红辣椒中类胡萝卜素提取方法及工艺条件优化研究
2020-12-16王岁楼谢雯丽
王岁楼,谢雯丽
(中国药科大学工学院,江苏南京 211198)
以β - 胡萝卜素为代表的类胡萝卜素是一类广泛存在于自然界中,具有特殊生理药理功能,在医药、食品等各个领域被广泛使用,对于人类健康有着重要作用的有机化合物[1]。但是,因人体自身不能合成β - 胡萝卜素只能依靠外界摄取[2],考虑到其日益增长的市场需求量,β - 胡萝卜素的高效提取在工业应用中尤显重要。β - 胡萝卜素可从藻类、果蔬植物及一些菌类中提取获得,目前国外市场上β - 胡萝卜素来源主要为化学合成,但以天然食物为提取原料更有利于人类健康[3]。
我国辣椒资源丰富,且品种繁多、廉价易得,可为大量提取天然β - 胡萝卜素提供广泛来源[4-5]。试验以新鲜红辣椒为原料,探索不同溶剂配比、料液比、浸提时间、浸提温度对β - 胡萝卜素提取率的影响,并在此单因素试验基础上设计正交试验优化 β - 胡萝卜素提取工艺条件,为红辣椒β - 胡萝卜素在食品工业的高效提取、产品开发和有效利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
红辣椒要求成熟度好、外皮无伤害且颜色鲜艳的新鲜红辣椒,购于南京王墅农贸市场;β - 胡萝卜素标准品,上海麦克林生化科技有限公司提供;丙酮、石油醚等试剂,均为分析纯。
1.2 仪器
DHG-9070A 型电热恒温鼓风干燥箱,上海精宏实验设备有限公司产品;莱芙- 800 型粉碎机,永康红太阳机电有限公司产品;AR224CN 型电子天平,奥豪斯仪器有限公司产品;KH-100B 型超声波清洗器,昆山禾创超声仪器有限公司产品;TGL-16G 型台式离心机,上海安亭科学仪器厂产品;754N 型紫外可见分光光度计,上海仪电分析仪器有限公司产品。
1.3 试验方法
1.3.1 材料预处理
将新鲜红辣椒洗净后去蒂去籽,置于电热恒温鼓风干燥箱中,于65 ℃条件下烘干24 h,除尽内部水分后制得辣椒干;置于粉碎机中将其粉碎成粉,于干燥洁净的塑封袋中避光贮藏备用。
1.3.2 单因素试验
分别考查不同提取溶剂、料液比、浸提温度、浸提时间等因素对辣椒β - 胡萝卜素提取率的影响。准确称取5.0 g 辣椒干粉,按一定料液比加入特定有机溶剂后,在一定超声温度下浸提一段时间,冷却后离心取上清液为提取液,于波长450 nm 处测定其吸光度,3 次重复。据标准曲线方程计算提取物中β - 胡萝卜素得率。
1.3.3 正交试验
在单因素试验基础上,选用溶剂种类、料液比、浸提温度及浸提时间为试验因素,以红辣椒中β -胡萝卜素得率为指标进行四因素三水平正交试验。
正交试验因素水平设计见表1。
表1 正交试验因素水平设计
1.3.4 β - 胡萝卜素的测定
精确称取β - 胡萝卜素标准品,以丙酮作为提取溶剂,精确配置1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0 μg/mL 的β - 胡萝卜素标准品溶液,分别进样于波长450 nm 处测吸光度,3 次重复取均值。以β - 胡萝卜素质量浓度为横坐标,吸光度为纵坐标,绘制标准曲线。得到回归方程Y=0.098 5X+0.004 8(R2=0.999 1)。式中,Y 为吸光度,X 为β - 胡萝卜素质量浓度(μg/mL)。结果表明,β - 胡萝卜素在质量浓度为1.0~8.0 μg/mL 范围内与峰面积呈良好线性关系。
按上述各自方法进行提取试验,得出提取液于波长450 nm 处的吸光度,据标准曲线计算β - 胡萝卜素含量:
式中:C—— β - 胡萝卜素质量浓度,μg/mL;
V——提取液体积,mL;
N——稀释倍数;
m——样品质量,g。
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果
2.1.1 溶剂种类对浸提效果的影响
在料液比1∶12,浸提温度45 ℃,浸提时间20 min的提取条件下,比较丙酮、石油醚及其3 种混合溶剂对红辣椒β - 胡萝卜素提取量的影响。
不同浸提溶剂对β - 胡萝卜素提取量的影响见图1。
由图1 可看出,石油醚和丙酮均为较适宜的浸提溶剂,这符合相似相溶原理。其中,以丙酮- 石油醚(3∶7,V/V) 作为浸提溶剂进行提取时,β -胡萝卜素提取量最高,为2.42 mg/g。
2.1.2 料液比对浸提效果的影响
采用丙酮- 石油醚(3∶7,V/V) 作为提取溶剂,在浸提温度45 ℃,浸提时间20 min 的提取条件下,比较不同料液比对红辣椒β - 胡萝卜素提取量的影响。
不同料液比对β- 胡萝卜素提取量的影响见图2。
大家都纷然祝贺。老巴说:“过年我去归元寺烧了香。我什么都没求,只求阿东找个好工作,看来菩萨晓得我心诚呀。”
由图2 可知,1∶6 为红辣椒最适合的料液比,此时β - 胡萝卜素提取量最高,为4.31 mg/g。从理论角度分析推测该结果,可能起初随着料液比的升高,因溶解度未达到饱和状态,色素溶解能力随着溶剂用量增加而增强,故浸提效果随之上升。当料液比超过1∶6 后,因溶剂用量过大将导致非色素成分较多地被提取,从而致使浸提效果随着料液比升高而变差。
2.1.3 超声温度对浸提效果的影响
采用丙酮- 石油醚(3∶7,V/V) 作为提取溶剂,在料液比1∶6,浸提时间20 min 的条件下,比较不同超声温度对红辣椒β- 胡萝卜素提取量的影响。
不同浸提温度对β - 胡萝卜素提取量的影响见图3。
由图3 可见,随着浸提温度从35 ℃升高到60 ℃,其β - 胡萝卜素提取量也随之升高;且浸提温度超过50 ℃后β - 胡萝卜素提取量呈几何上升趋势。然而,当浸提温度大于50 ℃后,杂质增多,黄色素含量增大,致使溶剂对β - 胡萝卜素提取量逐渐降低,故合理推断此“假上升”现象实因溶剂蒸发致使提取液浓度增大而实际色素提取量处于下降趋势。故最终试验结果表明,起初浸提温度逐渐升高将导致溶剂的渗透性增强,溶解能力随之增大,有利于β -胡萝卜素浸出,致使β - 胡萝卜素提取量也逐渐增多;但当浸提温度超过50 ℃后不利于保持β- 胡萝卜素稳定性,且非色素成分被较多提取导致杂质增多。综上及结合试验条件,确定最佳浸提温度为50 ℃,提取量为2.57 mg/g。
2.1.4 浸提时间对浸提效果的影响
采用丙酮- 石油醚(3∶7,V/V) 作为提取溶剂,在料液比1∶6,浸提温度50 ℃的条件下,比较不同浸提时间对红辣椒β - 胡萝卜素提取量的影响。
由图4 可看出,超声浸提的最有效时间为20 min,此时β - 胡萝卜素提取量最高,为3.61 mg/g。因辣椒中色素极易被溶剂浸提出,在较短时间内即可达到传质平衡;故当浸提时间超过20 min 后,因β -胡萝卜素长时间暴露在空气中被氧化,且随着浸提时间增长,超声波的机械效应、热效应等致使萃取体系中β - 胡萝卜素降解愈发严重,致使提取率随着浸提时间的延长而降低。可见,最适浸提时间以20 min 为宜。
2.2 正交试验结果
在单因素试验基础上,设计四因素三水平正交试验。
正交试验结果及分析见表2。
表2 正交试验结果及分析
由表2 可知,影响红辣椒中β - 胡萝卜素提取量的因素主次为B>C>A>D,即料液比>浸提温度>提取溶剂配比>浸提时间;提取工艺最优组合为A2B1C2D3,即以丙酮- 石油醚(3∶7,V/V) 为提取溶剂,料液比1∶5(g∶mL),浸提温度50 ℃,浸提时间25 min。
方差分析见表3。
表3 方差分析
由表3 可知,在影响红辣椒β - 胡萝卜素提取量的各个因素中,料液比和超声提取温度具有显著性,即这2 个因素条件在超声辅助提取红辣椒β -胡萝卜素过程中起着首要作用。按正交试验确定的最佳条件组合进行验证(3 次平行试验)。结果表明,β - 胡萝卜素提取量均值可达2.428 mg/g。
2.3 最优提取工艺条件的确定
反观比较单因素试验及正交试验优化结果,发现在料液比试验中当提取溶剂采用丙酮- 石油醚(3∶7,V/V),料液比1∶6,浸提温度45 ℃,浸提时间20 min 的组合条件下,β - 胡萝卜素提取率高于其他任何一次试验条件下的提取量,达4.31 mg/g。基于此,对该条件组合进行3 次平行试验再验证,结果表明提取量基本稳定可靠,故最终确定此条件组合为最佳提取工艺条件。
3 结论
通过单因素试验和正交试验的比较和优化,初步确定了以红辣椒为原料提取β - 胡萝卜素的最优工艺参数组合为提取溶剂采用丙酮- 石油醚(3∶7,V/V),料液比1∶6,浸提温度45 ℃,浸提时间20 min,此时β - 胡萝卜素提取量均值可达4.31 mg/g,但如何进一步优化提取工艺并将其推向工业化水平有待深入研究。