表1 回流提取响应面试验因素与水平
Table 1 Factors and levels used for Box-Behnken experimentaldesign
海妮·巴音达，阿不都拉·阿巴斯*
（新疆大学生命科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐 830046）
摘 要：通过Box-Behnken试验设计和响应面分析法，对紫薯皮色素的提取条件进行了优化，并且研究了各种物理及化学因素对紫薯皮色素稳定性的影响。结果，得出最佳提取条件为：酸醇体积比1∶1（0.5%柠檬酸酸化）、料液比1∶60（g/mL）、提取温度50 ℃、提取时间20 min。在此优化方案条件下，理论吸光度预测值为0.843，实际吸光度为0.838。紫薯皮色素的稳定性研究结果显示：日光暴晒条件下光稳定性比较差，自然光和避光条件下，稳定性良好；4～60 ℃的温度范围内具有非常好的热稳定性；紫薯皮色素在含有K+、Ca2+、Na+、Zn2+等金属离子的溶液中表现比较稳定的状态，在含有Mg2+、Cu2+、Mn2+、Fe3+等金属离子的溶液中产生沉淀；酸性条件有利于紫薯皮色素的稳定性，而碱性条件不利于紫薯皮色素的稳定性；最大安全使用范围内，紫薯皮色素稳定性几乎不会受到苯甲酸、山梨酸等一系列常用食品添加剂溶液的影响，可作为食品着色剂。
关键词：紫薯皮；色素；响应面法；稳定性
引文格式：
海妮·巴音达， 阿不都拉·阿巴斯.响应面试验优化紫薯皮色素提取工艺及其稳定性分析［J］.食品科学， 2016， 37（14）: 56-61.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614010. http://www.spkx.net.cn
Haini·BAYINDA， Abdulla·ABBAS.Extraction and stability of purple sweet potato peel pigment［J］.Food Science， 2016，37（14）: 56-61.（in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614010. http://www.spkx.net.cn
紫薯是1990年中国从日本引进的紫甘薯的新品种，呈纺锤形的薯块，含有大量花青素的薯皮和薯肉均呈现出鲜艳诱人的紫红色［1-5］。食品感官品质的重要影响因素是色泽［6-8］，食用色素有两种，一种是天然色素，另一种是人工合成色素［9-13］。人工合成色素的安全性随着科技的成长和发展越来越被人们所质疑，以至于它被使用的数目和种类受到了各种限制［14-18］，很多国度已经开始禁用一些人工合成色素，开始普遍关注来自大自然的天然色素，天然色素有良好的保健作用并且安全性高，没有任何副毒作用，安全性高并具有一定的保健作用［19-21］。
紫薯皮色素是从紫薯皮中提取的天然的水溶性红色素，属于花青素类［22］，存在于紫薯的块根、茎、叶和紫薯皮中［23］，花青素类色素具有抗突变、抗辐射、抗氧化和抗癌活性，调节血压［24-25］等特性，对多种疾病起着预防治疗作用［26-28］。紫薯中不仅含有天然色素，还含有大量膳食纤维。紫薯在我国主要作为果脯和天然色素的生产原料，而紫薯皮和紫薯渣一般成为加工废弃物或者用作饲料或肥料［29］。紫薯皮中富含的膳食纤维［30］，具有明显的预防高脂血症、肥胖症、高血压、脂肪肝、糖尿病及肠癌等疾病发生作用［31］，紫薯渣的利用已有很多相关报道，但还鲜见有单独把紫薯皮列出来加以综合利用、制备食用天然色素的报道。本实验通过Box-Behnken试验设计和响应面分析法，对紫薯皮色素的提取条件进行了优化，并且研究了各种物理及化学因素对紫薯皮色素稳定性的影响，旨在为紫薯皮色素工业化生产提供参考依据。
1.1 材料与试剂
紫薯 乌鲁木齐天山区友好超市。
无水乙醇、柠檬酸、苯甲酸、蔗糖、柠檬酸、可溶性淀粉、氯化钠、CuSO4、K2SO4、MgCl2、ZnCl2、AlCl3（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司；实验用水为蒸馏水。
1.2 仪器与设备
AL104型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；纯水机 上海光地仪器设备有限公司；数显恒温水浴锅 金坛市双捷实验仪器厂；GDS53型紫外-可见分光光度计 上海棱光公司。
1.3 方法
1.3.1 样品制备
将新鲜紫薯洗净剥皮，将皮冷冻干燥，粉碎过80 目筛，获得紫薯皮粉末，放置于密闭容器中里备用［32］。
1.3.2 紫薯皮色素的粗提取流程
新鲜紫薯样品→清洗→取皮弃肉→冻干→粉碎→过80 目筛→酸化乙醇回流提取→抽滤→浓缩→色素粗提液［33］
1.3.3 紫薯皮色素最佳吸收波长的确定
精确称取0.5 g紫薯皮粉末，用0.5%柠檬酸酸化的乙醇溶液（酸醇体积比为1∶2），在60 ℃温度条件下，回流提取30 min，抽滤备用。取1 mL粗提液加适量提取溶剂适当稀释，提取溶剂做为空白，在300～560 nm波长处测定色素的吸光度，确定紫薯皮色素的最佳吸收波长。
1.3.4 紫薯皮色素提取溶剂柠檬酸质量分数的确定
准确称取0.5 g紫薯皮粉末，分别配制质量分数0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.0%、1.3%、1.5%柠檬酸溶液，用其酸化乙醇（酸醇体积比1∶2），酸化乙醇回流提取［1］，取1 mL粗提液加适量提取溶剂适当稀释，在最佳吸收波长条件下测吸光度。
1.3.5 紫薯皮色素提取条件优化
采用四因素三水平的响应面分析法，主要影响因素酸醇体积比、料液比、提取温度、提取时间等因素作为自变量，吸光度作为响应值，通过响应面优化研究紫薯皮色素提取工艺，试验因素水平见表1。
表1 回流提取响应面试验因素与水平
Table 1 Factors and levels used for Box-Behnken experimentaldesign
1.3.6 紫薯皮色素的稳定性分析
1.3.6.1 光照对紫薯皮色素稳定性的影响
准确吸取紫薯皮色素粗提液2 mL定容至50 mL，分别放置于避光、室内自然光和日光直射处放置0、5、10、15、20、25、30 d后观察色素的色泽变化，并且在330 nm波长处测定色素的吸光度。
1.3.6.2 温度对紫薯皮色素稳定性的影响
准确吸取紫薯皮色素粗提液1 mL定容至25 mL，分别放置在不同温度的恒温水浴锅内加热60 min，水浴锅温度分别设置为4、20、40、60、80、100 ℃，观察色素的色泽变化，并在330 nm波长处测定吸光度。
1.3.6.3 金属离子对紫薯皮色素稳定性的影响
准确吸取紫薯皮色素粗提液10 mL，分别加入0.05 mol/L K+、Ca2+、Na+、Zn2+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Fe3+金属溶液5 mL，加等量蒸馏水的为对照，振荡器振荡之后，放在室温条件下静置12 h，观察色素的色泽变化，并在330 nm波长处测定吸光度。
1.3.6.4 pH值对紫薯皮色素稳定性的影响
准确吸取紫薯皮色素粗提液1 mL定容至25 mL，同时摇匀调节pH 1～14，放在室温条件下，60 min后观察色素的色泽变化，并在330 nm波长处测定吸光度。
1.3.6.5 常用食品添加剂对紫薯皮色素稳定性的影响
准确吸取紫薯皮色素粗提液10 mL，分别加入0.05 mol/L苯甲酸、氯化钠、山梨酸、可溶性淀粉、柠檬酸、葡萄糖、蔗糖等常用食品添加剂，振荡摇匀，加等量蒸馏水的一组设为对照，室温条件下放置60 min后，观察色素的色泽变化，并在330 nm波长处测定吸光度。
图1 紫薯皮色素最佳吸收波长确定
Fig.1 Maximum absorption wavelength of purple potato skin pigment
2.1 紫薯皮色素最佳吸收波长的确定花青素类特征吸收峰为320～525 nm之间，如图1所示，本实验确定紫薯皮色素的吸收波长为330 nm。
2.2 柠檬酸质量分数对紫薯皮色素提取效果的影响
图2 紫薯皮色素最佳提取溶剂的确定
Fig.2 Optimum extraction solvent for purple sweet potato skin pigment
固定提取温度50 ℃、料液比1∶60、提取时间30 min，分别选取0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.0%、1.3%、1.5%的柠檬酸［1］，如图2所示，柠檬酸溶液为0.8%之后曲线基本趋于稳定，因此确定提取试剂中柠檬酸质量分数为0.8%。
2.3 单因素试验结果
2.3.1 最佳酸醇体积比的确定
图3 酸醇体积比对色素提取的影响
Fig.3 Effect of citric acid to alcohol ratio on the extraction efficiency of pigment
如图3所示，当酸醇体积比为0∶30即直接用乙醇提取紫薯色素时吸光度最低，乙醇没有进行酸化处理，紫薯皮粉末中各种金属离子的含量比较高，在中性条件下，花青素容易与金属离子发生反应络合沉淀，沉积在纤维中，不利于色素的提取。乙醇被酸化处理之后，才能断裂花青素与金属离子的络合键，多糖、蛋白质以及本身离子键的疏水键和氢键，从而提高提取效率。当酸醇体积比为1∶1时提取效果最好，故酸醇体积比1∶1为宜。
2.3.2 最佳料液比的确定
图4 料液比对色素提取的影响
Fig.4 Effect of solid-to-liquid ratios on pigment extraction
如图4所示，随着提取溶剂用量的不断增加，吸光度缓慢降低，料液比为1∶20～1∶40（g/mL）时吸光度都高于1，并且原料不能很好地浸提到提取溶剂里，造成原料的浪费，而当料液比为1∶80（g/mL）时吸光度最低，造成了提取溶剂的浪费，提取溶剂或原料用量过多都会提高生产成本，因此确定料液比1∶60（g/mL）为宜。
2.3.3 最佳提取温度的确定
图5 提取温度对色素提取的影响
Fig.5 Effect of temperature on the extraction efficiency of pigment
如图5所示，随着回流提取温度的不断升高，色素的吸光度缓慢增加，70 ℃时紫薯中的淀粉开始糊化，并未花青素会发生氧化、聚合影响提取效果，当温度较低时，花青素与纤维、蛋白质等的分离较慢，也会影响提取效果，因此回流提取温度在50 ℃左右为宜。
2.3.4 最佳提取时间的确定
图6 提取时间对色素提取的影响
Fig.6 Effect of extraction time on the extraction efficiency of pigment
如图6所示，在10～120 min内，时间的延长对色素的吸光度影响甚小，综合经济性因素来考虑，回流提取时间以20 min为宜。
2.4 紫薯皮色素提取条件的优化
2.4.1 Box-Behnken试验设计与结果
表2 紫薯皮色素提取条件Box-Behnken试验设计与结果
Table2 Box-Behnken designw ithe xperimentala bsorbancev alues of pu rp le swe etpotato sk in pigm en t
如表2所示，在设计中所有因素都经过量纲线性编码处理，各因素对指标值的影响程度由方程各项系数的绝对值大小直接反映，影响的方向由系数的正负反映。将数据由Design-Expert 8.0.6软件进行多元回归拟合，得到紫薯皮粉色素溶液吸光度的二次多项回归方程：
如表3所示，模型极显著（P＜0.01），调整性决定系数R=0.851 9，线性相关系数R=0.926 0，这表明回归方程拟合度很好，可以用此模型对紫薯皮色素提取进行分析和预测。一次项中B即料液比的影响极显著，交互项中BC影响极显著，说明料液比和提取温度对紫薯皮色素提取具有显著影响，二次项中A2、B2、C2、D2的影响都极显著。
表3 回归方程方差分析
Table 3 Analysis of variance of regressi on e quati on
注：*.差异显著，P＜0.05；**.差异极显著，P＜0.01。
2.4.2 各因素交互作用响应面图
图7 各因素交互作用响应面图
Fig.7 Response surface plots showing the effect of interactions among four factors on the absorbance of purple sweet potato peel pigment
图7直观地反映了4 个因素对吸光度的影响，图中的曲线越陡峭，该因素对吸光度的影响越大，等高线图反映了存在极值的条件在圆心处，其中因素B（料液比）与C（提取温度）之间的交互作用比较显著。
2.5 紫薯皮色素稳定性分析结果
2.5.1 光照对紫薯皮色素的影响
表4 光照对色素稳定性（吸光度）的影响
Table4 Influence of light on stability of pigment
由表4所示，日光直射对色素的影响较大，随着放置时间的延长色素的吸光度慢慢下降，颜色越来越淡。室内自然光条件下，随着时间的延长吸光度也越小，直至20 d以后基本稳定，但色素的流失没有日光直射严重。避光保存时，色素稳定性非常好，第10天之后吸光度基本稳定没有变化，色素几乎没有损失，避光保存的吸光度明显高于前两种条件下保存的色素的吸光度，因此，贮存并运输的时候尽最大可能避免阳光直射。
2.5.2 温度对紫薯皮色素稳定性的影响
表5 温度对色素稳定性的影响
Table5 Effect of t emperature on thestability of the pigment
如表5所示，紫薯皮色素比较耐热，在60 ℃以下表现出较强的稳定性，吸光度几乎没有变化，当温度高于60 ℃以后紫薯色素吸光度缓慢降低。因此，保存和使用过程中尽量避免高温，应在冰箱冷藏室或者在室温条件下保存和使用。
2.5.3 金属离子对紫薯皮色素稳定性的影响
表6 金属离子对色素稳定性的影响
Table 6 Effect of m etal i on s on thestability of thepigment
如表6所示，紫薯皮色素在含有K+、Ca2+、Na+、Zn2+离子的溶液中呈现出比较稳定的状态，使用时可酌情添加。而在含有Mg2+、Cu2+、Mn2+、Fe3+离子的溶液中产生沉淀，因此，使用和运输过程当中应尽量避免与含这些金属离子的原料接触。
2.5.4 pH值对紫薯皮色素稳定性的影响
表7 pH值对色素稳定性的影响
Table7 Effect of pH on thestability of thep igment
如表7所示，我们可以观察到pH值不大于5时，随着pH值的升高，色素的吸光度也跟着增大，当pH值大于7时，色素的吸光度迅速下降直到pH 14，这说明强碱环境对紫薯皮色素有强有力的破坏作用。因此，紫薯皮色素适合在酸性条件下保存和使用，可适用于酸性食品的着色剂。
2.5.5 常用食品添加剂对紫薯皮色素稳定性的影响
表8 常用食品添加剂对紫薯皮色素稳定性的影响
Table8 Effect of comm on lyu sed food additives on the stability of thep igm ent
由表8可知，紫薯皮色素在苯甲酸、氯化钠、山梨酸、可溶性淀粉、柠檬酸、葡萄糖、蔗糖溶液中都比较稳定，所以，紫薯皮色素是一类极佳的天然食品着色剂。
以紫薯皮为原料提取色素，并对其稳定性和提取工艺进行相关研究，响应面法得到最佳提取条件为酸醇体积比1∶1.31（实取1∶1）、料液比1∶61.72（实取1∶60）、提取温度50.37 ℃（实取50 ℃）、提取时间19.22 min（实取20 min），预测最大吸光度为0.843，实际吸光度的平均值为0.838。稳定性研究结果表明，紫薯皮色素在日光直射暴晒的条件下光稳定性较差，避光条件下呈现非常稳定的状态，因此贮存和运输过程中应尽量避免长时间暴露在光照中；紫薯皮色素比较耐热，但60 ℃以后紫薯色素吸光度缓慢降低，因此，保存和使用过程中尽量避免高温，应在冰箱冷藏室或者在室温条件下保存和使用；紫薯皮色素在含有K+、Ca2+、Na+、Zn2+离子的溶液中稳定性较好，在实际运用根据需要添加；酸性条件下，具有较强的稳定性，不能保存在破坏其稳定性的极强碱环境中；常用食品添加剂的加入在最大安全使用范围内，对紫薯皮色素稳定性几乎没有任何影响。
参考文献：
［1］ 齐希光， 沈波， 张晖， 等.响应面法优化紫薯花色苷提取工艺研究［J］.粮食与饲料工业， 2010（10）: 26-28.DOI:10.3969/ j.issn.1003-6202.2010.10.009.
［2］ 杨颖， 夏其乐， 陈剑兵， 等.紫薯花色苷的理化性质研究［J］.食品工业科技， 2009， 30（11）: 251-253.
［3］ 吕昱.紫薯花色苷的生理功能及分离纯化研究进展［J］.食品与机械，2013， 29（4）: 250-253.DOI:10.3969/j.issn.1003-5788.2013.04.061.
［4］ 刘艳杰， 张健.紫薯花色苷提取工艺的优化研究［J］.食品工业，2011（10）: 48-51.
［5］ 陈小婕， 曾画艳， 张晓娇， 等.紫薯花色苷提取的响应曲面优化及抗氧化作用［J］.食品科技， 2013， 38（9）: 179-184.
［6］ 李晓玲， 孙永华， 王文亮， 等.玉米黄色素提取纯化及分析检测研究进展［J］.中国食物与营养， 2013， 19（3）: 59-62.DOI:10.3969/ j.issn.1006-9577.2013.03.014.
［7］ 李思宁.紫薯酸奶发酵工艺研究［J］.食品与发酵科技， 2011， 47（4）: 101-103.DOI:10.3969/j.issn.1674-506X.2011.04.027.
［8］ 贺红军， 邹慧， 孙宁， 等.紫薯酸奶和普通酸奶挥发性风味物质差异性研究［J］.现代食品科技， 2014（8）: 225-230.
［9］ 卢兆芸， 陈海婴， 彭冬英， 等.保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌发酵紫红薯酸牛奶［J］.中国乳品工业， 2011， 39（12）: 39-40.DOI:10.3969/ j.issn.1001-2230.2011.12.011.
［10］ 王新惠， 白婷， 张崟， 等.发酵型紫薯大豆酸奶的研制［J］.食品研究与开发， 2015（19）: 71-74.DOI:10.3969/j.issn.1005-6521.2015.19.020.
［11］ 陈梅香， 魏俊杰， 陈萍.紫薯营养保健酸奶的研制［J］.农业机械，2011（22）: 109-111.
［12］ 权伍荣， 金铁， 李铉军.食品天然色素的特点、分类及发展前景［J］.延边大学农学学报， 2012（2）: 181-184.DOI:10.3969/ j.issn.1004-7999.2012.02.021.
［13］ 曹雁平.我国天然食用色素研究现状［J］.食品与发酵工业， 2007，33（1）: 80-84.DOI:10.3321/j.issn:0253-990X.2007.01.022.
［14］ 欧阳杰， 赵佳丽， 陈旭华.天然食用色素的稳定化技术研究进展［J］.食品科技， 2006， 31（8）: 182-184.DOI:10.3969/ j.issn.1005-9989.2006.08.054.
［15］ 崔文新， 耿越， 王凤芹， 等.几种天然食用色素抗氧化作用研究［J］.食品科学， 2008， 29（4）: 401-404.DOI:10.3321/ j.issn:1002-6630.2008.04.091.
［16］ 王伟， 王楠， 何国庆， 等.基于响应面优化法的桑椹色素提取条件优化［J］.中国食品学报， 2011， 11（1）: 152-158.DOI:10.3969/ j.issn.1009-7848.2011.01.023.
［17］ 葛宇.食品中人工合成色素使用法规及检测标准进展［J］.质量与标准化， 2011（9）: 31-35.DOI:10.3969/j.issn.2095-0918.2011.09.010.
［18］ 张婉， 王覃， 杜宁， 等.超高效液相色谱法同时测定饮料中5 种人工合成色素［J］.食品科学， 2011， 32（4）: 177-180.
［19］ 成黎.天然食用色素的特性、应用、安全性评价及安全控制［J］.食品科学， 2012， 33（23）: 399-404.
［20］ 赵延胜， 杨敏莉， 张峰， 等.液相色谱/四极杆-飞行时间质谱法筛查奶酪中29 种禁用和限用合成色素［J］.色谱， 2011， 29（7）: 631-636.
［21］ 黄万琪， 梁高道， 吴晓昊， 等.武汉食品市场合成色素调查分析［J］.现代预防医学， 2010， 37（21）: 4020-4021.
［22］ JIAO Y， YANG Z， JIANG Y， et al.Study on chemical constituents and antioxidant activity of anthocyanins from purple sweet potato （Ipomoea batatas L.）［J］.International Journal of Food Engineering，2012， 8（2）: 87-91.DOI:10.1515/1556-3758.2296.
［23］ 孙金辉， 王微， 董楠.紫薯花色苷的研究进展［J］.粮食与饲料工业，2012（11）: 38-40.DOI:10.3969/j.issn.1003-6202.2011.11.012.
［24］ 吴昊.紫甘薯色素的亚临界水萃取及其性质研究［D］.哈尔滨: 东北农业大学， 2013: 32-37.
［25］ 凌智群， 谢笔钧.莲房原花青素抗氧化损伤作用的研究［J］.食品科学， 2002， 23（7）: 98-100.DOI:10.3321/j.issn:1002-6630.2002.07.023.
［26］ 陈小婕， 余华， 曾画艳， 等.微波提取紫薯花青素及能量密度对提取量的影响［J］.现代预防医学， 2014， 41（5）: 793-796.
［27］ 唐偲琦， 李绍波， 郎春辉， 等.紫甘薯中花青素类色素提取和分光光度法测定［J］.现代预防医学， 2013， 40（9）: 171-172.
［28］ 胡亚妮， 李艳琴， 李彬春.3 种熟化方式对黑豆花青素含量的不同影响［J］.营养学报， 2015（6）: 611-613.
［29］ 楚素平.紫薯渣的综合利用研究［D］.武汉: 武汉轻工大学， 2013.
［30］ 肖诲， 阮美娟， 李娜娜， 等.双酶法制备紫薯皮膳食纤维的工艺研究［J］.粮食与饲料工业， 2013（2）: 34-36.
［31］ 程力， 张献梅， 顾正彪， 等.纤维素酶法制备马铃薯渣可溶性膳食纤维的理化及功能性质［J］.食品与发酵工业， 2015（11）: 41-46.
［32］ 于学娟， 陈英乡， 李银塔， 等.包埋技术在速溶紫薯粉饮料生产中的应用［J］.食品与发酵工业， 2012， 38（3）: 163-165.
［33］ 努尔比亚·亚力坤， 阿依努尔·热西提， 阿不都拉·阿巴斯.南瓜果皮色素提取及其稳定性研究［J］.食品与发酵工业， 2014， 40（12）: 216-222.
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614010
中图分类号：TS202
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2016）14-0056-06
收稿日期：2016-02-16
作者简介：海妮·巴音达（1988—），女，硕士研究生，研究方向为食品生物技术。E-mail：sunflower_bee@sina.com
*通信作者：阿不都拉·阿巴斯（1951—），男，教授，博士，研究方向为资源植物有效成分分析。E-mail：abdulla@xju.edu.cn
Extraction and Stability of Purple Sweet Potato Peel Pigment
Haini·BAYINDA， Abdulla·ABBAS*
（College of Life Science and Technology， Xinjiang University， Ürümqi 830046， China）
Abstract: Box-Behnken experimental design and response surface methodology were employed to optimize the conditions for extraction of purple sweet potato peel pigment.Also， the effect of various physicochemical factors on the stability of the pigment was addressed.The optimum extraction conditions were obtained as follows: 0.5% citric acid:anhydrous ethanol at a volume ratio of 1:1 as extraction solvent； solid-to-solvent ratio， 1:60 （g/mL）； temperature， 50 ℃； and time， 20 min.Under these conditions， the predicted absorbance value of the pigment solution was 0.843 and the experimental value was 0.838.The pigment was unstable under light and strong alkali conditions （pH ＞ 7）.It was relatively stable at temperatures between 4 and 60 ℃.Metal ions including K+， Ca2+， Na+， Zn2+， Mg2+， Cu2+， Mn2+， and Fe3+were helpful in the degradation of the pigment.Within the safe dosage range， its stability was hardly affected by benzoic acid， sorbic acid， citric acid， sucrose，soluble starch， glucose， and sodium chloride.Therefore， it can be used as food coloring agent.
Key words: purple sweet potato peel； pigment； response surface methodology； stability