PB設(shè)計(jì)篩選超聲提取紫薯色素影響因子的研究

劉俊花，岳鹍，孫勇民

（1.天津?yàn)I海職業(yè)學(xué)院，天津300450；2.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350）

紫甘薯又稱紫薯，屬旋花科一年生草本植物。紫甘薯色素（purple sweet potato pigment，PSPP）是從紫甘薯塊莖和莖葉中浸提出來的一種天然色素，由花青素、黃酮類組成。其色澤自然鮮亮，無毒，無特殊氣味，具有抗氧化、抗突變、保護(hù)肝臟、預(yù)防心血管疾病、清除自由基、改善人體微循環(huán)等多重功效，是一種理想的天然食用色素資源[1]。

目前，國內(nèi)紫甘薯色素常用的提取方法是溶劑浸取法。但由于紫甘薯細(xì)胞壁中的果膠、纖維素等成分嚴(yán)重阻礙色素的溶出，因此單純的溶劑法難以高效地提取紫甘薯色素[2-3]。超聲波作為一種有效的處理技術(shù)，可有效地破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，提高組織細(xì)胞的滲透性，縮短提取時(shí)間，提高色素得率[4]。本文在單因素研究基礎(chǔ)上采用Plackett-Burman設(shè)計(jì)法篩選影響紫甘薯色素提取得率的主要因素，確定較優(yōu)的提取工藝條件，為進(jìn)一步的響應(yīng)面優(yōu)化提供了基礎(chǔ)，也為大規(guī)模生產(chǎn)提供參考依據(jù)[5]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫甘薯：市售，產(chǎn)地福建晉江；莧菜紅色素標(biāo)準(zhǔn)品：上海嘉匯精細(xì)化工有限公司，純度≥99%；檸檬酸、無水乙醇：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純。

KQ-300型三頻數(shù)控超聲清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；BS224S型電子分析天平：德國賽多利斯股份公司；DSHZ-300型多用途恒溫水浴振蕩器：江蘇太倉市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠；T6紫外分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限公司；TG16-WS臺(tái)式高速離心機(jī)：湘儀離心機(jī)儀器有限公司；DZ-2BCⅡ型真空干燥箱：天津泰斯特儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 紫甘薯色素超聲波提取工藝

選用新鮮紫甘薯，用水洗凈，切成1 mm左右顆粒，70℃烘干，粉碎后過60目篩，干燥避光保存。稱取1.0 g紫甘薯粉于小燒杯中，按試驗(yàn)所需料液比加入不同濃度的檸檬酸水溶液，在不同超聲條件提取一定時(shí)間后，將色素提取液放入離心機(jī)中，在 3000 r/min下離心10 min，得到色素上清液，待其冷卻到室溫后，過濾，用相應(yīng)的提取溶劑定容至50 mL，以提取溶劑作參比，在525 nm下用1 cm比色皿測(cè)其吸光度。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定

稱取食用合成莧菜紅色素0.2000g，采用pH3.0緩沖溶液溶解定容至 1000 mL，搖勻得濃度為0.20 mg/mL的莧菜紅色素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。精確移取2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL該儲(chǔ)備液于100 mL容量瓶中，加緩沖溶液定容后于波長525 nm處測(cè)定其吸光度。

以溶液濃度為橫坐標(biāo)，吸光值為縱坐標(biāo)，繪制莧菜紅色素的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1，得到其回歸方程為Y=0. 0224X-0. 0007，R2=0. 9997。莧菜紅色素標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度在 0.00 μg/mL～20.00 μg/mL 范圍內(nèi)線性關(guān)系良好[6]。

圖1 食用合成莧菜紅色素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of food dyestuff-amaranth

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 超聲波功率對(duì)花色苷色素提取率的影響

在提取溫度50℃，檸檬酸溶液濃度2.0%，料液比1 ∶20（g/mL），提取 2次，每次提取 25 min 的條件下，分別采用 100、200、300、400、500、600 W 的超聲波提取功率，考察超聲波功率對(duì)紫甘薯色素提取率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 超聲波功率對(duì)紫甘薯色素提取率的影響Fig.2 Effects of ultrasound power on extraction yield of PSPP

由圖2可以看出，隨著超聲波功率的增大，紫甘薯色素的提取率也不斷增大。當(dāng)功率達(dá)到400 W時(shí)，紫甘薯色素提取率達(dá)到最大；之后隨著超聲波功率的增加，紫甘薯色素的提取率反而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這主要是由于超聲空化作用產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致了紫甘薯色素的降解。

2.1.2 超聲波提取時(shí)間對(duì)紫甘薯色素提取率的影響

在提取溫度50℃，超聲波功率400 W，檸檬酸溶液濃度2.0%，料液比1∶20（g/mL），提取2次的條件下，分別采用 10、15、20、25、30、35 min 的提取時(shí)間，考察超聲波提取時(shí)間對(duì)紫甘薯色素提取率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 超聲波提取時(shí)間對(duì)紫甘薯色素提取率的影響Fig.3 Effects of extraction time on extraction yield of PSPP

由圖3可知，隨著超聲波提取時(shí)間的增加，色素提取得率先穩(wěn)步上升而后有所下降，在提取20 min時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)。由Fick擴(kuò)散定律可知，色素提取得率與提取時(shí)間呈正比，在一定范圍內(nèi)，超聲時(shí)間越長其得率越高，但提取時(shí)間過長不但會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)的降低，還會(huì)導(dǎo)致色素中的熱敏組分的破壞，反而會(huì)降低色素得率。因此，本試驗(yàn)選擇超聲波提取時(shí)間為25min。

2.1.3 提取溫度對(duì)紫甘薯色素提取率的影響

在超聲波功率400 W，檸檬酸溶液濃度2.0%，料液比1∶20（g/mL），提取2次，每次提取25 min的條件下，分別選擇 30、40、50、60、70、80 ℃的提取溫度進(jìn)行提取，考察提取溫度對(duì)紫甘薯色素提取率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 提取溫度對(duì)紫甘薯色素提取率的影響Fig.4 Effects of extraction temperature on extraction yield of PSPP

由圖4可知，隨著提取溫度的升高，色素提取得率逐漸上升，溫度升高到50℃時(shí)色素提取率基本穩(wěn)定。這主要是由于色素在溶劑中的溶解度隨著溫度的升高而不斷增大，同時(shí)由于溫度的升高，擴(kuò)散系數(shù)增加，進(jìn)一步促進(jìn)了色素的提取速度；然而溫度過高，不但易造成部分色素成分的降解氧化，還會(huì)造成紫甘薯中其他雜質(zhì)成分的溶解度增大，隨色素提取率沒有顯著變化，但提取物中有效成分含量卻有所下降，增大了后續(xù)純化工藝的難度，因此提取溫度選擇50℃。

2.1.4 提取次數(shù)對(duì)紫甘薯色素提取率的影響

在超聲波功率400W，檸檬酸溶液濃度2.0%，料液比1∶20（g/mL），提取溫度50℃，每次提取時(shí)間25 min的條件下，提取次數(shù)分別為1次、2次和3次，提取次數(shù)對(duì)紫甘薯色素提取率的影響見圖5。

圖5 提取次數(shù)對(duì)紫甘薯色素提取率的影響Fig.5 Effects of extraction times on extraction yield of PSPP

由圖5可知，隨著提取次數(shù)的增加，色素提取率也隨之增加。綜合考慮能耗成本，提取次數(shù)選擇2次。

2.1.5 料液比對(duì)紫甘薯色素提取率的影響

在超聲波功率400 W，檸檬酸溶液濃度2.0%，提取溫度50℃，提取2次，每次提取25 min的條件，分別選擇 1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30、1 ∶35（g/mL）的料液比進(jìn)行提取，考察料液比對(duì)紫甘薯色素提取率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 料液比對(duì)紫甘薯色素提取率的影響Fig.6 Effects of solid-liquid ratio on extraction yield of PSPP

由圖6可知，料液比達(dá)到1∶20（g/mL）時(shí)，紫甘薯色素已能基本溶出；繼續(xù)增大料液比，不但會(huì)增加溶劑的用量，而且會(huì)增大去除溶劑所需負(fù)荷、增加生產(chǎn)成本，因此本試驗(yàn)選擇料液比1∶20（g/mL）。

2.1.6 提取液濃度對(duì)紫甘薯色素提取率的影響

在超聲波功率 400 W，料液比 1∶20（g/mL），提取溫度50℃，提取2次，每次提取25 min的條件下，檸檬酸提取液濃度分別選擇0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，考察提取液濃度對(duì)紫甘薯色素提取率的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 料液比對(duì)紫甘薯色素提取率的影響Fig.7 Effects of concentration of citric acid on extraction yield of PSPP

由圖7可知，適當(dāng)加大提取液濃度有助于提取，當(dāng)濃度超過2.0%后，色素提取率提高的趨勢(shì)大幅減緩，考慮到生產(chǎn)成本以及終產(chǎn)品純度，提取液檸檬酸的濃度選擇2.0%。

2.2 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選關(guān)鍵因素

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平，Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)及相應(yīng)值見表1。

表1 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)及相應(yīng)值Table 1 Plackett-Burman test design and results

利用Design-Expert 8.0軟件對(duì)Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，因素影響效果、回歸模型方差分析見表2和表3。

由表2可知，所得的回歸方程達(dá)到顯著（P＜0. 0001），決定系數(shù)R2=0. 9804，這表明98.04%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性可用此回歸模型來解釋。實(shí)驗(yàn)回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表見表3。

表3表明，對(duì)超聲波提取紫甘薯色素，影響顯著的因子有超聲波功率、提取次數(shù)和料液比。通過逐步回歸分析獲得最優(yōu)多元一次回歸方程為：Y=8.34-0.497X1+0.23X4+0.17X5。

表3 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素、水平及影響效果Table 3 Levels and effects of factors of Plackett-Burman design

式中：Y為紫甘薯提取量的預(yù)測(cè)值；X1為超聲波功率；X4為提取次數(shù)；X5為料液比。

3 結(jié)論

將單因素試驗(yàn)和Plackett-Burman設(shè)計(jì)法相結(jié)合，對(duì)紫甘薯色素超聲波提取工藝的主要影響因素進(jìn)行了篩選，得到了以紫甘薯色素提取率為響應(yīng)值的線性回歸方程，篩選出了對(duì)紫甘薯色素提取影響最大的3個(gè)主效應(yīng)因素：超聲波功率，提取次數(shù)和提取料液比。

通過Plackett-Burman設(shè)計(jì)法的初步優(yōu)化，紫甘薯色素的提取率達(dá)到9.36%，較優(yōu)化前有明顯提高。本研究為超聲波提取工藝的進(jìn)一步二階優(yōu)化奠定了良好的基礎(chǔ)，并為紫甘薯色素超聲波提取工藝的放大試驗(yàn)提供了理論參考。

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