超声-微波联合辅助提取黑豆色素的工艺研究

焦忠耀，聂云川，王心彤，刘海燕

(营口理工学院 化学与环境工程系，辽宁 营口 115014)

黑豆红色素是从黑色大豆种皮中提取的花色苷类色素，是一种安全无毒的水溶性天然色素，该色素能有效的清除体内自由基，具有抗氧化、延缓衰老的作用和抗肥胖、降血脂等重要功效[1]。当前，黑豆红色素在食品业、医药业、化工业、农业等方面有着广泛的应用，因此研究黑豆红色素的提取工艺，对该色素的开发与应用具有重要意义。目前，国内外对黑豆色素提取的研究主要采用盐酸乙醇作为溶剂通过热浸提法、超临界提取、微波辅助法和超声辅助法等方法对色素进行提取[2-4]。本文首次应用超声与微波联合辅助方法提取黑豆红色素，并通过单因素实验和正交实验，得到超声-微波联合辅助提取黑豆色素的最佳提取工艺。

1 实验材料与方法

1.1 材料与试剂

黑豆：市售(营口市永辉超市)；无水乙醇、盐酸等均为分析纯。

1.2 仪器

BILON-ZCW-1000W微波·超声·紫外光催化合成仪，上海比朗仪有限公司；CTH1650台式高速离心机，湖南湘立科学仪器有限公司；PHS-3B精密pH计，上涨虹益仪器仪表有限公司；759CR可见分光光度计，上海佑科仪器仪表有限公司；9071A电热恒温干燥箱，太仓精宏仪器设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黑豆皮样制备

取少量黑豆于烧杯中加入蒸馏水浸泡10 min，黑豆皮会出现褶皱，手工剥离豆皮放入烧杯中备用，然后将豆皮放入电热恒温干燥箱中在温度为80 ℃条件下，烘20 min，获得干燥的黑豆皮。取一部分干燥的黑豆皮经玛瑙研体研磨后制备成粉末状，待用。

1.3.2 单因素实验

(1)考察超声功率对豆皮色素提取效果的影响。分别称取5份研磨后黑豆皮4 g，加入60 mL体积分数为30%的乙醇溶液，调节pH值=2，置于微波·超声·紫外光催化合成仪中，设置微波功率100 W，温度为70 ℃，在超声功率为80、90、100、110、120 W下浸提15 min。

(2)考察微波功率对豆皮色素提取效果的影响。分别称取5份研磨后黑豆皮4 g，加入60 mL体积分数为30%的乙醇溶液，调节pH值=2，置于微波·超声·紫外光催化合成仪中，设置超声波功率100 W，温度为70 ℃，在微波功率为80、90、100、110、120、140 W下浸提15 min。

(3)考察浸提温度对豆皮色素提取效果的影响。分别称取5份研磨后黑豆皮4 g，加入60 mL体积分数为30%的乙醇溶液，调节pH值=2，置于微波·超声·紫外光催化合成仪中，设置超声功率100 W、微波功率120 W，在温度为50、60、70、80、90℃下浸提15 min。

(4)考察乙醇溶液体积分数对豆皮色素提取效果的影响。称取5份研磨后黑豆皮4 g，分别加入到60 mL体积分数为10%、30%、50%、70%、90%乙醇溶液中，调节pH值=2，置于微波·超声·紫外光催化合成仪中，设置超声功率100 W、微波功率120 W，温度在70 ℃下浸提15 min。

(5)考察料液比对黑豆色素提取效果的影响。称取5份研磨后黑豆皮4 g，按料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(g:mL)的比例，分别加入相应体积的50%的乙醇溶液，调节pH值=2，置于微波·超声·紫外光催化合成仪中，设置超声功率100 W、微波功率120 W，温度在70 ℃下浸提15 min。

(6)考察浸提pH值对黑豆色素提取效果的影响。分别称取5份研磨后黑豆皮4 g，加入60 mL体积分数为50%的乙醇溶液，用稀盐酸溶液调节pH值为1、2、3、4、5，置于微波·超声·紫外光催化合成仪中，设置超声功率100 W、微波功率120 W，温度在70 ℃下浸提15 min。

(7)考察浸取时间对豆皮色素提取效果的影响。分别称取5份研磨后黑豆皮4 g，加入60 mL体积分数为50%的乙醇溶液，调节pH值=1，置于微波·超声·紫外光催化合成仪中，设置超声功率100 W、微波功率120 W，温度为70 ℃，设定时间分别为15、25、35、45、55min下浸提。

1.3.3 正交实验

根据单因素实验结果，选取料液比、乙醇体积分数和浸提温度三个影响吸光度较大的因素进行正交实验，设计L9(33)正交实验，以波长为520 nm处吸光度为评判指标，确定黑豆红色素最佳提取条件[5]。

1.3.4 黑豆色素的测定

取8 mL提取液用高速离心机进行离心后，取上层清液5 mL于50 mL容量瓶中定容，用可见分光光度计，在波长为520 nm处测量吸光度。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 最佳超声功率选择结果

实验结果如表1所示，超声功率的改变对豆皮色素提取效果有一定的影响，但影响不明显，当超声功率为100 W时，色素浸提率最高。当超声功率大于100 W时，浸提效果略有下降，可能是超声功率过大造成豆皮色素结构改变，因此，选择超声功率为100 W。

表1 超声功率对豆皮色素提取效果的影响结果

2.1.2 最佳微波功率选择结果

实验结果如表2所示，微波功率的大小对豆皮色素提取有一定影响，当微波功率等于120 W时，色素浸提率最高。当微波功率继续变大，吸光度有所下降，可能是微波功率太大，容易造成色素结构发生改变。

表2 微波功率对豆皮色素提取效果的影响结果

2.1.3 浸提温度选择结果

由表3可知，在温度为70 ℃之前，随着浸提温度的升高，对色素提取效果有促进作用，当温度超过70 ℃时，再升温则色素提取率有下降趋势。可能的原因是温度过高会破坏豆皮色素的结构，导致色素褪色。考虑到提取条件、色素稳定性等因素，选择浸提温度为70 ℃。

表3 浸提温度对豆皮色素提取效果的影响

2.1.4 乙醇溶液体积分数选择结果

乙醇溶液体积分数对豆皮色素提取的实验结果如表4所示，不同的体积分数的乙醇对豆皮色素提取率有较大影响，当乙醇体积分数为50%时，提取效果最佳。

表4 乙醇体积分数对豆皮色素提取效果的影响

2.1.5 最佳料液比选择结果

实验结果如表5所示，料液比对黑豆色素提取效果有较大影响，随着料液比增大，从整体上看料液比(g:mL)在1∶10到1∶15时色素提取率呈上升趋势，1∶15之后呈下降趋势，因此在试验参数范围内，料液比在1∶15之间色素提取效果较好。

表5 料液比对黑豆色素提取效果的影响

2.1.6 最佳浸提液pH值选择结果

实验结果如表6所示，提取液的酸碱性对黑豆色素提取效果影响较大，在酸性较强环境下提取效果较好，随着pH值的增大，提取液的吸光度有减小的趋势，在pH值=1时吸光度有最大，当pH值大于1后，吸光度值下降明显。

表6 浸提pH值对黑豆色素提取效果的影响结果

2.1.7 浸提时间选择结果

实验结果如表7所示，随着浸提取时间的延长，有利于利于黑豆皮色素的浸出，黑豆色素含量随之增加，当浸提时间超35 min时，浸提液中黑豆色素的含量趋于恒定。为了节约能源、低碳环保，我们在正交实验时，采用浸提时间为35 min。

表7 浸提时间对黑豆色素提取效果的影响结果

2.2 正交实验设计结果与分析

表8 正交因素水平表

表9 L9(33)正交实验结果及分析

通过对超声功率、微波功率、浸提时间、乙醇体积分数、料液比、浸提pH值和浸提温度七个单因素对黑豆色素提取效果的分析，最终选择料液比、乙醇体积分数和浸提温度三个影响吸光度较大的因素进行正交实验，为了确定较佳提取效果，以提取液在波长为520 nm处吸光度为评判指标，对以上三个因素设计L9(33)正交实验，因素水平表见表8，正交实验结果见表9。

由正交实验结果可以看出，以上三个因素对黑豆色素提取效果的影响的主次顺序依次为A>B>C，即：料液比>乙醇体积分数>浸提温度。从极差数据分析，得出黑豆色素最佳提取条件A2B3C2。以料液比(g∶mL)1∶15、乙醇体积分数50%、浸提温度70 ℃进行实验，测得吸光度为0.603。

3 结论

通过对超声功率、微波功率、浸提温度、料液比、乙醇体积分数、浸提pH值、浸提时间七种单因素实验对黑豆色素提取效果的分析后，确定以料液比、乙醇体积分数、浸提温度三个因素影响进行正交实验，得到黑豆色素提取的最佳工艺为：料液比(g∶mL)1∶15、乙醇体积分数50%、浸提温度70℃、pH值=1、超声功率100 W、微波功率120 W，在浸提时间35 min条件下黑豆的色素提取效果最好。