決明子色素提取工藝優化及穩定性與抗氧化性研究

劉維兵 蒙富聲 楊松濤 李彥榮 張慎孝 楊 林 包曉瑋*

1.青島德慧海洋生物科技有限公司 山東青島 266000

2.新疆農業大學食品科學與藥學學院 新疆烏魯木齊 830000

3.正大農業科技(浙江)有限公司 浙江慈溪 315300

決明子(Catsia tora Linn)，別稱為草決明、馬蹄決明等，豆科決明屬植物。

決明子具有清肝明目，潤腸通便，并具有一定降血壓，降血脂作用，決明子中存在大黃酚、橙黃決明素等具有抑菌譜較為廣泛，將決明子中黃色素(天然植物色素)進行提取，作為食品著色劑也被人們普遍認可[1，2]，超聲輔助提取是利用超聲波具有的穿透能力[3，4]，較強的剪切力使植物細胞膜快速破裂，其細胞內的分子化合物，能快速的與提取溶劑相結合，并縮短提取時間，增加黃色素的提取率，但傳統的植物色素穩定性較差，在強光照射下極易被分解，且在較高的溫度下也會造成植物色素的降解[5，6]。

本試驗采用超聲輔助法提取決明子色素，應用單因素試驗方法觀察不同試驗條件對色素提取率的影響，并通過正交試驗法對提取工藝進行分析與優化。并將提取出的決明子色素進行保護，通過單因素結合正交試驗法，選取最佳的保護工藝。

通過對比試驗證明經保護后的決明子色素具有較高的穩定性，且具有較強的抗氧氧化活性。為后續決明子色素的進一步開發和使用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

決明子，青島德慧海洋生物科技有限公司;

1，1-二苯基-2-三硝基苯(1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH)、2，2’-聯氮基雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(2,2’-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate)，ABTS)，美國Sigma公司；

維生素C、維生素E，天津市致遠化學試劑有限公司；

乙醇等其他試劑均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

閉路噴霧干燥機，CPSD-5，常州志恒責任有限公司；

粉碎機，XL-02A，燁昌機械有限公司；

超聲波處理機，JBT/C-YCL400T/3P(D)，濟寧金佰特工程機械有限公司；

旋轉蒸發儀，RE-52B，上海亞榮生化儀器廠；

電動離心機，80-1，金壇市恒豐儀器廠；

紫外分光光度計，UV-2550，島津試驗器材有限公司。

1.3 方法

將決明子種子磨碎，利用粉碎機負壓將質量較輕的胚芽粉收集起來，備用。

1.3.1 設計決明子色素提取單因素試驗

1.3.1.1 乙醇濃度對提取決明子色素影響

準確稱取100g決明子胚芽粉，根據前人研究準確控制超聲時間為30min，超聲功率為120W,料液比為1∶30，設置乙醇濃度為30%、40%、50%、60%、70%，提取結束后4 000r離心取上層清液，檢測其在324nm處的吸光值，平行測定3次[7，8]。

1.3.1.2 超聲時間對提取決明子色素影響

準確稱取100g決明子胚芽粉，根據前人研究準確控制超聲功率為120W,料液比為1∶30，乙醇濃度為50%，設置超聲時間為10、20、30、40、50min，提取結束后4 000r離心取上層清液，檢測其在324nm處的吸光值，平行測定3次。

1.3.1.3 超聲功率對提取決明子色素影響

準確稱取100g決明子胚芽粉，根據前人研究準確控制超聲時間為30min，料液比為1∶30，乙醇濃度為50%，設置超聲功率為60、80、100、120、140W，提取結束后4 000r離心取上層清液，檢測其在324nm處的吸光值，平行測定3次。

1.3.1.4 料液比對提取決明子色素影響

準確稱取100g決明子胚芽粉，根據前人研究準確控制超聲時間為30min，乙醇濃度為50%，超聲功率為120W，設置料液比為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50，提取結束后4 000r離心取上層清液，檢測其在324nm處的吸光值，平行測定3次。

1.3.2 設計決明子色素提取正交試驗

根據單因素試驗結果，影響決明子色素提取含量的主要因素有：乙醇濃度、超聲時間、超聲功率、料液比。故以此四因素設計L9(34)正交試驗，以提取物中在324nm處的吸光值為評價指標，確定提取的最佳工藝條件(見表1)。

1.3.3 決明子穩定性及抗氧化性單因素試驗

1.3.3.1 α-氨基酸添加量對決明子色素穩定性及抗氧化性的影響

經上述方法提取出的決明子色素，根據前人研究，控制檸檬酸添加量為質量比的1%，維生素C、維生素E的添加量各為質量比的3%，β-環糊精與麥芽糊精的配比為3∶1，質量比為20%，設置α-氨基酸的添加量各為質量比的1%、3%、5%、7%、9%，噴霧干燥后取1g決明子色素粉，溶于100mL蒸餾水中，進行決明子色素粉的穩定性試驗及抗氧化試驗測定，平行測定3次[9,10]。

1.3.3.2 檸檬酸添加量對決明子色素穩定性及抗氧化性的影響

經上述方法提取出的決明子色素，根據前人研究，控制維生素C、維生素E的添加量各為質量比的3%，β-環糊精與麥芽糊精的配比為3∶1，質量比為20%，α-氨基酸的添加量各為質量比的5%，設置檸檬酸添加量為1%、2%、3%、4%、5%，噴霧干燥后進行決明子色素粉的穩定性試驗及抗氧化試驗測定，平行測定3次。

1.3.3.3 維生素添加量對決明子色素穩定性及抗氧化性的影響

經上述方法提取出的決明子色素，根據前人研究，控制β-環糊精與麥芽糊精的配比為3∶1，質量比為20%，α-氨基酸的添加量各為質量比的5%，檸檬酸添加量為2%，設置維生素的添加量各為質量比的1%、2%、3%、4%、5%，噴霧干燥后進行決明子色素粉的穩定性試驗及抗氧化試驗測定，平行測定3次。

1.3.3.4 β-環糊精與麥芽糊精的配比對決明子色素穩定性及抗氧化性的影響

經上述方法提取出的決明子色素，根據前人研究，控制α-氨基酸的添加量各為質量比的5%，檸檬酸添加量為2%，維生素的添加量各為質量比的3%，設置β-環糊精與麥芽糊精的配比分別為1∶5、1∶3、1∶1、3∶1、5∶1，添加量為質量比的20%，噴霧干燥后進行決明子色素粉的穩定性試驗及抗氧化試驗測定，平行測定3次。

1.3.4 設計決明子色素保護正交試驗

根據單因素試驗結果，影響決明子色素穩定性及抗氧化性的主要因素有:α-氨基酸添加量、檸檬酸添加量、維生素添加量、β-環糊精與麥芽糊精配比。故以此4因素設計L9(34)正交試驗，以決明子色素的耐100℃高溫試驗、及對DPPH自由基的清除率為評價指標，確定最佳保護工藝條件(見表2)。

表2 因素及水平表Table 2 Factor levels design table

1.3.5 決明子色素穩定性試驗

1.3.5.1 光照實驗

取保護前、后決明子色素粉各1g，分別溶于100mL蒸餾水中，將決明子色素粉溶液分別置于陽光下，與室內避光的櫥窗里，隔8h分別測定決明子色素溶液在324nm處的吸收波長[11,12]。

1.3.5.2 耐高溫實驗

取保護前、后決明子色素粉各1g，分別溶于100mL蒸餾水中，將決明子色素溶液置于100℃的恒溫水浴鍋中，恒溫2h后測定決明子色素溶液在324nm處的吸收波長[13,14]。

1.3.6 體外抗氧化活性評價

1.3.6.1 對DPPH自由基清除能力的測定

參考艾拉旦·麥麥提艾力等[15]方法稍作修改，用無水乙醇配制成0.2mmol/L的DPPH工作液(現配現用)。取1mL樣品，濃度為1.0mg/mL，向樣品中加入2mL DPPH溶液(0.2mmol/L)，振蕩搖勻并在室溫下黑暗中反應30min(避光)，測定517nm處吸光度值，采用同濃度的Vc溶液做陽性比較。按公式(1)計算清除率：

(1)

式中：

Ai為1mL樣品(Vc)與2mL DPPH溶液的吸光度；

Aj為1mL樣品(Vc)與2mL無水乙醇的吸光度；

A0為1mL蒸餾水與2mL DPPH的吸光度。

1.3.6.2 對ABTS自由基清除能力的測定

根據Wang[16](2012)等的方法稍作修改。配置1.0mg/mL濃度的樣品溶液1mL，將4mL ABTS工作液加入試管中，充分混合均勻，室溫暗處反應6min，于734 nm處測定吸光度，以相同濃度的Vc溶液為陽性對照，按公式(2)計算其清除率：

(2)

式中：

Ai為1mL樣品(Vc)與4mL ABTS的吸光度；

Aj為1mL樣品(Vc)與4 mL蒸餾水的吸光度；

A0為1mL蒸餾水與4mL ABTS溶液的吸光度。

1.3.7 數據處理

每次試驗均進行3次重復操作，所有試驗數據采用SPSS 16.0統計軟件對結果進行顯著性分析，處理結果均以X±SD表示，圖表制作利用Excel 2003軟件。

2 結果與分析

2.1 決明子色素提取單因素試驗結果

2.1.1 乙醇濃度對決明子色素提取率的影響

由圖1可知：乙醇濃度為50%時，在324nm處吸光值達到最大，隨著乙醇濃度的不斷增加，最大吸收波長下的吸光值會逐漸降低，低濃度的乙醇提取的決明子色素，也顯著低于50%乙醇作為溶劑提取出的決明子色素吸光值。

圖1 乙醇濃度對決明子色素提取率的影響Fig. 1 Effect of ethanol concentration on extraction rate of pigment from Semen Cassiae

2.1.2 超聲時間對決明子色素提取率的影響

由圖2可知：決明子色素在10～30min之間提取的提取率在逐步升高，在30min時達到峰值，超過30min以后決明子色素的提取率會隨著時間的延長而降低。

圖2 超聲時間對決明子色素提取率的影響Fig. 2 Effect of ultrasonic time on extraction rate of pigment from Semen Cassiae

2.1.3 超聲功率對決明子色素提取率的影響

由圖3可知：決明子色素的提取率在60～120W時隨著超聲功率的增加而升高，在120W時達到了峰值，到達峰值后再升高功率，決明子色素的提取率則出現下降趨勢。

圖3 超聲功率對決明子色素提取率的影響Fig. 3 Effect of ultrasonic power on extraction rate of pigment from Semen Cassiae

2.1.4 料液比對決明子色素提取率的影響

由圖4可知：隨著料液比的逐漸升高，決明子色素的提取率逐漸呈下降趨勢，在料液比為1∶10～1∶20時，對決明子色素的提取率影響，差異不顯著(p>0.05)，但當料液比大于1∶20以后決明子色素提取率會逐漸降低且差異顯著(p<0.05)。

圖4 料液比對決明子色素提取率的影響Fig. 4 Effect of solid-liquid ratio on extraction rate of Cassia Seed Pigment

2.2 決明子色素提取率正交試驗結果

2.2.1 最佳工藝參數的確定

決明子色素提取正交試驗設計與結果見表3。

通過對表3試驗極差值分析可知，影響決明子色素提取的因素主次分別為，乙醇濃度>料液比=超聲時間>超聲功率；綜合對因素A、B、C、D進行分析，在A2B3C1D2工藝參數下，得到的決明子色素最大吸光值為1.266Abs，因此最佳提取工藝為乙醇濃度為50%，料液比為1∶20，超聲時間為40min，超聲功率為100W。

表3 L9(34)決明子色素提取正交試驗設計與結果Table 3 Orthogonal experimental design and results of L9(34)Cassia Seed Pigment Extraction

2.3 影響決明子色素穩定性、抗氧化性單因素試驗結果

2.3.1 α-氨基酸添加量對決明子色素穩定性、抗氧化性的影響

由圖5可知：隨著α-氨基酸添加量的增加，決明子色素的耐熱能力也在不斷增大，同樣對DPPH的清除能力也隨著α-氨基酸添加量的增加，而不斷增加，呈現出正相關趨勢，但當α-氨基酸添加量達到5%時，隨著添加量的不斷增大，其耐熱能力及對自由基清除能力不再隨α-氨基酸添加量的增大而增長。

圖5 α-氨基酸添加量對決明子色素穩定性、抗氧化性的影響Fig. 5 Effect of material liquid ratio on extraction rate of Cassia Seed Pigment

2.3.2 檸檬酸添加量對決明子色素穩定性、抗氧化性的影響

由圖6可知：隨檸檬酸添加量的增加，決明子色素的耐熱能力及對自由及清除能力也隨之增加，但當檸檬酸添加量為2%，出現拐點，隨檸檬酸添加量不斷增大，其耐熱能力及對自由及清除能力基本保持不變。

圖6 檸檬酸添加量對決明子色素穩定性、抗氧化性的影響Fig. 6 Effect of citric acid addition on the stability and antioxidant activity of Cassia Seed Pigment

2.3.3 維生素添加量對決明子色素穩定性、抗氧化性的影響

由圖7可知：隨著維生素添加量的不斷增加，決明子色素的耐熱能力也在不斷增大，同樣對DPPH的清除能力也隨著維生素添加量的增加而不斷增加，呈現出正相關趨勢，但當維生素添加量達到3%時，隨著添加量的不斷增大，其耐熱能力及對自由基清除能力不再隨維生素添加量的增大而增長。

2.3.4 β-環糊精與麥芽糊精配比對決明子色素穩定性、抗氧化性的影響

由圖8可知：在環糊精與麥芽糊精的配比中，隨環糊精所占比重的加大，決明子色素的耐熱能力及對自由基清除能力也隨之增加，但當環糊精與麥芽糊精配比為3∶1時，其耐熱能力達到頂峰，隨環糊精所占比重的不斷增大，其耐熱能力基本保持不變。

圖8 β-環糊精與麥芽糊精配比對決明子色素穩定性、抗氧化性的影響Fig. 8 β- Effects of the ratio of cyclodextrin and maltodextrin on the stability and antioxidant activity of jumingzi pigment

2.4 保護決明子色素正交試驗結果

決明子色素穩定性、抗氧化性正交試驗設計與結果見表4。

由表4分析結果：通過穩定性試驗極差值可以看出，影響決明子色素穩定性因素主次為β-環糊精與麥芽糊精配比>α-氨基酸添加量>檸檬酸添加量>維生素添加量；通過抗氧化性試驗極差值可以看出，影響決明子色素抗氧化性因素主次為維生素添加量>檸檬酸添加量>β-環糊精與麥芽糊精配比>α-氨基酸添加量；綜合對因素A、B、C、D進行分析，在A2B1C2D3工藝參數下，得到的決明子色素不僅有較強的耐高溫能力，而且具有較強的抗氧化能力。因此選擇A2B1C2D3為最佳提取工藝，α-氨基酸添加量5%，檸檬酸添加量1%，維生素添加量3%，β-環糊精與麥芽糊精的配比為3∶1。

表4 L9(34)決明子色素穩定性、抗氧化性正交試驗設計與結果Table 4 Orthogonal design and results of L9(34) Cassia Seed Pigment stability and antioxidation

2.5 決明子色素保護前、后對DPPH、ABTS自由基的清除能力對比

DPPH自由基，是一種較為穩定的自由基，其獲得穩定的氮自由基，是由于存在多個吸電子基團，該自由基最大的吸收峰為517nm，可以成為抗氧化能力檢測較為優異的選擇[17]。

ABTS自由基的特征吸收峰通常選擇在734nm，通常用該波長來檢測吸光度的改變[18]。ABTS法是判斷還原物質清除自由基能力較為常見的方法之一，因為ABTS具有還原性，容易被氧化成較為ABTS+自由基，這種自由基是一種較為穩定的藍綠色自由基[19]。其褪色是與抗氧化物質相結合[20]。褪色程度越強，吸光度越低，抗氧化能力可通過吸光度值大小判斷[21]。

由圖9可以看出：決明子色素在未經保護處理，噴霧干燥得到決明子色素粉，其清除自由基能力較差；但經處理保護后的決明子色素粉，具有較強的清除自由基能力，在體外具有較高的抗氧化能力，經保護后的決明子色素粉，相較于未經保護的決明子色素粉其對DPPH自由基的清除能力提升1.56倍，對ABTS自由基的清除能力提升1.88倍，差異顯著(p<0.01)。

圖9 決明子色素保護前、后對DPPH、ABTS自由基的清除能力對比Fig. 9 Scavenging ability of Cistanche deserticola polysaccharide on DPPH,ABTS free radical

2.6 決明子色素保護前、后穩定性能力對比

2.6.1 決明子色素保護前、后耐光能力比對

如圖10所示：決明子色素粉在未作保護前，其耐光、耐熱能力較差；而經保護后其耐光、耐熱能力分別增加了2.63倍、3.28倍，差異顯著(p<0.01)。

圖10 決明子色素保護前、后耐光、耐熱能力對比Fig. 10 comparison of light resistance and heat resistance of cassia seed before and after pigment protection

3 結論

本試驗以決明子胚芽粉為原料，經不同工藝提取，最終證明不同的提取工藝色素提取率差異顯著，最終選擇最佳提取工藝為：超聲時間40min、料液比1∶20、乙醇濃度50%、超聲功率100W；未經保護噴霧干燥出的決明子色素粉，其耐光耐熱性較差，而經保護后噴霧干燥出的決明子色素粉，其耐光耐熱能力分別提高了2.63倍、3.28倍。

綜上所述，經保護的決明子色素不僅在體外具有良好的抵御氧化作用能力，而且解決了傳統決明子色素不耐高溫，強光下分解的弊端，為決明子色素的開發利用提供了相應的理論依據。