月季花红色素的提取及稳定性探究.pdf

第 22 卷 第 2 期2023 年 6 月宁 夏 工 程 技 术Vol.22 No.2Ningxia Engineering TechnologyJun.2023月季花红色素的提取及稳定性探究韩梅芳，邓丽莎，任江陵，冯哲*（西北民族大学 生命科学与工程学院，甘肃 兰州730000）摘 要：以 95%（质量分数）的乙醇作为提取溶剂，采用超声波辅助法，分析了料液比、超声温度、超声时间等因素对月季花红色素提取率的影响，最终确定了最佳提取条件；通过稳定性分析，探究了食品添加剂、氧化剂和还原剂、金属离子、pH 等因素对红色素提取液稳定性的影响。结果表明：月季花红色素的最大吸收波长为 540 nm；最佳提取条件为料（质量（m）液（体积（mL）比 1 20，超声温度 60，超声时间 70 min；月季花红色素受常见食品添加剂的影响较小，但其耐氧化性、还原性较差；月季花红色素易与 Fe2+发生反应，故其不宜采用铁制容器贮存；在偏酸性或中性环境中，月季花红色素表现相对稳定，但在碱性环境下其颜色变化较大。关键词：月季花；红色素；超声波辅助法中图分类号：TS201.1 文献标志码：A月季花是一种常绿或半常绿低矮灌木，素来有“花中皇后”之美誉，同时又具有活血、抗毒、抑菌、抗癌、抗氧化、增强细胞免疫力等药用价值1。近年来，以月季花为原料开发的保健茶、保健枕、精油、糕点等产品受到人们的青睐2。月季花中的红色素是一种天然植物红色素类活性物质，其主要成分为花青素，具有安全、健康、开发利用价值高等特点，但月季花红色素的稳定性较差，容易受食品添加剂、氧化剂和还原剂、金属离子、pH 等因素影响，致使其应用场合受到很大的限制。因此，高效稳定地提取月季花中的红色素，对其在食品、化妆品和医药等行业中的充分应用具有十分重要的意义。目前，月季花红色素的提取方法主要有温浸法3、索氏提取法4、超声波辅助法5等。其中，温浸法和索氏提取法均存在提取时间长、热能消耗多等缺点，而超声波辅助法克服了传统方法的弊端，其提取效率高、成本低，且提取过程快捷，能够保护有效成分6-7。本文选用 95%（质量分数）的乙醇作为提取溶剂，采用超声波辅助法提取了月季花中的红色素，探讨了料（质量（m）液（体积（mL）比（以下简称料液比）、提取温度和提取时间对提取率的影响，以确定月季花红色素的最佳提取条件。在此基础上，本文对提取出的月季花红色素进行了稳定性分析，探究了不同食品添加剂、氧化剂和还原剂、金属离子和 pH 对红色素提取液稳定性的影响，以期为月季花红色素的进一步开发和利用提供理论依据。1材料与方法1.1实验材料本次实验使用的红色月季花采自甘肃省兰州市西北民族大学榆中校区。实验前，首先用蒸馏水快速冲洗红色月季花花瓣，沥干水分，再将其放入冷冻干燥机中进行干燥处理；然后采用高速万能粉碎机将干燥后的花瓣粉碎，过 60 目筛，密封后避光保存、备用。实验试剂主要包括无水乙醇、柠檬酸、过氧化氢、亚硫酸氢钠、硫酸亚铁、无水硫酸铜、氯化钙、氯化钾、氯化镁，以上试剂均为分析纯。1.2主要仪器及设备本次实验使用的仪器设备：AR224CN 型电子天平（奥豪斯仪器（常州）有限公司）；LGJ-100F 型真空冷冻干燥机（北京松源华兴科技发展有限公司）；QE-200 型四两装高速万能粉碎机（浙江屹立工贸有限公司）；X1R 型高速冷冻离心机（美国赛默飞世尔科技公司）；SB-500DTY 型超声波清洗仪（宁波新文章编号：1671-7244（2023）02-0175-06收稿日期：2022-05-21基金项目：西北民族大学本科生科研创新项目（XBMU21134）作者简介：韩梅芳（1999），女，本科在读，主要从事食品检测研究（）。*通信作者：冯哲（1989），男，讲师，硕士，主要从事食品安全与检测研究（）。宁 夏 工 程 技 术第 22 卷芝生物科技股份有限公司）；SHB-III 型循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）；L3S 可见分光光度计（上海仪电分析仪器有限公司）。1.3月季花红色素最大吸收波长的确定张思博等5在月季花红色素提取条件的优化实验中，对比分析了甲醇、乙醇、乙醚、石油醚、乙酸乙酯、正丙醇、正丁醇 7 种溶剂对月季花红色素提取率的影响，又分别采用质量分数为 50%，60%，70%，80%，95%的乙醇及无水乙醇提取了月季花红色素。结果表明，采用 95%的乙醇作为提取溶剂时可获得月季花红色素最大提取率，因此，本文选用其作为提取溶剂。实验中，将 0.5 g 月季花花瓣粉末放入 100 mL锥形瓶中，按料液比 1 30 加入 95%的乙醇溶液；充分摇匀后，在超声温度为 40、超声时间为 40 min 的条件下进行月季花红色素提取；提取结束后，采用离心机（4 200 r/min）离心 10 min，离心后取上清液；剩余部分再加入少量乙醇溶液，充分摇匀后，在同样条件下再离心 1 次6；合并上清液并减压抽滤，所得滤液即为月季花红色素提取液。随后，用乙醇溶液将提取液补足至 30 mL8，测定其在可见光区（450550 nm）的吸收光谱。根据可见光区的吸收曲线，可以确定月季花红色素的最大吸收波长（max）。在max下，采用可见分光光度计测定不同提取条件下提取液的吸光度值，并以测得的吸光度值评价提取液中红色素的质量分数。1.4单因素实验设计1.4.1料液比对月季花红色素提取效果的影响精确称量 5 份 0.5 g 月季花花瓣粉末并分别置于 5 个100 mL 的锥形瓶中，采用 95%的乙醇为提取溶剂，在超声温度 40、超声时间 40 min、超声频率 28 kHz的条件下，按照本文 1.3 中的提取流程，探究不同料液比（1 20，1 30，1 40，1 50，1 60）对月季花红色素提取效果的影响。1.4.2超声温度对月季花红色素提取效果的影响以95%的乙醇作为提取溶剂，在料液比为 1 30、超声时间为 40 min、超声频率为 28 kHz 的条件下，按照本文 1.3 中的提取流程，探究不同超声温度（20，30，40，50，60）对月季花红色素提取效果的影响。1.4.3超声时间对月季花红色素提取效果的影响以 95%的乙醇作为提取溶剂，在料液比为 1 30、超声温度为 40、超声频率为 28 kHz 的条件下，按照本文 1.3 中的提取流程，探究不同超声时间（30，40，50，60，70 min）对月季花红色素提取效果的影响。1.5正交实验设计本文在单因素实验结果的基础上，利用三因素三水平正交实验分析了料液比、超声温度、超声时间对月季花红色素提取效果的影响，以获得最佳提取条件。正交实验因素水平表如表 1 所示。1.6红色素稳定性探究1.6.1常见食品添加剂对月季花红色素稳定性的影响本文根据文献9中所用方法，将 2 份 4 mL 等浓度的月季花红色素提取液分别置于 2 个锥形瓶中，再分别加入 1 mL 的食盐和柠檬酸溶液，2 种溶液的浓度均为 0.1 mol/L，混合均匀后静置；随后进行空白对照实验，在 max处测定吸光度值。1.6.2氧化剂和还原剂对月季花红色素稳定性的影响（1）氧化剂。将 6 份 4 mL 等浓度的月季花红色素提取液分别置于 6 个锥形瓶中，加入 1 mL 过氧化氢溶液，其质量分数分别为 1%，2%，3%，4%，5%，6%，混合均匀后静置；随后作空白对照实验，在max处测定吸光度值。（2）还原剂。将 6 份 4 mL 等浓度的月季花红色素提取液分别置于 6 个锥形瓶中，各自加入 1 mL 亚硫酸氢钠溶液，其浓度分别为0.10，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35 mol/L，混合均匀后静置；随后作空白对照实验，在 max处测定吸光度值。1.6.3金属离子对月季花红色素稳定性的影响将 5 份 4 mL 等浓度的月季花红色素提取液分别置于 5 个锥形瓶中，再分别加入 0.5 mL 硫酸亚铁、无水硫酸铜、氯化钙、氯化钾、氯化镁，5 种溶液的浓度均为 0.01 mol/L，混合均匀后静置；随后作空白对照实验，在 max处测定吸光度值。1.6.4pH对月季花红色素稳定性的影响将 2 份4 mL 等浓度的月季花红色素提取液分别置于 2 个锥形瓶中，再分别用盐酸和氢氧化钠溶液（2 种溶液的浓度均为 0.1 mol/L）将月季花红色素提取液的 pH调节为 4 和 10，混合均匀后静置；随后作空白对照实验，在 max处测定吸光度值。表1正交实验因素水平表水平123因素A（料液比）1 201 301 40B（超声温度）/405060C（超声时间）/min506070176第 2 期韩梅芳等：月季花红色素的提取及稳定性探究2结果与分析2.1月季花红色素最大吸收波长的确定月季花红色素在可见光区的吸收光谱如图 1 所示。由图 1 可知：吸光度值随着吸收波长的增大先上升后下降；最大吸收波长为 540 nm，对应吸光度值为 0.655 8。乙醇的分子结构中不存在共轭双键体系，因此其在可见光区没有被吸收，无溶剂干扰现象，不影响吸光度值的测定。2.2单因素实验结果2.2.1料液比对月季花红色素提取效果的影响料液比对吸光度值的影响如图 2 所示。由图 2 可知：随着料液比的增大，吸光度值呈先上升后下降的趋势；当料液比为 1 30 时，吸光度值最大；此后，吸光度值逐渐减小，可能是因为提取液的增加增大了物料与提取溶剂之间的接触面积，使月季花红色素溶解速度加快，从而提高了提取效率，但当提取液过多时，超声波作用产生的能量被分散，导致提取效率有所下降。综上可得，料液比选择 1 30 左右为宜。2.2.2超声温度对月季花红色素提取效果的影响超声温度对吸光度值的影响如图 3 所示。由图 3 可知：在超声波作用下，吸光度值上升至最大值后再逐渐下降；提取温度为 50 时，月季花红色素溶出最多，可能是由于月季花红色素的热稳定性较差，随着温度的上升，其扩散速度随之增大10；温度超过50 时，月季花红色素的分子结构受到破坏，因此吸光度值开始下降。综上可得，月季花红色素的提取温度以 4060 为宜。2.2.3超声时间对月季花红色素提取效果的影响超声时间对吸光度值的影响如图 4 所示。由图 4 可知：超声时间对吸光度值的影响较小；在超声波作用下，提取时间为 3060 min 时，吸光度值随时间的增加逐渐上升；超过 60 min 后，吸光度值降低，可能是因为超声作用时间过长，超声波的热效应影响了月季花红色素的稳定性，造成红色素损失。综上可得，月季花红色素的提取时间以 5070 min 为宜。2.3正交实验结果正交实验结果及分析如表 2 和表 3 所示。由表 2和表 3 可知，影响月季花红色素提取效果的 3 个因素中，料液比的影响最大，其次是超声温度，超声时间的影响最小；最佳工艺组合为 A1B3C3，即超声波辅0.350.500.550.600.700.650.45460480500520440#Knm0.40540560图1月季花红色素在可见光区的吸收光谱1?301?401?501?601?20#0.20.40.50.60.80.70.3图2料液比对吸光度值的影响0.20.40.50.60.80.70.33040506020C$图3超声温度对吸光度值的影响3040506070CLmin0.30.40.50.60.7图4超声时间对吸光度值的影响177宁 夏 工 程 技 术第 22 卷助乙醇提取月季花红色素的最佳条件为料液比 1 20，超声温度 60，超声时间 70 min。2.4月季花红色素稳定性研究结果2.4.1常见食品添加剂对月季花红色素稳定性的影响食品添加剂对月季花红色素稳定性的影响如表 4 所示。由表 4 可知：柠檬酸对月季花红色素稳定性的影响较大，其对提取液有增色作用；食盐的影响较小，提取液的颜色变化不大。2.4.2氧化剂和还原剂对月季花红色素稳定性的影响氧化剂和还原剂对月季花红色素稳定性的影响如表5和表6所示。由表 5 和表 6 可知：随着氧化剂质量分数的增加，月季花红色素提取液的吸光度值不断减小，颜色变化不明显；当还原剂的浓度增加时，月季花红色素的吸光度值也在减小，且颜色变化明显，呈淡黄色。可见，氧化剂和还原剂对月季花红色素的影响各异，使红色素产生了不同程度的分解。同时，氧化剂和还原剂都对月季花红色素有较大的破坏作用，即红色素的耐氧化性和耐还原性较差，因此，使用月季花红色素时应避免其与氧化性或还原性较强的物质共存。2.4.3金属离子对月季花红色素稳定性的影响金属离子对月季花红色素稳定性的影响如表 7 所示。由表 7 可知：在月季花红色素提取液中分别加入Ca2+，K+，Mg2+后，吸光度值均变化不大；Fe2+使提取液的颜色变黑，对吸光度值的影响较大；Cu2+使提取液颜色加深，对吸光度值的影响相对较小。综上可见，不同金属离子对月季花红色素的影响不同，尤其是Fe2+的影响较大，因此，在月季花红色素生产和储藏的过程中应尽量避免其与铁制容器接触。2.4.4pH对月季花红色素稳定性的影响pH 对月季花红色素稳定性的影响如表 8 所示。由表 8 可知，随着 pH 的改变，月季花红色素提取液的颜色和吸光度值均会发生变化。pH=4 时，提取液颜色加深，吸光度值变大；在 pH 为 58 时，吸光度值变化不大；pH9 时，提取液的颜色逐渐变绿，吸光度值变大。综上可得：pH 不同时，月季花红色素分子的成分发生变化，从而显示出不同的颜色；pH 较低时，月季花红色素的颜色鲜艳，接近于自然色，此类红色素适用于制作酸性食品的添加剂，因此，其不宜在碱性条件下提取或保存。3结论与讨论本文通过分析料液比、提取温度和提取时间对月季花红色素提取率的影响，确定了提取月季花红表3正交实验结果分析表因素AB/C/mink10.591 90.530 70.552 3k20.540 20.564 90.546 0k30.528 60.565 20.562 4R0.063 30.034 50.016 4表2正交实验结果序号123456789A111222333因素B/123123123C/min123231312吸光度值0.563 80.030.608 10.030.604 00.030.501 30.030.556 50.050.562 80.020.526 90.080.530 30.040.528 70.05表4食品添加剂对月季花红色素稳定性的影响食品添加剂吸光度值空白0.267 1食盐0.422 0柠檬酸1.538 8表5氧化剂对月季花红色素稳定性的影响过氧化氢/%吸光度值空白0.275 210.218 920.163 830.112 440.104 650.076 560.069 5表6还原剂对月季花红色素稳定性的影响亚硫酸氢钠/（molL-1）吸光度值空白0.221 70.100.144 70.150.139 50.200.127 20.250.112 40.300.101 00.350.083 7表7金属离子对月季花红色素稳定性的影响金属离子吸光度值空白0.292 1FeSO42.786 7CuSO41.563 2CaCl20.574 2KCl0.365 3MgCl0.565 6178第 2 期韩梅芳等：月季花红色素的提取及稳定性探究色素的最佳条件；在此基础上，探究了不同食品添加剂、氧化剂和还原剂、金属离子和 pH 对月季花红色素提取液稳定性的影响，得出以下结论。（1）本文对月季花红色素在可见光区的吸光度值进行了测定，最终确定 max为 540 nm，这一结果与赵永光等4和王锋等11在相关研究中所获得的可见光区最大吸收波长范围（500550 nm）一致。（2）本次实验得出，料液比对月季花红色素提取效果的影响最大，其次为超声温度、超声时间。超声波辅助乙醇提取月季花红色素的最佳条件为料液比1 20，超声温度 60，超声时间 70 min。而赵永光等4用 95%的乙醇提取月季花红色素时得到的最佳条件为料液比 1 40，提取温度 91，提取时间 6 h，测得的吸光度值为 0.803。由此可知，虽同为月季花红色素，由于月季花品种等因素的差异，会导致吸光度值不同12。（3）稳定性实验表明：柠檬酸对月季花红色素有增色作用，这与杨琼等13、茹宗玲等14的研究结果有差异；而食盐对月季花红色素的影响相对较小，与杨琼等13、茹宗玲等14的研究结果一致。（4）过氧化氢和亚硫酸氢钠都对月季花红色素的吸光度值有影响，且亚硫酸氢钠对月季花红色素的颜色有更为明显的破坏作用，这一结论与陈莎莎等15在青藏高原黑果枸杞花青素稳定性评价研究中所获得的结论相同，但月季花红色素与月季花黄色素的稳定性情况明显不同14。由此可见，色素构成的差异直接影响了色素的稳定性。（5）金属离子 Ca2+，K+，Mg2+对月季花红色素稳定性的影响不大，Cu2+对月季花红色素有一定的增色作用，Fe2+极大地影响了月季花红色素的稳定性。刘睿杰等16通过花生红衣原花青素稳定性实验，发现金属离子 Cu2+，Fe2+，Fe3+易与原花青素发生络合反应，从而影响了原花青素的稳定性。由此可知，月季花红色素在生产和储藏过程中应尽量避免其与铁制容器接触。（6）本次实验还表明：月季花红色素在酸性、碱性及中性条件下均可溶；其在弱酸性、中性及弱碱性介质中较为稳定；其在低 pH 时颜色更鲜艳，在碱性环境下颜色变化较大，故适合作为酸性食品的添加剂。此外，杨运英等17研究表明，紫色康乃馨在中性条件下的稳定性较好，在酸性条件下颜色加深，pH越大则色素颜色变化越明显。吴敏等18也进一步验证了此结论，指出 pH 会影响花青素的结构，从而使其颜色发生变化。参考文献：1 张孟琴，徐路，孙亚真，等.月季花瓣营养成分评价及主成分和聚类分析J.食品与发酵工业，2021，47（2）：274-278.2 张敏娜，王光辉，丁瑞芳，等.月季花挥发油的提取及其-环糊精包合物的初步研究J.上海医药，2019，40（1）：62-65.3 王岚岚，朱志玲.月季花红色素的提取及性质研究J.食品工程，2007（4）：46-47，60.4 赵永光，常丽新，刘红梅，等.月季花色素提取工艺研究J.食品科学，2008，29（12）：342-345.5 张思博，赵阳，李杰，等.月季花红色素提取条件的优化J.山东化工，2018，47（23）：66-69，71.6 黄爱妮，余萃，赵昕，等.莲房原花青素的超声波辅助提取及其稳定性研究J.食品研究与开发，2021，42（7）：114-119.7 任卫合，罗龙龙，王丽萍，等.响应面法优化红景天多酚提取工艺及其体外-葡萄糖苷酶抑制活性J.食品工业科技，2022，43（6）：213-220.8 林素英，谢文燕，蔡丽娜，等.响应面法优化超声辅助提取凤仙花色素工艺J.岭南师范学院学报，2016，37（3）：50-57.9 杨运英，邱伊曼，王廷芹.洋金凤色素提取及其稳定性研究J.南方农业学报，2020，51（6）：1435-1441.10 赵薇，赵朋，李丽霞，等.响应面优化超声辅助提取红椒色素及其稳定性研究J.中国调味品，2020，45（11）：169-174.11 王锋，邓洁红，谭兴和，等.花色苷及其共色作用研究进展J.食品科学，2008，29（2）：472-476.12 郭咏梅，段旭东，白健君，等.观赏辣椒果实花青素提取及果色相关性分析J.山西农业大学学报（自然科学版），2021，41（1）：48-58.13 杨琼，张来新，徐改娥，等.月季花色素的提取及稳定性研究J.化工时刊，2009，23（5）：5-9.14 茹宗玲，彭聪虎.月季花黄色素的稳定性研究J.食品研究与开发，2009，30（8）：189-192.15 陈莎莎，索有瑞，白波，等.青藏高原黑果枸杞花青素稳定性评价J.天然产物研究与开发，2017，29（2）：表8pH对月季花红色素稳定性的影响pH吸光度值颜色空白0.251 7淡红40.786 0大红50.221 2橙红60.231 7橙70.248 7浅黄80.398 2黄色90.685 7黄绿101.154 8黄绿179宁 夏 工 程 技 术第 22 卷322-328.16 刘睿杰，白欢欢，王珊珊，等.花生红衣原花青素稳定性研究J.中国油脂，2018，43（6）：126-131.17 杨运英，王廷芹，周子涵.紫色康乃馨色素提取及其稳定性J.北方园艺，2021（2）：80-84.18 吴敏，张杰，曾凡骏.天然花青素稳定性研究现状J.中国食品添加剂，2008（5）：50-53.Study on Extraction and Stability of China Rose Red PigmentHAN Meifang，DENG Lisha，REN Jiangling，FENG Zhe*（School of Life Science and Engineering，Northwest Minzu University，Lanzhou 730000，China）Abstract：Using 95%（mass fraction）ethanol as extraction solvent，ultrasonic-assisted method was used in this paper.The optimum extraction process was determined by the contrastive analysis of the effects of solid-liquid ratio，ultrasonic temperature and ultrasonic time on the extraction rate of red pigment.On this basis，the effects of food additives，oxidants and reducing agents，metal ions，pH and other factors on the stability of the extracted red pigment were studied.The results show that the maximum absorption wavelength of red pigment in China rose is 540 nm，and the best extraction process condition is with 1 20 for solid-liquid ratio，60 for ultrasonic temperature and 70 minutes for ultrasonic time.The red pigment is less affected by common food additives，but its resistance to oxidation and reduction is poor.It is very unstable under the influence of Fe2+，so it is not suitable to use iron containers.The red pigment is relatively stable in acidic and neutral environment，but the color changes greatly in alkaline environment.Keywords：China rose；red pigment；ultrasonic assistance（责任编辑 丁莉君）（上接第 174 页）Spatial and Temporal Analysis and Prediction of Ecological Environment Quality in Yongning County Based on Google Earth Engine and CA-Markov ModelLIU Chenghui（China Aerospace Planning and Design Group Co.，Ltd.，Beijing 102616，China）Abstract：Remote Sensing Ecological Index（RSEI）plays an important role in assessing the regional ecological environment，but the current evaluation of ecological environment mainly focuses on the analysis of historical images，lacking prediction and assessment of future ecological conditions.Based on the Google Earth Engine（GEE）platform，four periods of Landsat images from 2005 to 2020 were selected，and four indexes of greenness，humidity，dryness and heat were calculated.A RSEI model was constructed by principal component analysis to conducted a spatial and temporal analysis of the images.The CA-Markov model was also used to predict the RSEI images in 2025.The results show that from 2005 to 2020，the average annual growth rate of RSEI in Yongning County was 0.0047/a，and the ecological environment continued to improve.Its ecological environment quality showed a spatial pattern of“strong in the east and weak in the west”，and the ecological environmental quality in the middle and east parts of Yongning County changed sharply，while that in the west was relatively stable.In 2025，the area with excellent and good ecological environment grades in Yongning County is predicted to increase by 4.12%and 1.41%compared with 2020，respectively，and the area with poor grade decrease by 6.03%.The ecological environment quality will be much better.The CA-Markov model can provide a basis for future ecological environment prediction and decision making.Keywords：CA-Markov；Google Earth Engine；RSEI；Yongning County（责任编辑 丁莉君）180