超声波辅助提取蓖麻色素工艺优化

穆莎茉莉，包英才，王文跃，黄凤兰，*，张继星，*（1.内蒙古民族大学生命科学学院，内蒙古通辽028000；2.内蒙古自治区高校蓖麻产业工程研究中心，内蒙古通辽028000）

超声波辅助提取蓖麻色素工艺优化

穆莎茉莉1，2，包英才1，2，王文跃1，2，黄凤兰1，2，*，张继星1，2，*
（1.内蒙古民族大学生命科学学院，内蒙古通辽028000；2.内蒙古自治区高校蓖麻产业工程研究中心，内蒙古通辽028000）

以蓖麻壳为原料，采用响应面法优化超声提取蓖麻色素工艺。以蓖麻色素提取率为考察指标，在单因素实验的基础上，选取乙醇浓度、提取时间、提取温度三个因素，进行中心组合实验。结果表明，蓖麻色素的最佳提取工艺条件为乙醇浓度94%，提取时间104min，提取温度56℃，此条件下蓖麻色素提取率为85.97%。

蓖麻色素，响应面法，提取

目前主要将色素分为两大类：天然色素和人工合成色素。其中天然色素是从动物、植物及矿物质中经提取获得的，这类色素往往含有对人体有益的成分而倍受关注[1-5]。蓖麻是重要的油料作物之一，蓖麻籽壳的颜色种类丰富，依据蓖麻不同的品种其表皮上有浅红、暗红、浅栗、暗栗、浅灰、暗灰等斑纹。蓖麻籽壳色素主要包含蓖麻红色素和蓖麻黄色素，是很好的天然色素，目前对于该色素的研究较少[6-7]。本实验利用超声波对蓖麻壳中的色素进行提取[8-13]，应用响应面法优化提取工艺，得到了蓖麻色素提取的最佳工艺条件，为今后蓖麻壳的进一步开发和利用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

无水乙醇、氢氧化钠、盐酸 均为分析纯；通蓖5号蓖麻籽壳（籽粒暗栗斑纹） 内蒙古民族大学实验室提供。

HH-4数显恒温水浴锅 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；JJ-2组织匀浆捣碎机 江苏省大地自动化仪器厂；紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限公司；JY96-Ⅱ超声波细胞粉碎机 郑州南北仪器设备有限公司；电热鼓风干燥箱 上海鸿都电子科技有限公司；AO104电子天平 梅特勒-托利多仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 超声辅助提取蓖麻色素工艺 蓖麻籽壳→粉碎60s后过40目筛→超声提取→经一次抽滤→定容至100mL→色素含量测定。

1.2.2 蓖麻色素最大吸收波长的确定 用80%乙醇溶液在超声波功率60W，提取时间100min，提取蓖麻色素，得到的提取液抽滤，用紫外-可见分光光度计在300～600nm范围内进行扫描，得到蓖麻色素的最大吸收波长λmax为321nm，这与文献报道的结果一致[14]。

1.2.3 色素的提取率的计算[15]称取1.0g蓖麻壳粉末样品，加入80%乙醇，料液比1∶60，超声功率60W，提取时间100min，提取温度60℃进行色素提取，提取后抽滤得到滤液，再将滤渣反复提取直到提取液无色，收集合并各次提取液，以80%乙醇溶液稀释到体积V，在321nm波长处测定最大吸光度A。

称取1.0g蓖麻壳粉末样品，在一定实验条件下进行色素的单次提取，提取后经抽滤得到滤液，以80%乙醇溶液稀释到体积V1，在321nm波长处测定最大吸光度A1。

1.2.4 色素提取的单因素实验 以色素提取率为考察指标，分别考察乙醇浓度（20%、40%、60%、80%、100%）对色素提取率的影响，此时，料液比1∶60，超声功率60W，提取时间100min，提取温度60℃；料液比（1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80g/mL）对色素提取率的影响，此时，乙醇浓度80%，超声功率60W，提取时间100min，提取温度60℃；超声功率（40、60、80、100、120W）对色素提取率的影响，此时，乙醇浓度80%，料液比1∶60，提取时间100min，提取温度60℃；提取时间（40、60、80、100、120min）对色素提取率的影响，此时，乙醇浓度80%，料液比1∶60，超声功率60W，提取温度60℃；提取温度（20、40、60、80、100℃）对色素提取率的影响，此时，乙醇浓度80%，料液比1∶60，超声功率60W，提取时间100min。

1.2.5 色素提取的响应面法优化 根据单因素实验结果，以乙醇浓度（x1）、提取时间（x2）、提取温度（x3）为自变量，色素提取率为响应值（y）进行Box-Behnken实验设计。因素水平编码表见表1。

表1 Box-Behnken设计因素水平编码表Table 1 Factors and levels of Box-Behnken design

1.3 数据分析

结果采用Design-Expert7.1软件（Stat Ease，Inc，Minneapolis，USA）、SPSS（version11.5，SPSSlnc.USA）软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 乙醇浓度对蓖麻色素提取率的影响 由图1可知，随着乙醇浓度的增加，蓖麻色素的提取率也增加，乙醇浓度在20%～60%范围变化时色素提取率呈缓慢上升，乙醇浓度由60%增加至80%过程中提取率快速上升。一方面乙醇作为有机溶剂本身可以破坏膜蛋白，增加细胞膜的通透性，溶剂进出细胞不受影响，溶解的色素很容易被溶剂带出细胞外[16]，另一方面可能是蓖麻色素中所含的醇溶性色素较多，当乙醇浓度增加至80%，有利于这类色素的溶出，选取80%乙醇作为最佳浓度。

2.1.2 料液比对蓖麻色素提取率的影响 由图2可知，随着料液比逐渐减小，色素提取率先上升后趋于平缓，料液比为1∶60～1∶80时，色素提取率趋于稳定，减小料液比也不能促进色素更多的分散在提取液中，提取液量多，不利于回收，故料液比选取1∶60。

2.1.3 超声功率对蓖麻色素提取率的影响 由图3可知，超声波功率在40～120W范围，色素提取率呈现先上升后下降的趋势，超声波功率为60W时色素提取率最高；当超声功率大于60W，色素提取率逐渐降低可能是超声功率过大破坏了色素[17-18]，因此选取60W为色素提取最佳功率。

图1 乙醇浓度对蓖麻色素提取率的影响Fig.1 Influence of ethanol concentration on castor pigment extraction rate

图2 料液比对蓖麻色素得率的影响Fig.2 Influence of solid-liquid ratio on castor pigment extraction rate

图3 超声波功率对蓖麻色素提取率的影响Fig.3 Influence of ultrasonic power on castor pigment ertraction rate

2.1.4 提取时间对蓖麻色素提取率的影响 从图4中可知，蓖麻色素的提取率随着提取时间的增加呈现出阶段性的上升，色素的提取即是色素溶解在溶剂中的过程，浸提时间小于80min时，色素溶出量较少，当提取时间为80～100min时，色素充分溶出，色素提取率增加，提取时间大于100min，色素向溶剂中的溶出趋于平衡，色素提取率变化较小，从能源等方面综合考虑提取时间以100min为最佳。

图4 提取时间对蓖麻色素提取率的影响Fig.4 Influence of extraction time on castor pigment extraction rate

2.1.5 提取温度对蓖麻色素提取率的影响 色素提取率随提取温度的增加呈上升趋势，在提取温度为60～80℃时，色素稳定，当提取温度升高至100℃，提取液颜色变浅，吸光值变化较大，可能是温度较高使色素部分分解[19]，提取最佳温度为60℃。

图5 提取温度对蓖麻色素得率的影响Fig.5 Influence of extraction temperature on castor pigment extraction rate

在各单因素实验中，除了超声功率以外，其他单因素参数的增大对于色素的提取率都表现为增加的趋势。其中提取温度的升高有利于提取率的增加但是随着温度的增加色素颜色会发生变化，提取时间对于提取率的影响是所有因素中最大的，当提取时间从80min增加到100min时，提取率增加了29.3%，乙醇浓度的变化主要与蓖麻色素的溶解特性有关，当乙醇浓度达到80%时，色素提取率增加较快，料液比对于色素提取的影响在到1∶60时基本到达平衡，随着溶剂的增加，色素提取率趋于稳定，并且色素的其他性质也没发生变化，所以选取乙醇浓度、提取时间、提取温度三个因素进行后续研究。

2.2 响应面法优化蓖麻色素提取工艺

2.2.1 响应面分析优化实验结果 依据单因素实验结果，采用响应面法确定不同乙醇浓度、不同提取时间、不同提取温度对蓖麻色素提取的最佳工艺。实验设计的实验条件和响应值见表2。

表2 响应面设计方案及实验结果Table 2 Response surface design and result

表3 Box-Behnken设计方差分析表Table 3 Analysis of variance（ANOVA）of the regression parameters for the Box-Behnken

2.2.2 响应面分析 通过分析自变量和因变量得到能够在给定的范围内预测响应值的回归方程，回归方程如下：

y=-84.24+4.38x1+13.74x2+7.64x3-0.43x1x2+0.13x1x3-0.050x2x3-3.90x12-14.47x22-6.72x32

中心旋转组合设计的方差分析见表3。本实验所得回归模型项p＜0.0001，表明该模型高度显著，失拟项F=2.10，p=0.2425＞0.1，不显著，表明中心旋转组合实验设计所获得的回归方程与实际情况拟合较好，实验误差小，一次项和二次项中x1、x2、x3的偏回归系数均极显著，二次项x1x2、x1x3、x2x3的偏回归系数均不显著，说明各因子间交互并不显著，因此可用该回归方程代替实验真实点对实验结果进行分析和预测。

2.2.3 验证实验 根据本模型计算得到最佳工艺条件为：乙醇浓度94%，提取时间104.4min，提取温度56.4℃，理论色素最大提取率为86.04%。根据模型调整工艺条件为：乙醇浓度95%，提取时间104min，提取温度56℃，在此条件下重复实验3次得到色素提取率平均值为85.97%，实际值与理论值相差较小。

3 结论

本实验以响应面分析法优化蓖麻色素提取工艺条件，经过优化的最佳提取工艺条件为乙醇浓度为95%，提取时间为104min，提取温度为56℃，在此条件下色素提取率为85.97%，与响应面模型预测值非常接近，说明该模型能很好应用于色素提取工艺条件的优化。

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Optimization of utrasonic-assised extraction process for pigment from castor by response surface extraction

MU Sha-moli1，2，BAO Ying-cai1，2，WANG Wen-yue1，2，HUANG Feng-lan1，2，*，ZHANG Ji-xing1，2，*
（1.College of Life Science，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao 028000，China；2.Inner Mongolia Industrial Engineering Research Center of Universities for Castor，Tongliao 028000，China）

Response surface methodology was used to optimize the ultrasonic-assisted extraction of pigment from castor with the yield as investigation index.Based on the single-factor tests，the center combination experiment was established with three key factors of ethanol concentration extraction temperature and extraction time.The results showed that the optimal extraction conditions were as follows：94%ethanol concentration，56℃extraction temperature and 104min extraction time．Under this condition，the extraction rate of pigment from Castor was up to 85.97%.

castor pigment；response surface methodology；extraction

TS202.3

B

1002-0306（2014）14-0260-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.049

2013-10-09 *通讯联系人

穆莎茉莉（1979-），女，硕士研究生，讲师，主要从事农产品加工方面的研究。

国家自然科学基金项目（31260336）；国家自然科学基金项目（31160290）；内蒙古自治区高校蓖麻产业工程枝术研究中心项目（BMYJ2013001，BMJ2011007）；内蒙古民族大学科学市校合作项目（SXZD2012018）；内蒙古自治区高校蓖麻产业工程技术研究中心与军事医学科学院军事兽医研究所合作项目（MV-201201-1）。