(yáng)性對(duì)照。清除率計(jì)算公式見(jiàn)“1.2.6.1”。

1.2.6.3 ABTS自由基清除能力

參考林好等[23]的方法。配制試劑Ⅰ：準(zhǔn)確稱取0.038 4 g ABTS，用蒸餾水定容至10 mL；配制試劑Ⅱ：稱取0.013 4 g 過(guò)硫酸鉀，用蒸餾水定容至10 mL；將試劑Ⅰ與試劑Ⅱ等量混合，避光反應(yīng)12～16 h 后得ABTS工作液，使用前用無(wú)水乙醇稀釋至在734 nm 處測(cè)得吸光度為0.70，然后取黑豆種皮花青素配制成質(zhì)量濃度分別為0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10 mg/mL 的溶液，取0.15 mL 樣品溶液和2.75 mL ABTS 工作液混合均勻，置于37 ℃恒溫水浴鍋中避光反應(yīng)20 min，使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在517 nm 處測(cè)定待測(cè)溶液的吸光度（A1），設(shè)置對(duì)照（A2）和空白（A0）。清除率計(jì)算公式見(jiàn)“1.2.6.1”。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行分析，并采用Origin Pro 8.5作圖，采用SPSS 22中的ANOVA結(jié)合Duncan’s檢驗(yàn)對(duì)不同處理組之間的差異進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 花青素提取單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)花青素提取量的影響

花青素的結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)羥基，具有很強(qiáng)的極性，因此易溶于水、甲醇、乙醇等極性溶劑[24]。由于本研究是針對(duì)花青素在食品中的應(yīng)用，乙醇的生物毒性低于甲醇，因此試驗(yàn)選擇不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇水溶液進(jìn)行提取溶劑的優(yōu)化，結(jié)果如圖1所示。當(dāng)提取劑中乙醇體積分?jǐn)?shù)由40%升高到60%時(shí)，花青素提取量隨之升高；在乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，提取量達(dá)到最高，之后花青素提取量呈現(xiàn)出隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而降低的趨勢(shì)。這可能是由于乙醇體積分?jǐn)?shù)增加，造成極性減小，花青素溶解度降低，且伴隨有大量的醇溶性蛋白質(zhì)、多糖等大分子物質(zhì)析出，影響花青素提取量[25]。因此，以體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液為基礎(chǔ)提取溶劑設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。

圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)花青素提取量的影響Fig.1 Effect of ethanol volume fraction on the extraction of anthocyanin

2.1.2 料液比對(duì)花青素提取量的影響

由圖2 可見(jiàn)，隨著提取溶劑用量的增加，花青素提取量逐漸提高，料液比為1∶20（g/mL）時(shí)達(dá)到最高，之后逐漸降低。花青素從細(xì)胞中溶出是通過(guò)擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn)，當(dāng)提取溶劑用量增加時(shí)，黑豆種皮細(xì)胞內(nèi)外濃度差變大，擴(kuò)散作用增強(qiáng)，花青素提取量增加[26-27]，但提取溶劑過(guò)多時(shí)，花青素在后續(xù)的富集濃縮過(guò)程中損失增加，導(dǎo)致提取量下降。因此，以1∶20（g/mL）為基礎(chǔ)料液比設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。

圖2 料液比對(duì)花青素提取量的影響Fig.2 Effect of material to solvent ratio on the extraction of anthocyanin

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)花青素提取量的影響

較長(zhǎng)的提取時(shí)間有助于溶劑和樣品之間的相互作用，提高花青素提取量，但過(guò)長(zhǎng)的提取時(shí)間易導(dǎo)致花青素在空氣中氧化分解，提取量隨之下降，同時(shí)也會(huì)造成資源的浪費(fèi)。如圖3所示，黑豆種皮經(jīng)過(guò)微波處理之后，花青素更加容易溶出，在30 min時(shí)大部分花青素已經(jīng)溶出，之后花青素提取量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而有所降低。因此，以30 min 為基礎(chǔ)提取時(shí)間設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。

圖3 提取時(shí)間對(duì)花青素提取量的影響Fig.3 Effect of extraction time on the extraction of anthocyanin

2.1.4 微波時(shí)間對(duì)花青素提取量的影響

微波提取是通過(guò)偶極子旋轉(zhuǎn)和離子傳導(dǎo)同時(shí)作用于分子以實(shí)現(xiàn)花青素輔助提取。在微波作用過(guò)程中，它的能量可以被分子全部吸收，極性分子吸收能量后會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，在熱傳遞的輔助下有助于目標(biāo)提取物的傳質(zhì)和溶出[28-29]。微波既可以節(jié)省提取時(shí)間，又能減少提取溶劑的使用量[30]。因此本試驗(yàn)采用微波對(duì)黑豆種皮進(jìn)行預(yù)處理以提高花青素的提取量。如圖4所示，當(dāng)微波時(shí)間為10～30 s時(shí)，花青素提取量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，在30 s 時(shí)提取量最大，這是因?yàn)榉肿釉谖⒉ㄖ挟a(chǎn)生瞬時(shí)極化的同時(shí)迅速生成大量的熱，造成細(xì)胞破裂，細(xì)胞液隨之溢出并擴(kuò)散至溶劑中。當(dāng)微波時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，花青素提取量則有所降低。長(zhǎng)時(shí)間的微波處理會(huì)破壞花青素的結(jié)構(gòu)，影響提取量。因此以30 s為基礎(chǔ)微波處理時(shí)間設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。

圖4 微波時(shí)間對(duì)花青素提取量的影響Fig.4 Effect of microwave time on the extraction of anthocyanin

2.1.5 提取溫度對(duì)花青素提取量的影響

溫度升高能夠改變細(xì)胞膜的流動(dòng)性，加速分子運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致細(xì)胞膜穩(wěn)定性降低，使細(xì)胞容易破碎，因此在提取過(guò)程中適當(dāng)?shù)募訜崮軌蛱岣呋ㄇ嗨氐奶崛⌒蔥31]。如圖5 所示，隨著提取溫度的升高，花青素的提取量逐漸提高，適當(dāng)?shù)募訜峥梢源龠M(jìn)花青素的提取，但溫度過(guò)高會(huì)破壞花青素的結(jié)構(gòu)，影響其生理活性，因此在此試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇了30、40、50、60 ℃進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖5 提取溫度對(duì)花青素提取量的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on the extraction of anthocyanin

2.2 花青素提取正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，由極差分析可知，各因素對(duì)黑豆種皮花青素提取量影響的主次順序?yàn)椋篊＞D＞E＞A＞B。由表2可知，最高花青素提取量的組合為A4B2C3D4E2，即提取溫度60 ℃，提取時(shí)間30 min，微波時(shí)間30 s，乙醇體積分?jǐn)?shù)70%，料液比1∶15（g/mL），經(jīng)3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到該最優(yōu)組合下黑豆種皮中花青素平均提取量為29.5 mg/g，高于正交試驗(yàn)中各組合。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

2.3 不同提取溫度對(duì)花青素抗氧化活性的影響

花青素的主要生理功能是抗氧化，因此在以花青素提取量為評(píng)價(jià)指標(biāo)的同時(shí)還需要考慮提取條件對(duì)花青素抗氧化能力的影響，尤其是溫度對(duì)花青素的結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生破壞，因此在本試驗(yàn)中選擇了3個(gè)指標(biāo)對(duì)不同溫度下提取的花青素進(jìn)行抗氧化能力的評(píng)價(jià)，包括羥基自由基清除能力、DPPH 自由基清除能力以及ABTS自由基清除能力。

2.3.1 花青素對(duì)羥基自由基的清除能力

羥基自由基是生物體內(nèi)活性最強(qiáng)的自由基，能夠攻擊體內(nèi)的生物大分子，導(dǎo)致體內(nèi)多種疾病的發(fā)生。以VC作為對(duì)照，花青素對(duì)羥基自由基的清除能力如圖6 所示?；ㄇ嗨貙?duì)羥基自由基有一定的清除能力，在一定范圍內(nèi)存在量效關(guān)系，花青素質(zhì)量濃度越高，清除能力越強(qiáng)。在低濃度時(shí)清除能力與VC無(wú)顯著差異，隨著濃度的增加，對(duì)羥基自由基的清除能力低于VC。在試驗(yàn)的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，不同溫度下提取的黑豆種皮花青素的羥基自由基清除能力由大到小排序?yàn)椋?0 ℃＞50 ℃＞60 ℃。結(jié)果表明，在溫度較低的條件下提取的花青素對(duì)羥基自由基的清除能力更強(qiáng)。

圖6 不同提取溫度所得花青素對(duì)羥基自由基的清除作用Fig.6 The clearing effect of anthocyanins extracted at different temperatures on hydroxyl free radicals

2.3.2 花青素對(duì)DPPH自由基的清除能力

以VC為對(duì)照，黑豆種皮花青素對(duì)DPPH自由基的清除能力如圖7 所示。在質(zhì)量濃度低于0.02 mg/mL時(shí)，黑豆種皮花青素對(duì)DPPH 自由基的清除率比VC高。但不同溫度下提取的黑豆種皮花青素對(duì)DPPH自由基的清除能力無(wú)顯著差異。

圖7 不同提取溫度所得花青素對(duì)DPPH自由基的清除作用Fig.7 The clearing effect of anthocyanins extracted at different temperatures on DPPH free radicals

2.3.3 花青素對(duì)ABTS自由基的清除能力

黑豆種皮花青素對(duì)ABTS 自由基的清除能力如圖8所示。黑豆種皮花青素質(zhì)量濃度對(duì)ABTS自由基的清除能力存在一定的量效關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，質(zhì)量濃度越高清除能力越強(qiáng)，且40 ℃下提取的黑豆種皮花青素對(duì)ABTS 自由基的清除能力強(qiáng)于50 ℃和60 ℃，且在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，40 ℃條件下提取的黑豆種皮花青素最先達(dá)到最高清除率（98.71%）。結(jié)果表明，黑豆種皮花青素對(duì)ABTS自由基有很強(qiáng)的清除能力，且提取溫度越低，其清除能力越強(qiáng)。

圖8 不同提取溫度所得花青素對(duì)ABTS自由基的清除作用Fig.8 The clearing effect of anthocyanins extracted at different temperatures on ABTS free radicals

花青素在較高溫度下會(huì)發(fā)生分解，影響其抗氧化活性，降低其應(yīng)用價(jià)值[19-21]。通過(guò)對(duì)不同提取溫度下得到的花青素抗氧化能力的評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)40 ℃提取的黑豆種皮花青素對(duì)羥基自由基和ABTS 自由基的清除能力更強(qiáng)，因此選擇40 ℃作為最終的提取溫度。在此溫度下黑豆種皮花青素提取量為25.3 mg/g。

3 結(jié)論

本研究以黑豆種皮為原料，以花青素提取量和花青素抗氧化活性為考察指標(biāo)，優(yōu)化了黑豆種皮中花青素的提取條件。通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，分析了微波時(shí)間、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取時(shí)間和提取溫度對(duì)黑豆種皮中花青素提取量的影響，并優(yōu)化了最佳提取條件。通過(guò)黑豆種皮花青素抗氧化性試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同溫度下提取的花青素抗氧化能力存在差異，在相同花青素質(zhì)量濃度下，對(duì)羥自由基和ABTS自由基的清除能力由大到小排序?yàn)椋?0 ℃＞50 ℃＞60 ℃。最終確定微波輔助提取黑豆種皮花青素的最佳工藝為：乙醇體積分?jǐn)?shù)70%，料液比1∶15（g/mL），微波功率350 W，微波時(shí)間30 s，提取時(shí)間30 min，提取溫度40 ℃，此條件下花青素的提取量為25.3 mg/g。微波輔助提取黑豆種皮花青素具有溫度低、時(shí)間短、效率高等優(yōu)點(diǎn)。本研究可為黑豆中花青素的開(kāi)發(fā)應(yīng)用以及工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。