超声波辅助乙醇提取薯莨色素的研究

2012-04-01罗跃中李继睿

化工技术与开发 2012年11期

罗跃中，李继睿

（湖南化工职业技术学院，湖南株洲 412004）

薯莨别名赭魁、鸡血莲、朱砂七、染布薯，是一种多年生缠绕藤本野生植物，属于薯戎科，分布于浙江南部、江西南部、福建、台湾、湖南等地[1]。薯莨色泽鲜红自然，薯莨气微，味涩、苦，可作为中草药，有止血抗菌作用等。其块茎富含单宁，可提制栲胶，或用作染丝绸、棉布和抗氧化剂；其富含淀粉，也可作酿酒的原料[2]。它同时也是一种珍稀的色素资源。而且其原料来源便捷，价格低廉，提取成本低，故有望成为一种广泛使用的新型色素源。薯莨色素也用于食品加工的着色，为红褐色的着色剂，在食品、饮料、化妆品、医药方面有着较大的应用潜力[4~5]。本实验通过单因素实验和正交设计优化超声辅助乙醇提取薯莨中色素的工艺条件，旨在简化工艺操作，提高色素提取率，为该色素的生产和使用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究采用的薯莨产自湖南永兴。

1.2 仪器及试剂

主要仪器：紫外分光光度计UV2550型，7220型分光光度计，医用数控超声波清洗器，微波炉，旋转蒸发器，离心机（0~4000r·min-1），恒温干燥箱，梅特勒分析天平（万分之一），索氏提取仪。

主要试剂：甲醇，石油醚，无水乙醇，丙酮，乙腈等，均为分析纯。

1.3 原料预处理

选用新鲜，无病虫害，无腐烂的薯莨，用水洗净，

1.4 薯莨最适吸收波长的选择

称取2.0g薯莨粉于小烧杯中，加20mL 95%乙醇，预先浸泡2h，然后超声10min，分3次进行，所得提取液全部转移至100mL容量瓶中并定容到刻度。离心分离后取上清液，在300~600nm波长范围内扫描，测其最适波长为450nm（图1），因此确定本次研究的最大吸收波长为450nm。

图1 薯莨红色素的吸收波长

1.5 薯莨红色素提取及测定

称取2.0g薯莨粉于小烧杯中，加20mL 50%乙醇，预先浸泡2h，然后超声10min，分3次进行，所得提取液全部转移至100mL容量瓶中并定容到刻度。将色素提取液放入离心机中，在4000r·min-1下离心5min，得到色素上清液，待其冷却到室温后，用对应的提取溶剂定容至100mL，提取溶剂作参比，在525nm下，用1cm比色皿测其吸光度值。

1.6 实验设计

选择不同的提取溶剂与浓度、超声功率、液料比、提取时间、提取温度等进行单因素实验,并分析各因素对薯莨红色素提取效果的影响,同时选择影响因素大的进行正交优化实验,以探索最佳的提取工艺条件。

2 结果与分析

2.1 提取溶剂的选择

称取2.0g薯莨粉6份，分别加入蒸馏水、50%甲醇、50%乙醇、50%乙腈、50%丙酮及50%石油醚，固定超声波功率为100W，在料液比1∶10，温度50℃下超声提取30min，离心机离心5min（4000r·min-1）后，取上清液，用100mL的容量瓶定容，并测定A450值。结果见图2，有机溶剂的提取效果更好，其中乙醇和丙酮的吸光值都相对较高，分别为0.768和0.750。虽然乙腈和乙醇的提取率相差不大，但是考虑到价格和毒性，本次实验选用乙醇作提取剂。

图2 不同提取剂对薯莨色素的影响

2.2 单因素实验与分析

实验过程中发现，薯莨浸泡时间超过2h，再延长浸泡时间对色素提取率影响不大；超声提取次数多于3次后，对色素提取率的提高作用甚微。因此本实验主要研究乙醇浓度、料液比、超声功率和超声时间对色素提取的影响。

2.2.1 不同乙醇浓度对色素提取的影响

准确称取薯莨样品6份，分别采用30%、40%、50%、60%、70%、80%乙醇浓度，按1.5的步骤提取并测定色素吸光值，选取最佳的乙醇浓度。结果见图3，随着乙醇浓度增大，薯莨色素吸光值随之增加，但当浓度达到60%以后，吸光值增大趋势变缓，甚至有下降趋势。60%和70%的提取效果相差不大，但考虑到生产成本，同时乙醇浓度升高，终产品中非色素成分增加，影响色素纯度，因此，最佳乙醇浓度为60%。

图3 乙醇浓度对薯莨色素提取影响

2.2.2 料液比对薯莨色素提取的影响

准确称取薯莨样品5份，用50%乙醇分别以料液比 1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50，按 1.5 的步骤提取并测定薯莨色素吸光值，确定提取最佳的料液比，结果见图4。实验结果表明色素提取率随着料液比的增加而变大，当料液比为1∶30时提取率呈下降趋势，考虑生产成本，最佳料液比为1∶30。

图4 料液比对薯莨色素提取的影响

2.2.3 时间对薯莨色素提取的影响

准确称取5份薯莨样品，分别提取10min、20min、30min、40min、50min、60min，然后按 1.5 的步骤提取并测定薯莨色素吸光值，结果见图5。随着时间的延长，薯莨色素吸光值增大，但在30min之后增幅不明显，考虑到生产成本，同时提取时间过长，产品中非红色素成分增加，影响红色素纯度，因此，最佳超声时间为30min。

图5 超声时间对薯莨色素提取的影响

2.2.4 超声波功率薯莨色素提取的影响

准确称取6份薯莨样品，设置超声波功率为100W、200W、300W、400W、500W、600W，按1.5的步骤测定色素吸光值。结果表明，在功率为200W时，色素提取率达到最大，之后随功率的增加呈现下降的趋势。其主要原因是超声波的物理震动对细胞膜产生空穴作用，使其结构破坏，色素得以释放，提取效果明显增加。但是功率过大的话可能也使薯莨色素结构被破坏，导致提取效果下降，故采用超声功率为200W。具体结果见图6。

图6 超声功率对薯莨提取的影响

2.2.5 提取温度对薯莨色素提取的影响

准确称取6份薯莨样品，分别将温度设置为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，按 1.5 的步骤提取并测定薯莨色素吸光值。结果表明，温度升高，有利于色素的提取，在50~70℃间提取效果相差不大，温度为60℃，提取效果最好。温度继续升高，可能造成提取剂的蒸发损失，增加提取成本，因此，将提取温度选为60℃。具体结果见图7。

2.3 正交实验结果与分析

根据以上单因素试验结果,采用L9(34)正交试验表，分别以乙醇浓度、超声功率、液料比及提取时间作为试验因素，各设置3水平试验，以确定薯莨色素的最佳提取条件。实验结果见表1。

图7 温度对薯莨色素提取的影响

表1 正交实验结果与分析

由表1的极差分析可知，利用乙醇超声提取薯莨色素的影响因素依次为：超声功率＞料液比＞乙醇浓度＞超声时间。4种因素的最佳组合为A1B2C2D3。正交表的结果表明，最佳提取工艺条件为：乙醇浓度50%，料液比1∶40，超声功率200W，超声时间20min。同时对最佳提取条件进行验证实验，在此条件下，薯莨色素提取后吸光度值可达0.952，RSD=2.16%。实验重现性好。