超聲波輔助提取紫膠紅色素的研究

張 弘，房桂干，鄭 華

(1.中國林業科學研究院林產化學工業研究所，江蘇 南京 210042；2.中國林業科學研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224)

超聲波輔助提取紫膠紅色素的研究

張 弘1,2，房桂干1，鄭 華2

(1.中國林業科學研究院林產化學工業研究所，江蘇 南京 210042；2.中國林業科學研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224)

為高效地獲得紫膠紅色素，通過單因素試驗確定超聲波功率、超聲波作用時間、超聲波脈沖時間及料液比的適用范圍，再利用正交試驗法進行工藝優化，得出超聲波輔助提取紫膠紅色素的最佳工藝條件。結果表明，超聲波輔助法提取紫膠紅色素的最佳工藝條件為：超聲波功率1200W、超聲波處理時間18min、頻率20kHz、脈沖時間(9s，12s)、料液比1:6(g/mL)。合適的提取次數為3次，浸提率85.15%，色素得率可達0.55%。

紫膠紅色素；超聲波輔助；提取

紫膠系由寄生在樹木上、吸食樹汁的紫膠蟲所分泌的天然產物，主要由紫膠樹脂、紫膠蠟和紫膠色素組成。由于紫膠色素影響紫膠樹脂的感官質量，在傳統紫膠加工中，紫膠色素是用大量的水洗脫再加以回收[1]。紫膠色素是一種蒽醌衍生物，其色調隨pH值不同而呈橙紅至紫紅色，理化性質比較穩定[2]，是食品、化妝品及紡織品的優良著色劑[3-4]，為我國允許用作食品添加劑的天然色素[5-6]。隨著食品安全和綠色食品漸入人心，紫膠紅色素愈來愈受到世人青睞，其經濟價值在紫膠加工業中所占權重已大幅提升，因此有必要研究和提升從紫膠原膠中高效提取紅色素的技術。

超聲波是彈性介質中的一種機械波，利用超聲的熱、機械、光和活化等物理效應，可以改變物質的組織結構、狀態和功能[7-9]。在固液浸取過程中，因超聲的空化、沖擊和振動而給體系帶來了湍動、微擾、界面和聚能等化學效應，能加速動植物組織中的有效成分在溶劑中的擴散、遷移和釋放，有助于提取[10-11]。本實驗擬采用超聲波輔助洗脫紫膠原膠，以期高效地獲得紫膠紅色素。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

云南紫膠蟲(Kerria yunnanensisOu et Hong)原膠[12]中國林業科學研究院資源昆蟲研究所景東試驗站。

無水碳酸鈉(AR) 上海虹光化工廠；氫氧化鈉(AR)天津市風船化學試劑科技有限公司；鹽酸(AR) 重慶川江化學試劑廠；鄰苯二甲酸氫鉀(AR) 西安化學試劑廠。

AB204-S精密型電子天平、HR83-P型快速鹵素水分測定儀 梅特勒-托利多(中國)有限公司；DU 800紫外-可見分光光度計 美國Beckman-Coulter公司；BILON99-ⅡDL超聲波細胞破碎機(φ25號超聲變幅桿) 上海比朗儀器有限公司；TY742X2A純水機 美國Barnstead公司；N-1000VW旋轉蒸發裝置 日本東京理化株式會社；FD-1C-50冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司；HHS-11-2電熱恒溫水浴鍋 江蘇省醫療器械廠；PHS-3C精密pH計 上海精密科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 實驗流程

紫膠原膠→剔除明顯雜質→粉碎→篩分→去離子水超聲輔助提取→液固分離→定容→測吸光度

本實驗采用純水作為提取劑。將原膠粉碎成顆粒，過篩(1～6mm)去除里面的樹枝、蟲尸等雜質待用。超聲波細胞破碎機固定頻率為20kHz。

1.2.2 單因素試驗

1.2.2.1 提取溶劑pH值的確定

稱取10g原料于燒杯中，按料液比1:6(g/mL)加入去離子水，分別用氫氧化鈉和鹽酸調節提取液至不同pH值，于輸出超聲功率1000W條件下連續提取5min，脈沖時間(10s，10s)，即超聲波持續發生10s，間歇10s，抽濾后測定濾液吸光度。

1.2.2.2 超聲波功率的確定

稱取10g原料于燒杯中，按1.2.2.1節所確定的pH值，以料液比1:6(g/mL)加入去離子水，于不同輸出功率條件下連續提取5min，頻率為20kHz，脈沖時間(10s，10s)，抽濾后測定濾液吸光度。

1.2.2.3 超聲波作用時間的確定

稱取10g原料于燒杯中，按1.2.2.1節所確定的pH值，加入料液比1:6(g/mL)去離子水，于1.2.2.2節確定的輸出功率條件下分別提取不同時間，頻率為20kHz，脈沖時間(10s，10s)，抽濾后測定濾液吸光度。

1.2.2.4 超聲波脈沖時間的確定

脈沖時間分為on和off兩個參數，on為超聲波持續發生時間，off為間隔時間，調節兩個參數對提取效果進行研究。稱取10g原料于燒杯中，按料液比1:6(g/mL)加入去離子水，于1.2.2.2節確定的超聲波輸出功率條件下采用不同的脈沖時間提取，超聲波頻率為20kHz，抽濾后測定濾液的吸光度。先確定on的參數，再根據on確定off。

1.2.2.5 料液比的確定

分別稱取10g原料于燒杯中，按不同料液1:4～1:12(g/mL)提取，提取溶劑pH值、輸出超聲功率、超聲作用時間和超聲脈沖時間分別按1.2.2.1、1.2.2.2、1.2.2.3節和1.2.2.4節確定，抽濾后測定濾液吸光度。

1.2.3 正交試驗

以所作單因素試驗的結果，按因素影響重要度取舍，設計四因素三水平正交試驗表，并根據正交試驗表的條件進行試驗，從而確定色素提取的最佳條件。

1.2.4 提取級數的確定

稱取10g原料，以超聲波輔助法的最佳提取條件進行提取，總共提取n次，將每次的提取液抽濾，分別測定其在最大吸收波長的吸光度，按式(1)計算浸提率，從而確定合理的提取級數。

1.2.5 提取得率的計算

稱取一定質量m1的紫膠(含水率X1)，分別采用水浸提法在其最佳條件下對其中的色素進行提取，然后對色素溶液進行濃縮、冷凍干燥等處理，得到質量為m2的色素樣品(含水率X2)，由式(2)計算紫膠紅色素的提取得率。

1.2.6 吸光度測定

浸提液抽濾、澄清后，用移液管吸取1mL并稀釋50倍，參照國標食品添加劑-紫膠紅色素測定[13]，在490nm波長的特征吸收峰[2]處測定紫膠紅色素水溶液吸光度。

2 結果與分析

2.1 提取液pH值的確定

圖1 不同pH值提取液吸光度曲線Fig.1 Effect of pH on extraction efficiency of lac dye

如圖1所示，在pH5～7時，紫膠紅色素比較穩定；在pH7.5時，弱堿性的水溶液使紫膠色素與鈉離子結合，吸光度較高；而pH8～9時，由于紫膠紅色素失穩，吸光度下降。

2.2 超聲波功率的確定

如圖2所示，超聲波功率在400～1000W范圍內，隨著超聲波功率的增大，提取液吸光度呈緩慢的上升趨勢，當超聲波功率達到1200W時，吸光度達到最大，此時紫膠紅色素提取效果最佳；當超聲波功率繼續增大，提取液吸光度變化不大。因此超聲波功率選取1000W進行提取。

圖2 不同超聲波功率條件的吸光度曲線Fig.2 Effect of ultrasonic power on extraction efficiency of lac dye

2.3 超聲波作用時間的確定

圖3 不同超聲波處理時間條件的吸光度曲線Fig.3 Effect of pH on ultrasonic treatment time on efficiency of lac dye

如圖3所示，隨著超聲波處理時間的延長，提取液的吸光度不斷增大，15min后吸光度有所下降，這是因為超聲能會轉化為熱能[14]，隨著超聲時間延長，熱效應使得提取體系溫度升高，紫膠因受熱收縮，阻塞了紫膠紅色素遷移擴散的通道，而且影響了紫膠紅色素的穩定。表明合理選取提取時間，其物理場強化提取可以控制在非熱狀態下，不僅可提高提取效率，縮短提取時間，而且可以避免提取過程中受熱所帶來的損失。

2.4 超聲波脈沖時間的確定

圖4 脈沖時間on對提取效果的影響Fig.4 Effect of pulse-on time on extraction efficiency of lac dye

分別采用不同的脈沖時間(on，off)進行提取，吸光度曲線如圖4～5所示。脈沖時間的間隔(off)能夠調節空化作用，根據空化作用形成的機理可知，空化現象包括氣泡的形成、成長和崩潰過程[15-16]，此空化現象完成一個循環會受到脈沖時間on與off的影響。空化完成一個循環所用的時間如果長于on持續的時間，即未能完成一個空化循環，會起不到溶解色素的作用；如果on持續的時間長于空化一個循環的時間，這時off將對空化現象起到調節的效果，進而影響色素的提取效果[17]。

圖5 脈沖時間off對提取效果的影響Fig.5 Effect of pulse-off time on extraction efficiency of lac dye

由圖4可知，在off時間固定為10s的情況下，on選擇不同的時間對色素的提取效果有差別，on在9s以后提取液吸光度增加趨緩，考慮到節能、儀器使用等方面因素，on值選擇相對比較好的9s繼續進行試驗；由圖5可知，固定on時間為9s時，提取液吸光度變化不大，且隨著off時間延長，提取液的吸光度呈平緩下降趨勢。對比on/off兩組試驗，兼顧提取體系低溫升，色素提取的較優脈沖時間為(9s，9s)，在此條件下空化作用能更好的完成循環。

2.5 液料比的確定

圖6 不同液料比條件下的吸光度曲線Fig.6 Effect of material/liquid ratio on extraction efficiency of lac dye

分別采用不同的液料比進行提取，提取效果見圖6。隨提取溶劑用量增加，提取液吸光度平緩下降，液料比增大到6:1(mL/g)以后，吸光度快速下降，這是因為提取溶劑用量增大降低了色素溶液的濃度。因此較優的液料比是6:1(mL/g)。

2.6 超聲波輔助提取紫膠紅色素正交試驗

根據上述單因素試驗的結果，取對提取液吸光度影響較大的因素：超聲波功率、超聲波作用時間、料液比和超聲脈沖on值，設計四因素三水平正交試驗表，并根據正交試驗表的條件進行試驗，從而確定色素提取的最佳條件。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

表2 超聲波輔助法提取紫膠紅色素正交試驗結果Table 2 Orthogonal array design matrix and experimental results

正交試驗結果表明，影響因素中以超聲波脈沖時間對色素的提取效果影響最大，各因素的影響大小順序為C＞B＞D＞A，優選方案為C3B3D2A2，即超聲波脈沖時間為(9s，12s)，超聲波處理時間為18min，料液比為1:6(g/mL)，超聲波功率為1200W，本次正交試驗中未含最優試驗條件，需作驗證實驗。

2.7 優選方案驗證實驗

表3 最佳工藝條件驗證結果Table 3 Validation results of optimal extraction conditions

由表3可知，最佳工藝條件下色素浸出量均大于正交試驗的9組數據，確為超聲波輔助浸提試驗的最佳條件。

2.8 提取級數的確定

圖7 不同提取級數提取效果的比較Fig.7 Effect of extraction number on extraction efficiency of lac dye

不同提取級數浸提率的變化如圖7所示。超聲波提取級數對提取效果影響顯著，前3級提取的浸提率就可達85.15%，再經過3級浸提，浸提率可達到95.49%，繼續進行其后的提取，浸提率變化不大，這一結果表明，經過6級提取已使色素較為完全地溶出。在實驗過程中，前3級采集的提取抽濾液顏色比較純正，而第4級及以后所得提取抽濾液顏色略帶褐色，考慮到提取級數過多將降低效率，故超聲波輔助法提取級數以3級為宜。

2.9 提取得率的計算

按照公式(2)計算水浸提法提取紫膠紅色素的提取得率為0.55%。

3 結 論

3.1 通過單因素試驗對超聲波輔助法提取紫膠紅色素的條件進行了初步探討，并通過正交試驗進行了工藝優化。結果表明，影響超聲波輔助法提取紫膠紅色素的主次因素順序為超聲脈沖時間＞超聲波作用時間＞料液比＞超聲波功率。超聲波輔助浸提法最佳工藝條件：頻率20kHz、超聲波脈沖時間(9s，12s)、超聲波處理時間18min、料液比1:6(g/mL)、超聲波功率為1200W，合適的提取級數為3級，浸提率85.15%，色素提取得率達0.55%。

3.2 傳統紫膠紅色素洗色方法耗時為8～24h，耗水量為原膠質量的100～140倍，色素提取得率一般僅為原膠質量的0.3%左右[18]。由于超聲波能使液體產生空化的作用，強化了傳質效應，從而使液體中的固體顆粒或細胞組織破碎，使水滲透到細胞中，有利于原膠中色素的轉移、擴散及提取，因此超聲波輔助提取紫膠紅色素較常規提取不僅效率高、耗水少，而且減輕了后續工序的負荷，降低了能源消耗。

[1] 陳曉鳴, 陳又清, 張弘, 等. 紫膠蟲培育與紫膠加工[M]. 北京: 中國林業出版社, 2008: 44-46.

[2] 張弘, 房桂干, 鄭華, 等. 紫膠紅色素穩定性研究[J]. 食品科學, 2009,30(23): 65-69.

[3] MONTRA C, SAOWANEE R, JOHN B B. Adsorption kinetic study of lac dyeing on cotton[J]. Dyes and Pigments, 2008, 76: 435-439.

[4] MONTRA C. Thermodynamics study of lac dyeing of silk yarn coated with chitosan[J]. Walailak J Sci and Tech, 2009, 6(1): 93-107.

[5] 凌關庭. 食品添加劑手冊[M]. 3版. 北京: 化學工業出版社, 2003: 988.

[6] GB 2760—2007食品添加劑使用衛生標準[S].

[7] 胡松青, 丘泰球, 張喜梅, 等. 功率超聲在分離純化中的應用[J]. 聲學技術, 1999, 18(4): 180-184.

[8] 朱國輝, 丘泰球, 黃卓烈. 超聲波在萃取中的應用[J]. 聲學技術, 2001,20(4): 188-190.

[9] 項昭保, 霍丹群, 任紹光. 超聲波在中草藥化學成分提取中的應用[J]. 自然雜志, 2001, 23(5) : 288-291.

[10] 秦煒, 原永輝, 戴猷元. 超聲場對化工分離過程的強化[J]. 化工進展,1995(1): 1-5.

[11] 胡愛軍, 鄭捷. 食品工業中的超聲提取技術[J]. 食品與機械, 2004,20(4): 57-60.

[12] 歐炳榮, 洪廣基. 云南紫膠蚧新種記述[J]. 昆蟲分類學報, 1990,7(1): 16-17.

[13] GB4571—1996 食品添加劑紫膠紅色素[S].

[14] 嚴偉, 李淑芬, 田松江. 超聲波協助提取技術[J]. 化工進展, 2002，2l(9): 649-651.

[15] 趙旭博, 董文賓, 于琴, 等. 超聲波技術在食品行業應用新進展[J].食品研究與開發, 2005, 26(1): 3-7.

[16] 馬空軍，賈殿贈, 包文忠, 等. 超聲場作用下的強化傳質研究進展[J]. 化工進展, 2010, 29(1): 11-16.

[17] 盧艷民, 鄭華, 張弘, 等. 超聲波法提取胭脂蟲紅色素的研究[J]. 食品科學, 2009, 30(16): 142-145.

[18] 南京林產工業學院. 天然樹脂生產工藝學[M]. 北京: 中國林業出版社, 1983.

Ultrasonic-assisted Extraction of Lac Dye

ZHANG Hong1,2，FANG Gui-gan1，ZHENG Hua2
(1. Institute of Chemical Industry of Forest Products, Chinese Academy of Forestry, Nanjing 210042, China；2. Research Institute of Resources Insects, Chinese Academy of Forestry, Kunming 650224, China)

In order to effectively extract lac dye under the assistance of ultrasonic, single factor and orthogonal array design methods were used to optimize process parameters including ultrasonic power, extraction time, pulse time and material/liquid ratio. The optimal extraction conditions were determined as follows: material/liquid ratio, 1:6; ultrasonic power, 1200 W; extraction duration, 18 min; frequency, 20 kHz; pulse-on time, 9 s, pulse-off time, 12 s; and extraction number, 3. The extraction efficiency was up to 85.15% and the yield of lac dye was 0.55% under the optimal extraction conditions.

lac dye；ultrasonic assistance；extraction

TS264.4；S759.7；S899.2

A

1002-6630(2010)20-0116-05

2010-06-27

國家林業科技成果推廣項目([2010]11)；科技部農業科技成果轉化資金項目(2010GB24320619)

張弘(1963—)，男，研究員，學士，主要從事林業生物資源化學與利用研究。E-mail：kmzhhong@163.com