蒲公英黃色素提取工藝優(yōu)化

刁淑清，叢建民

（白城師范學院，吉林 白城 137000）

蒲公英（Taraxacum officnala）花為菊科植物蒲公英及其同屬多種植物的花。蒲公英是分布很廣的一種植物，在全國大部分地區(qū)均有野生，資源豐富，少數(shù)作為中藥材收購，但大量的資源尚未利用，具有開發(fā)利用的價值。蒲公英開花數(shù)量多，花期長，花瓣金黃，色彩艷麗，可用于提取色素。天然植物黃色素的研究多限于梔子等實驗材料[1-7]，鮮見蒲公英花黃色素及其提取工藝的報道。超聲提取技術(shù)的應用原理是利用超聲波的空化作用力加速植物有效成分的溶出，另外超聲波的次級效應如機械振動、乳化、擴散、擊碎、化學效應等也能加速欲提取成分的擴散釋放并充分與溶劑混合，利于提取。該技術(shù)具有提取時間短、產(chǎn)率高、無需加熱、低溫提取，有利于有效成分的保護等優(yōu)點[8-10]。

本研究旨在探討超聲波輔助萃取蒲公英花黃色素，采用回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設計[11-13]，優(yōu)化篩選工藝條件，為工業(yè)生產(chǎn)及科學研究等工藝操作提供參考。

1 材料

干燥的蒲公英花采自白城師范學院校園，粉碎后過40目篩樣品作為實驗樣品。

FA1004A精密電子天平：上海精天電子儀器有限公司；T6紫外分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；Anke GL-20B飛鴿牌系列高速低溫離心機：上海安亭科學儀器廠；DW-86L386海爾立式超低溫保存箱：青島海爾醫(yī)用低溫科技有限公司；NO.10014，SIGMA 1-14小型臺式離心機：德國希格瑪離心機有限公司；所用試劑為Sigma公司的產(chǎn)品，分析純。

2 方法

2.1 提取方法

蒲公英黃色素提取工藝流程如下：

蒲公英花干粉末浸入一定體積的提取液→超聲處理→溶劑浸提→離心→色素液→真空濃縮→4℃低溫保存。

2.2 溶劑選擇

依溶劑極性大小不同分為石油醚、乙酸乙酯、乙醚、氯仿、丙酮、異丙醇、無水乙醇、蒸餾水浸提液。精確量取花干粉，各為1.000 g，加入100 mL錐形瓶中，注入30 mL試劑，振蕩提取3 h后。低溫離心，定容上清液至50 mL。采用目視法和可見分光光度計722比色分析。

2.3 波長的選擇

精確稱量花粉0.5 g，無水乙醇30 mL浸泡提取3 h，離心后上清液定容至50 mL。吸取5 mL浸提液，再定容至50 mL。放入1 cm比色杯，測定可見光區(qū)的每納米波長下掃描吸收曲線，確定λmax。

2.4 乙醇濃度的選擇

配制50%至100%的乙醇溶液，精確稱量花粉0.5 g，加入100 mL錐形瓶中。注入30 mL不同濃度的乙醇溶液劑，浸提3 h，離心，定容至50 mL。在最適λmax用分光光度計測量上清液液OD值。

2.5 提取時間的選擇

精確稱量花粉每份0.2 g，加入100 mL錐形瓶中，注入70%乙醇溶液10 mL。不同時間取樣，在最適λmax下用分光光度計測量提取液吸光值。

2.6 最適溫度的選擇

精確稱量花粉每份0.2 g，加入100 mL錐形瓶中，注入70%乙醇溶液10mL。分別調(diào)整溫度為30℃～80℃，1 h后在最適λmax下用分光光度計測量提取液吸光值。

2.7 料液比的影響

精確稱量花粉每份1 g，加入100 mL錐形瓶中，分別注入 70%乙醇 10、20、30、40、50 mL，溫度為 35 ℃，1 h后定容到50毫升提取液，在最適λmax下用分光光度計測量提取液吸光值。

2.8 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化提取工藝條件[8-9]

以期得到蒲公英花色素的最大吸光值，基于前面單因素試驗與觀察的結(jié)果，利用超聲處理浸提物30 min，浸提3 h，設計三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。3個自變量分別為溫度、料液比、乙醇濃度，以X1、X2、X3表示。用Matlab數(shù)學軟件對回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設計試驗結(jié)果進行回歸方程擬和及方差分析、兩因素交互效應曲面的生成，據(jù)此揭示各因素對蒲公英花黃色素提取液吸光值影響的內(nèi)在規(guī)律性。

表1 設計因素水平編碼表Table 1 Factors and levels design

3 結(jié)果與分析

3.1 波長的選擇

波長的選擇，見圖1。

圖1 波長的選擇Fig.1 Selection of wavelength

從圖1可見，蒲公英花干粉浸提液的λmax為440nm。

從圖1可得，在440 nm處和280 nm處出現(xiàn)了2個突出吸收峰，且在440 nm處得到最大吸光值，由此確定 λmax為 440 nm。

3.2 溶劑的影響

提取劑的選擇，見圖2。

圖2 提取劑的選擇Fig.2 Selection of extractants

由圖2得出：在浸提的3 h內(nèi)，黃色素在各種溶劑中的吸光值和提取效果各不相同。在丙酮無水乙醇、異丙醇、乙醚中浸提效果較好，利用Matlab軟件比較，差異不顯著。綜合考慮乙醇溶液易揮發(fā)，且無毒副作用，選擇乙醇溶液作為提取色素的溶劑。

3.3 乙醇濃度的影響

乙醇濃度的影響，見圖3。

圖3 溶劑濃度對色素提取的影響Fig.3 Effect of solvent extraction on Pigment concentration

如圖3可見，在50%～70%乙醇濃度范圍內(nèi)，浸提液的吸光值隨乙醇溶劑濃度而提高。80%-無水乙醇（100%）有相同的趨勢。在無水乙醇中的浸提效果最優(yōu)。無水乙醇易揮發(fā)，不易控制；70%>80%，70%與90%濃度乙醇效果相近，70%、80%、90%三者間Matlab統(tǒng)計分析表明效果無顯著性差異。

3.4 浸提時間的影響

浸提時間的影響，見圖4。

圖4 浸提時間對色素提取的影響Fig.4 Effect of extraction time on the the pigment

由圖4可見，浸提液隨時間延長而吸光值增加，在前170分鐘內(nèi)浸提液吸光值較明顯增加；在170 min后，吸光值增加不明顯。浸提180 min已達到最大吸光值，隨時間延長，無明顯增加。

3.5 浸提溫度的影響

浸提溫度的影響，見圖5。

如圖5所示，在低于50℃下，浸提液吸光值隨提取溫度增加，在50℃時的吸光值為0.715；當提高浸提溫度，高于50℃后，增加溫度對吸光值沒有明顯提高。

3.6 浸提料液比的影響

浸提料液比的影響，見圖6。

如圖6所示，提高料液比對色素提取的影響。在1∶10，1∶20，1∶30，1∶40（g/mL）的料液比下，隨料液比的減少而色素的吸光值逐漸提高，基于提高料液比增加料液的接觸面積，吸光值增加；當料液比為1∶50（g/mL）至更小時，吸光值降低。可見，料液比對色素的提取效果有一定的影響。

圖5 浸提溫度對色素提取的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on the the pigment

圖6 料液比對色素提取的影響Fig.6 Effect of extraction the ratio of materials and solvent volume on the pigment

3.7 提取工藝條件優(yōu)化

3.7.1 回歸方程模型

采用三因素二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗設計方案，結(jié)果見表2。對試驗結(jié)果利用Matlab軟件進行統(tǒng)計分析，得到蒲公英黃色素提取液的吸光值（Y）與乙醇濃度（X1）、料液比（X2）、溫度（X3）三因素在編碼空間的多元回歸模型如下：

3.7.2 試驗結(jié)果方差分析

對回歸方程的模擬實驗結(jié)果進行方差分析，見表3。

失擬性檢驗統(tǒng)計分析 F 值 0.139，小于 F0.05(5，8）=3.69，表明其差異不顯著，表明回歸方程擬合程度較好。回歸方程統(tǒng)計分析顯著性檢驗F值為52.169，大于F0.01(9，13）=4.19，表明回歸方程達到極顯著，反應出方程在試驗測點與試驗分析結(jié)果相吻合。

可見影響浸提效果的主要因素為：乙醇濃度>溫度>液料比，最佳工藝條件為料液比1∶40、溫度55℃、乙醇濃度70%，在此條件下測得的OD值為0.816。

3.7.3 因素間的交互作用分析

3.7.3.1 乙醇濃度和溫度對吸光度的影響

乙醇濃度X3和溫度X1的交互作用未能達到顯著水平（p＞0.5），固定料液比 X2零水平，乙醇濃度 X3和溫度X1對吸光度Y的影響方程：

表2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設計試驗安排及結(jié)果表Table 2 Testing scheme and results of quadratic rotary combination design

表3 回歸模擬的方差分析表Table 3 Variance analysis of the regression model

Y=0.50421+0.01058X1+0.00164X3-0.00255X12+0.00352X32-0.00319X2X3

表4 大于0.60的125個方案中各個因子頻率表Table 4 Factors frequency distributing of 45 schemes of higher than 0.60

圖7 溫度和乙醇濃度對吸光度的影響Fig.7 Effect of temperature and alcohol concentration on absorbance

從圖7可以看出，當固定料液比時，隨著溫度X1和乙醇濃度X3的增加，色素的含量增加，且在一定限度內(nèi)，只有溫度X1和乙醇濃度X3均取值適中時，才會獲得最大吸光值。

3.7.3.2 乙醇濃度和料液比對吸光度的影響

乙醇濃度X3和料液比X2的交互作用p＞0.5，相互作用不顯著，固定溫度X1為零水平，乙醇濃度X3和料液比X2對吸光度Y的影響方程：

圖8 料液比和乙醇濃度對吸光度的影響Fig.8 Effect of proportion of materials extracts and alcohol concentration on absorbance

從圖8可以看出，當固定溫度時，隨著乙醇濃度X3和料液比X2的增加，色素的含量增加，且在限度范圍內(nèi)，當乙醇濃度X3和料液比X2均取值適中時，浸提得到最佳的提取色素率。

3.7.3.3 料液比和溫度對吸光度的影響

由圖9可以得，溫度X1和料液比X2的交互沒達到顯著水平（p＞0.5），固定乙醇濃度X3為零水平，溫度X1和料液比X2對吸光度Y的影響方程：

圖9 料液比和溫度對吸光度的影響Fig.9 Effect of proportion of materials extracts and temperature on absorbance

從圖9可以看出，當固定乙醇濃度時，隨著溫度和料液比的增加，色素的含量增加，且在一定限度內(nèi)，只有溫度和料液比均取值適中時，才會獲得最大吸光值。

4 結(jié)論

1）本試驗每個樣品重復3次，結(jié)果取均值。蒲公英花干粉黃色素為水溶性色素，在極性較強的溶劑中溶解性較大。無水乙醇揮發(fā)性太強，作用明顯，進行乙醇濃度梯度選擇，70%乙醇浸提效果最佳；掃描提取液波長λmax為440 nm。并對單因素進行分析，結(jié)合單因素進行優(yōu)化設計。

2）浸提物料時間和溶提溶液濃度對色素影響較大。進一步優(yōu)化模擬方程為Y=0.50421+0.01058X1+0.01215X2+0.00164X3-0.00255X12-0.00506X22+0.00352X32+0.01781X1X2-0.00214X1X3-0.00319X2X3，最佳工藝條件為：料液比 1∶40（g/mL）、溫度 55 ℃、乙醇濃度70%，在此條件下測得的OD值為0.816。為植物色素工業(yè)生產(chǎn)及科學研究等工藝操作提供參考。

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