超聲波輔助提取桑椹果渣色素的工藝優化

管冠宇，陶玉貴，葛 飛，朱龍寶

(安徽工程大學 生物與化學工程學院，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，其基本結構為黃烊鹽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，具有預防心腦血管疾病、保護肝臟、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，然而桑椹絕大多數用于榨汁，榨汁后的果渣等下腳料通常被棄去，造成浪費．實驗表明，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，色素的提取技術已經由傳統的溶劑提取法逐漸轉向運用超聲波或微波強化提取新技術，Muhammad Kamran Khan等采用超聲波法對橙皮中的黃酮類物質提取做了研究．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生的空化效應，使溶劑較快地進入固體物質，浸出更多的有效物質[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，節省溶劑，縮短提取時間等優點．色素提取條件的優化設計常采用響應面分析法，該方法被廣泛用于優化工藝參數、檢驗各參數的交互作用[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)(國藥集團化學試劑有限公司).

(2)主要儀器設備.可見分光光度計(723型，上海光譜儀器有限公司)；數顯恒溫水浴鍋(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)；旋轉蒸發器(RE-52型，上海亞榮生化儀器廠)；數控超聲波清洗器(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、榨汁后產生的果渣，在干燥箱中50 ℃條件下烘干，粉碎機粉碎過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在400～600 nm范圍內掃描，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，乙醇質量濃度60%，料液比1∶3，超聲功率60 W下超聲時間30 min，10 000 r/min離心10 min，取上清液過濾，50 ℃下旋轉蒸發，對濾液進行濃縮，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)單因素試驗設計.

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，超聲時間30 min，乙醇質量濃度60%，料液比分別設置為1∶1、1∶3、1∶5、1∶7、1∶9，在512 nm處測吸光度．

醫院文化是一種以醫院的價值體系為中心，以人的思想觀念為主體，以醫院管理哲學和管理行為為出發點的現代醫院管理理論，被稱之為“管理之魂”。[2]它更是醫院在長期醫療實踐過程中，通過對自身獨特風格和特色的不斷沉淀，鑄起的一種持久的醫院精神，具有層次高、超前性、可塑性和時代性等特性。雖然它受到政治、經濟、社會等方面的制約，但又具有相對獨立性，醫院文化建設水平的高低是醫院整體素質的一個重要標志。

②乙醇質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，超聲時間30 min，乙醇質量濃度分別設置為40%、50%、60%、70%、80%，在512 nm處測吸光度．

③超聲時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，乙醇質量濃度60%，超聲時間分別設置為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，超聲時間30 min，乙醇質量濃度60%，超聲功率分別設置為40 W、50 W、60 W、70 W、80 W，在512 nm處測吸光度．

(5)響應面優化試驗設計.根據單因素試驗結果，選擇乙醇質量濃度、超聲時間、超聲功率、料液比為響應變量，以512 nm的吸光度為響應值，利用Design-Expert 8.0.6軟件對桑椹果渣色素超聲提取工藝參數進行設計，其因素與水平見表1．

表1 響應面分析因素和水平

(6)提取率與提取級數的確定.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Ai，然后合并各次提取液得到總體積V和總吸光度值A．計算各次提取率，確定提取級數．提取率計算公式如式(1)所示.

(1)

2 結果與分析

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可見光區波長范圍內進行掃描，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 單因素試驗結果

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

(2)超聲時間對桑椹色素提取的影響如圖3所示.由圖3可知，超聲時間從10 min開始,提取率上升，這是由于超聲的空化效應增大分子的運動速度，增大介質的穿透力，使溶劑快速進入固體物質中，同時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．當超聲時間達到30 min，吸光度達到最大值0.705之后吸光值開始下降，因此超聲時間在30 min時色素提取效果最好．

圖2 乙醇質量濃度對色素吸光度的影響 圖3 超聲時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，吸光度上升.從60 W開始，提取率下降，這是由于超聲的機械效應、空化效應、熱效應可能破環桑椹果渣色素的分子結構，導致吸光度下降．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的情況下，從1∶1到1∶3時，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．

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 響應面試驗結果

以單因素結果為依據，細化因素水平，根據Box-Behnken試驗設計原理得到的試驗結果如表2所示．

2.4 模型建立與方差分析

利用軟件設計Design-Expert 8.0.6對數據進行二次多項式回歸擬合，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)，失擬項不顯著(p>0.05)，決定系數(R2)為0.970 3，信噪比為18.176，表明該模型擬合度好，試驗誤差小．該模型能較準確地分析影響因素和響應值之間的關系．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行優化．其中，自變量的一次項A、C、D極顯著(p<0.000 1)，自變量一次項B(p<0.05)顯著，二次項A2、B2、C2、D2極顯著(p<0.000 1)，根據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>乙醇質量濃度>超聲功率>超聲時間．

表2 Box-Behnken試驗設計結果

表3 回歸模擬方差分析

2.5 各因素交互作用的響應面分析

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.根據回歸模擬方差分析及圖6～圖8可知，交互項超聲時間和料液比(BD)的交互作用對吸光度影響極顯著(p<0.000 1)，而乙醇質量濃度和超聲時間(AB)、乙醇質量濃度和超聲功率(AC)、乙醇質量濃度和料液比(AD)、超聲時間和超聲功率(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 乙醇質量濃度與超聲時間對色素吸光度影響的響應曲面 圖7 乙醇質量濃度與料液比對色素吸光度影響的響應曲面

圖8 料液比與超聲時間對色素吸光度影響的響應曲面

2.6 驗證實驗結果

通過Design-Expert 8.0.6軟件設計，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量濃度64.14%、超聲時間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．為了便于實際操作，將色素提取的最佳工藝條件修整為：乙醇質量濃度65%、超聲時間29 min、超聲功率59 W、料液比1∶4，對優化參數進行3次重復實驗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面法優化結果較可靠．

2.7 提取級數的確定

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)中的方法計算提取率，結果如表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次提取率累計達到96.31%，可提取絕大部分色素．但從節約成本的角度考慮，采用三級提取，提取率可達93.17%．

表4 提取級數對提取效果的影響

3 結論

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．采用響應面法對桑椹果渣色素的提取工藝進行了優化，其中乙醇質量濃度、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.優化后的提取工藝條件為：乙醇質量濃度65%、超聲時間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93.17%．試驗表明，通過超聲波輔助法提取桑椹果渣色素是一種有效的方法．