正交實驗優化火龍果果皮紅色素超聲輔助醇提工藝

高治平，丁嵐，劉映，余朋朋，喻翠云

(1.南華大學 藥學與生物科學學院 藥學系，湖南 衡陽 421001;2.湖南省分子靶標新藥研究協同創新中心，湖南 衡陽 421001)

天然色素不僅有著合成色素無可比擬的著色自然、安全無害等特性，并具有強化營養、改善人體功能等生物活性［1-3］，是現代社會人們期望獲取的藥品、食品、飲料、美容護膚化妝等產品的著色劑，備受消費者親睞，天然植物色素的提取純化、生產與應用研究已成為當今國際社會共同關注和探索的熱點［4-5］。我國天然色素資源廣，而其研究、應用與國際先進水平尚有較大差距［6］，色素品種亟待進一步尋找、挖掘，拓展天然色素資源，開展優化其提取、純化、分離與生產工藝、降低產品成本、提高產品質量的研究與探究，開發更多純天然綠色食用、藥用等。

火龍果不僅其果肉營養價值、藥用價值較高，其果皮顏色鮮艷并含豐富的天然甜菜苷類色素，是一種來源較廣的天然色素資源。我國政府已于1960年允許甜菜苷類色素用于食品、藥品的著色［5］。它屬于吡啶類衍生物，其基本發色基團是1，7-二偶氮庚甲堿，該基團共振產生顏色，當取代基R(氫或芳香族)與其共振，化合物顏色則為紅色，稱甜菜紅素;未發生共振則化合物顏色為黃色，稱甜菜黃質，他們分別在538 nm 和480 nm 處有最大吸收［7］。

甜菜紅素為水溶性物質，也可以溶于乙醇、丙酮等水溶液，是一種極性或弱極性分子物質，具有極性或弱極性分子物質特性。不僅光線、溫度、pH 值，金屬離子等均可影響其穩定性;而提取溶液的種類與質量濃度、提取時間、料液比、提取環境可影響其提取效率［8-12］。有眾多研究(提取方法各異)顯示，乙醇作為火龍果果皮紅色素提取溶劑，與純水或其它有機溶劑比較，不僅提取效果好，且穩定性也較好，而乙醇最適濃度報道差異較大，20% ～75%均有報道［8-15］。我們的預實驗也顯示相對低濃度的乙醇水溶液提取效率比雙蒸水更好。

本實驗選用超聲輔助乙醇浸提火龍果果皮紅色素，采用紫外-可見分光光度法測量提液的吸光度值，計算其紅色素提取率。試圖探究超聲輔助乙醇浸提法提取火龍果果皮紅色素的最佳工藝條件。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

紅皮白肉火龍果;雙蒸水;無水乙醇，分析純。

UV-2102CX 型紫外可見分光光度計;B5500SDTH 型數控超聲波清洗儀;FA224 電子分析天平;RE-2000A 旋轉蒸發儀;HZ-D(III)循環水式多用真空泵;FW135 中草藥粉碎機;202-2A 型電熱恒溫干燥箱;B0-2B 型臺式低速離心機。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣本前期處理 紅皮白肉火龍果清洗干凈，濾干水，去枝葉、果肉，果皮剪成約1 cm 條狀物，50 ℃電熱恒溫干燥約8 h，直至蜷縮完全干燥，用中草藥粉碎機粉碎為粉末。

1.2.2 紅色素提取 按照料液比1∶50 g/mL 比例，向100 mL 燒瓶中加入30%乙醇50 mL，緩慢撒入1.00 g 果皮粉，攪拌至完全溶解，置超聲儀中，40 ℃提取30 min。初提液離心20 min(4 000 r/min)，上清液備抽濾，得紅色素溶液(原液)。

按需適當稀釋樣本原液，使各樣本測量吸光度A 值＜0.8，確保其光密度與提取物濃度呈線性正比關系。參照文獻［7］和預實驗結果，于最適吸收波長538 nm 處紫外掃描各色素樣本原液。參照文獻［7］，計算各樣本紅色素提取率。

式中 Amax——最大吸收波長處測定色素的吸光度值;

Mw——甜菜苷的相對分子質量(Mw=550.4 g/mol);

V——超濾后的各浸提樣本的總體積，mL;

DF——稀釋倍數;

ε——樣品中花色苷的摩爾吸收率［ε =66 000 L/(mol·cm)］;

l——比色皿的厚度(l=1 cm);

m——稱取的質量，g。

2 結果與討論

2.1 乙醇濃度

其他條件同1.2.2 節，研究乙醇濃度對提取率的影響，結果見圖1。

圖1 乙醇濃度對火龍果紅色素提取率的影響Fig.1 Effect of ethanol concentration on extraction rate of red pigment

由圖1 可知，隨著乙醇濃度的增加，色素的提取率增加，乙醇濃度達30%時，提取率最高;乙醇濃度＞30%時，色素提取率下降。果皮粉花色苷含有親水基及憎水基，在低濃度的乙醇下，兩類集團都與提取劑作用，故而提取率較高。當乙醇濃度超越一定范圍時，乙醇溶液的極性降低，非極性增大，導致色素提取率降低。同時，高濃度的乙醇溶液將可能破壞色素的化學結構。故30% 乙醇為最適提取液濃度。

2.2 料液比

其他條件同1.2.2 節，研究料液比對提取率的影響，結果見圖2。

圖2 料液比對火龍果紅色素提取率的影響Fig.2 Effect of solid to liquid ratio on extraction rate of red pigment

由圖2 可知，隨著料液比的加大，色素提取率增加，當料液比為1∶30 (g/mL)時提取率最高，隨后提取率有所降低。故1∶30 為最適料液比。

2.3 超聲浸提時間

其他條件同1.2.2 節，研究超聲浸提時間對提取率的影響，結果見圖3。

圖3 超聲浸提時間對火龍果紅色素提取率的影響Fig.3 Effect of time on extraction rate of red pigment

由圖3 可知，隨著浸提時間增加，提取效率提高，30 min 時提取率最高，隨后其提取率降低。故30 min 為最適時間。

2.4 超聲浸提溫度

其他條件同1.2.2 節，研究超聲浸提溫度對提取率的影響，結果見圖4。

圖4 超聲浸提溫度對火龍果紅色素提取率的影響Fig.4 Effect of temperature on extraction rate of red pigment

由圖4 可知，隨著溫度增加，提取效率增加，30 ℃時色素提取率達最高，隨后色素提取率降低。故30 ℃為最適溫度。

2.5 正交實驗

依據上述單因素實驗結果，采用60%(150 W)的超聲功率，進行超聲輔助乙醇提取火龍果果皮紅色素的4 因素3 水平正交實驗。因素與水平見表1，結果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table

由表2 可知，最優組合為A2B3C2D3。以相同實驗方法，實施3 次實驗驗證，以進一步驗證最佳工藝條件的客觀性與科學性，結果見表3。

表2 正交實驗結果Table 2 Results of orthogonal test

表3 驗證性實驗結果Table 3 Results of the verification experiment

由表3 可知，在最佳工藝條件下，火龍果果皮色素提取率為0.071%。

3 結論

超聲輔助乙醇浸提火龍果果皮紅色素的最佳工藝條件為:乙醇濃度30%，料液比1∶50(g/mL)，超聲時間30 min，提取溫度40 ℃。在此條件下，紅色素的提取率0.071%。

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