響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波 輔助提取紅米色素的工藝研究

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(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110161)

我國(guó)水稻資源豐富,按糙米顏色進(jìn)行分類,白米資源占據(jù)主要地位,紅米資源占第2位。隨著人們生活水平的提高,紅米的保健功能受到重視。傳統(tǒng)中醫(yī)認(rèn)為紅米味甘,性溫;紅色入心經(jīng),心主血,明代醫(yī)典《本草綱目》記載紅米可以健脾胃、活血去瘀[1-3]。近年來(lái)的研究表明,紅米具有升高血漿高密度脂蛋白膽固醇、清除自由基、延緩衰老、改善缺鐵性貧血、抗應(yīng)激反應(yīng)以及免疫調(diào)節(jié)等多種生理功能[4-6]。因此,優(yōu)化紅米色素提取工藝對(duì)明確紅米色素的理化特點(diǎn),利用紅米資源具有重要意義。

色素的提取方法很多,紅米色素屬于花色苷類黃酮類化合物,溶于水,在酸性條件下穩(wěn)定(pH≤3)。本研究前期實(shí)驗(yàn)確定以0.5%檸檬酸和70%乙醇溶液為提取劑,超聲波輔助提取色素提取率高于回流提取法和常溫浸提法[7]。本論文采用超聲波輔助提取紅米色素,在單因素實(shí)驗(yàn)考察超聲波功率、液料比、提取溫度、提取時(shí)間對(duì)紅米色素提取率的影響基礎(chǔ)上,通過(guò)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化紅米色素提取工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

井岡山原產(chǎn)紅米 市售。

KQ-250DB數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;TU1810分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 最大吸收波長(zhǎng)的確定[8]取1mL提取液稀釋到10mL,以提取劑作參比,在200～700nm之間測(cè)定色素溶液的吸光值,確定紅米色素的最大吸收波長(zhǎng)。

1.2.2 超聲波輔助提取色素工藝流程 紅米→干燥→粉碎→過(guò)80目篩→脫脂→加提取劑(0.5%檸檬酸-70%乙醇,檸檬酸∶乙醇=3∶17作提取劑)→超聲波處理→離心(4500r/min,10min)→抽濾→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮→真空干燥→紅米色素

1.2.3 色價(jià)的測(cè)定方法[9]準(zhǔn)確稱0.1g提取樣品試樣,用蒸餾水稀釋于100mL容量瓶中,用1cm比色皿,蒸餾水做參比,在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)其吸光度。

色價(jià)=Af/100m(A:吸光度;f:稀釋倍數(shù);m:試樣質(zhì)量)

1.2.4 色素提取率的計(jì)算方法[10]

色素提取率(%)=色素產(chǎn)品質(zhì)量/紅米重量×100=C×V×K/(M×1000)×100

式中:C-花色苷濃度;V-色素液體積;K-稀釋倍數(shù);M-紅米重量。

1.2.5 超聲波輔助提取單因素實(shí)驗(yàn) 準(zhǔn)確稱取2g過(guò)80目篩的紅米,以0.5%檸檬酸和70%乙醇溶液(體積比為3∶17)為提取劑,考察不同提取溫度(25、35、45、55、65、75℃)、提取時(shí)間(10、20、30、40、50、60min)、超聲波功率(100、125、150、175、200、225W)、液料比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1mL·g-1)對(duì)紅米色素提取率的影響。

1.2.6 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,用Design-Expert 8.0軟件對(duì)影響超聲波輔助提取紅米色素顯著的4個(gè)因素設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)[11],如表1。

表1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Factors and levers of response surface design

1.2.7 數(shù)據(jù)處理方法 實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用Design Expert 8.0分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅米色素的吸收光譜

由圖1可知,利用溶劑提取法,在45℃,液料比20∶1的條件下,提取20min。離心過(guò)濾,濾液在276nm處有明顯吸收峰。因此,可以確定紅米色素屬于花色苷類黃酮類色素,并可在276nm處檢測(cè)濾液的吸光值,以確定色素含量。

圖1 紅米色素紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖 Fig.1 Absorption spectrum of pigment from red rice

2.2 超聲波輔助提取紅米色素的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 液料比對(duì)紅米色素提取率的影響 由圖2可以看出,隨著液料比的增加,紅米色素的提取率呈現(xiàn)上升趨勢(shì),達(dá)到15∶1之后趨勢(shì)變的平緩。增大液料比能充分提取色素,但考慮提取成本,液料比不宜過(guò)大。

圖2 液料比對(duì)紅米色素提取率的影響 Fig.2 Influence of liquid-solid ratio on red rice pigment extraction rate

2.2.2 提取時(shí)間對(duì)紅米色素提取率的影響 由圖3可以看出,隨著提取時(shí)間的增加,提取率呈先上升后下降的趨勢(shì),在提取30min達(dá)到最大。提取率的下降可能因?yàn)槭穷慄S酮化合物不穩(wěn)定,時(shí)間過(guò)長(zhǎng)色素結(jié)構(gòu)可能改變[12]。

圖3 提取時(shí)間對(duì)紅米色素提取率的影響 Fig.3 Influence of extracting time on red rice pigment extraction rate

2.2.3 提取溫度對(duì)紅米色素提取率的影響 由圖4可以看出,隨著提取溫度的增加,提取率呈先上升后下降的趨勢(shì),在45℃時(shí)達(dá)到最大。這可能是因?yàn)闇囟冗^(guò)高,紅米色素可能分解,對(duì)色素的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生影響。溫度過(guò)低,色素不能充分的被溶劑溶解而影響提取[13]。

圖4 提取溫度對(duì)紅米色素提取率的影響 Fig.4 Influence of extracting temperature on red rice pigment extraction rate

2.2.4 超聲波功率對(duì)紅米色素提取率的影響 由圖5可以看出,隨著超聲波功率的增加,提取率呈先上升后下降的趨勢(shì),在125W時(shí)達(dá)到峰值。這可能是因?yàn)楣β蔬^(guò)大時(shí),超聲波對(duì)色素的結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生影響,過(guò)于強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)使色素的構(gòu)象發(fā)生改變[14],從而影響色素的提取效果。

圖5 超聲波功率對(duì)紅米色素提取率的影響 Fig.5 Influence of ultrasonic power on red rice pigment extraction rate

2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用軟件Design Expert 8.0的Box-Behnken[13-15]中心組合設(shè)計(jì),對(duì)提取時(shí)間、提取溫度、超聲波功率、液料比進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到提取時(shí)間(A)、提取溫度(B)、超聲波功率(C)、液料比(D)的二次多項(xiàng)回歸方程:

Y=18.07+0.55A+0.89B+0.86C+0.33D+0.072AB-0.47AC+0.31AD+0.26BC+0.29BD-0.24CD-2.05A2-0.71B2-1.13C2-0.84D2

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Design and result of the experiment

利用Design Expert 8.0軟件進(jìn)行擬合,得到多元回歸方程的響應(yīng)面如圖6～圖11。

圖6 提取時(shí)間與提取溫度 對(duì)紅米色素提取率影響的響應(yīng)面圖 Fig.6 Response surface of extraction time and extraction temperature on the extraction rate of red rice pigment

圖7 提取時(shí)間與超聲波功率 對(duì)紅米色素提取率影響的響應(yīng)面圖 Fig.7 Response surface of extraction time and ultrasonic power on the extraction rate of red rice pigment

圖8 提取時(shí)間與液料比 對(duì)紅米色素提取率影響的響應(yīng)面圖 Fig.8 Response surface of extraction time and liquid-solid ratio on the extraction rate of red rice pigment

表3 回歸方程各項(xiàng)的方差分析表Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

圖9 提取溫度與超聲波功率 對(duì)紅米色素提取率影響的響應(yīng)面圖 Fig.9 Response surface of extraction temperature and ultrasonic power on the extraction rate of red rice pigment

圖10 提取溫度與料液比 對(duì)紅米色素提取率影響的響應(yīng)面圖 Fig.10 Response surface of extraction temperature and liquid-solid ratio on the extraction rate of red rice pigment

圖11 超聲波功率與料液比 對(duì)紅米色素提取率影響的響應(yīng)面圖 Fig.11 Response surface of ultrasonic power and liquid-solid ratio on the extraction rate of red rice pigment

由圖6～圖11可以看出,模型中一次項(xiàng)提取時(shí)間(A)、提取溫度(B)、超聲波功率(C)、液料比(D),交互項(xiàng)超聲波功率與提取時(shí)間(AC)、二次項(xiàng)提取時(shí)間與提取時(shí)間(A2)、提取溫度與提取溫度(B2)、超聲波功率與超聲波功率(C2)、液料比與液料比(D2)為差異極顯著影響因素(p<0.01),交互項(xiàng)提取時(shí)間與液料比(AD)、提取溫度與超聲波功率(BC)、提取溫度與料液比(BD)為差異顯著影響因素(p<0.05),而提取時(shí)間與提取溫度(AB)、超聲波功率與液料比(CD)交互作用不顯著。利用Design Expert 8.0軟件得到超聲波提取紅米色素最佳提取工藝為提取溫度52.73℃,超聲波功率為135.25W,提取時(shí)間為31.22min,液料比為16.46∶1,模型預(yù)測(cè)紅米色素提取率可達(dá)18.68%。為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性采用上述優(yōu)化提取條件提取紅米色素,但考慮到實(shí)際情況選擇在提取溫度53℃,超聲波功率為135W,時(shí)間為30min,液料比為16∶1(mL·g-1)的條件下進(jìn)行提取,在最優(yōu)條件下進(jìn)行3組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),所得紅米色素平均提取率為18.42%,與理論預(yù)測(cè)值的誤差僅為0.14%,可見(jiàn)回歸方程能較真實(shí)地反映各因素對(duì)紅米色素提取率的影響,由響應(yīng)面法建立的回歸模型具有可靠性。

3 結(jié)論

以0.5%檸檬酸和70%乙醇溶液(體積比為3∶17)為提取劑,采用超聲波輔助提取紅米色素的最佳工藝條件為:超聲波功率135W,提取30min,液料比為16∶1(mL·g-1),提取溫度53℃,得到紅米色素的色價(jià)為7.51,通過(guò)優(yōu)化方案的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得出提取率為18.42%。

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