超聲波輔助提取紫膠紅色素的研究

張 弘，房桂干，鄭 華

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224)

超聲波輔助提取紫膠紅色素的研究

張 弘1,2，房桂干1，鄭 華2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224)

為高效地獲得紫膠紅色素，通過單因素試驗(yàn)確定超聲波功率、超聲波作用時(shí)間、超聲波脈沖時(shí)間及料液比的適用范圍，再利用正交試驗(yàn)法進(jìn)行工藝優(yōu)化，得出超聲波輔助提取紫膠紅色素的最佳工藝條件。結(jié)果表明，超聲波輔助法提取紫膠紅色素的最佳工藝條件為：超聲波功率1200W、超聲波處理時(shí)間18min、頻率20kHz、脈沖時(shí)間(9s，12s)、料液比1:6(g/mL)。合適的提取次數(shù)為3次，浸提率85.15%，色素得率可達(dá)0.55%。

紫膠紅色素；超聲波輔助；提取

紫膠系由寄生在樹木上、吸食樹汁的紫膠蟲所分泌的天然產(chǎn)物，主要由紫膠樹脂、紫膠蠟和紫膠色素組成。由于紫膠色素影響紫膠樹脂的感官質(zhì)量，在傳統(tǒng)紫膠加工中，紫膠色素是用大量的水洗脫再加以回收[1]。紫膠色素是一種蒽醌衍生物，其色調(diào)隨pH值不同而呈橙紅至紫紅色，理化性質(zhì)比較穩(wěn)定[2]，是食品、化妝品及紡織品的優(yōu)良著色劑[3-4]，為我國允許用作食品添加劑的天然色素[5-6]。隨著食品安全和綠色食品漸入人心，紫膠紅色素愈來愈受到世人青睞，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值在紫膠加工業(yè)中所占權(quán)重已大幅提升，因此有必要研究和提升從紫膠原膠中高效提取紅色素的技術(shù)。

超聲波是彈性介質(zhì)中的一種機(jī)械波，利用超聲的熱、機(jī)械、光和活化等物理效應(yīng)，可以改變物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和功能[7-9]。在固液浸取過程中，因超聲的空化、沖擊和振動而給體系帶來了湍動、微擾、界面和聚能等化學(xué)效應(yīng)，能加速動植物組織中的有效成分在溶劑中的擴(kuò)散、遷移和釋放，有助于提取[10-11]。本實(shí)驗(yàn)擬采用超聲波輔助洗脫紫膠原膠，以期高效地獲得紫膠紅色素。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

云南紫膠蟲(Kerria yunnanensisOu et Hong)原膠[12]中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所景東試驗(yàn)站。

無水碳酸鈉(AR) 上海虹光化工廠；氫氧化鈉(AR)天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；鹽酸(AR) 重慶川江化學(xué)試劑廠；鄰苯二甲酸氫鉀(AR) 西安化學(xué)試劑廠。

AB204-S精密型電子天平、HR83-P型快速鹵素水分測定儀 梅特勒-托利多(中國)有限公司；DU 800紫外-可見分光光度計(jì) 美國Beckman-Coulter公司；BILON99-ⅡDL超聲波細(xì)胞破碎機(jī)(φ25號超聲變幅桿) 上海比朗儀器有限公司；TY742X2A純水機(jī) 美國Barnstead公司；N-1000VW旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)裝置 日本東京理化株式會社；FD-1C-50冷凍干燥機(jī) 北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；HHS-11-2電熱恒溫水浴鍋 江蘇省醫(yī)療器械廠；PHS-3C精密pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)流程

紫膠原膠→剔除明顯雜質(zhì)→粉碎→篩分→去離子水超聲輔助提取→液固分離→定容→測吸光度

本實(shí)驗(yàn)采用純水作為提取劑。將原膠粉碎成顆粒，過篩(1～6mm)去除里面的樹枝、蟲尸等雜質(zhì)待用。超聲波細(xì)胞破碎機(jī)固定頻率為20kHz。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

1.2.2.1 提取溶劑pH值的確定

稱取10g原料于燒杯中，按料液比1:6(g/mL)加入去離子水，分別用氫氧化鈉和鹽酸調(diào)節(jié)提取液至不同pH值，于輸出超聲功率1000W條件下連續(xù)提取5min，脈沖時(shí)間(10s，10s)，即超聲波持續(xù)發(fā)生10s，間歇10s，抽濾后測定濾液吸光度。

1.2.2.2 超聲波功率的確定

稱取10g原料于燒杯中，按1.2.2.1節(jié)所確定的pH值，以料液比1:6(g/mL)加入去離子水，于不同輸出功率條件下連續(xù)提取5min，頻率為20kHz，脈沖時(shí)間(10s，10s)，抽濾后測定濾液吸光度。

1.2.2.3 超聲波作用時(shí)間的確定

稱取10g原料于燒杯中，按1.2.2.1節(jié)所確定的pH值，加入料液比1:6(g/mL)去離子水，于1.2.2.2節(jié)確定的輸出功率條件下分別提取不同時(shí)間，頻率為20kHz，脈沖時(shí)間(10s，10s)，抽濾后測定濾液吸光度。

1.2.2.4 超聲波脈沖時(shí)間的確定

脈沖時(shí)間分為on和off兩個(gè)參數(shù)，on為超聲波持續(xù)發(fā)生時(shí)間，off為間隔時(shí)間，調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)對提取效果進(jìn)行研究。稱取10g原料于燒杯中，按料液比1:6(g/mL)加入去離子水，于1.2.2.2節(jié)確定的超聲波輸出功率條件下采用不同的脈沖時(shí)間提取，超聲波頻率為20kHz，抽濾后測定濾液的吸光度。先確定on的參數(shù)，再根據(jù)on確定off。

1.2.2.5 料液比的確定

分別稱取10g原料于燒杯中，按不同料液1:4～1:12(g/mL)提取，提取溶劑pH值、輸出超聲功率、超聲作用時(shí)間和超聲脈沖時(shí)間分別按1.2.2.1、1.2.2.2、1.2.2.3節(jié)和1.2.2.4節(jié)確定，抽濾后測定濾液吸光度。

1.2.3 正交試驗(yàn)

以所作單因素試驗(yàn)的結(jié)果，按因素影響重要度取舍，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)表，并根據(jù)正交試驗(yàn)表的條件進(jìn)行試驗(yàn)，從而確定色素提取的最佳條件。

1.2.4 提取級數(shù)的確定

稱取10g原料，以超聲波輔助法的最佳提取條件進(jìn)行提取，總共提取n次，將每次的提取液抽濾，分別測定其在最大吸收波長的吸光度，按式(1)計(jì)算浸提率，從而確定合理的提取級數(shù)。

1.2.5 提取得率的計(jì)算

稱取一定質(zhì)量m1的紫膠(含水率X1)，分別采用水浸提法在其最佳條件下對其中的色素進(jìn)行提取，然后對色素溶液進(jìn)行濃縮、冷凍干燥等處理，得到質(zhì)量為m2的色素樣品(含水率X2)，由式(2)計(jì)算紫膠紅色素的提取得率。

1.2.6 吸光度測定

浸提液抽濾、澄清后，用移液管吸取1mL并稀釋50倍，參照國標(biāo)食品添加劑-紫膠紅色素測定[13]，在490nm波長的特征吸收峰[2]處測定紫膠紅色素水溶液吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取液pH值的確定

圖1 不同pH值提取液吸光度曲線Fig.1 Effect of pH on extraction efficiency of lac dye

如圖1所示，在pH5～7時(shí)，紫膠紅色素比較穩(wěn)定；在pH7.5時(shí)，弱堿性的水溶液使紫膠色素與鈉離子結(jié)合，吸光度較高；而pH8～9時(shí)，由于紫膠紅色素失穩(wěn)，吸光度下降。

2.2 超聲波功率的確定

如圖2所示，超聲波功率在400～1000W范圍內(nèi)，隨著超聲波功率的增大，提取液吸光度呈緩慢的上升趨勢，當(dāng)超聲波功率達(dá)到1200W時(shí)，吸光度達(dá)到最大，此時(shí)紫膠紅色素提取效果最佳；當(dāng)超聲波功率繼續(xù)增大，提取液吸光度變化不大。因此超聲波功率選取1000W進(jìn)行提取。

圖2 不同超聲波功率條件的吸光度曲線Fig.2 Effect of ultrasonic power on extraction efficiency of lac dye

2.3 超聲波作用時(shí)間的確定

圖3 不同超聲波處理時(shí)間條件的吸光度曲線Fig.3 Effect of pH on ultrasonic treatment time on efficiency of lac dye

如圖3所示，隨著超聲波處理時(shí)間的延長，提取液的吸光度不斷增大，15min后吸光度有所下降，這是因?yàn)槌暷軙D(zhuǎn)化為熱能[14]，隨著超聲時(shí)間延長，熱效應(yīng)使得提取體系溫度升高，紫膠因受熱收縮，阻塞了紫膠紅色素遷移擴(kuò)散的通道，而且影響了紫膠紅色素的穩(wěn)定。表明合理選取提取時(shí)間，其物理場強(qiáng)化提取可以控制在非熱狀態(tài)下，不僅可提高提取效率，縮短提取時(shí)間，而且可以避免提取過程中受熱所帶來的損失。

2.4 超聲波脈沖時(shí)間的確定

圖4 脈沖時(shí)間on對提取效果的影響Fig.4 Effect of pulse-on time on extraction efficiency of lac dye

分別采用不同的脈沖時(shí)間(on，off)進(jìn)行提取，吸光度曲線如圖4～5所示。脈沖時(shí)間的間隔(off)能夠調(diào)節(jié)空化作用，根據(jù)空化作用形成的機(jī)理可知，空化現(xiàn)象包括氣泡的形成、成長和崩潰過程[15-16]，此空化現(xiàn)象完成一個(gè)循環(huán)會受到脈沖時(shí)間on與off的影響?？栈瓿梢粋€(gè)循環(huán)所用的時(shí)間如果長于on持續(xù)的時(shí)間，即未能完成一個(gè)空化循環(huán)，會起不到溶解色素的作用；如果on持續(xù)的時(shí)間長于空化一個(gè)循環(huán)的時(shí)間，這時(shí)off將對空化現(xiàn)象起到調(diào)節(jié)的效果，進(jìn)而影響色素的提取效果[17]。

圖5 脈沖時(shí)間off對提取效果的影響Fig.5 Effect of pulse-off time on extraction efficiency of lac dye

由圖4可知，在off時(shí)間固定為10s的情況下，on選擇不同的時(shí)間對色素的提取效果有差別，on在9s以后提取液吸光度增加趨緩，考慮到節(jié)能、儀器使用等方面因素，on值選擇相對比較好的9s繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)；由圖5可知，固定on時(shí)間為9s時(shí)，提取液吸光度變化不大，且隨著off時(shí)間延長，提取液的吸光度呈平緩下降趨勢。對比on/off兩組試驗(yàn)，兼顧提取體系低溫升，色素提取的較優(yōu)脈沖時(shí)間為(9s，9s)，在此條件下空化作用能更好的完成循環(huán)。

2.5 液料比的確定

圖6 不同液料比條件下的吸光度曲線Fig.6 Effect of material/liquid ratio on extraction efficiency of lac dye

分別采用不同的液料比進(jìn)行提取，提取效果見圖6。隨提取溶劑用量增加，提取液吸光度平緩下降，液料比增大到6:1(mL/g)以后，吸光度快速下降，這是因?yàn)樘崛∪軇┯昧吭龃蠼档土松厝芤旱臐舛?。因此較優(yōu)的液料比是6:1(mL/g)。

2.6 超聲波輔助提取紫膠紅色素正交試驗(yàn)

根據(jù)上述單因素試驗(yàn)的結(jié)果，取對提取液吸光度影響較大的因素：超聲波功率、超聲波作用時(shí)間、料液比和超聲脈沖on值，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)表，并根據(jù)正交試驗(yàn)表的條件進(jìn)行試驗(yàn)，從而確定色素提取的最佳條件。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

表2 超聲波輔助法提取紫膠紅色素正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal array design matrix and experimental results

正交試驗(yàn)結(jié)果表明，影響因素中以超聲波脈沖時(shí)間對色素的提取效果影響最大，各因素的影響大小順序?yàn)镃＞B＞D＞A，優(yōu)選方案為C3B3D2A2，即超聲波脈沖時(shí)間為(9s，12s)，超聲波處理時(shí)間為18min，料液比為1:6(g/mL)，超聲波功率為1200W，本次正交試驗(yàn)中未含最優(yōu)試驗(yàn)條件，需作驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

2.7 優(yōu)選方案驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

表3 最佳工藝條件驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Validation results of optimal extraction conditions

由表3可知，最佳工藝條件下色素浸出量均大于正交試驗(yàn)的9組數(shù)據(jù)，確為超聲波輔助浸提試驗(yàn)的最佳條件。

2.8 提取級數(shù)的確定

圖7 不同提取級數(shù)提取效果的比較Fig.7 Effect of extraction number on extraction efficiency of lac dye

不同提取級數(shù)浸提率的變化如圖7所示。超聲波提取級數(shù)對提取效果影響顯著，前3級提取的浸提率就可達(dá)85.15%，再經(jīng)過3級浸提，浸提率可達(dá)到95.49%，繼續(xù)進(jìn)行其后的提取，浸提率變化不大，這一結(jié)果表明，經(jīng)過6級提取已使色素較為完全地溶出。在實(shí)驗(yàn)過程中，前3級采集的提取抽濾液顏色比較純正，而第4級及以后所得提取抽濾液顏色略帶褐色，考慮到提取級數(shù)過多將降低效率，故超聲波輔助法提取級數(shù)以3級為宜。

2.9 提取得率的計(jì)算

按照公式(2)計(jì)算水浸提法提取紫膠紅色素的提取得率為0.55%。

3 結(jié) 論

3.1 通過單因素試驗(yàn)對超聲波輔助法提取紫膠紅色素的條件進(jìn)行了初步探討，并通過正交試驗(yàn)進(jìn)行了工藝優(yōu)化。結(jié)果表明，影響超聲波輔助法提取紫膠紅色素的主次因素順序?yàn)槌暶}沖時(shí)間＞超聲波作用時(shí)間＞料液比＞超聲波功率。超聲波輔助浸提法最佳工藝條件：頻率20kHz、超聲波脈沖時(shí)間(9s，12s)、超聲波處理時(shí)間18min、料液比1:6(g/mL)、超聲波功率為1200W，合適的提取級數(shù)為3級，浸提率85.15%，色素提取得率達(dá)0.55%。

3.2 傳統(tǒng)紫膠紅色素洗色方法耗時(shí)為8～24h，耗水量為原膠質(zhì)量的100～140倍，色素提取得率一般僅為原膠質(zhì)量的0.3%左右[18]。由于超聲波能使液體產(chǎn)生空化的作用，強(qiáng)化了傳質(zhì)效應(yīng)，從而使液體中的固體顆?；蚣?xì)胞組織破碎，使水滲透到細(xì)胞中，有利于原膠中色素的轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散及提取，因此超聲波輔助提取紫膠紅色素較常規(guī)提取不僅效率高、耗水少，而且減輕了后續(xù)工序的負(fù)荷，降低了能源消耗。

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Ultrasonic-assisted Extraction of Lac Dye

ZHANG Hong1,2，F(xiàn)ANG Gui-gan1，ZHENG Hua2
(1. Institute of Chemical Industry of Forest Products, Chinese Academy of Forestry, Nanjing 210042, China；2. Research Institute of Resources Insects, Chinese Academy of Forestry, Kunming 650224, China)

In order to effectively extract lac dye under the assistance of ultrasonic, single factor and orthogonal array design methods were used to optimize process parameters including ultrasonic power, extraction time, pulse time and material/liquid ratio. The optimal extraction conditions were determined as follows: material/liquid ratio, 1:6; ultrasonic power, 1200 W; extraction duration, 18 min; frequency, 20 kHz; pulse-on time, 9 s, pulse-off time, 12 s; and extraction number, 3. The extraction efficiency was up to 85.15% and the yield of lac dye was 0.55% under the optimal extraction conditions.

lac dye；ultrasonic assistance；extraction

TS264.4；S759.7；S899.2

A

1002-6630(2010)20-0116-05

2010-06-27

國家林業(yè)科技成果推廣項(xiàng)目([2010]11)；科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2010GB24320619)

張弘(1963—)，男，研究員，學(xué)士，主要從事林業(yè)生物資源化學(xué)與利用研究。E-mail：kmzhhong@163.com