棗皮紅色素提取技術(shù)的研究

姚文華，姚文紅

（1.山東農(nóng)業(yè)工程學院，山東濟南250100；2.青島農(nóng)業(yè)大學，山東青島266109）

棗皮紅色素提取技術(shù)的研究

姚文華1，姚文紅2，*

（1.山東農(nóng)業(yè)工程學院，山東濟南250100；2.青島農(nóng)業(yè)大學，山東青島266109）

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法優(yōu)化提取棗皮紅色素的工藝條件，根據(jù)中心組合設(shè)計原理采用三因素三水平響應(yīng)面分析法，依據(jù)回歸分析確定最優(yōu)提取工藝條件：提取劑濃度0.803 9%、提取溫度81.2℃、提取時間3.09 h。

棗皮紅色素；響應(yīng)面分析；提取

色澤是衡量食品質(zhì)量的重要指標之一，色澤優(yōu)良的食品不僅可以提高其感官性狀、給消費者以美的享受，而且還可增進食欲[1]。雖然用量甚微，但食用色素在食品總的質(zhì)量評價中色澤分約占45%[2]，因此，為改善食品的感官特性，避免加工、運輸、貯藏等過程中天然色澤的喪失，就不可避免的要添加食用色素，以提高食品的商品性[3]。食用色素的發(fā)展趨勢是逐漸轉(zhuǎn)向以天然色素為主。我國食品添加劑，特別是天然色素等功能性食品添加劑的發(fā)展?jié)摿薮螅袌隹臻g很廣。

棗樹原產(chǎn)我國，栽培歷史悠久。紅棗的加工品也日益豐富，但棗皮卻作為加工副產(chǎn)物被拋棄。棗皮紅色素是安全性高的天然食用色素，符合食品色素發(fā)展趨勢，急待開發(fā)利用。本實驗以棗皮為原料提取色素，對提取時間、提取劑濃度、提取溫度等因素進行試驗分析，在單因素試驗的基礎(chǔ)上采用三因素三水平響應(yīng)面分析法，依據(jù)回歸分析確定最優(yōu)提取工藝條件，旨在為色素提取的工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)的參考資料。

1 材料部分

1.1 材料與儀器

棗皮：市購紅棗打漿，過30目篩，篩得的棗皮清水浸泡24 h，除去易溶于水的部分糖、蛋白質(zhì)、果膠及其他雜質(zhì)，再經(jīng)2%鹽酸處理（料液比1∶20），除去鞣質(zhì)、蛋白質(zhì)和淀粉等，水洗除去酸，自然晾干，粉碎，待用。其他試劑均為分析純。

FA2004電子天平：上海天平儀器廠；DK-S24型電熱恒溫水浴鍋：上海精宏實驗設(shè)備有限公司；JJ-2組織搗碎勻漿機：中國深圳器械有限公司；818型臺面式pH測試儀：美國奧立龍公司；UV-2100紫外分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠。

1.2 分析方法

最大吸收波長的確定：適當稀釋棗紅色素母液，在紫外分光光度計波長200 nm～800 nm范圍內(nèi)，進行全波長掃描，確定其最大吸收波長。

圖1表明：提取劑為0.8%NaOH提取的溶液特征吸收峰在420nm和506nm附近，根據(jù)文獻資料，420nm附近的吸收峰多為黃酮類黃色素的特征峰[4-5]，故確定506 nm為測定波長。

圖1 棗皮紅色素光譜特征Fig.1 Absorbing spectrogram of red pigment of jujube rind

2 棗皮紅色素的提取

棗皮紅色素的提取工藝流程

棗皮→溶劑提取→抽濾→真空濃縮→乙醇洗滌→冷凍干燥→粉末狀產(chǎn)品

2.1 實驗設(shè)計

2.1.1 提取劑的確定

取等量棗皮，設(shè)計水、70%乙醇、0.8%NaOH、0.2mol/L HCl、乙酸乙酯、苯6種溶劑分別浸提，提取液506 nm測定吸光度，觀察透明度，結(jié)果如表1。

表1 不同提取劑的提取效果Table1 Effect of the different solvents on the yield

由上表可知，0.8%NaOH提取液的顏色最深，為棗紅色，接近棗皮自然的顏色，60%酸性乙醇提取效果次之，其它提取液的顏色均為黃色或桔黃色，無實用價值，考慮到生產(chǎn)成本，本實驗采用NaOH為提取劑。

2.1.2 原料粒度對棗皮紅色素的提取影響

以0.8%NaOH為提取劑，提取溫度50℃，料液比1∶20 g/mL，提取2 h，按設(shè)計粒度水平提取色素，提取液過濾，0.1mol/LHCl調(diào)至中性，稀釋，測定吸光度。結(jié)果見圖2。

圖2 原料粒度對得率的影響Fig.2 Effect of grain size on extraction rate

圖2 表明，隨著原料粒徑的減小，提取液的吸光度逐漸增大，且在粒徑小于40目的范圍內(nèi)，增加趨勢顯著；當粒度超過40目，增加趨勢趨于平緩，過小的原料粒徑易使提取液形成糊狀，加大后繼過濾操作的難度，綜合考慮，確定最佳提取粒度為40目。

2.1.3 提取劑濃度對棗皮紅色素提取效果的影響

固定原料粒度40目、溫度50℃、1∶20 g/mL料液比提取2 h，提取液為NaOH，按設(shè)計濃度做提取實驗，提取液過濾，中和，適當稀釋，506 nm波長測定吸光度，分析提取劑濃度對色素的提取效果，結(jié)果見圖3。

圖3 提取劑濃度對得率的影響Fig.3 Effect of ratio of solvent on extraction rate

2.1.4 提取溫度對棗皮紅色素提取效果的影響

固定原料粒度40目，NaOH濃度0.8%，料液比1∶20 g/mL提取2 h，比較提取溫度對色素提取效果的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 溫度對得率的影響Fig.4 Effect of temperature on extraction rate

實驗結(jié)果表明，色素提取液的吸光度隨溫度升高而增加，80℃時吸光度達到最高，隨著溫度的進一步升高，提取液的吸光度呈下降趨勢，顏色變?yōu)楹稚?，失去亮麗的棗紅色，說明棗皮紅色素在高溫下不穩(wěn)定，部分色素遭到破壞。因此，提取溫度確定為80℃。

2.1.5 料液比對色素提取效果的影響

固定原料粒度40目、NaOH濃度0.8%、提取溫度80℃提取2 h，按照擬定的料液比做提取試驗，提取液過濾，中和，定容到相同體積，適當稀釋，測吸光度，考察料液比對提取效果的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 料液比對得率的影響Fig.5 Effect of raw liquid to material ratio on extraction rate

數(shù)據(jù)表明，在1∶10 g/mL～1∶30 g/mL料液比范圍內(nèi)，提取液吸光度隨料液比的增大而逐漸增加，料液比1∶30 g/mL與1∶35 g/mL的提取效果相差無幾，隨著料液比進一步增大，提取液吸光度趨于降低，綜合考慮生產(chǎn)成本，確定料液比為1∶30 g/mL。

2.1.6 提取時間對色素提取效果的影響

固定原料粒度40目、料液比1∶30 g/mL、0.8% NaOH、提取溫度80℃、按照擬定的時間提取，提取液過濾，中和，定容到相同體積，檢測溫度對色素提取的效果，結(jié)果見圖6。

圖6 提取時間對得率的影響Fig.6 Effects of treatment time on extraction rate

數(shù)據(jù)表明，提取時間為3 h時，提取液吸光度最高，提取效果最好，試驗中發(fā)現(xiàn)提取1 h提取液的吸光度與提取2 h的吸光度基本持平，分析原因，可能是提取出的色素隨時間增加部分遭破壞所致。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗、回歸方程及實驗方案

響應(yīng)面分析法由一組數(shù)學和統(tǒng)計學方法組成，可用于確定各因素及其交互作用在加工過程中對非獨立變量的影響，可以精確的表述因素和響應(yīng)值之間的關(guān)系，是一種優(yōu)化反應(yīng)條件和加工工藝參數(shù)的有效方法，廣泛應(yīng)用于化學加工、生物工程、食品工業(yè)等領(lǐng)域方面[6]。

根據(jù)Box—Benhnken的中心組合試驗設(shè)計原理[6-7]，在單因素試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，采用中心組合試驗Box-Benhnken設(shè)計方案，以提取劑濃度（%）、提取溫度（℃）、提取時間（min）為主要因素，并以+1、0、-1分別代表變量的水平，試驗因素與水平設(shè)計見表2。

按表2因素與水平設(shè)計試驗方案，對NaOH濃度、料液比和提取時間作如下變換x1=（X1-0.8）/0.1，x2=（X2-80）/10，x3=（X3-3.0）/0.5，以x1、x2、x3為自變量，綜合以上單因素試驗，選擇提取劑濃度、提取溫度、提取時間對棗皮紅色素提取率影響顯著的因素，通過三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，確定棗皮紅色素最佳提取條件，結(jié)果見表5。

表2 響應(yīng)面分析因素水平表Table2 Factors and levels of response surface method

表3 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果Table3 The program and result of response surface analysis

表4 回歸方程偏回歸系數(shù)的估算值Table4 Estimated values of the partial regression coefficients of the regression model

將表4所得的試驗數(shù)據(jù)采用Minitab統(tǒng)計軟件分析，得到以色素提取率為目標函數(shù)的二次回歸方程：

表5 回歸模型方差分析Table5 Variance analysis for the regression model

式中：x1為提取劑濃度、x2為提取溫度、x3為提取時間，方程中各項系數(shù)的絕對值直接反映了各因素對棗皮紅色素提取率的影響程度，系數(shù)的正負反映了影響的方向。

由表5可知，此方程的P＜0.01，響應(yīng)回歸模型達到了極顯著水平，相關(guān)系數(shù)R2=0.958 0，表明95.80%的數(shù)據(jù)可以用此方程來解釋。因此可以用此方程來分析和預測棗皮紅色素提取工藝結(jié)果。

根據(jù)表5回歸分析結(jié)果作出相應(yīng)曲面圖及等高線圖，結(jié)果見圖7～圖9。

圖7 提取劑濃度x1和溫度x2對提取影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots showing the ratio of solvent and temperature on extraction rate

圖8 提取劑濃度x1和時間x3對提取影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots showing the ratio of solvent and time on extraction rate

圖9 溫度x2和時間x3對提取影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.9 Response surface and contour plots showing the ratio of temperature and time on extraction rate

2.3 棗皮紅色素提取工藝條件的確定

對回歸方程去一階偏倒數(shù)等于0，整理可得如下3式：

式（1）、式（2）、式（3）聯(lián)立方程組，解得x1=0.039，x2=0.12，x3=0.18，代入前述的變換公式得到提取劑濃度0.803 9、提取溫度81.2℃、提取時間3.09 h，即棗皮紅色素提取的最佳條件為提取劑濃度為0.8039%、提取溫度為81.2℃、提取時間為3.09 h，由回歸方程預測Y= 0.833 6，而采用該實驗條件進行驗證實驗得到0.834，這說明該方程與實際情況符合得很好，響應(yīng)面法能較好地對影響棗皮紅色素的提取工藝進行回歸分析和條件優(yōu)化。

3 結(jié)論

本實驗通過單因素試驗考察研究了提取劑的選擇、棗皮粉末粒度、NaOH濃度、提取時間及提取溫度對棗皮紅色素提取率的影響，確定了對試驗有較大影響的3個因素分別為NaOH濃度、提取時間及提取溫度。

通過響應(yīng)面對各因素的最佳水平范圍及其交互作用進行研究和探討，建立了影響棗皮紅色素提取的二次多項數(shù)學模型，依據(jù)回歸分析結(jié)果可知，棗皮紅色素提取的最佳條件為：NaOH濃度0.8039%、提取溫度為81.2℃、提取時間為3.09 h，由回歸方程預測Y= 0.833 6，而采用該實驗條件進行驗證實驗得到0.834，這說明該方程與實際情況符合得很好，響應(yīng)面法能較好地對影響棗皮紅色素的提取工藝進行回歸分析和條件優(yōu)化。

[1]劉志皋,高彥祥,等．食品添加劑基礎(chǔ)[M]．北京:中國輕工業(yè)出版社, 1999:73

[2]Eskin NAM.Plant Pigments[M].Flavors and Textures,1979

[3]Jackmen,Robert L,Rickey Y J．Human tumor cell growth inhibition by nontoxic anthocyanidins,the pigments in fruits and vegetables[J]. Food Biochem,1987,11:201-247

[4]劉曉庚,丁悅琴,陳梅梅．南酸棗果皮色素的提取研究[J]．江西農(nóng)業(yè)學報,1994,6(2):87-92

[5]王威,王春利,閻炳宗.姜黃色素吸收度的測定及含量計算[J].天津師大學報:自然科學版,1994,14(2):56-58

[6]BOX G E P,HUNTER W G.Statistics for experiments:An introduction to design,data analysis and model building[M].New York:John Wiley&Sons,Inc,1978

[7]周紀薌.實用回歸分析方法[M].上海:上?？茖W技術(shù)出版社,1990: 77-79

Study on Optimization of Extraction Process of Red Pigment of Jujube Rind by Response Surface Analysis

YAO Wen-hua1，YAO Wen-hong2，*
（1.Shandong Agriculture and Engineering University，Jinan 250100，Shandong，China；2.Qingdao Agricultural University，Qingdao266109，Shandong，China）

To optimize the extraction of red pigment of Jujube dateˊs rind， the response surface methodology with three factors at three levels was adopted， and the factors influencing the process parameters were determined by regression analysis. The results showed that the optimum conditions for the extraction were as follows： extraction solution of 0.803 9%NaOH， temperature at 81.2℃， extraction time for 3.09 h.

red pigment of jujube dateˊs rind；response surface methodology；extraction

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.010.008

2013-05-20

山東省高等學校科技計劃項目（J09LC74）

姚文華（1970—），女（漢），碩士，研究方向：生物產(chǎn)品的分離分析。

*通信作者：姚文紅，女，副教授。