响应面法优化超声波辅助提取红米色素的工艺研究

2014-03-22,,,

食品工业科技 2014年3期

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(沈阳农业大学食品学院,辽宁沈阳 110161)

我国水稻资源丰富,按糙米颜色进行分类,白米资源占据主要地位,红米资源占第2位。随着人们生活水平的提高,红米的保健功能受到重视。传统中医认为红米味甘,性温;红色入心经,心主血,明代医典《本草纲目》记载红米可以健脾胃、活血去瘀[1-3]。近年来的研究表明,红米具有升高血浆高密度脂蛋白胆固醇、清除自由基、延缓衰老、改善缺铁性贫血、抗应激反应以及免疫调节等多种生理功能[4-6]。因此,优化红米色素提取工艺对明确红米色素的理化特点,利用红米资源具有重要意义。

色素的提取方法很多,红米色素属于花色苷类黄酮类化合物,溶于水,在酸性条件下稳定(pH≤3)。本研究前期实验确定以0.5%柠檬酸和70%乙醇溶液为提取剂,超声波辅助提取色素提取率高于回流提取法和常温浸提法[7]。本论文采用超声波辅助提取红米色素,在单因素实验考察超声波功率、液料比、提取温度、提取时间对红米色素提取率的影响基础上,通过响应面实验优化红米色素提取工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

井冈山原产红米市售。

KQ-250DB数控超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司;TU1810分光光度计上海光谱仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 最大吸收波长的确定[8]取1mL提取液稀释到10mL,以提取剂作参比,在200～700nm之间测定色素溶液的吸光值,确定红米色素的最大吸收波长。

1.2.2 超声波辅助提取色素工艺流程红米→干燥→粉碎→过80目筛→脱脂→加提取剂(0.5%柠檬酸-70%乙醇,柠檬酸∶乙醇=3∶17作提取剂)→超声波处理→离心(4500r/min,10min)→抽滤→旋转蒸发浓缩→真空干燥→红米色素

1.2.3 色价的测定方法[9]准确称0.1g提取样品试样,用蒸馏水稀释于100mL容量瓶中,用1cm比色皿,蒸馏水做参比,在最大吸收波长处测其吸光度。

色价=Af/100m(A:吸光度;f:稀释倍数;m:试样质量)

1.2.4 色素提取率的计算方法[10]

色素提取率(%)=色素产品质量/红米重量×100=C×V×K/(M×1000)×100

式中:C-花色苷浓度;V-色素液体积;K-稀释倍数;M-红米重量。

1.2.5 超声波辅助提取单因素实验准确称取2g过80目筛的红米,以0.5%柠檬酸和70%乙醇溶液(体积比为3∶17)为提取剂,考察不同提取温度(25、35、45、55、65、75℃)、提取时间(10、20、30、40、50、60min)、超声波功率(100、125、150、175、200、225W)、液料比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1mL·g-1)对红米色素提取率的影响。

1.2.6 响应面实验设计在单因素实验的基础上,用Design-Expert 8.0软件对影响超声波辅助提取红米色素显著的4个因素设计响应面实验[11],如表1。

表1 响应面设计因素与水平Table 1 Factors and levers of response surface design

1.2.7 数据处理方法实验结果采用Design Expert 8.0分析。

2 结果与分析

2.1 红米色素的吸收光谱

由图1可知,利用溶剂提取法,在45℃,液料比20∶1的条件下,提取20min。离心过滤,滤液在276nm处有明显吸收峰。因此,可以确定红米色素属于花色苷类黄酮类色素,并可在276nm处检测滤液的吸光值,以确定色素含量。

图1 红米色素紫外-可见吸收光谱图 Fig.1 Absorption spectrum of pigment from red rice

2.2 超声波辅助提取红米色素的单因素实验结果

2.2.1 液料比对红米色素提取率的影响由图2可以看出,随着液料比的增加,红米色素的提取率呈现上升趋势,达到15∶1之后趋势变的平缓。增大液料比能充分提取色素,但考虑提取成本,液料比不宜过大。

图2 液料比对红米色素提取率的影响 Fig.2 Influence of liquid-solid ratio on red rice pigment extraction rate

2.2.2 提取时间对红米色素提取率的影响由图3可以看出,随着提取时间的增加,提取率呈先上升后下降的趋势,在提取30min达到最大。提取率的下降可能因为是类黄酮化合物不稳定,时间过长色素结构可能改变[12]。

图3 提取时间对红米色素提取率的影响 Fig.3 Influence of extracting time on red rice pigment extraction rate

2.2.3 提取温度对红米色素提取率的影响由图4可以看出,随着提取温度的增加,提取率呈先上升后下降的趋势,在45℃时达到最大。这可能是因为温度过高,红米色素可能分解,对色素的稳定性也会产生影响。温度过低,色素不能充分的被溶剂溶解而影响提取[13]。

图4 提取温度对红米色素提取率的影响 Fig.4 Influence of extracting temperature on red rice pigment extraction rate

2.2.4 超声波功率对红米色素提取率的影响由图5可以看出,随着超声波功率的增加,提取率呈先上升后下降的趋势,在125W时达到峰值。这可能是因为功率过大时,超声波对色素的结构可能产生影响,过于强烈的机械振动使色素的构象发生改变[14],从而影响色素的提取效果。

图5 超声波功率对红米色素提取率的影响 Fig.5 Influence of ultrasonic power on red rice pigment extraction rate

2.3 响应面实验结果

利用软件Design Expert 8.0的Box-Behnken[13-15]中心组合设计,对提取时间、提取温度、超声波功率、液料比进行响应面实验,实验结果见表2。对表2数据进行回归分析,得到提取时间(A)、提取温度(B)、超声波功率(C)、液料比(D)的二次多项回归方程:

Y=18.07+0.55A+0.89B+0.86C+0.33D+0.072AB-0.47AC+0.31AD+0.26BC+0.29BD-0.24CD-2.05A2-0.71B2-1.13C2-0.84D2

表2 实验设计与结果Table 2 Design and result of the experiment

利用Design Expert 8.0软件进行拟合,得到多元回归方程的响应面如图6～图11。

图6 提取时间与提取温度对红米色素提取率影响的响应面图 Fig.6 Response surface of extraction time and extraction temperature on the extraction rate of red rice pigment

图7 提取时间与超声波功率对红米色素提取率影响的响应面图 Fig.7 Response surface of extraction time and ultrasonic power on the extraction rate of red rice pigment

图8 提取时间与液料比对红米色素提取率影响的响应面图 Fig.8 Response surface of extraction time and liquid-solid ratio on the extraction rate of red rice pigment

表3 回归方程各项的方差分析表Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

图9 提取温度与超声波功率对红米色素提取率影响的响应面图 Fig.9 Response surface of extraction temperature and ultrasonic power on the extraction rate of red rice pigment

图10 提取温度与料液比对红米色素提取率影响的响应面图 Fig.10 Response surface of extraction temperature and liquid-solid ratio on the extraction rate of red rice pigment

图11 超声波功率与料液比对红米色素提取率影响的响应面图 Fig.11 Response surface of ultrasonic power and liquid-solid ratio on the extraction rate of red rice pigment

由图6～图11可以看出,模型中一次项提取时间(A)、提取温度(B)、超声波功率(C)、液料比(D),交互项超声波功率与提取时间(AC)、二次项提取时间与提取时间(A2)、提取温度与提取温度(B2)、超声波功率与超声波功率(C2)、液料比与液料比(D2)为差异极显著影响因素(p<0.01),交互项提取时间与液料比(AD)、提取温度与超声波功率(BC)、提取温度与料液比(BD)为差异显著影响因素(p<0.05),而提取时间与提取温度(AB)、超声波功率与液料比(CD)交互作用不显著。利用Design Expert 8.0软件得到超声波提取红米色素最佳提取工艺为提取温度52.73℃,超声波功率为135.25W,提取时间为31.22min,液料比为16.46∶1,模型预测红米色素提取率可达18.68%。为检验响应曲面法所得结果的可靠性采用上述优化提取条件提取红米色素,但考虑到实际情况选择在提取温度53℃,超声波功率为135W,时间为30min,液料比为16∶1(mL·g-1)的条件下进行提取,在最优条件下进行3组验证实验,所得红米色素平均提取率为18.42%,与理论预测值的误差仅为0.14%,可见回归方程能较真实地反映各因素对红米色素提取率的影响,由响应面法建立的回归模型具有可靠性。