菊芋花色素提取條件的研究

王志國，曹紅翠，呂海棠，董浩宇，周 蓮

(青海大學新能源光伏產業研究中心，青海西寧 810016)

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菊芋花色素提取條件的研究

王志國，曹紅翠，呂海棠，董浩宇，周 蓮*

(青海大學新能源光伏產業研究中心，青海西寧 810016)

[目的] 探索提取菊芋花色素的最佳條件。[方法] 針對不同條件下菊芋花色素的提取進行了單因素和正交試驗，對單因素試驗數據進行灰色關聯度分析，并利用神經網絡預測正交試驗并和試驗值比較。[結果]菊芋花色素的最佳提取條件為溫度60 ℃，料液比1∶18 g/mL，浸提時間5.0 h，其中浸提溫度對提取花色素的影響最大，料液比次之，浸提時間對浸提效果的影響最小；同時提出了減少試驗工作量的方法。[結論]該研究可為菊芋花色素的提取提供科學依據。

菊芋花色素；提取；灰色關聯度；神經網絡；正交試驗

食用色素通常分為合成食用色素和天然食用色素[1]。許多合成食用色素對動物、植物和人類有害[2-4]，天然食用色素對人體健康一般無毒無害，許多還具有一定的營養價值和藥理作用[5-9]。因而開發安全可靠的天然食用色素對保障人類健康和促進食品工業等行業的發展具有十分重要的意義[10-11]。目前天然食用色素的使用量呈快速增長的趨勢，開發天然食用色素勢必成為色素領域的發展方向[12-13]。

菊芋(HelianthustuberosusLinn.)屬菊科(Compositae)向日葵屬，其花色素是具有一定生理功能的水溶性天然色素[1]。前人對于菊芋花色素提取條件的研究大多僅僅是用試驗來驗證，而且工作量都比較大，筆者利用試驗和計算相結合的方法探究菊芋花色素提取的最佳條件，不僅能為菊芋花色素資源的充分利用提供技術支持，也為該色素在藥用、食品添加劑等領域的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料 原料：菊芋花，青海省當地采摘的新鮮花瓣。主要試劑：0.1 mol/L NaOH，自制；95%乙醇，分析純，煙臺市雙雙化工有限公司；65%乙醇，自制。主要儀器：UV-2550紫外可見分光光度計，日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 最大吸收波長(λmax)的確定。將菊芋花進行水溶劑浸提法，制成色素溶液，用紫外-可見分光光度計在200～700 nm波長范圍內掃描，得到最大吸收波長為267.5 nm。

1.2.2 菊芋花色素的提取工藝研究。先進行單因素試驗，考察浸提劑、浸提時間、料液比、浸提溫度4個因素對菊芋花色素提取效果的影響。在此基礎上，進行正交試驗，最終得出最佳提取工藝。

1.2.2.1 浸提劑的選擇。以不同的溶劑，1∶20 g/mL的料液比，在40 ℃下浸提2.5 h，得浸提液。各浸提液先加入10 mL蒸餾水后過濾并量取1 mL定容至50 mL容量瓶后測定吸光度值。

1.2.2.2 料液比的選擇。65%乙醇加0.1 mol/L NaOH(10∶1，V/V)做溶劑，取不同的料液比，在40 ℃下浸提2.5 h，得浸提液。各浸提液先加入10 mL蒸餾水后過濾并量取1 mL定容至50 mL容量瓶后測定吸光度值。

1.2.2.3 浸提溫度的選擇。采用1∶16 g/mL的料液比，65%乙醇加0.1 mol/L NaOH(10∶1，V/V)，在不同的溫度下浸提3.0 h，得浸提液。各浸提液先加入10 mL蒸餾水后過濾并量取1 mL定容至50 mL容量瓶后測定吸光度值。

1.2.2.4 浸提時間的選擇。采用1∶16 g/mL的料液比，65%乙醇加0.1 mol/L NaOH(10∶1，V/V)，在50 ℃的條件下，浸提不同時間，得浸提液。各浸提液先加入10 mL蒸餾水后過濾并量取1 mL定容至50 mL容量瓶后測定吸光度值。

1.2.2.5 正交試驗。選擇影響菊芋花色素浸提效果的料液比、浸提溫度、浸提時間做正交試驗，以確定最佳提取條件。正交試驗因素水平設計見表1。

2 結果與分析

2.1 最佳浸提劑 由表2可知，提取溶劑為65%乙醇加0.1 mol/L NaOH(10∶1，V/V)的混合溶液時，提取效果最佳。因此該研究后續試驗采用65%乙醇加0.1 mL/L NaOH的混合溶液作為浸提劑。

表1 菊芋花色素提取正交試驗因素水平設計

Table 1 Factors and levels of orthogonal test forHelianthustuberosusflower pigment extraction

水平Levels因素Factors浸提溫度(A)Extractiontemperature∥℃料液比(B)Solid-liquidratio∥g/mL浸提時間(C)Extractiontime∥h1401∶1442501∶1653601∶186

表2 不同提取溶劑對菊芋花色素提取效果的影響

Table 2 The effect of different extracting agent on extraction of Helianthus tuberosns flower pigment

提取劑Extractingagent浸提液顏色Colorofleachingliquor浸提液pHpHofleachingliquor吸光度Absorbance(A)蒸餾水Distilledwater暗黃色50.54795%乙醇95%ethanol橙黃色70.51065%乙醇不加NaOH65%ethanolwithoutNaOH橙黃色70.61065%乙醇加NaOH65%ethanolwithNaOH紅褐色80.694

2.2 最佳料液比 由表3可知，料液比為1∶18 g/mL時的提取效果最佳，超過或小于該料液比，提取效果都有所降低。

表3 不同料液比對菊芋花色素提取效果的影響

Table 3 The effect of different solid to liquid on extraction of Helianthus tuberosns flower pigment

料液比Solid-liquidratio∥g/mL吸光度Absorbance(A)料液比Solid-liquidratio∥g/mL吸光度Absorbance(A)1∶100.3561∶170.3981∶110.3591∶180.4001∶120.3631∶190.3931∶130.3711∶200.3981∶140.3731∶210.3941∶150.3801∶220.3891∶160.396

2.3 最佳浸提溫度 由表4可知，浸提溫度為60 ℃時的提取效果最佳，高于或低于此溫度，其浸提效果均有所下降。

表4 不同浸提溫度對菊芋花色素提取效果的影響

Table 4 The effect of different temperature on extraction of Helianthus tuberosns flower pigment

浸提溫度Extractiontemperature∥℃吸光度Absorbance(A)浸提溫度Extractiontemperature∥℃吸光度Absorbance(A)200.265550.455250.304600.458300.353650.451350.364700.448400.387750.435450.403800.432500.423

2.4 最佳浸提時間 由表5可知，浸提時間為7.0 h 時的提取效果最佳，超過或少于此浸提時間，提取效果均有所降低。

表5 不同浸提時間對菊芋花色素提取效果的影響

Table 5 The effect of different time on extraction of Helianthus tuberosns flower pigment

浸提時間Extractiontimeh吸光度Absorbance(A)浸提時間Extractiontimeh吸光度Absorbance(A)1.00.4035.00.4511.50.4095.50.4512.00.4186.00.4502.50.4336.50.4523.00.4427.00.4543.50.4457.50.4514.00.4508.00.4484.50.450

2.5 正交試驗 對表6進行分析可知，提取菊芋花色素的最優條件為溫度60 ℃，料液比為1∶18 g/mL，浸提時間為5.0 h。

表6 菊芋花色素提取正交試驗結果

2.6 試驗數據處理及建模分析[17]

2.6.1 計算各個因素和吸光度的關聯度。試驗通過灰色識別模型，定量地描述了各因素影響提取效果的程度。根據關聯度可知中，各影響因素中浸提溫度對提取花色素的影響最大，料液比次之，浸提時間對提取效果的影響最小。

2.6.1.1 計算關聯系數。首先對數據進行標準化處理，采用均值化處理。樣本序列{Wij}和參考序列{Wrj}的關聯系數s(Wrj,Wij)按下式計算：

(i=1，2，…；j=1，2，…)

式中，{Zij}、{Zrj}分別為{Wij}、{Wrj}標準化后的數據；α為分辨系數，取0.5。

表7 灰色識別模型計算結果

2.6.2 神經網絡預測正交試驗[14]。為了得到提取色素的最優條件，進行了正交試驗。通過單因素試驗數據訓練神經網絡模型，對正交試驗進行了預測并和試驗值進行比較，得到的比較結果較理想。在利用正交試驗尋找最優條件的試驗中，完全可以用單因素試驗數據訓練神經網絡預測設計的正交試驗，根據預測值挑選幾個較優的組合，對其進行試驗找到最優條件，這將大大減少試驗的工作量。

2.6.2.2 正交試驗結果和預測結果。通過正交試驗可知(表6)，浸提溫度60 ℃，料液比為1∶18g/mL，浸提時間5.0h時，提取菊芋花色素的效果最好，試驗值和預測值吻合。

3 結論與討論

通過該試驗可以得到提取菊芋花色素的最優條件為溫度60 ℃，料液比為1∶18 g/mL，浸提時間5.0 h時。浸提溫度對提取菊芋花色素的影響最大，料液比次之，浸提時間對提取效果的影響最小。

該試驗不僅得到了提取菊芋花色素的最優條件，還提出判斷各個單因素對結果影響程度大小的模型和通過人工神經網絡利用單因素試驗預測正交試驗的模型。在以后的正交試驗尋找最優條件的試驗中，可以用到單因素試驗預測正交試驗，并對其幾個較優的條件進行試驗驗證即可，這將大大減少工作量。

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Study on Conditions for Extracting Pigment fromHelianthustuberosus

WANG Zhi-guo, CAO Hong-cui, LU Hai-tang, ZHOU Lian*et al

(New Energy(Photovoltaic) Industry Research Center, Qinghai University, Xining, Qinghai 810016)

[Objective] The aim was to explore the optimal conditions for extracting pigment fromHelianthustuberosusflower. [Method] Single factor and orthogonal test was conducted on extraction ofHelianthustuberosusflower pigment under different conditions. Grey relational degree analysis was conducted on data of single factor test. Orthogonal test was predicted by neural network and was compared with trial value. [Result] The optimal conditions were obtained as follows: temperature 60 ℃, solid-liquid ratio 1∶18 g/mL, extraction time 5.0 h. As for influence degree, temperature was the most influential on pigment extraction, solid-liquid ratio took the second place, followed by extraction time. Method for reducing the amount of work was proposed. [Conclusion] The study can provide scientific basis for extraction ofHelianthustuberosusflower pigment.

Helianthustuberosusflower pigment; Extraction; Grey relational degree; Neural network; Orthogonal test

青海省重點實驗室發展專項資金項目(2014-Z-Y31)；青海省自然科學基金青年項目(2016-ZJ-932Q)。

王志國(1994- )，男，山東菏澤人，本科生，專業：有機合成。*通訊作者，副教授，博士，從事功能配合物及物質構效學的研究。

2016-07-11

S 632.9

A

0517-6611(2016)32-0077-03