基于響應(yīng)面法的紅色西洋菜色素的提取及其穩(wěn)定性研究

葉少曼，黃俊生

（韓山師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東潮州 521041）

基于響應(yīng)面法的紅色西洋菜色素的提取及其穩(wěn)定性研究

葉少曼，黃俊生

（韓山師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東潮州 521041）

以紅色西洋菜為原料，利用Design-Expert軟件，基于響應(yīng)面法研究紅色西洋菜色素的提取工藝，以A*V作為實驗的響應(yīng)值，利用回歸分析響應(yīng)值與各工藝參數(shù)之間的關(guān)系，最后對西洋菜紅色色素的穩(wěn)定性進(jìn)行研究.結(jié)果表明：最佳提取溶劑為蒸餾水，最大吸收波長為529 nm.紅色西洋菜的最佳提取工藝條件為：液料比280∶1（mL/g）、提取時間87 min、溫度38℃.經(jīng)過實驗驗證，該色素穩(wěn)定性良好.

響應(yīng)面法；紅色西洋菜；色素；提??；穩(wěn)定性

西洋菜的顏色主要以綠色為多，近年來新栽培出了一種紅色西洋菜.紅色西洋菜屬于十字花科植物，又稱紅色豆瓣菜，其營養(yǎng)價值豐富[1]，食療藥用價值很高.其紅色色素的提取及其穩(wěn)定性還未被研究過.本文利用響應(yīng)面法研究了紅色西洋菜色素的提取及其穩(wěn)定性分析，希望對紅色西洋菜色素的提取投入工業(yè)生產(chǎn)提供一定的幫助.

1 色素提取工藝

1.1 實驗原料與試劑

紅色西洋菜（購自汕頭市潮陽區(qū)市場），蒸餾水、氫氧化鈉、37%鹽酸、無水乙醇、無水乙醚、乙酸乙酯丙酮、三氯甲烷、氯化鈉、硫酸銅、硫酸鈣、硫酸鋅、氯化鐵、氫氧化鉀、鎂粉、氯化鋁、30%過氧化氫、無水亞硫酸鈉等分析純，以及蔗糖、檸檬酸、葡萄糖、抗壞血酸、苯甲酸鈉、山梨酸鉀等食品添加劑.

1.2 實驗設(shè)備

冷凍干燥機(jī)（LGJ-10）、可見分光光度計（722SP型）、雙光束紫外-可見分光光度計（TU-1900型）

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗材料預(yù)處理

將紅色西洋菜洗干凈，晾干，粉碎，避光密封保存[2].

提取溶劑及最大波長的確定，準(zhǔn)確稱量10份0.20 g的紅色西洋菜粉末，分別置于10 mL 70%乙醇、蒸餾水、1%氫氧化鈉溶液、1%鹽酸、丙酮、石油醚、無水乙醇、無水乙醚、乙酸乙酯、三氯甲烷中，室溫下，浸提3 h，過濾，定容，測定各溶液在200～800 nm的吸收光譜，確定紅色西洋菜色素的最佳提取溶劑及最大吸收波長.

1.3.2 單因素試驗[3]

1.3.2.1 最佳提取時間的選取

準(zhǔn)確稱取8份0.10 g的紅色西洋菜粉末，各加入10 mL蒸餾水，在室溫下分別浸提0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h后，過濾后定容，在529 nm處測定各溶液的吸光度.

1.3.2.2 最佳提取溫度的選取

準(zhǔn)確稱取7份0.10 g的紅色西洋菜粉末，各加入10 mL蒸餾水，在室溫、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃下浸提1.5 h，過濾后定容，在529 nm處測定各溶液的吸光度.

1.3.2.3 最佳液料比的選取

準(zhǔn)確稱取7份0.10 g的紅色西洋菜粉末，各加入10 mL、14 mL、18 mL、22 mL、26 mL、30 mL、40 mL蒸餾水，在40℃下恒溫水浴，浸提1.5 h，過濾后定容，在529 nm處測定各溶液的吸光度與體積的乘積（AV）.

1.3.3 響應(yīng)面試驗

基于單因素的試驗，根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗設(shè)計原理，選取提取時間、提取溫度、液料比作為自變量，529 nm波長下的吸光值作為響應(yīng)值設(shè)計響應(yīng)面試驗，其因素和水平見表1[4].

表1 水平表（響應(yīng)面試驗因素）

1.3.4 紅色西洋菜色素的穩(wěn)定性研究

1.3.4.1 影響因素研究——光照

可見光：把7份10 mL濃度相同的稀釋液，在太陽光下分別放置0h、0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h，考察其溶液顏色的變化并在200～800 nm測定其吸收光譜.同時考察在529 nm處，燈光、室內(nèi)光對色素吸光度的影響.

紫外光：把12份10 mL濃度相同的稀釋液，置于254 nm、365 nm處的紫外光分別照射0 min、5 min、10 min、20 min、40 min、60 min，考察其溶液顏色的變化并在最大吸收波長529nm處測定各色素稀釋液的吸光度.

1.3.4.2 影響因素研究——溫度

把5份10 mL濃度相同的稀釋液，在室溫、30℃、50℃、70℃、90℃的恒溫水浴鍋中靜置1 h，等溶液溫度恢復(fù)到室溫后定容，在200～800 nm處范圍內(nèi)測定各溶液的吸收光譜以及在最大吸收波長529 nm處測定其吸光度.

1.3.4.3 影響因素研究——pH值

把6份10 mL濃度相同的稀釋液，常溫下調(diào)溶液的pH為2、4、6、8、10、12，靜置1.5 h，觀察各溶液的顏色變化，并在200～800 nm處測定各溶液的吸收光譜圖和在波長529 nm處各溶液的吸光度.

1.3.4.4 影響因素研究——氧化還原劑[5]

氧化劑：常溫下，分別往6份10 mL濃度相同的稀釋液加入5 mL濃度為0、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%和0.05%的過氧化氫，靜置1.5h并觀察溶液顏色變化，在200～800 nm處測定范圍內(nèi)各溶液的吸收光譜.

還原劑：常溫下，分別往6份10 mL濃度相同的稀釋液加入5 mL濃度為0、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%和0.05%的無水亞硫酸鈉，靜置1.5 h并觀察溶液顏色變化，在200～800 nm范圍內(nèi)測定各溶液的吸收光譜.

1.3.4.5 影響因素研究——金屬離子

在常溫下，往24份10 mL濃度相同的稀釋液中分別加入5 mL 2×10-5、10×10-5、50×10-5mol/L的各種金屬離子（Cu2＋、Na＋、Ca2＋、Zn2＋、Fe3＋、K＋、Mg2＋、Al3＋），靜置22 h，考察各溶液顏色的變化，測定在波長529 nm處各溶液的吸光度[6].

1.3.4.6 影響因素研究——食品添加劑

蔗糖和葡萄糖：常溫下，往10份10 mL濃度相同的稀釋液中分別加入5 mL濃度為0、1%、5%、10%、20%的蔗糖、葡萄糖溶液，避光靜置一天，考察各溶液顏色的變化，在波長529 nm處測定各溶液的吸光度.

其他食品添加劑：常溫下，往16份10 mL濃度相同的稀釋液中分別加入5 mL濃度為0、0.01%、0.05%、0.1%的檸檬酸、抗壞血酸、山梨酸鉀、苯甲酸鈉中，避光靜置一天，考察各溶液顏色的變化，在波長529 nm處測定各溶液的吸光度[6].

2 結(jié)果與分析

2.1 色素提取最佳工藝參數(shù)的確定

2.1.1 提取溶劑的選擇和最大波長的確定

采用蒸餾水提取的紅色西洋菜色素溶液的吸收光譜圖見圖1.

圖1 蒸餾水提取的紅色西洋菜色素溶液的吸收光譜圖

由結(jié)果分析可得，色素易溶于蒸餾水，微溶于70%乙醇、1%氫氧化鈉溶液、1%鹽酸、丙酮、無水乙醇、無水乙醚、乙酸乙酯中，難溶于石油醚、三氯甲烷，并且四種溶劑蒸餾水、70%乙醇、1%氫氧化鈉溶液和1%鹽酸在529 nm有較明顯的吸收峰，蒸餾水最高，因此確定該色素的最佳提取劑為蒸餾水，紅色西洋菜色素的顏色為紅色，色澤鮮艷，其最大吸收波長為529 nm.

2.1.2 選取最佳提取時間

圖2為不同時間的提取效果.

由圖2可見，隨著時間的增加，紅色西洋菜色素的吸光度的趨勢先升后降，故最佳提取時間1.5 h.

2.1.3 選取最佳提取溫度

圖3為不同溫度的提取效果.

由圖3可得，隨著溫度的升高，紅色西洋菜色素的吸光度先升后降，所以選擇40℃為最佳提取溫度.

圖2 不同提取時間的吸光度

圖3 不同提取溫度的吸光度

2.1.4 選取最佳液料比

圖4為不同液料比的提取效果.

由圖4可見，隨著液料比濃度的下降，吸光度在液料比為260∶1時達(dá)到一個最大值，所以選擇最佳液料比為260∶1.

圖4 不同液料比的AV

2.1.5 響應(yīng)面試驗結(jié)果及分析

2.1.5.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果

表2 響應(yīng)面試驗方案及結(jié)果

2.1.5.2 模型評價

利用Design-Expert軟件對表3試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項式逐步回歸擬合，得到的數(shù)學(xué)模型為：AV=+62.82-0.44A-1.29B+5.28C+0.26AB-0.30AC+1.21BC-2.88A2-2.35B2-6.08C2.

模型方差分析結(jié)果和各項系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果列于表3.

表3 回歸模型各項方差分析

根據(jù)表3可得，該模型的F=54.34014、P＜0.0001，該實驗所采用的二次模型比較顯著.P（B）、P（C）、P（BC）、P（A2）、P（B2）、P（C2）均小于0.05，可以看出提取液料比、溫度及液料比與溫度的交互以及3個因素的二次項都具有顯著影響；而時間及缺失項顯著性較差，三者的交互作用不大.決定因素R2= 0.9859，即模型能夠很好的反應(yīng)響應(yīng)值的變化，擬合度好.各因素的效應(yīng)關(guān)系為液料比＞溫度＞時間.

圖5 各兩個因素的響應(yīng)面和等高線圖

2.1.5.3 響應(yīng)面分析

如圖5，當(dāng)時間和溫度都固定時，A*V值隨提取液料比的變化幅度較大，而提取率隨時間和溫度的變化幅度較小，因此，料液比對A*V的影響較為顯著.通過最優(yōu)化分析，最佳的提取條件為提取時間為86.79 min，最佳提取溫度為38.28℃，料液比為276.8（mL/g）.預(yù)測A*V值為64.058.最后將紅色西洋菜的最佳提取工藝修正為提取時間為87 min，最佳提取溫度為38℃，料液比為280（mL/g）.

表4 最佳工藝條件及其驗證

經(jīng)過3次實驗，該實驗的A*V值為63.96，與預(yù)測值基本相符.

2.2 紅色西洋菜色素的穩(wěn)定性

經(jīng)過實驗驗證，分析所得吸收光譜，得出以下結(jié)論.

2.2.1 光照

可見光：隨著光照時間的延長，吸光度逐漸下降，最大吸收峰發(fā)生位移，并且顏色由紅色變?yōu)槲⒓t色甚至無色，可見太陽光照對該色素的影響較大，色素耐光性差，因此該色素應(yīng)避免陽光直曬.室內(nèi)光和燈光對色素的穩(wěn)定性也有一定的影響，色素耐光性較差.

紫外光：隨著紫外燈照射的時間的延長，兩種不同波長的紫外燈照射對色素的吸光度為上升的趨勢，色素受紫外光照射的影響比較大，其中波長為254 nm的紫外燈照射的吸光度的波動幅度較大，而波長為365 nm的紫外燈照射的波動較小.

2.2.2 耐熱性

隨著溫度的升高，最大吸收峰的吸光度變化較大，提取液的顏色由紅色變?yōu)闇\紅色，可見該色素的耐熱性比較差.

2.2.3 耐酸堿性[7]

當(dāng)pH等于2、4、6、8、10時，顏色變化不大，并且吸光度的變化幅度非常小.pH=12時，紅色西洋菜色素受到較大影響，并且顏色變?yōu)闇\黃色，說明該色素的耐酸堿性良好.

2.2.4 耐氧化性

提取液的顏色隨著過氧化氫濃度的增加由紅色變?yōu)榈t色，最大吸收峰的吸光度變化較大，實驗得出該色素的耐氧化性較差.

2.2.5 耐還原性

提取液的顏色隨著亞硫酸鈉濃度的增加由紅色變?yōu)榈t色，最大吸收峰的吸光度變化較大，實驗得出該色素的耐還原性較差.

2.2.6 金屬離子

Ca2＋、Na＋、Zn2＋、Fe3＋、K＋、Mg2＋、Al3＋溶液顏色都很接近原液顏色，但是Cu2＋很不穩(wěn)定，溶液吸光度隨Cu2＋濃度增加而受到的波動較大.因此，該色素在保存的過程中應(yīng)該避免與銅器接觸.

2.2.7 食品添加劑

蔗糖和葡萄糖：蔗糖對該色素影響不大，但是葡萄糖對其影響較大，總的看來，該色素的耐糖性較好.

其他食品添加劑：苯甲酸鈉、山梨酸鉀對色素溶液的穩(wěn)定性影響不大，而檸檬酸、抗壞血酸對色素的穩(wěn)定性影響較大，因此在使用抗壞血酸和檸檬酸等食品添加劑時用量不宜過高.

根據(jù)實驗結(jié)果可得，紅色西洋菜提取的最佳試劑為蒸餾水.經(jīng)單因素實驗結(jié)果確定紅色西洋菜的提取工藝條件為：液料比260∶1（mL/g）、提取時間1.5 h、溫度40℃.通過回歸分析建立相關(guān)性良好的方程，紅色西洋菜的最佳提取工藝條件為：液料比280∶1（mL/g）、提取時間87 min、溫度38℃，實驗值與預(yù)測值相符[8].

穩(wěn)定性研究表明，色素在儲存的過程中應(yīng)避免陽光直曬.該色素對熱、氧化劑和還原性的穩(wěn)定性較差.常用的食品添加劑如蔗糖、苯甲酸鈉和山梨酸鉀對色素溶液的穩(wěn)定性影響不大，而檸檬酸、抗壞血酸對色素的穩(wěn)定性影響較大，因此在使用葡萄糖、抗壞血酸和檸檬酸等食品添加劑時要注意用量.金屬離子如Na＋、Ca2＋、Zn2＋、Fe3＋、K＋、Mg2＋、Al3＋無不良影響，而Cu2＋對該色素有較大影響.該色素的耐酸堿性較好，當(dāng)pH等于2、4、6、8、10時，顏色變化不大，pH=12時，紅色西洋菜色素受到較大影響，并且顏色變?yōu)闇\紅色.

紅色西洋菜色素為紅色，作為一種紅色西洋菜十字花科植物，營養(yǎng)物質(zhì)比較全面，其中超氧化物歧化酶（即SOD）的含量很高，紅色西洋菜色素色澤鮮艷，穩(wěn)定性良好，作為一種純天然色素，該色素有著廣泛的應(yīng)用前景.

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The Research of the Extraction Based on Response Surface Method and the Stability of Red Watercress Pigment

YE Shao-man，HUANG Jun-sheng
（School of Chemistry and Environmental Engineering,Hanshan Normal University,Chaozhou,Guangdong,521041）

Used red watercress as raw material,it studies on the extraction of red pigment of watercress by using Design-Expert software which is based on Response surface method.The product of absorbance and volume is the response value.Regression analysis was applied to analyse relationship between response value and process parameters.Finally,it studies on the stability of pigment of red watercress.The findings suggest that the best extracting solvent is distilled water,the maximum absorption wavelength is 529 nm.The optimum condition of extraction process of red watercress is：liquid ratio 280：1（mL/g）,extraction time 87 minutes,the temperature of 38℃.After being researched by the experimental verification,the pigment is stable.

response surface method；red watercress；pigment；extraction；stability

O 6-332

A

1007-6883（2015）06-0050-07

責(zé)任編輯 朱本華

2015-09-23

葉少曼（1994-），女，廣東汕頭人，韓山師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院在讀生.黃俊生為通訊作者.