超聲波輔助提取桑椹果渣色素的工藝優(yōu)化

管冠宇，陶玉貴，葛 飛，朱龍寶

(安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

桑椹富含色素，桑椹色素屬花青素類色素，主要著色成分是矢車菊-3-O-葡萄糖苷，其基本結(jié)構(gòu)為黃烊鹽2-苯基苯并吡喃，即花色基元陽離子的衍生物．桑椹色素營養(yǎng)豐富，含有多種氨基酸、維生素及微量元素等150多種化合物，具有預(yù)防心腦血管疾病、保護(hù)肝臟、降血糖等保健功效，可以作為理想的天然食用色素．我國桑椹分布廣，桑椹資源豐富，然而桑椹絕大多數(shù)用于榨汁，榨汁后的果渣等下腳料通常被棄去，造成浪費(fèi)．實(shí)驗(yàn)表明，桑椹渣中富含大量花色苷等功能性成分，可用做色素提取的原料．因此，對桑椹果渣中色素的提取具有一定意義．

目前，色素的提取技術(shù)已經(jīng)由傳統(tǒng)的溶劑提取法逐漸轉(zhuǎn)向運(yùn)用超聲波或微波強(qiáng)化提取新技術(shù)，Muhammad Kamran Khan等采用超聲波法對橙皮中的黃酮類物質(zhì)提取做了研究．岳鹍等研究通過超聲波法輔助提取火龍果果皮中的紅色素．超聲輔助提取法是通過超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)，使溶劑較快地進(jìn)入固體物質(zhì)，浸出更多的有效物質(zhì)[7-8]，該方法用于色素的提取效果較好[9-10]，具有提取操作簡捷，提取率高，節(jié)省溶劑，縮短提取時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)．色素提取條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)常采用響應(yīng)面分析法，該方法被廣泛用于優(yōu)化工藝參數(shù)、檢驗(yàn)各參數(shù)的交互作用[11]．

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

(1)材料與試劑.桑椹(市售);無水乙醇(分析純)(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司).

(2)主要儀器設(shè)備.可見分光光度計(jì)(723型，上海光譜儀器有限公司)；數(shù)顯恒溫水浴鍋(HH-6型，江蘇省金壇市杰瑞爾電器有限公司)；電子分析天平(FA2204B型，上海佑科儀器儀表有限公司)；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(RE-52型，上海亞榮生化儀器廠)；數(shù)控超聲波清洗器(KQ-500DE型，昆山市超聲儀器有限公司)．

1.2 方法

(1)桑椹果渣制備.桑椹打漿、榨汁后產(chǎn)生的果渣，在干燥箱中50 ℃條件下烘干，粉碎機(jī)粉碎過40目篩后備用．

(2)桑椹果渣色素最大吸收波長的測定.稱取5.0 g桑椹果渣按1:3的比例加入60%乙醇溶液，在室溫下用60W超聲波清洗器超聲提取30 min，10 000 r/min離心10 min，取上清液1 mL定容至40 mL，用紫外可見分光光度計(jì)在400～600 nm范圍內(nèi)掃描，以確定桑椹果渣色素的最大吸收波長．

(3)桑椹果渣色素的提取工藝.取5.0 g桑椹果渣，乙醇質(zhì)量濃度60%，料液比1∶3，超聲功率60 W下超聲時(shí)間30 min，10 000 r/min離心10 min，取上清液過濾，50 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，對濾液進(jìn)行濃縮，冷凍干燥得到粉末，具體工藝：桑椹果渣→超聲浸提→離心→過濾→濃縮→冷凍干燥.

(4)單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì).

①料液比對桑椹色素提取的影響：稱取5.0 g桑椹果渣，超聲功率60 W，超聲時(shí)間30 min，乙醇質(zhì)量濃度60%，料液比分別設(shè)置為1∶1、1∶3、1∶5、1∶7、1∶9，在512 nm處測吸光度．

醫(yī)院文化是一種以醫(yī)院的價(jià)值體系為中心，以人的思想觀念為主體，以醫(yī)院管理哲學(xué)和管理行為為出發(fā)點(diǎn)的現(xiàn)代醫(yī)院管理理論，被稱之為“管理之魂”。[2]它更是醫(yī)院在長期醫(yī)療實(shí)踐過程中，通過對自身獨(dú)特風(fēng)格和特色的不斷沉淀，鑄起的一種持久的醫(yī)院精神，具有層次高、超前性、可塑性和時(shí)代性等特性。雖然它受到政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面的制約，但又具有相對獨(dú)立性，醫(yī)院文化建設(shè)水平的高低是醫(yī)院整體素質(zhì)的一個(gè)重要標(biāo)志。

②乙醇質(zhì)量濃度對桑椹色素提取的影響：稱取5.0 g桑椹果渣，料液比1∶3，超聲功率60 W，超聲時(shí)間30 min，乙醇質(zhì)量濃度分別設(shè)置為40%、50%、60%、70%、80%，在512 nm處測吸光度．

③超聲時(shí)間對桑椹色素提取的影響：稱取5.0 g桑椹果渣，料液比1∶3，超聲功率60 W，乙醇質(zhì)量濃度60%，超聲時(shí)間分別設(shè)置為10 min、20 min、30 min、40 min、50 min，在512 nm處測吸光度．

④超聲功率對桑椹色素提取的影響：稱取5.0 g桑椹果渣，料液比1∶3，超聲時(shí)間30 min，乙醇質(zhì)量濃度60%，超聲功率分別設(shè)置為40 W、50 W、60 W、70 W、80 W，在512 nm處測吸光度．

(5)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì).根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇乙醇質(zhì)量濃度、超聲時(shí)間、超聲功率、料液比為響應(yīng)變量，以512 nm的吸光度為響應(yīng)值，利用Design-Expert 8.0.6軟件對桑椹果渣色素超聲提取工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其因素與水平見表1．

表1 響應(yīng)面分析因素和水平

(6)提取率與提取級數(shù)的確定.在最佳提取條件下，多次浸提一定量的桑椹果渣，直至浸提液近于無色，分別收集各次的色素浸提液并測定其體積Vi和吸光度值A(chǔ)i，然后合并各次提取液得到總體積V和總吸光度值A(chǔ)．計(jì)算各次提取率，確定提取級數(shù)．提取率計(jì)算公式如式(1)所示.

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 桑椹果渣色素吸收光譜

將桑椹果渣色素提取液在400～600 nm可見光區(qū)波長范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，得到吸收光譜如圖1所示．由圖1可見，桑椹果渣色素在512 nm處有最大吸收峰，因此，選擇512 nm為桑椹果渣色素的最大吸收波長．

圖1 桑椹果渣色素吸收光譜

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

(1)乙醇質(zhì)量濃度對桑椹色素提取的影響如圖2所示.由圖2可知，當(dāng)乙醇質(zhì)量濃度從40%上升到60%，吸光度不斷增大，到60%時(shí)達(dá)到最大值；乙醇質(zhì)量濃度從60%上升到80%時(shí)，吸光度開始下降，因此當(dāng)乙醇質(zhì)量濃度為60%時(shí)，對桑椹色素提取效果最好．

(2)超聲時(shí)間對桑椹色素提取的影響如圖3所示.由圖3可知，超聲時(shí)間從10 min開始,提取率上升，這是由于超聲的空化效應(yīng)增大分子的運(yùn)動(dòng)速度，增大介質(zhì)的穿透力，使溶劑快速進(jìn)入固體物質(zhì)中，同時(shí)提取初始階段色素在提取溶劑與物料之間存在較大的濃度差，在此濃度差別下色素成分快速溶出，吸光度增大．當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到30 min，吸光度達(dá)到最大值0.705之后吸光值開始下降，因此超聲時(shí)間在30 min時(shí)色素提取效果最好．

圖2 乙醇質(zhì)量濃度對色素吸光度的影響 圖3 超聲時(shí)間對色素吸光度的影響

(3)超聲功率對桑椹色素提取效果的影響如圖4所示.由圖4可知，超聲功率在40 W至60 W時(shí)，吸光度上升.從60 W開始，提取率下降，這是由于超聲的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)可能破環(huán)桑椹果渣色素的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸光度下降．因此選擇超聲功率為60 W．

(4)料液比對桑椹色素提取效果的影響如圖5所示.由圖5可知，料液比在稀釋相同倍數(shù)的情況下，從1∶1到1∶3時(shí)，吸光度上升，說明色素充分溶解，料液比從1∶3往后，吸光度開始下降，可能是由于料液比達(dá)到一定程度，有效成分完全析出，因此選擇料液比為1∶3的參數(shù)．

圖4 超聲功率對色素吸光度的影響 圖5 料液比對色素吸光度的影響

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

以單因素結(jié)果為依據(jù)，細(xì)化因素水平，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理得到的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示．

2.4 模型建立與方差分析

利用軟件設(shè)計(jì)Design-Expert 8.0.6對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，得到以下回歸方程:

As=0.788 80+0.045 583A+0.012 333B-0.031 417C+0.053 833D+5.000 00E-003AB+

4.750 00E-003AC-9.000 00E-003AD-4.500 00E-003BC-0.054 500BD+4.000 00E-

003CD-0.049 483A2-0.054 608B2-0.100 23C2-0.064 858D2．

(2)

回歸模擬方差分析如表3所示.由表3可知，該回歸模型具有高度顯著性(p<0.000 1)，失擬項(xiàng)不顯著(p>0.05)，決定系數(shù)(R2)為0.970 3，信噪比為18.176，表明該模型擬合度好，試驗(yàn)誤差小．該模型能較準(zhǔn)確地分析影響因素和響應(yīng)值之間的關(guān)系．因此，利用該方程模型可對桑椹果渣色素提取的最佳工藝條件進(jìn)行優(yōu)化．其中，自變量的一次項(xiàng)A、C、D極顯著(p<0.000 1)，自變量一次項(xiàng)B(p<0.05)顯著，二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2極顯著(p<0.000 1)，根據(jù)F值分析，對色素提取效果影響大小的排列順序依次為：料液比>乙醇質(zhì)量濃度>超聲功率>超聲時(shí)間．

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

表3 回歸模擬方差分析

2.5 各因素交互作用的響應(yīng)面分析

桑椹果渣色素提取各因素的影響三維曲面如圖6～圖8所示.根據(jù)回歸模擬方差分析及圖6～圖8可知，交互項(xiàng)超聲時(shí)間和料液比(BD)的交互作用對吸光度影響極顯著(p<0.000 1)，而乙醇質(zhì)量濃度和超聲時(shí)間(AB)、乙醇質(zhì)量濃度和超聲功率(AC)、乙醇質(zhì)量濃度和料液比(AD)、超聲時(shí)間和超聲功率(BC)、超聲功率和料液比(CD)的交互作用對吸光度影響不顯著．

圖6 乙醇質(zhì)量濃度與超聲時(shí)間對色素吸光度影響的響應(yīng)曲面 圖7 乙醇質(zhì)量濃度與料液比對色素吸光度影響的響應(yīng)曲面

圖8 料液比與超聲時(shí)間對色素吸光度影響的響應(yīng)曲面

2.6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過Design-Expert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)，得超聲波輔助提取桑椹果渣色素的最佳工藝條件為乙醇質(zhì)量濃度64.14%、超聲時(shí)間29.32 min、超聲功率58.63 W、料液比1∶4.17，此條件下桑椹果渣色素理論吸光度為0.811．為了便于實(shí)際操作，將色素提取的最佳工藝條件修整為：乙醇質(zhì)量濃度65%、超聲時(shí)間29 min、超聲功率59 W、料液比1∶4，對優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得桑椹果渣色素吸光度為0.809，與理論值0.811相接近．說明對桑椹果渣色素提取的響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果較可靠．

2.7 提取級數(shù)的確定

在確定的最佳工藝條件下，多次浸提一定量的棗皮，按1.2(6)中的方法計(jì)算提取率，結(jié)果如表4所示．由表4可知，和溶劑浸提法相比，超聲法一次提取的提取率較低，僅為65.75%，4次提取率累計(jì)達(dá)到96.31%，可提取絕大部分色素．但從節(jié)約成本的角度考慮，采用三級提取，提取率可達(dá)93.17%．

表4 提取級數(shù)對提取效果的影響

3 結(jié)論

研究用超聲輔助法提取桑椹果渣色素，桑椹果渣色素最大吸收波長為512 nm．采用響應(yīng)面法對桑椹果渣色素的提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，其中乙醇質(zhì)量濃度、超聲功率和料液比的交互作用對桑椹果渣色素的吸光度影響極顯著.優(yōu)化后的提取工藝條件為：乙醇質(zhì)量濃度65%、超聲時(shí)間29 min、超聲功率59 W、料液比1∶4，在此條件下，采用三級提取，提取率可達(dá)93.17%．試驗(yàn)表明，通過超聲波輔助法提取桑椹果渣色素是一種有效的方法．