PB设计筛选超声提取紫薯色素影响因子的研究

刘俊花，岳鹍，孙勇民

（1.天津滨海职业学院，天津300450；2.天津现代职业技术学院，天津300350）

紫甘薯又称紫薯，属旋花科一年生草本植物。紫甘薯色素（purple sweet potato pigment，PSPP）是从紫甘薯块茎和茎叶中浸提出来的一种天然色素，由花青素、黄酮类组成。其色泽自然鲜亮，无毒，无特殊气味，具有抗氧化、抗突变、保护肝脏、预防心血管疾病、清除自由基、改善人体微循环等多重功效，是一种理想的天然食用色素资源[1]。

目前，国内紫甘薯色素常用的提取方法是溶剂浸取法。但由于紫甘薯细胞壁中的果胶、纤维素等成分严重阻碍色素的溶出，因此单纯的溶剂法难以高效地提取紫甘薯色素[2-3]。超声波作为一种有效的处理技术，可有效地破坏细胞壁和细胞膜，提高组织细胞的渗透性，缩短提取时间，提高色素得率[4]。本文在单因素研究基础上采用Plackett-Burman设计法筛选影响紫甘薯色素提取得率的主要因素，确定较优的提取工艺条件，为进一步的响应面优化提供了基础，也为大规模生产提供参考依据[5]。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫甘薯：市售，产地福建晋江；苋菜红色素标准品：上海嘉汇精细化工有限公司，纯度≥99%；柠檬酸、无水乙醇：国药集团化学试剂有限公司，分析纯。

KQ-300型三频数控超声清洗器：昆山市超声仪器有限公司；BS224S型电子分析天平：德国赛多利斯股份公司；DSHZ-300型多用途恒温水浴振荡器：江苏太仓市实验设备厂；T6紫外分光光度计：北京普析通用仪器有限公司；TG16-WS台式高速离心机：湘仪离心机仪器有限公司；DZ-2BCⅡ型真空干燥箱：天津泰斯特仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 紫甘薯色素超声波提取工艺

选用新鲜紫甘薯，用水洗净，切成1 mm左右颗粒，70℃烘干，粉碎后过60目筛，干燥避光保存。称取1.0 g紫甘薯粉于小烧杯中，按试验所需料液比加入不同浓度的柠檬酸水溶液，在不同超声条件提取一定时间后，将色素提取液放入离心机中，在 3000 r/min下离心10 min，得到色素上清液，待其冷却到室温后，过滤，用相应的提取溶剂定容至50 mL，以提取溶剂作参比，在525 nm下用1 cm比色皿测其吸光度。

1.2.2 标准曲线的测定

称取食用合成苋菜红色素0.2000g，采用pH3.0缓冲溶液溶解定容至 1000 mL，摇匀得浓度为0.20 mg/mL的苋菜红色素标准储备液。精确移取2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL该储备液于100 mL容量瓶中，加缓冲溶液定容后于波长525 nm处测定其吸光度。

以溶液浓度为横坐标，吸光值为纵坐标，绘制苋菜红色素的标准曲线见图1，得到其回归方程为Y=0. 0224X-0. 0007，R2=0. 9997。苋菜红色素标准溶液浓度在 0.00 μg/mL～20.00 μg/mL 范围内线性关系良好[6]。

图1 食用合成苋菜红色素标准曲线Fig.1 Standard curve of food dyestuff-amaranth

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 超声波功率对花色苷色素提取率的影响

在提取温度50℃，柠檬酸溶液浓度2.0%，料液比1 ∶20（g/mL），提取 2次，每次提取 25 min 的条件下，分别采用 100、200、300、400、500、600 W 的超声波提取功率，考察超声波功率对紫甘薯色素提取率的影响，结果见图2。

图2 超声波功率对紫甘薯色素提取率的影响Fig.2 Effects of ultrasound power on extraction yield of PSPP

由图2可以看出，随着超声波功率的增大，紫甘薯色素的提取率也不断增大。当功率达到400 W时，紫甘薯色素提取率达到最大；之后随着超声波功率的增加，紫甘薯色素的提取率反而呈现下降的趋势，这主要是由于超声空化作用产生的高温导致了紫甘薯色素的降解。

2.1.2 超声波提取时间对紫甘薯色素提取率的影响

在提取温度50℃，超声波功率400 W，柠檬酸溶液浓度2.0%，料液比1∶20（g/mL），提取2次的条件下，分别采用 10、15、20、25、30、35 min 的提取时间，考察超声波提取时间对紫甘薯色素提取率的影响，结果见图3。

图3 超声波提取时间对紫甘薯色素提取率的影响Fig.3 Effects of extraction time on extraction yield of PSPP

由图3可知，随着超声波提取时间的增加，色素提取得率先稳步上升而后有所下降，在提取20 min时达到最高点。由Fick扩散定律可知，色素提取得率与提取时间呈正比，在一定范围内，超声时间越长其得率越高，但提取时间过长不但会导致扩散系数的降低，还会导致色素中的热敏组分的破坏，反而会降低色素得率。因此，本试验选择超声波提取时间为25min。

2.1.3 提取温度对紫甘薯色素提取率的影响

在超声波功率400 W，柠檬酸溶液浓度2.0%，料液比1∶20（g/mL），提取2次，每次提取25 min的条件下，分别选择 30、40、50、60、70、80 ℃的提取温度进行提取，考察提取温度对紫甘薯色素提取率的影响，结果见图4。

图4 提取温度对紫甘薯色素提取率的影响Fig.4 Effects of extraction temperature on extraction yield of PSPP

由图4可知，随着提取温度的升高，色素提取得率逐渐上升，温度升高到50℃时色素提取率基本稳定。这主要是由于色素在溶剂中的溶解度随着温度的升高而不断增大，同时由于温度的升高，扩散系数增加，进一步促进了色素的提取速度；然而温度过高，不但易造成部分色素成分的降解氧化，还会造成紫甘薯中其他杂质成分的溶解度增大，随色素提取率没有显著变化，但提取物中有效成分含量却有所下降，增大了后续纯化工艺的难度，因此提取温度选择50℃。

2.1.4 提取次数对紫甘薯色素提取率的影响

在超声波功率400W，柠檬酸溶液浓度2.0%，料液比1∶20（g/mL），提取温度50℃，每次提取时间25 min的条件下，提取次数分别为1次、2次和3次，提取次数对紫甘薯色素提取率的影响见图5。

图5 提取次数对紫甘薯色素提取率的影响Fig.5 Effects of extraction times on extraction yield of PSPP

由图5可知，随着提取次数的增加，色素提取率也随之增加。综合考虑能耗成本，提取次数选择2次。

2.1.5 料液比对紫甘薯色素提取率的影响

在超声波功率400 W，柠檬酸溶液浓度2.0%，提取温度50℃，提取2次，每次提取25 min的条件，分别选择 1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30、1 ∶35（g/mL）的料液比进行提取，考察料液比对紫甘薯色素提取率的影响，结果见图6。

图6 料液比对紫甘薯色素提取率的影响Fig.6 Effects of solid-liquid ratio on extraction yield of PSPP

由图6可知，料液比达到1∶20（g/mL）时，紫甘薯色素已能基本溶出；继续增大料液比，不但会增加溶剂的用量，而且会增大去除溶剂所需负荷、增加生产成本，因此本试验选择料液比1∶20（g/mL）。

2.1.6 提取液浓度对紫甘薯色素提取率的影响

在超声波功率 400 W，料液比 1∶20（g/mL），提取温度50℃，提取2次，每次提取25 min的条件下，柠檬酸提取液浓度分别选择0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，考察提取液浓度对紫甘薯色素提取率的影响，结果见图7。

图7 料液比对紫甘薯色素提取率的影响Fig.7 Effects of concentration of citric acid on extraction yield of PSPP

由图7可知，适当加大提取液浓度有助于提取，当浓度超过2.0%后，色素提取率提高的趋势大幅减缓，考虑到生产成本以及终产品纯度，提取液柠檬酸的浓度选择2.0%。

2.2 Plackett-Burman试验设计筛选关键因素

在单因素试验的基础上，确定Plackett-Burman试验设计的因素和水平，Plackett-Burman试验设计及相应值见表1。

表1 Plackett-Burman试验设计及相应值Table 1 Plackett-Burman test design and results

利用Design-Expert 8.0软件对Plackett-Burman试验结果进行分析，因素影响效果、回归模型方差分析见表2和表3。

由表2可知，所得的回归方程达到显著（P＜0. 0001），决定系数R2=0. 9804，这表明98.04%的试验数据的变异性可用此回归模型来解释。实验回归方程系数显著性检验表见表3。

表3表明，对超声波提取紫甘薯色素，影响显著的因子有超声波功率、提取次数和料液比。通过逐步回归分析获得最优多元一次回归方程为：Y=8.34-0.497X1+0.23X4+0.17X5。

表3 Plackett-Burman试验设计的因素、水平及影响效果Table 3 Levels and effects of factors of Plackett-Burman design

式中：Y为紫甘薯提取量的预测值；X1为超声波功率；X4为提取次数；X5为料液比。

3 结论

将单因素试验和Plackett-Burman设计法相结合，对紫甘薯色素超声波提取工艺的主要影响因素进行了筛选，得到了以紫甘薯色素提取率为响应值的线性回归方程，筛选出了对紫甘薯色素提取影响最大的3个主效应因素：超声波功率，提取次数和提取料液比。

通过Plackett-Burman设计法的初步优化，紫甘薯色素的提取率达到9.36%，较优化前有明显提高。本研究为超声波提取工艺的进一步二阶优化奠定了良好的基础，并为紫甘薯色素超声波提取工艺的放大试验提供了理论参考。

[1] 彭常安,付严萍,刘永,等.紫甘薯色素理化性质及稳定性研究[J].安徽农业大学学报,2012,39(3)：407-411

[2] 陆国权.紫甘薯天然红色素的乙醇提取方法[P].200610005525.X,2006-7-19

[3] 韩永斌,范龚健,顾振新,等.一种发酵法提取紫甘薯红色素的生产工艺[P].200610098347.X,2007-6-6.

[4] 徐春龙.超声强化中草药成分提取[D].西安：陕西师范大学.2010：9-17

[5] 孟涛.Plackett-Burman饱和设计下数据分析方法的标准化[J].内江师范学院学报,2007,22(6)：23-27

[6] 王智勇.紫甘薯色素提取纯化工艺及性质研究[D].重庆：西南大学.2008：16-18