紫色马铃薯是一种色泽鲜美的粮食作物，口感美味、营养丰富、富含花青素，用来提取花青素具有来源丰富、产量大、成本低等多方面优点，开发利用前景广阔。花青素是广泛存在于植物中的水溶性天然色素，常以不同形式的糖苷存在[1]，它赋予植物漂亮的颜色，同时能满足人体对某些营养的需求，具有较高食用价值。此外，花青素是黄酮多酚类化合物[2-3]，有较强的抗氧化性，可以起到防突变、降血糖、消炎等作用[4]，也可部分修复肝损伤[5]，同时是一种无毒、绿色健康的天然色素，广泛使用于医药保健品和食品、化妆品中。花青素有多方面的应用价值，但其在植物中的含量相对低，人体若要获得理想效果，需食用过量富含花青素的水果或蔬菜，会超出身体的负荷；另外，花青素具有热敏感性，烹饪过程会导致花青素失活。因此从富含花青素的植物中提取和浓缩花青素，并对其深度开发具有良好的发展潜力。
目前花青素的提取方法中，超临界萃取技术和高压脉冲等先进技术对设备的要求极高，影响了其大范围使用；溶剂法由于操作简单、成本低、对设备要求低而备受青睐。但超声波辅助溶剂法提取紫色马铃薯花青素的报道较少。李佳桥等[6]以莲房为原料，采用超声波辅助法提取莲房原花青素，得率可高达6.81%。本试验通过超声波辅助乙醇法提取紫色马铃薯花青素，优化提取工艺参数，并对其不同条件下制备的提取物的稳定性进行探讨，以期为紫色马铃薯工业化生产和深度应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
“黑美人”紫色马铃薯：武川县哈乐乡。
1.2 试剂与仪器
盐酸、醋酸、氯化钾、醋酸钠、无水乙醇、磷酸、磷酸氢二钠、乙酸乙酯、磷酸二氢钠（均为分析纯）：内蒙古爱尔法生物科技公司。
SB-5200DTS超声波多频清洗机：宁波新芝生物科技股份有限公司；H/716M高速台式离心机机：湖南赫西仪器公司；UV755B紫外可见分光光度计、YS1509332电子分析天平：上海佑科仪器仪表有限公司；HWS-24型电热恒温水浴锅：上海一恒科学仪器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 紫色马铃薯花青素的提取
取紫色马铃薯用自来水冲洗干净削去表皮，切成薄片，放于干燥箱60℃条件下干燥至恒重，打碎成粉末，过滤，收集筛下物[7]。
花青素是一类能溶于乙醇、甲醇、稀酸、稀碱、水等极性溶剂中的极性分子。本试验参照李玲等[8]的方法，适当进行调整。称取10 g紫色马铃薯粉末放于圆底蒸馏烧瓶，用量筒移入一定体积提取液，混匀，放在超声条件下浸提。获得的浸提液按照4 500 r/min离心15 min，取上清液[8]，加入乙酸乙酯萃取，萃取后下层溶液旋转蒸发浓缩，真空干燥后，所得固体物为花青素粗提物，称量。花青素得率E按下式计算[9]。
式中：E为得率，%；M1为紫色马铃薯花青素粗提物的质量，g；M0为紫色马铃薯干粉重，g。
1.3.2 单因素试验
将1.3.1中处理好的紫色马铃薯粉末加入一定体积的1%酸化乙醇提取液。设定乙醇浓度75%，浸提温度50℃，超声功率300 W，浸提时间50 min，液料比分别为 10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1（mL/g），依次测定紫色马铃薯花青素得率。
提取方法和基本条件同上，固定液料比为20∶1（mL/g），调整乙醇浓度 45%、55%、65%、75%、85%、95%，依次测定紫色马铃薯花青素得率。
提取方法和基本条件同上，固定液料比为20∶1（mL/g）、乙醇浓度 85%，调整温度为 25、35、45、55、65、75℃，依次测定紫色马铃薯花青素得率。
通过以上数据分析液料比、乙醇浓度和提取温度对紫色马铃薯花青素得率的影响。
1.3.3 正交试验
根据以上单因素试验数据，选择液料比、乙醇浓度、提取温度为考察对象，用花青素得率作为指标[10-11]，采用正交试验，对紫色马铃薯花青素的提取条件进行优化。
表1 正交试验因素水平
Table 1 Levels of orthogonal test factors
水平因素A提取温度/℃B乙醇浓度/%C液料比/（mL/g）1 55 65 10∶1 2 65 75 20∶1 3 75 85 30∶1
1.3.4 紫色马铃薯花青素稳定性研究
1.3.4.1 pH值对马铃薯花青素稳定性的影响
本试验通过测定紫色马铃薯花青素可见光区的最大接收波长下的吸光度值衰减率ΔA和可见光区的最大接收波长的改变值（BI），研究紫色马铃薯花青素稳定性。按照参考文献表述[12-13]，ΔA越大说明花青素降解越快，BI值越大，花青素的含量越低。
吸光度值衰减率：ΔA/%=Δ（A0-At）/A0
式中：A0为起始时可见光区的最大吸光度；At为在t时在可见光区的最大吸光度。
吸收波长改变值（BI）=A430/Amax
式中：A430为430 nm下的吸光度；Amax为可见光区的最大吸光度值。
紫色马铃薯花青素提取物主要用来生产食品和药品，因此本试验参照李敏[13]的方法选取胃内pH 2.0、果汁饮料常规pH 3.6、人的正常生理pH 7.4，这3个pH值来研究从紫色马铃薯中提取出的花青素稳定性。在25℃时，测定不同pH值条件下紫色马铃薯花青素的最大吸光度随时间的衰减率ΔA以及BI值。
1.3.4.2 光照对马铃薯花青素稳定性的影响
参照罗冠中[14]的方法，根据本试验目的进行改良，设定紫色马铃薯花青素溶液的浓度为0.35 mg/mL，分别置于暗处、自然光下，每2 h测定紫色马铃薯花青素在波长525 nm处的吸光度值，计算3次测定的平均值，研究光照对紫色马铃薯花青素的影响。
1.3.4.3 温度对马铃薯花青素稳定性的影响
参照1.3.4.2的方法，设定紫色马铃薯花青素溶液的浓度为0.35 mg/mL，每2 h分别测定室温（25℃）、80℃及100℃的水浴条件下紫色马铃薯花青素溶液在波长525 nm处的吸光度值，取每种温度条件下的3次重复，取其平均值。分析温度对紫色马铃薯花青素稳定性的影响。
2 结果与分析
2.1 单因素试验数据分析
2.1.1 液料比对紫色马铃薯花青素得率的影响
液料比对紫色马铃薯花青素得率的影响见图1。
图1 液料比对紫色马铃薯花青素得率的影响
Fig.1 Effect of liquid－material ratio on anthocyanin yield of purple potato
由图1可以看出，当其它因素固定时，液料比在10∶1（mL/g）～15∶1（mL/g）时，紫色马铃薯花青素得率变化不大，继续增大液料比，花青素得率开始明显提高，液料比调整为20∶1（mL/g）时，此条件下紫色马铃薯花青素得率最高达到1.26%。继续增加提取液的体积，花青素得率开始下降。液料比是紫色马铃薯花青素提取中的影响因素之一。有研究表明原料和提取液质量体积比越大，固相中的溶出成分更易受传质推动力的作用，释放在液相中[15]；但随着提取液体积继续增大，过量的液体影响固相内溶剂分子接收能量，花青素不能完全溶出，得率降低[16]，也造成原料的浪费。因此，液料比为20∶1（mL/g）时，从紫色马铃薯提取花青素效果最佳。
2.1.2 乙醇浓度对紫色马铃薯花青素得率的影响
乙醇浓度对紫色马铃薯花青素得率的影响见图2。
图2 乙醇浓度对紫色马铃薯花青素得率的影响
Fig.2 Effect of ethanol concentration on anthocyanin yield of purple potato
由图2可以看出，以酸化乙醇作为提取液进行超声浸提时，当其他因素不变，随着乙醇浓度的提高，紫色马铃薯花青素得率升高；乙醇浓度为85%时，花青素得率达到1.23%；继续增加乙醇浓度，花青素得率反而下降。花青素是黄酮类物质，可溶于极性和它相似的物质[14]。乙醇浓度不同，提取液的极性也有差异。当提取液的极性和花青素极性比较相近时，花青素的溶出率最高[17]。因此，乙醇浓度为85%时，从紫色马铃薯提取花青素效果最佳。
2.1.3 提取温度对紫色马铃薯花青素得率的影响
提取温度对紫色马铃薯花青素得率的影响见图3。
图3 提取温度对紫色马铃薯花青素得率的影响
Fig.3 Effect of extraction temperature on anthocyanin yield of purple potato
由图3可知，固定其他因素不变，温度较低时，紫色马铃薯花青素的得率随着提取温度的升高而增大。当浸提温度为65℃时，得率最大；继续升高浸提温度，花青素得率开始下降，这可能与花青素的热稳定性较差有关[18]。因此，浸提温度为65℃时，提取花青素效果最佳。
2.2 正交试验结果
本试验选取液料比、乙醇浓度、提取温度为考察因素，分析3个因素对紫色马铃薯花青素提取的影响作用。正交试验结果见表2。
表2 正交试验结果
Table 2 Results of orthogonal test
序号 A提取温度B乙醇浓度C液料比花青素得率/%1 1 1 1 0.92 2 1 2 2 1.13 3 1 3 3 1.23 4 2 1 2 1.03 5 2 2 3 1.21 6 2 3 1 1.13 7 3 1 3 0.88 8 3 2 1 1.06 9 3 3 2 1.25 k1 3.28 2.93 3.14 k2 3.37 3.20 3.41 k3 3.19 3.61 3.32 R 0.18 0.68 0.27
由表2可知，对紫色马铃薯花青素提取影响排序依次为：乙醇浓度＞液料比＞提取温度。乙醇浓度对紫色马铃薯花青素提取影响最大，其次是液料比，提取温度影响最小。本试验中获得的最佳提取条件为A2B3C2。 按照此种组合，选择液料比 20∶1（mL/g）、乙醇浓度85%、提取温度为65℃，其它提取条件不变进行验证，测得紫色马铃薯中花青素得率为1.27%，高于正交设计A3B3C2组合中1.25%的花青素得率，同时能有效降低成本。
2.3 花青素稳定性评价
2.3.1 不同pH值对紫色马铃薯花青素的影响
不同pH值条件下的吸光度值衰减率ΔA和吸收波长改变值BI见表3。
由表3数据可知，紫色马铃薯花青素在pH值为2.0时，吸光度衰解率最大为17.04%；pH值为3.6，放置14 h，测定吸光度降解率为22.14%，变化幅度分别介于3%和8%之内，吸收波长改变值BI变化幅度为0.04和0.02，稳定性较好；当pH值为7.4时，吸光度降解率最大为44.72%，变化幅度达到25%，BI变化幅度为0.56；随着放置时间的延长，溶液也由原来的紫色逐渐变成浅紫色，表明稳定性明显低于pH值2.0和3.6。这是由于花青素在不同的酸碱条件下，其内部存在的酸碱平衡、水合平衡和结构异构化反应发生改变，导致稳定性和颜色发生改变，含量也下降[19-20]。
表3 不同pH值条件下的吸光度值衰减率ΔA和吸收波长改变值BI
Table 3 The absorbance value attenuation rate ΔA and absorption wavelength change value BI under different pH conditions
时间/h pH2.0 pH3.6 pH7.4 ΔA/% BI ΔA/% BI ΔA/% BI 1 14.58 0.76 14.46 1.38 19.03 1.08 2 16.47 0.75 14.98 1.37 21.18 1.13 4 17.04 0.75 15.56 1.38 27.96 1.22 6 14.58 0.74 21.77 1.39 29.57 1.31 8 14.16 0.75 21.69 1.38 35.96 1.38 14 14.46 0.73 22.08 1.39 42.17 1.63 24 14.31 0.72 22.14 1.39 44.72 1.64images/BZ_116_1669_563_1683_598.pngimages/BZ_116_1941_563_1955_598.png
2.3.2 不同光照对紫色马铃薯花青素的影响
光照对花青素的影响如图4所示。
图4 不同光照下的吸光度
Fig.4 Absorbance under different light
自然光下，经8 h测试，发现紫色马铃薯花青素吸光度值一直处于下降趋势。在2 h之内吸光度值变化缓慢；2 h～4 h之间吸光度值下降幅度最大；之后缓慢下降。有研究认为长时间光照会诱导花青素炭骨架结构改变，导致花色苷被降解，花青素含量降低。说明紫色马铃薯花青素对光照敏感，不宜长时间暴露于光照下，但短时间的光照对其含量影响不大。黑暗条件2 h之内，紫色花青素吸光度基本没变化，4 h之后紫色马铃薯花青素吸光度值下降明显，但整体下降幅度低于光照条件，表明紫色马铃薯花青素在黑暗条件下稳定性优于光照条件。
2.3.3 不同温度对紫色马铃薯花青素的影响
不同温度下的吸光度见图5。
如图5所示，室温（25℃）条件2 h之内，紫薯花青素吸光度值变化不大；2 h～4 h之间，吸光度值明显下降，表明紫薯花青素含量有所降低；4 h之后，吸光度值趋于稳定，花青素含量基本不变。80℃条件下，紫薯花青素吸光度值整体处于下降趋势，说明部分花青素结构发生改变，导致花青素含量下降，与何娜等[21]对紫甘薯花青素热稳定性结论一致。100℃条件下，花青素吸光度值下降幅度最大，尤其在1 h～2 h之间，说明花青素含量迅速下降，可能温度升高，加剧对花青素结构的破坏，其抗氧化能力显著下降，影响紫薯花青素的稳定性。因此，在紫色马铃薯花青素产品的贮藏与应用中尽量避免长时间处于受热状态。
图5 不同温度下的吸光度
Fig.5 Absorbance at different temperatures
3 结论
紫色马铃薯是提取花青素的一种优质原料，在提取过程中多种因素会影响花青素得率，如提取方法、提取剂种类和浓度、提取温度、pH值等。本试验采用超声波辅助法提取“黑美人”紫色马铃薯花青素，通过优化试验条件，发现在液料比为20∶1（mL/g），乙醇浓度为85%，提取温度为65℃时，花青素得率最高达到1.27%。对“黑美人”花青素稳定性进行试验，结果显示花青素受pH值、环境温度和光照条件影响显著，酸性、低温和黑暗条件下稳定性较好，这可能与花青素自身化学结构有关。花青素具有2-苯基苯并毗喃阳离子结构，且母核上连接多个不同种类官能团，性质不稳定，当环境发生变化，其稳定性也会有差异。
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