超聲輔助提取花生紅衣色素工藝的優(yōu)化

羅 璇 何 景

(武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院食品與生物科技學(xué)院，湖北 武漢 430205)

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超聲輔助提取花生紅衣色素工藝的優(yōu)化

羅 璇 何 景

(武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院食品與生物科技學(xué)院，湖北 武漢 430205)

以花生紅衣為原料，利用響應(yīng)面分析法對(duì)超聲輔助提取花生紅衣色素的工藝進(jìn)行優(yōu)化。在單因素試驗(yàn)、Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)和最陡爬坡試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以花生紅衣色素綜合提取效果值為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面法研究各因素及其交互作用對(duì)花生紅衣色素提取效果的影響，建立預(yù)測(cè)模型，選出最佳工藝條件。結(jié)果表明：超聲輔助提取花生紅衣色素的最佳條件為以乙醇為溶劑，乙醇濃度68%，料液比1∶30(g/mL)，超聲時(shí)間27 min，超聲溫度55 ℃。該條件下花生紅衣色素的總提取率為21.6%，色價(jià)為34.6，原花色素得率為17.77 mg/g，綜合提取效果值為24.65，經(jīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)建立的花生紅衣色素的響應(yīng)模型較成功。

花生；紅衣；色素；超聲輔助提取

花生紅衣是花生加工過程中的副產(chǎn)品，每年產(chǎn)生約600 t，除了少量用于制藥外，其余都用于飼料或丟棄，造成極大的浪費(fèi)[1]。花生紅衣中富含優(yōu)良的天然色素[2]，其中包括原花色素和紅色素，原花色素能夠改善人體的皮膚循環(huán)、保護(hù)心血管、抗癌，有美容抗衰老的作用，還可用于治療眼疾，是一種安全無毒的新型天然抗氧化劑[3]。紅色素為紅褐色粉末,其色艷麗，無臭無味，染色性好，對(duì)蛋白質(zhì)和淀粉的著色顯著，可作為天然食品著色劑[4]。從花生紅衣中提取原花色素和紅色素，不僅可以提高花生的綜合利用價(jià)值，還能擴(kuò)大天然色素的開發(fā)來源，增加經(jīng)濟(jì)效益。

目前，關(guān)于花生紅衣色素提取的研究已有報(bào)道，但都是對(duì)花生紅衣中原花色素的提取，利用超聲波輔助提取和響應(yīng)面優(yōu)化提取花生紅衣色素的工藝研究還未見。本研究擬以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)Plackett-Burman試驗(yàn)、最陡爬坡試驗(yàn)和中心組合試驗(yàn)，用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取花生紅衣色素，以得到提取的最佳工藝及預(yù)測(cè)模型，旨在為花生紅衣色素的開發(fā)應(yīng)用與生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

花生紅衣：亳州市草木堂中藥材銷售有限公司；

丙酮：分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；

鹽酸：分析純，信陽市化學(xué)試劑廠；

甲醇、95%乙醇、冰乙酸、石油醚、氫氧化鈉、香草醛：分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器

高速粉碎機(jī)：DFY-300型，上海新苗醫(yī)療器機(jī)械有限公司；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：RE52-CS型，上海新苗醫(yī)療器機(jī)械有限公司；

離心機(jī)：TDL-5-A型，武漢岡部投資有限公司；

電子天平：FA 2014 B型，上海越平科技儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9240A型，上海新苗醫(yī)療器機(jī)械有限公司；

可見分光光度計(jì)：722型，天津市普瑞斯儀器有限公司；

超聲波清洗器：MEC-200SAH型，臺(tái)灣明和超音波工業(yè)股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 花生紅衣預(yù)處理 根據(jù)文獻(xiàn)[5]中原料處理的方法，進(jìn)行花生紅衣的脫脂。

1.2.2 花生紅衣色素的提取方法 稱取2.00 g 花生紅衣粉末于250 mL錐形瓶中，加入60%的乙醇，在60 ℃下超聲提取20 min，提取液抽濾，濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓濃縮，將濃縮液轉(zhuǎn)入45 ℃鼓風(fēng)干燥機(jī)干燥至恒重，所得產(chǎn)品即為花生紅衣色素的粗提物[6]。

1.2.3 總提取率的測(cè)定 花生紅衣粗提物提取率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

P——花生紅衣粗提物提取率，%；

m——花生紅衣粗提物質(zhì)量，g；

M——提取所用花生紅衣質(zhì)量，g。

1.2.4 紅色素色價(jià)的測(cè)定 參照文獻(xiàn)[7]，按式(2)計(jì)算紅色素色價(jià)。

(2)

式中：

E——紅色素色價(jià)；

OD500——在500nm下測(cè)得的吸光度值；

f——稀釋倍數(shù)。

1.2.5 原花色素含量的測(cè)定 根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的鹽酸—香草醛法，修改如下：于30 ℃下顯色15min左右的混合溶液，轉(zhuǎn)移至離心管中，3 500r/min離心10min。取1mL上清液，稀釋，在500nm下測(cè)定吸光值。原花色素含量按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：

H——樣液中的原花色素含量，μg；

A——在500 nm下測(cè)得的吸光度值；

n——稀釋倍數(shù)。

1.2.6 提取效果評(píng)價(jià)值的計(jì)算 總提取率、色價(jià)和原花色素含量是評(píng)價(jià)色素提取效果的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)的響應(yīng)值采取加權(quán)平均，綜合評(píng)分公式為：

(4)

式中：

Y——花生紅衣色素提取效果評(píng)價(jià)值；

P——花生紅衣粗提物提取率，%；

E——紅色素色價(jià)；

H——原花色素含量，μg。

1.2.7 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 提取溶劑的選擇：固定提取溶劑濃度為60%，料液比為1∶30(g/mL)，超聲提取溫度為55 ℃，提取時(shí)間為20 min，分別考察提取溶劑為甲醇、乙醇、丙酮、冰乙酸、水時(shí)花生紅衣粗提物色素的總提取率、色價(jià)和原花色素得率，并計(jì)算出提取效果綜合評(píng)價(jià)值。

(2) 超聲時(shí)間的選擇：固定提取溶劑為60%的乙醇，料液比為1∶30(g/mL)，超聲提取溫度為55 ℃，分別考察提取時(shí)間為10，20，30，40，50 min時(shí)花生紅衣粗提物色素的總提取率、色價(jià)和原花色素得率，并計(jì)算出提取效果綜合評(píng)價(jià)值。

(3) 超聲溫度的選擇：固定提取溶劑為60%的乙醇，料液比為1∶30(g/mL)，超聲輔助提取時(shí)間為20 min，考察提取溫度為25，35，45，55，65 ℃時(shí)花生紅衣粗提物色素的總提取率、色價(jià)和原花色素得率，并計(jì)算出提取效果綜合評(píng)價(jià)值。

(4) 料液比的選擇：固定提取溶劑為60%的乙醇，超聲提取溫度為55 ℃，提取時(shí)間為20 min，考察料液比為1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，1∶50(g/mL)時(shí)花生紅衣粗提物色素的總提取率、色價(jià)和原花色素得率，并計(jì)算出提取效果綜合評(píng)價(jià)值。

(5) 溶劑濃度的選擇：固定提取溶劑為乙醇，超聲提取溫度為55 ℃，提取時(shí)間為20 min，料液比為1∶30(g/mL)，考察乙醇溶劑濃度為50%，55%，60%，65%，70%時(shí)花生紅衣粗提物色素的總提取率、色價(jià)和原花色素得率，并計(jì)算出提取效果綜合評(píng)價(jià)值。

1.2.8 Plackett-Burman試驗(yàn)和最陡爬坡試驗(yàn) 利用Design Expert 8.05b軟件，以提取效果值為響應(yīng)值，對(duì)超聲時(shí)間、超聲溫度、料液比、乙醇濃度4個(gè)因素進(jìn)行 Plackett-burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選出對(duì)提取效果影響顯著的因素。再通過最陡爬坡試驗(yàn)，找出試驗(yàn)最佳值區(qū)域。

1.2.9 中心組合試驗(yàn) 以提取效果評(píng)價(jià)值為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)中心組合試驗(yàn)。擬合最佳值附近的相應(yīng)模型，找出提取花生紅衣色素的最佳工藝。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 提取溶劑對(duì)提取效果的影響 由圖1、2可知，乙醇為提取溶劑時(shí)，總提取率和紅色素色價(jià)值最佳。而乙酸作為提取溶劑時(shí)，原花色素得率最高，但由于紅色素難溶于乙酸，紅色素色價(jià)很低。綜合考慮提取效果評(píng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)因素，選擇乙醇作為提取溶劑。

圖1 溶劑對(duì)紅色素提取率和色價(jià)的影響

圖2 溶劑對(duì)原花色素得率和綜合提取效果的影響

2.1.2 超聲時(shí)間對(duì)提取效果的影響 由圖3、4可知，隨著提取時(shí)間的增大，提取率、色價(jià)、原花色素含量都是先增大后減小。當(dāng)超聲時(shí)間為20 min時(shí)，提取效果最佳。是因?yàn)闀r(shí)間過短，色素不能充分溶于溶劑；時(shí)間過長，色素中部分活性物質(zhì)受損，兩者均使提取效果降低。

圖3 超聲時(shí)間對(duì)紅色素提取率和色價(jià)的影響

圖4 超聲時(shí)間對(duì)原花色素得率和綜合提取效果的影響

Figure 4 Effect of ultrasonic time on the proanthocyanidins yield and comprehensive extraction effect

2.1.3 超聲溫度對(duì)提取效果的影響 由圖5、6可知，隨著提取溫度的增大，提取率、色價(jià)、原花色素含量都是先增大后減小。當(dāng)提取溫度為55 ℃時(shí)，提取效果最佳。溫度升高的過程中，分子運(yùn)動(dòng)加劇，滲透和溶解速度增快，提取效果增加；溫度過高后，超聲波的熱效應(yīng)會(huì)破壞有效成分，溶質(zhì)會(huì)產(chǎn)生氧化作用，提取效果降低。

2.1.4 料液比對(duì)提取效果的影響 由圖7、8可知，隨著料液比的增大，提取率、色價(jià)、原花色素含量都是先增大后減小。

圖5 超聲溫度對(duì)紅色素提取率和色價(jià)的影響

圖6 超聲溫度對(duì)原花色素得率和綜合提取效果的影響

Figure 6 Effect of ultrasonic temperature on the proanthocyanidins yield and comprehensive extraction effect

圖7 料液比對(duì)紅色素提取率和色價(jià)的影響

圖8 料液比對(duì)原花色素得率和綜合提取效果的影響

Figure 8 Effect of material liquid ratio on the proanthocyanidins yield and comprehensive extraction effect

料液比為1∶30(g/mL)時(shí)，提取效果最佳。隨著溶劑體積增大，色素的溶解程度增大，提取效果增大；但溶劑過多時(shí)，部分溶質(zhì)會(huì)殘留在水相中造成損失，提取效果降低。

2.1.5 溶劑濃度對(duì)提取效果的影響 由圖9、10可知，隨著料液比的增大，提取率、色價(jià)、原花色素含量都是先增大后減小。溶劑濃度為55%時(shí)，色價(jià)值最高。溶劑濃度為60%時(shí)，原花色素得率、總提取率最佳，這是紅色素和原花色素的性質(zhì)差異造成的。隨著濃度增大，極性增強(qiáng)，色素的溶解增加；濃度過大后，醇溶性和脂溶性強(qiáng)的物質(zhì)會(huì)析出，與色素競爭乙醇—水分子，色素的提取效果降低。

圖9 溶劑濃度對(duì)紅色素提取率和色價(jià)的影響

圖10 溶劑濃度對(duì)原花色素得率和綜合提取效果的影響

Figure 10 Effect of solvent concentration on the proanthocyanidins yield and comprehensive extraction effect

2.2 Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)Plackett-burman試驗(yàn)見表1、2。

由表2可知，模型極顯著(P<0.000 1)，擬合度好(R2=0.968 6)，試驗(yàn)誤差小，本試驗(yàn)95.07%的數(shù)據(jù)變異可以用此回歸方程來解釋，進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。因素X1、X4對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響極顯著，X2和X3對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著，據(jù)此可以對(duì)超聲時(shí)間和溶劑濃度這兩個(gè)因素設(shè)計(jì)最陡爬坡試驗(yàn)。回歸得到方程為：

表1 PB試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)表

表2 PB試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果?

Y=23.74+0.83X1-0.14X2-0.094X3+0.92X4。

(5)

2.3 最陡爬坡試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

將提取溫度X2和料液比X3固定在單因素試驗(yàn)的中心點(diǎn)水平，以試驗(yàn)效應(yīng)值確定超聲時(shí)間X1和乙醇濃度X4的爬坡方向和步長，進(jìn)行爬坡試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見表3。

表3 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由表3可知，隨著爬坡的進(jìn)行，Y值增大，在第4組試驗(yàn)時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，之后開始減小。表明在第4組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的條件下，即乙醇濃度為65%，超聲時(shí)間為25 min時(shí)，花生紅衣色素的提取效果最接近最優(yōu)值。故選取這一組的水平作為中心組合設(shè)計(jì)的中心點(diǎn)。

2.4 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

利用Design Expert 8.05b設(shè)計(jì)2因素5水平的中心組合試驗(yàn)，中心組合試驗(yàn)因素及水平編碼值見表4，中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表5。

對(duì)表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到回歸模型：

(6)

表5 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表6可知，模型極顯著(P<0.000 1)，擬合度R2=0.976 4，表明該模型試驗(yàn)誤差小，設(shè)計(jì)合理。失擬項(xiàng)不顯著(P=0.573 6)，表明未知因素對(duì)試驗(yàn)的干擾小，可以用來預(yù)測(cè)和分析提取效果。

表6 中心組合試驗(yàn)?zāi)Ｐ头讲罘治鼋Y(jié)果?

? *表示因素對(duì)響應(yīng)值的影響顯著，P<0.05；**表示因素對(duì)響應(yīng)值的影響極顯著，P<0.01。

圖11 乙醇濃度和超聲時(shí)間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖

2.5 最佳提取條件的驗(yàn)證

根據(jù)模型，預(yù)測(cè)X1=26.54，X4=68，此時(shí)Y=24.63。將單因素試驗(yàn)所得最佳條件與響應(yīng)面預(yù)測(cè)所得最佳條件結(jié)合，以乙醇為溶劑、溶劑濃度68%、超聲時(shí)間26.54 min、超聲溫度55 ℃、料液比1∶30(g/mL)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重復(fù) 3 次。考慮到實(shí)驗(yàn)的可行性，調(diào)整超聲時(shí)間為27 min。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)最終得到花生紅衣色素的總提取率為21.6%，色價(jià)為34.6，原花色素得率為17.77 mg/g，綜合提取效果值為24.65。與預(yù)測(cè)值相近，從而證實(shí)該模型合理。

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)、Plackett-burman試驗(yàn)、最陡爬坡試驗(yàn)和中心組合試驗(yàn)的優(yōu)化后，得到超聲輔助提取花生紅衣色素的最佳工藝為：乙醇濃度68%，料液比1∶30(g/mL)，超聲時(shí)間26.54 min，超聲溫度55 ℃。結(jié)合實(shí)際，調(diào)整時(shí)間為27 min，在此條件下，花生紅衣色素的總提取率為21.6%，色價(jià)為34.6，原花色素得率為17.77 mg/g，綜合提取效果值為24.65。本試驗(yàn)得到了超聲輔助提取花生紅衣色素的一個(gè)較好的工藝。但本試驗(yàn)在花生紅衣色素提取效果評(píng)價(jià)值時(shí)采用了最常規(guī)的各占均值求權(quán)重的計(jì)算，并未采用函熵值求權(quán)重進(jìn)行準(zhǔn)確比重分析，今后可采用matlab軟件編寫代碼，得到綜合評(píng)價(jià)公式，并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到更加可靠的試驗(yàn)結(jié)果。

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The optimization of ultrasonic assisted extraction of pigment from peanut skin

LUO XuanHEJing

(WuhanInstituteofDesignandSciences,SchooloffoodandBiotechnology,Wuhan,Hubei430205,China)

Using the response surface method, the process conditions of ultrasonic-asssisted extraction peanut red pigment from the peanuts red skin was optimized. Based on the single factor experiment, Plackett-Burman experiment design and the steepest ascent experiment, with peanut red pigment comprehensive extraction effect value as a response, using the response surface method studied the factors and their interactions of peanuts red pigment extraction effect, the prediction model was established. The results showed that the optimun conditions for ultrasonic assisted extraction of peanut red pigment are as follows: ethanol as solvent, ethanol concentration 68%, solid-liquid ratio 1∶30 (g/mL), working at 55 ℃ for 27 min. In this condition, we found that the extraction rate of peanut red pigment 21.6%, the color value 34.6, the Proanthocyanidins yield 17.77 mg/g, and the result is 24.65. Our empirical test results showed that a successful response model of peanut red pigment was established.

peanut; red peanut skin; pigment; ultrasonic assisted extraction

湖北省教育廳科研項(xiàng)目(編號(hào)：B2015205)

羅璇(1982—)，女，武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院副教授，碩士。

E-mail：luoxuan20051982@126.com

2016-03-08