紫甘薯花色苷提取工艺与组分分析及其稳定性和抗氧化性研究

【摘要】： 本论文比较研究了不同品种或品系的紫甘薯中花色苷类色素等主要物质含量，加工保藏方法对其含量的影响；比较研究了溶剂法、酵母发酵法提取紫甘薯花色苷色素方法，并优化了工艺参数；研究了发酵法提取的花色苷色素对pH值变化、热和光及金属离子稳定性及抗氧化活性；对发酵法提取的紫甘薯花色苷的组成和主要分子结构进行了解析。研究结果如下： 1、紫甘薯花色苷及其酸水解产物的HPLC-DAD图谱分析表明，紫甘薯中的花色苷主要是酰化的花色苷，主要的花色苷元为矢车菊色素和芍药色素。不同品种或品系紫甘薯中花色苷组分和含量存在明显差异。川山紫、济薯-18、安徽紫、紫A_0和紫A_1中分别含有21、17、16、15和14种具有花色苷特征的组分；这些紫甘薯花色苷中酰化花色苷分别占总花色苷含量的92.05％、80.65％、93.13％、74.96％和93.47％。川山紫、安徽紫和紫A_1均可能含有7种酰化花色苷，紫A_0和济薯18分别含有4种和3种酰化的花色苷；“紫A_1”中花色苷、淀粉和蛋白质含量最高，分别为76.63、326.70和14.86 mg/100g FW。 2、冷藏、冻藏、微波和蒸煮均会导致紫甘薯中花色苷含量显著下降。直接冷藏(-4℃，7天)和冻藏(-20℃，7天)的花色苷保存率分别为贮藏时的92.3％和92.1％；经微波加热和蒸煮后再冷冻处理的花色苷含量均显著降低(p0.05)，仅分别为鲜薯含量的84.5％和83.3％。徐薯1号在-20℃冻藏7d后，有1种未酰化的花色苷组分消失和2种酰化花色苷大量下降。日晒对紫甘薯花色苷有严重的破坏作用，热风干制适宜的温度为50℃。 3、响应面法优化的盐酸化乙醇提取紫甘薯花色苷色素最佳工艺参数为：温度80℃、料液比1：28.7、时间74.7 min，花色苷色素提取率最大预测值为157.29 mg/100g(db)，实测值为155.24 mg/100 g(db)；超声波辅助盐酸化乙醇提取最佳工艺参数为：温度60℃、时间40 min、超声功率225 W和料液比1：30，色素最大提取率为170.57 mg/100 g(db)；该方法比盐酸化乙醇方法提取时间缩短了近一半(34.7 min)，且提取率增加了9.88％，但色价降低了21u。 4、果胶酶处理可显著提高花色苷的提取率(p0.01)。适宜的酶解条件为温度35℃，pH值4.0时，果胶酶添加量为80 U/mL，酶解时间120 min，花色苷含量达到105μg/mL，是未添加果胶酶的2.3倍。a-淀粉酶处理的适宜条件为：起始pH值5.5、加酶量200 U/mL、60℃水浴下保温60min；糖化酶的适宜处理条件为：起始pH值4.5、糖化酶添加量200 U/mL、60℃水浴下保温2 h，淀粉基本降解为还原糖，花色苷损失最少。采用响应面法优化的酵母发酵条件：酵母接种量为10％、温度27℃，初始pH值为3.0时，经过72 h发酵，花色苷产量达到66.6μg/mL。与传统盐酸化乙醇提取法相比，紫甘薯花色苷含量减少了14.39％，但色价增加了49u，同时每100g鲜薯得到200mL浓度为6％的酒精。 5、选取AB-8、S-8、NKA-Ⅱ及NKA-9四种大孔树脂吸附紫甘薯色素，研究了大孔树脂吸附过程中的静态吸附动力学和AB-8大孔树脂的静态吸附热力学。AB-8大孔树脂是较理想的吸附树脂，其吸附平衡速率常数为每分钟0.0246，吸附过程和Freundlich经验公式拟合较好；在溶液的色素浓度为0.992(以A_(535)表示)、吸附温度为40℃和吸附时间为30 min时，大孔树脂AB-8对紫甘薯花色苷色素具有最佳的吸附效果。宜选用80％乙醇溶液作为洗脱剂。 6、pH、温度、光照和金属离子对发酵法提取的紫甘薯花色苷稳定性的影响表现为：pH值对紫甘薯花色苷色素颜色和稳定性有显著影响。紫甘薯花色苷色素在pH3以下呈红色并稳定，随着pH值增加红色变浅，向蓝紫色转变，且不稳定。常温(25℃)避光贮藏40 d后，pH 2.0和pH 3.0的色素溶液仍显现红色，其余均无色。紫甘薯色素的热降解符合一级动力学方程，在pH3.0的溶液中的活化能为39.64 kJ/mol，98℃下的半衰期为14.3 h。在pH3.0的缓冲体系中紫甘薯色素比较稳定，经过15 d光照后色素保存较好，在pH5.0的缓冲体系中，在贮藏后期(3d以后)光照引起的花色苷降解遵循零级动力学方程，日光灯下照射的色素溶液降解率高于白炽灯和黑暗下的处理。在pH 3.0的缓冲体系中，Cu~(2+)和Fe~(3+)均能提高紫甘薯色素溶液的颜色强度；而在pH5.0的缓冲体系中，M~(g2+)和Ca~(2+)对紫甘薯花色苷色素有一定的保护作用。Cu~(2+)和Fe~(3+)在二种pH值体系下均促进花色苷降解、褐变。 7、辅色素对发酵法提取的紫甘薯花色苷稳定性的影响明显。添加辅色剂明显提高花色苷的保存率；不同种类的辅色素对紫甘薯色素溶液中花色苷保存率的影响差异显著。经80 d贮藏后添加单宁酸、芸香叶苷、阿魏酸和香豆酸的紫甘薯色素溶液中花色苷保存率分别为：72.77％、61.40％、57.38％和48.65％，而对照的保存率为39.85％。随着时间的延长，聚合色素含量明显上升，添加阿魏酸和芸香叶苷的色素溶液显著高于其它处理和对照。添加辅色素可以提高紫甘薯花色苷的热稳定性。98℃下加热pH值3.0的缓冲体系中添加单宁酸、香豆酸、阿魏酸和芸香叶苷的半衰期分别比对照延长了13.26％、2.95％、7.28％和1.00％；而pH值4.0的缓冲体系中，虽然半衰期明显减少，但添加这些辅色素的半衰期分别比对照延长了58.13％、10.13％、7.27％和18.93％。说明在pH 4条件下添加辅色素的辅色效果比在pH 3下好。 8、发酵法提取的紫甘薯花色苷PSPPs2和盐酸化乙醇提取的PSPPs1的还原力、清除DPPH产生的自由基和超氧阴离子能力均比同浓度的BHT强，并且浓度越大，效果越好。同时PSPPs2和PSPPs1均具有一定的螯合金属离子能力，但比同浓度的EDTA要弱；在亚油酸体系中两者均具有一定的抗亚油酸氧化能力，但比同浓度的BHT弱。在本试验选择的抗氧化体系中发酵法提取的紫甘薯花色苷PSPPs2的抗氧化能力比盐酸化乙醇提取的PSPPs1强。 9、HPLC-DAD-MS图谱分析表明，发酵法提取的紫甘薯花色苷PSPPs2和盐酸化乙醇提取的PSPPs1中花色苷组成基本相似，主要的花色苷元是矢车菊花色素和芍药花色素；形成花色苷的糖苷可能是葡萄糖、槐糖苷和芸香苷；酰基可能为咖啡酸、阿魏酸、对-羟基苯甲酸和p-香豆酸。