超聲波輔助乙醇提取薯莨色素的研究

羅躍中，李繼睿

（湖南化工職業(yè)技術學院，湖南 株洲 412004）

薯莨別名赭魁、雞血蓮、朱砂七、染布薯，是一種多年生纏繞藤本野生植物，屬于薯戎科，分布于浙江南部、江西南部、福建、臺灣、湖南等地[1]。薯莨色澤鮮紅自然，薯莨氣微，味澀、苦，可作為中草藥，有止血抗菌作用等。其塊莖富含單寧，可提制栲膠，或用作染絲綢、棉布和抗氧化劑；其富含淀粉，也可作釀酒的原料[2]。它同時也是一種珍稀的色素資源。而且其原料來源便捷，價格低廉，提取成本低，故有望成為一種廣泛使用的新型色素源。薯莨色素也用于食品加工的著色，為紅褐色的著色劑，在食品、飲料、化妝品、醫(yī)藥方面有著較大的應用潛力[4~5]。本實驗通過單因素實驗和正交設計優(yōu)化超聲輔助乙醇提取薯莨中色素的工藝條件，旨在簡化工藝操作，提高色素提取率，為該色素的生產(chǎn)和使用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究采用的薯莨產(chǎn)自湖南永興。

1.2 儀器及試劑

主要儀器：紫外分光光度計UV2550型，7220型分光光度計，醫(yī)用數(shù)控超聲波清洗器，微波爐，旋轉蒸發(fā)器，離心機（0~4000r·min-1），恒溫干燥箱，梅特勒分析天平（萬分之一），索氏提取儀。

主要試劑：甲醇，石油醚，無水乙醇，丙酮，乙腈等，均為分析純。

1.3 原料預處理

選用新鮮，無病蟲害，無腐爛的薯莨，用水洗凈，

1.4 薯莨最適吸收波長的選擇

稱取2.0g薯莨粉于小燒杯中，加20mL 95%乙醇，預先浸泡2h，然后超聲10min，分3次進行，所得提取液全部轉移至100mL容量瓶中并定容到刻度。離心分離后取上清液，在300~600nm波長范圍內掃描，測其最適波長為450nm（圖1），因此確定本次研究的最大吸收波長為450nm。

圖1 薯莨紅色素的吸收波長

1.5 薯莨紅色素提取及測定

稱取2.0g薯莨粉于小燒杯中，加20mL 50%乙醇，預先浸泡2h，然后超聲10min，分3次進行，所得提取液全部轉移至100mL容量瓶中并定容到刻度。將色素提取液放入離心機中，在4000r·min-1下離心5min，得到色素上清液，待其冷卻到室溫后，用對應的提取溶劑定容至100mL，提取溶劑作參比，在525nm下，用1cm比色皿測其吸光度值。

1.6 實驗設計

選擇不同的提取溶劑與濃度、超聲功率、液料比、提取時間、提取溫度等進行單因素實驗,并分析各因素對薯莨紅色素提取效果的影響,同時選擇影響因素大的進行正交優(yōu)化實驗,以探索最佳的提取工藝條件。

2 結果與分析

2.1 提取溶劑的選擇

稱取2.0g薯莨粉6份，分別加入蒸餾水、50%甲醇、50%乙醇、50%乙腈、50%丙酮及50%石油醚，固定超聲波功率為100W，在料液比1∶10，溫度50℃下超聲提取30min，離心機離心5min（4000r·min-1）后，取上清液，用100mL的容量瓶定容，并測定A450值。結果見圖2，有機溶劑的提取效果更好，其中乙醇和丙酮的吸光值都相對較高，分別為0.768和0.750。雖然乙腈和乙醇的提取率相差不大，但是考慮到價格和毒性，本次實驗選用乙醇作提取劑。

圖2 不同提取劑對薯莨色素的影響

2.2 單因素實驗與分析

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，薯莨浸泡時間超過2h，再延長浸泡時間對色素提取率影響不大；超聲提取次數(shù)多于3次后，對色素提取率的提高作用甚微。因此本實驗主要研究乙醇濃度、料液比、超聲功率和超聲時間對色素提取的影響。

2.2.1 不同乙醇濃度對色素提取的影響

準確稱取薯莨樣品6份，分別采用30%、40%、50%、60%、70%、80%乙醇濃度，按1.5的步驟提取并測定色素吸光值，選取最佳的乙醇濃度。結果見圖3，隨著乙醇濃度增大，薯莨色素吸光值隨之增加，但當濃度達到60%以后，吸光值增大趨勢變緩，甚至有下降趨勢。60%和70%的提取效果相差不大，但考慮到生產(chǎn)成本，同時乙醇濃度升高，終產(chǎn)品中非色素成分增加，影響色素純度，因此，最佳乙醇濃度為60%。

圖3 乙醇濃度對薯莨色素提取影響

2.2.2 料液比對薯莨色素提取的影響

準確稱取薯莨樣品5份，用50%乙醇分別以料液比 1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50，按 1.5 的步驟提取并測定薯莨色素吸光值，確定提取最佳的料液比，結果見圖4。實驗結果表明色素提取率隨著料液比的增加而變大，當料液比為1∶30時提取率呈下降趨勢，考慮生產(chǎn)成本，最佳料液比為1∶30。

圖4 料液比對薯莨色素提取的影響

2.2.3 時間對薯莨色素提取的影響

準確稱取5份薯莨樣品，分別提取10min、20min、30min、40min、50min、60min，然后按 1.5 的步驟提取并測定薯莨色素吸光值，結果見圖5。隨著時間的延長，薯莨色素吸光值增大，但在30min之后增幅不明顯，考慮到生產(chǎn)成本，同時提取時間過長，產(chǎn)品中非紅色素成分增加，影響紅色素純度，因此，最佳超聲時間為30min。

圖5 超聲時間對薯莨色素提取的影響

2.2.4 超聲波功率薯莨色素提取的影響

準確稱取6份薯莨樣品，設置超聲波功率為100W、200W、300W、400W、500W、600W，按1.5的步驟測定色素吸光值。結果表明，在功率為200W時，色素提取率達到最大，之后隨功率的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。其主要原因是超聲波的物理震動對細胞膜產(chǎn)生空穴作用，使其結構破壞，色素得以釋放，提取效果明顯增加。但是功率過大的話可能也使薯莨色素結構被破壞，導致提取效果下降，故采用超聲功率為200W。具體結果見圖6。

圖6 超聲功率對薯莨提取的影響

2.2.5 提取溫度對薯莨色素提取的影響

準確稱取6份薯莨樣品，分別將溫度設置為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，按 1.5 的步驟提取并測定薯莨色素吸光值。結果表明，溫度升高，有利于色素的提取，在50~70℃間提取效果相差不大，溫度為60℃，提取效果最好。溫度繼續(xù)升高，可能造成提取劑的蒸發(fā)損失，增加提取成本，因此，將提取溫度選為60℃。具體結果見圖7。

2.3 正交實驗結果與分析

根據(jù)以上單因素試驗結果,采用L9(34)正交試驗表，分別以乙醇濃度、超聲功率、液料比及提取時間作為試驗因素，各設置3水平試驗，以確定薯莨色素的最佳提取條件。實驗結果見表1。

圖7 溫度對薯莨色素提取的影響

表1 正交實驗結果與分析

由表1的極差分析可知，利用乙醇超聲提取薯莨色素的影響因素依次為：超聲功率＞料液比＞乙醇濃度＞超聲時間。4種因素的最佳組合為A1B2C2D3。正交表的結果表明，最佳提取工藝條件為：乙醇濃度50%，料液比1∶40，超聲功率200W，超聲時間20min。同時對最佳提取條件進行驗證實驗，在此條件下，薯莨色素提取后吸光度值可達0.952，RSD=2.16%。實驗重現(xiàn)性好。

3 結論

通過單因素實驗和正交實驗，確定薯莨色素最佳提取工藝條件為:在樣品浸泡2h,采用50%乙醇，料液比1∶40，超聲功率200W，溫度為60℃，提取時間25min的條件下，薯莨色素的提取效果最佳。

超聲波輔助提取技術是近年來興起的一種天然產(chǎn)物物理提取方法,操作簡便，條件溫和可靠，經(jīng)濟且容易實現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)浸提法，利用超聲波產(chǎn)生的空化效應，可增加細胞通透性，從而大大縮短提取時間，提高提取率。因此，超聲波輔助提取技術的應用前景廣闊。

[1] 尹玉清.廊坊市引進日本川山紫甘薯[J].河北農(nóng)業(yè)，2001（11）：24.

[2] 中國科學植物研究所.中國經(jīng)濟植物志[M].北京：科學出版社，1961.

[3] 張淑云,王玉杰,陳國強,等.薯莨色素的提取以及穩(wěn)定性研究[J].染整技術，2010，32（3）：36-38.

[4] 程金友，何金鷺，宋健.紅藥子與混淆品薯莨鬼燈檠的性狀及理化鑒別[J].時珍國醫(yī)國藥，1998，9（5）：447.

[5] 劉玉明，靳小青，黃寶康，等.薯莨及其易混品的鑒別研究[J].時珍國醫(yī)國藥，2006，17（9）：1626-1627.