PB設計篩選超聲提取紫薯色素影響因子的研究

劉俊花，岳鹍，孫勇民

（1.天津濱海職業學院，天津300450；2.天津現代職業技術學院，天津300350）

紫甘薯又稱紫薯，屬旋花科一年生草本植物。紫甘薯色素（purple sweet potato pigment，PSPP）是從紫甘薯塊莖和莖葉中浸提出來的一種天然色素，由花青素、黃酮類組成。其色澤自然鮮亮，無毒，無特殊氣味，具有抗氧化、抗突變、保護肝臟、預防心血管疾病、清除自由基、改善人體微循環等多重功效，是一種理想的天然食用色素資源[1]。

目前，國內紫甘薯色素常用的提取方法是溶劑浸取法。但由于紫甘薯細胞壁中的果膠、纖維素等成分嚴重阻礙色素的溶出，因此單純的溶劑法難以高效地提取紫甘薯色素[2-3]。超聲波作為一種有效的處理技術，可有效地破壞細胞壁和細胞膜，提高組織細胞的滲透性，縮短提取時間，提高色素得率[4]。本文在單因素研究基礎上采用Plackett-Burman設計法篩選影響紫甘薯色素提取得率的主要因素，確定較優的提取工藝條件，為進一步的響應面優化提供了基礎，也為大規模生產提供參考依據[5]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫甘薯：市售，產地福建晉江；莧菜紅色素標準品：上海嘉匯精細化工有限公司，純度≥99%；檸檬酸、無水乙醇：國藥集團化學試劑有限公司，分析純。

KQ-300型三頻數控超聲清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；BS224S型電子分析天平：德國賽多利斯股份公司；DSHZ-300型多用途恒溫水浴振蕩器：江蘇太倉市實驗設備廠；T6紫外分光光度計：北京普析通用儀器有限公司；TG16-WS臺式高速離心機：湘儀離心機儀器有限公司；DZ-2BCⅡ型真空干燥箱：天津泰斯特儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 紫甘薯色素超聲波提取工藝

選用新鮮紫甘薯，用水洗凈，切成1 mm左右顆粒，70℃烘干，粉碎后過60目篩，干燥避光保存。稱取1.0 g紫甘薯粉于小燒杯中，按試驗所需料液比加入不同濃度的檸檬酸水溶液，在不同超聲條件提取一定時間后，將色素提取液放入離心機中，在 3000 r/min下離心10 min，得到色素上清液，待其冷卻到室溫后，過濾，用相應的提取溶劑定容至50 mL，以提取溶劑作參比，在525 nm下用1 cm比色皿測其吸光度。

1.2.2 標準曲線的測定

稱取食用合成莧菜紅色素0.2000g，采用pH3.0緩沖溶液溶解定容至 1000 mL，搖勻得濃度為0.20 mg/mL的莧菜紅色素標準儲備液。精確移取2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL該儲備液于100 mL容量瓶中，加緩沖溶液定容后于波長525 nm處測定其吸光度。

以溶液濃度為橫坐標，吸光值為縱坐標，繪制莧菜紅色素的標準曲線見圖1，得到其回歸方程為Y=0. 0224X-0. 0007，R2=0. 9997。莧菜紅色素標準溶液濃度在 0.00 μg/mL～20.00 μg/mL 范圍內線性關系良好[6]。

圖1 食用合成莧菜紅色素標準曲線Fig.1 Standard curve of food dyestuff-amaranth

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 超聲波功率對花色苷色素提取率的影響

在提取溫度50℃，檸檬酸溶液濃度2.0%，料液比1 ∶20（g/mL），提取 2次，每次提取 25 min 的條件下，分別采用 100、200、300、400、500、600 W 的超聲波提取功率，考察超聲波功率對紫甘薯色素提取率的影響，結果見圖2。

圖2 超聲波功率對紫甘薯色素提取率的影響Fig.2 Effects of ultrasound power on extraction yield of PSPP

由圖2可以看出，隨著超聲波功率的增大，紫甘薯色素的提取率也不斷增大。當功率達到400 W時，紫甘薯色素提取率達到最大；之后隨著超聲波功率的增加，紫甘薯色素的提取率反而呈現下降的趨勢，這主要是由于超聲空化作用產生的高溫導致了紫甘薯色素的降解。

2.1.2 超聲波提取時間對紫甘薯色素提取率的影響

在提取溫度50℃，超聲波功率400 W，檸檬酸溶液濃度2.0%，料液比1∶20（g/mL），提取2次的條件下，分別采用 10、15、20、25、30、35 min 的提取時間，考察超聲波提取時間對紫甘薯色素提取率的影響，結果見圖3。

圖3 超聲波提取時間對紫甘薯色素提取率的影響Fig.3 Effects of extraction time on extraction yield of PSPP

由圖3可知，隨著超聲波提取時間的增加，色素提取得率先穩步上升而后有所下降，在提取20 min時達到最高點。由Fick擴散定律可知，色素提取得率與提取時間呈正比，在一定范圍內，超聲時間越長其得率越高，但提取時間過長不但會導致擴散系數的降低，還會導致色素中的熱敏組分的破壞，反而會降低色素得率。因此，本試驗選擇超聲波提取時間為25min。

2.1.3 提取溫度對紫甘薯色素提取率的影響

在超聲波功率400 W，檸檬酸溶液濃度2.0%，料液比1∶20（g/mL），提取2次，每次提取25 min的條件下，分別選擇 30、40、50、60、70、80 ℃的提取溫度進行提取，考察提取溫度對紫甘薯色素提取率的影響，結果見圖4。

圖4 提取溫度對紫甘薯色素提取率的影響Fig.4 Effects of extraction temperature on extraction yield of PSPP

由圖4可知，隨著提取溫度的升高，色素提取得率逐漸上升，溫度升高到50℃時色素提取率基本穩定。這主要是由于色素在溶劑中的溶解度隨著溫度的升高而不斷增大，同時由于溫度的升高，擴散系數增加，進一步促進了色素的提取速度；然而溫度過高，不但易造成部分色素成分的降解氧化，還會造成紫甘薯中其他雜質成分的溶解度增大，隨色素提取率沒有顯著變化，但提取物中有效成分含量卻有所下降，增大了后續純化工藝的難度，因此提取溫度選擇50℃。

2.1.4 提取次數對紫甘薯色素提取率的影響

在超聲波功率400W，檸檬酸溶液濃度2.0%，料液比1∶20（g/mL），提取溫度50℃，每次提取時間25 min的條件下，提取次數分別為1次、2次和3次，提取次數對紫甘薯色素提取率的影響見圖5。

圖5 提取次數對紫甘薯色素提取率的影響Fig.5 Effects of extraction times on extraction yield of PSPP

由圖5可知，隨著提取次數的增加，色素提取率也隨之增加。綜合考慮能耗成本，提取次數選擇2次。

2.1.5 料液比對紫甘薯色素提取率的影響

在超聲波功率400 W，檸檬酸溶液濃度2.0%，提取溫度50℃，提取2次，每次提取25 min的條件，分別選擇 1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30、1 ∶35（g/mL）的料液比進行提取，考察料液比對紫甘薯色素提取率的影響，結果見圖6。

圖6 料液比對紫甘薯色素提取率的影響Fig.6 Effects of solid-liquid ratio on extraction yield of PSPP

由圖6可知，料液比達到1∶20（g/mL）時，紫甘薯色素已能基本溶出；繼續增大料液比，不但會增加溶劑的用量，而且會增大去除溶劑所需負荷、增加生產成本，因此本試驗選擇料液比1∶20（g/mL）。

2.1.6 提取液濃度對紫甘薯色素提取率的影響

在超聲波功率 400 W，料液比 1∶20（g/mL），提取溫度50℃，提取2次，每次提取25 min的條件下，檸檬酸提取液濃度分別選擇0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，考察提取液濃度對紫甘薯色素提取率的影響，結果見圖7。

圖7 料液比對紫甘薯色素提取率的影響Fig.7 Effects of concentration of citric acid on extraction yield of PSPP

由圖7可知，適當加大提取液濃度有助于提取，當濃度超過2.0%后，色素提取率提高的趨勢大幅減緩，考慮到生產成本以及終產品純度，提取液檸檬酸的濃度選擇2.0%。

2.2 Plackett-Burman試驗設計篩選關鍵因素

在單因素試驗的基礎上，確定Plackett-Burman試驗設計的因素和水平，Plackett-Burman試驗設計及相應值見表1。

表1 Plackett-Burman試驗設計及相應值Table 1 Plackett-Burman test design and results

利用Design-Expert 8.0軟件對Plackett-Burman試驗結果進行分析，因素影響效果、回歸模型方差分析見表2和表3。

由表2可知，所得的回歸方程達到顯著（P＜0. 0001），決定系數R2=0. 9804，這表明98.04%的試驗數據的變異性可用此回歸模型來解釋。實驗回歸方程系數顯著性檢驗表見表3。

表3表明，對超聲波提取紫甘薯色素，影響顯著的因子有超聲波功率、提取次數和料液比。通過逐步回歸分析獲得最優多元一次回歸方程為：Y=8.34-0.497X1+0.23X4+0.17X5。

表3 Plackett-Burman試驗設計的因素、水平及影響效果Table 3 Levels and effects of factors of Plackett-Burman design

式中：Y為紫甘薯提取量的預測值；X1為超聲波功率；X4為提取次數；X5為料液比。

3 結論

將單因素試驗和Plackett-Burman設計法相結合，對紫甘薯色素超聲波提取工藝的主要影響因素進行了篩選，得到了以紫甘薯色素提取率為響應值的線性回歸方程，篩選出了對紫甘薯色素提取影響最大的3個主效應因素：超聲波功率，提取次數和提取料液比。

通過Plackett-Burman設計法的初步優化，紫甘薯色素的提取率達到9.36%，較優化前有明顯提高。本研究為超聲波提取工藝的進一步二階優化奠定了良好的基礎，并為紫甘薯色素超聲波提取工藝的放大試驗提供了理論參考。

[1] 彭常安,付嚴萍,劉永,等.紫甘薯色素理化性質及穩定性研究[J].安徽農業大學學報,2012,39(3)：407-411

[2] 陸國權.紫甘薯天然紅色素的乙醇提取方法[P].200610005525.X,2006-7-19

[3] 韓永斌,范龔健,顧振新,等.一種發酵法提取紫甘薯紅色素的生產工藝[P].200610098347.X,2007-6-6.

[4] 徐春龍.超聲強化中草藥成分提取[D].西安：陜西師范大學.2010：9-17

[5] 孟濤.Plackett-Burman飽和設計下數據分析方法的標準化[J].內江師范學院學報,2007,22(6)：23-27

[6] 王智勇.紫甘薯色素提取純化工藝及性質研究[D].重慶：西南大學.2008：16-18