响应面法优化超声波辅助提取桑葚色素

陈云

摘 要：以桑葚干果为原料，酸化水为提取剂，超声波辅助提取桑葚干果中色素。采用单因素试验获得相对较好提取参数值，在此基础上利用响应面法优化桑葚干果色素提取条件，得到超声波辅助提取桑葚干果色素最优条件为：提取液pH为0.7，超声波功率94 W，液料比15∶1（mL∶g），超声波时间50 min，此提取条件下吸光度为1.059。

关键词：超声波;桑葚色素;响应面法;提取

Abstract：Acidified water and the ultrasound assistance methods were used to extract Mulberry pigment. On the basis of single factor， the optimal extraction conditions were studied by the response surface methodology. the result shows that the optimal extraction processing parameters are： ultrasonic wave power 94 W，ultrasonic wave time 50 min， solvent/sample ratio 15∶1 （mL∶g） and pH of extraction solution 0.7. under which the absorbance was 1.059.

Key words：Ultrasonic; Mulberry pigment; Response surface methodology; Extraction

由于合成色素對人体有害，随着人们生活质量的提高，人们对合成色素的认可度降低，其应用范围逐渐减少。天然食用色素存在于植物中，不仅能赋予食品诱人的色彩，还具营养、保健功能，越来越受关注[1]。桑葚含有丰富的花青素，花青素对心脑血管疾病有预防作用，还具有保护肝脏、降低DNA氧化损害和降低血糖等功效。本试验采用超声波辅助提取桑葚干果色素，利用响应面法优化桑葚干果色素的提取条件，为桑葚干果的合理开发利用提供有效的途径。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

原料与试剂。桑葚干果、HCl（分析纯）。

设备。723C型分光光度计（上海析谱）;JA2003型电子分析天平（上海良平仪器公司）;TPHS-3C型酸度计（上海精密仪器有限公司）;SK8200H超声波清洗器（上海科导仪器有限公司）;D3C800B离心机（湖南湘仪实验室仪器开发有限公司）。

1.2 方法

桑葚色素易溶解于酸性水，桑葚色素在酸性环境中显现出比较常见的紫红色。因此选酸化水为提取剂。桑葚色素在可见光区的最大吸收波长是515 nm[2]。

1.2.1 桑葚色素提取工艺条件的单因素试验

（1）提取液的pH值对色素提取效果的影响。取解冻的桑葚干果粉末1 g，分别以pH为0.5、1.0、1.5、2.0和2.5等酸性水各20 mL为提取剂，超声时间

45 min、超声功率100 W进行提取、分离，滤液定容至一定体积测定吸光度，根据吸光度值分析不同酸性水对桑葚色素提取效果的影响。

（2）液料比对色素提取效果的影响。用pH为1.5酸性水，液料比分别为5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1和30∶1（mL∶g），其他同（1）。

（3）超声时间对色素提取效果的影响。超声波处理时间分别为15、30、45、60 min和75 min，其他同（2）。

（4）超声功率对色素提取效果的影响。超声波功率分别为80、100、120、140、160 W和180 W，超声时间为30 min，其他同（3）。

1.2.2 桑葚干果色素提取工艺条件的响应面法优化试验

在液料比、超声时间、超声功率和不同pH酸性水共4个单因素试验基础上，根据Box-Benhnken试验设计原理，采用Design- Expert软件设计4因素3水平的响应面优化试验，以桑葚色素提取液的吸光度为响应值对提取工艺条件进行优化。

2 结果与分析

2.1 超声波辅助提取桑葚色素条件的优化

2.1.1 提取液pH值对桑葚色素提取的影响

由图1可知，pH为0.5～1.0之间时，折线平直，吸光度相差不大;继续增大pH，折线下降，吸光度降低。这说明相对较低的pH酸性水有利于色素的提取，当pH为0.5时与1.0相比，桑葚色素提取效果无明显差异，综合考虑，确定酸性较弱（pH1.0）的酸性水为较适宜提取液。

2.1.2 液料比对桑葚色素提取的影响

由图2可知，超声波辅助下桑葚色素的提取效果从液料比5∶1到10∶1增加缓慢，从液料比10∶1到15∶1提取效果逐渐上升，提取效果在液料比为15∶1时达到最好，随着液料比15∶1到30∶1的增加，提取效果逐渐下降，当液料比为20：1以后，提取效果趋于平稳。因此，选择液料比为15∶1。

2.1.3 超声时间对色素提取效果的影响

由图3可知，桑葚色素的提取效果随超声时间的延长而提高，当超声时间45 min时吸光度达到最高值。随着超声时间的继续延长，桑葚色素的提取效果缓慢下降，因此超声时间为45 min。

2.1.4 超声波功率的选择

由图4可知，桑葚色素的提取效果在超声功率80～180 W范围内时，随着超声功率的增大提取效果呈直线上升，当超声功率100 W时吸光度达到最高值。但当超声功率的继续升高时，提取效果反而下降，随后变化平稳。因此超声功率100 W为最佳。

2.2 响应面试验对桑葚色素提取工艺条件的优化

2.2.1 响应面实验设计与结果分析

利用Design Expert8.0.6软件进行Box-Behnken 实验设计[3]结果如表1所示。根据BBD（43阶乘）对4个参数超声波功率（A）、超声波时间（B）、液料比（C）和pH（D）进行优化试验。利用Design Expert 10.0.7软件对表1试验数据进行二次多项式回归模型方程拟合，得到吸光度、超声波功率（A）、超声波时间（B）、液料比（C）、pH（D）的回归模型方程：吸光度=0.968 4+0.040 666 667A+0.079 5B+0.058 333 333C-0.084 5D-0.069 75AB-0.009 25AC-0.016 5AD-0.058 5BC-0.051 75BD+0.023 25CD-0.031 866 667A2-0.024 116 667B2-0.091 116 667C2-0.111 866 667D2。

2.2.2 方差分析及顯著性检验

用软件Design-Expert10.0.7对表1的试验数据进行回归分析，分析结果见表2所示。由表2可知，回归模型方差分析显著性检验表明，该模型回归显著（p<0.000 1），失拟项不显著（p=0.250 9>0.05），该模型具有统计学意义。模型的确定系数R2=0.990 1，调整确定系数R Adj2=0.980 2，说明模型拟合度较好。方程的一次项中超声波功率（A）、超声波时间（B）、液料比（C）、pH（D）对响应值的影响极显著，二次项A2、B2、C2、D2，交互项超声波功率和超声波时间（AB）、超声波时间和液料比（BC）、超声波时间和pH（BD）对响应值的影响极显著，交互项液料比和pH（CD）对响应值的影响显著。影响顺序：提取液pH（D）>超声波时间（B）>液料比（C）>超声波功率（A）。

2.2.3 最优提取工艺条件确定与验证

通过Design-Expert.10.0.7软件对回归方程进行计算，得到提取桑葚色素提取最佳工艺条件为：提取液pH为0.702，超声功率94.17 W，超声时间50 min，每14.69 mL酸化水中加1 g料。出于可操作性考虑，将最佳提取工艺条件修正为：提取液pH为0.7，超声波功率94 W，每15 mL酸化水中加1 g料，超声波时间50 min，采用此提取条件进行试验，重复3次，吸光度为1.059，与预测值1.068 507相近。

3 结论

采用响应面法对桑葚色素的超声提取参数进行了优化。超声波功率、提取时间、液料比、提取液pH对桑葚色素的提取影响显著，影响顺序：提取液pH（D）>超声波时间（B）>液料比（C）>超声波功率（A）。最佳提取参数：超声波功率94 W，超声波时间50 min，液料比15∶1（mL∶g），提取液pH值0.7，此提取条件下吸光度值为1.059。

参考文献：

[1]马庆一，卫 军，池银珠.天然色素作为防腐剂的筛选及应用研究（一）[J].食品科学，2002（5）：121-124.

[2]陈 云，赵 倩.桑葚色素稳定性研究[J].科技风，2015（13）：85.

[3]陈 云.超声波辅助提取碧螺春茶多酚工艺研究[J].中国食品添加剂.2018（2）：105-111.