超聲輔助提取花生紅衣色素工藝的優(yōu)化

羅 璇 何 景

(武漢設(shè)計工程學(xué)院食品與生物科技學(xué)院，湖北 武漢 430205)

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超聲輔助提取花生紅衣色素工藝的優(yōu)化

羅 璇 何 景

(武漢設(shè)計工程學(xué)院食品與生物科技學(xué)院，湖北 武漢 430205)

以花生紅衣為原料，利用響應(yīng)面分析法對超聲輔助提取花生紅衣色素的工藝進(jìn)行優(yōu)化。在單因素試驗、Plackett-Burman試驗設(shè)計和最陡爬坡試驗的基礎(chǔ)上，以花生紅衣色素綜合提取效果值為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面法研究各因素及其交互作用對花生紅衣色素提取效果的影響，建立預(yù)測模型，選出最佳工藝條件。結(jié)果表明：超聲輔助提取花生紅衣色素的最佳條件為以乙醇為溶劑，乙醇濃度68%，料液比1∶30(g/mL)，超聲時間27 min，超聲溫度55 ℃。該條件下花生紅衣色素的總提取率為21.6%，色價為34.6，原花色素得率為17.77 mg/g，綜合提取效果值為24.65，經(jīng)驗證實驗結(jié)果表明，該試驗建立的花生紅衣色素的響應(yīng)模型較成功。

花生；紅衣；色素；超聲輔助提取

花生紅衣是花生加工過程中的副產(chǎn)品，每年產(chǎn)生約600 t，除了少量用于制藥外，其余都用于飼料或丟棄，造成極大的浪費[1]?；ㄉt衣中富含優(yōu)良的天然色素[2]，其中包括原花色素和紅色素，原花色素能夠改善人體的皮膚循環(huán)、保護(hù)心血管、抗癌，有美容抗衰老的作用，還可用于治療眼疾，是一種安全無毒的新型天然抗氧化劑[3]。紅色素為紅褐色粉末,其色艷麗，無臭無味，染色性好，對蛋白質(zhì)和淀粉的著色顯著，可作為天然食品著色劑[4]。從花生紅衣中提取原花色素和紅色素，不僅可以提高花生的綜合利用價值，還能擴(kuò)大天然色素的開發(fā)來源，增加經(jīng)濟(jì)效益。

目前，關(guān)于花生紅衣色素提取的研究已有報道，但都是對花生紅衣中原花色素的提取，利用超聲波輔助提取和響應(yīng)面優(yōu)化提取花生紅衣色素的工藝研究還未見。本研究擬以單因素試驗為基礎(chǔ)，設(shè)計Plackett-Burman試驗、最陡爬坡試驗和中心組合試驗，用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取花生紅衣色素，以得到提取的最佳工藝及預(yù)測模型，旨在為花生紅衣色素的開發(fā)應(yīng)用與生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

花生紅衣：亳州市草木堂中藥材銷售有限公司；

丙酮：分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；

鹽酸：分析純，信陽市化學(xué)試劑廠；

甲醇、95%乙醇、冰乙酸、石油醚、氫氧化鈉、香草醛：分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器

高速粉碎機(jī)：DFY-300型，上海新苗醫(yī)療器機(jī)械有限公司；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：RE52-CS型，上海新苗醫(yī)療器機(jī)械有限公司；

離心機(jī)：TDL-5-A型，武漢岡部投資有限公司；

電子天平：FA 2014 B型，上海越平科技儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9240A型，上海新苗醫(yī)療器機(jī)械有限公司；

可見分光光度計：722型，天津市普瑞斯儀器有限公司；

超聲波清洗器：MEC-200SAH型，臺灣明和超音波工業(yè)股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 花生紅衣預(yù)處理 根據(jù)文獻(xiàn)[5]中原料處理的方法，進(jìn)行花生紅衣的脫脂。

1.2.2 花生紅衣色素的提取方法 稱取2.00 g 花生紅衣粉末于250 mL錐形瓶中，加入60%的乙醇，在60 ℃下超聲提取20 min，提取液抽濾，濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓濃縮，將濃縮液轉(zhuǎn)入45 ℃鼓風(fēng)干燥機(jī)干燥至恒重，所得產(chǎn)品即為花生紅衣色素的粗提物[6]。

1.2.3 總提取率的測定 花生紅衣粗提物提取率按式(1)計算：

(1)

式中：

P——花生紅衣粗提物提取率，%；

m——花生紅衣粗提物質(zhì)量，g；

M——提取所用花生紅衣質(zhì)量，g。

1.2.4 紅色素色價的測定 參照文獻(xiàn)[7]，按式(2)計算紅色素色價。

(2)

式中：

E——紅色素色價；

OD500——在500nm下測得的吸光度值；

f——稀釋倍數(shù)。

1.2.5 原花色素含量的測定 根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的鹽酸—香草醛法，修改如下：于30 ℃下顯色15min左右的混合溶液，轉(zhuǎn)移至離心管中，3 500r/min離心10min。取1mL上清液，稀釋，在500nm下測定吸光值。原花色素含量按式(3)計算：

(3)

式中：

H——樣液中的原花色素含量，μg；

A——在500 nm下測得的吸光度值；

n——稀釋倍數(shù)。

1.2.6 提取效果評價值的計算 總提取率、色價和原花色素含量是評價色素提取效果的重要指標(biāo)。本試驗的響應(yīng)值采取加權(quán)平均，綜合評分公式為：

(4)

式中：

Y——花生紅衣色素提取效果評價值；

P——花生紅衣粗提物提取率，%；

E——紅色素色價；

H——原花色素含量，μg。

1.2.7 單因素試驗設(shè)計

(1) 提取溶劑的選擇：固定提取溶劑濃度為60%，料液比為1∶30(g/mL)，超聲提取溫度為55 ℃，提取時間為20 min，分別考察提取溶劑為甲醇、乙醇、丙酮、冰乙酸、水時花生紅衣粗提物色素的總提取率、色價和原花色素得率，并計算出提取效果綜合評價值。

(2) 超聲時間的選擇：固定提取溶劑為60%的乙醇，料液比為1∶30(g/mL)，超聲提取溫度為55 ℃，分別考察提取時間為10，20，30，40，50 min時花生紅衣粗提物色素的總提取率、色價和原花色素得率，并計算出提取效果綜合評價值。

(3) 超聲溫度的選擇：固定提取溶劑為60%的乙醇，料液比為1∶30(g/mL)，超聲輔助提取時間為20 min，考察提取溫度為25，35，45，55，65 ℃時花生紅衣粗提物色素的總提取率、色價和原花色素得率，并計算出提取效果綜合評價值。

(4) 料液比的選擇：固定提取溶劑為60%的乙醇，超聲提取溫度為55 ℃，提取時間為20 min，考察料液比為1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，1∶50(g/mL)時花生紅衣粗提物色素的總提取率、色價和原花色素得率，并計算出提取效果綜合評價值。

(5) 溶劑濃度的選擇：固定提取溶劑為乙醇，超聲提取溫度為55 ℃，提取時間為20 min，料液比為1∶30(g/mL)，考察乙醇溶劑濃度為50%，55%，60%，65%，70%時花生紅衣粗提物色素的總提取率、色價和原花色素得率，并計算出提取效果綜合評價值。

1.2.8 Plackett-Burman試驗和最陡爬坡試驗 利用Design Expert 8.05b軟件，以提取效果值為響應(yīng)值，對超聲時間、超聲溫度、料液比、乙醇濃度4個因素進(jìn)行 Plackett-burman試驗設(shè)計，選出對提取效果影響顯著的因素。再通過最陡爬坡試驗，找出試驗最佳值區(qū)域。

1.2.9 中心組合試驗 以提取效果評價值為響應(yīng)值，設(shè)計中心組合試驗。擬合最佳值附近的相應(yīng)模型，找出提取花生紅衣色素的最佳工藝。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 提取溶劑對提取效果的影響 由圖1、2可知，乙醇為提取溶劑時，總提取率和紅色素色價值最佳。而乙酸作為提取溶劑時，原花色素得率最高，但由于紅色素難溶于乙酸，紅色素色價很低。綜合考慮提取效果評價值和經(jīng)濟(jì)因素，選擇乙醇作為提取溶劑。

圖1 溶劑對紅色素提取率和色價的影響

圖2 溶劑對原花色素得率和綜合提取效果的影響

2.1.2 超聲時間對提取效果的影響 由圖3、4可知，隨著提取時間的增大，提取率、色價、原花色素含量都是先增大后減小。當(dāng)超聲時間為20 min時，提取效果最佳。是因為時間過短，色素不能充分溶于溶劑；時間過長，色素中部分活性物質(zhì)受損，兩者均使提取效果降低。

圖3 超聲時間對紅色素提取率和色價的影響

圖4 超聲時間對原花色素得率和綜合提取效果的影響

Figure 4 Effect of ultrasonic time on the proanthocyanidins yield and comprehensive extraction effect

2.1.3 超聲溫度對提取效果的影響 由圖5、6可知，隨著提取溫度的增大，提取率、色價、原花色素含量都是先增大后減小。當(dāng)提取溫度為55 ℃時，提取效果最佳。溫度升高的過程中，分子運(yùn)動加劇，滲透和溶解速度增快，提取效果增加；溫度過高后，超聲波的熱效應(yīng)會破壞有效成分，溶質(zhì)會產(chǎn)生氧化作用，提取效果降低。

2.1.4 料液比對提取效果的影響 由圖7、8可知，隨著料液比的增大，提取率、色價、原花色素含量都是先增大后減小。

圖5 超聲溫度對紅色素提取率和色價的影響

圖6 超聲溫度對原花色素得率和綜合提取效果的影響

Figure 6 Effect of ultrasonic temperature on the proanthocyanidins yield and comprehensive extraction effect

圖7 料液比對紅色素提取率和色價的影響

圖8 料液比對原花色素得率和綜合提取效果的影響

Figure 8 Effect of material liquid ratio on the proanthocyanidins yield and comprehensive extraction effect

料液比為1∶30(g/mL)時，提取效果最佳。隨著溶劑體積增大，色素的溶解程度增大，提取效果增大；但溶劑過多時，部分溶質(zhì)會殘留在水相中造成損失，提取效果降低。

2.1.5 溶劑濃度對提取效果的影響 由圖9、10可知，隨著料液比的增大，提取率、色價、原花色素含量都是先增大后減小。溶劑濃度為55%時，色價值最高。溶劑濃度為60%時，原花色素得率、總提取率最佳，這是紅色素和原花色素的性質(zhì)差異造成的。隨著濃度增大，極性增強(qiáng)，色素的溶解增加；濃度過大后，醇溶性和脂溶性強(qiáng)的物質(zhì)會析出，與色素競爭乙醇—水分子，色素的提取效果降低。

圖9 溶劑濃度對紅色素提取率和色價的影響

圖10 溶劑濃度對原花色素得率和綜合提取效果的影響

Figure 10 Effect of solvent concentration on the proanthocyanidins yield and comprehensive extraction effect

2.2 Plackett-Burman試驗結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，設(shè)計Plackett-burman試驗見表1、2。

由表2可知，模型極顯著(P<0.000 1)，擬合度好(R2=0.968 6)，試驗誤差小，本試驗95.07%的數(shù)據(jù)變異可以用此回歸方程來解釋，進(jìn)行優(yōu)化試驗。因素X1、X4對試驗結(jié)果影響極顯著，X2和X3對試驗結(jié)果影響不顯著，據(jù)此可以對超聲時間和溶劑濃度這兩個因素設(shè)計最陡爬坡試驗?；貧w得到方程為：

表1 PB試驗因素水平設(shè)計表

表2 PB試驗設(shè)計及結(jié)果?

Y=23.74+0.83X1-0.14X2-0.094X3+0.92X4。

(5)

2.3 最陡爬坡試驗的設(shè)計與結(jié)果分析

將提取溫度X2和料液比X3固定在單因素試驗的中心點水平，以試驗效應(yīng)值確定超聲時間X1和乙醇濃度X4的爬坡方向和步長，進(jìn)行爬坡試驗。試驗設(shè)計和結(jié)果見表3。

表3 最陡爬坡試驗設(shè)計與結(jié)果

由表3可知，隨著爬坡的進(jìn)行，Y值增大，在第4組試驗時達(dá)到最高點，之后開始減小。表明在第4組試驗對應(yīng)的條件下，即乙醇濃度為65%，超聲時間為25 min時，花生紅衣色素的提取效果最接近最優(yōu)值。故選取這一組的水平作為中心組合設(shè)計的中心點。

2.4 中心組合試驗設(shè)計與結(jié)果分析

利用Design Expert 8.05b設(shè)計2因素5水平的中心組合試驗，中心組合試驗因素及水平編碼值見表4，中心組合試驗設(shè)計及結(jié)果見表5。

對表5試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到回歸模型：

(6)

表5 中心組合試驗設(shè)計及結(jié)果

由表6可知，模型極顯著(P<0.000 1)，擬合度R2=0.976 4，表明該模型試驗誤差小，設(shè)計合理。失擬項不顯著(P=0.573 6)，表明未知因素對試驗的干擾小，可以用來預(yù)測和分析提取效果。

表6 中心組合試驗?zāi)Ｐ头讲罘治鼋Y(jié)果?

? *表示因素對響應(yīng)值的影響顯著，P<0.05；**表示因素對響應(yīng)值的影響極顯著，P<0.01。

圖11 乙醇濃度和超聲時間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖

2.5 最佳提取條件的驗證

根據(jù)模型，預(yù)測X1=26.54，X4=68，此時Y=24.63。將單因素試驗所得最佳條件與響應(yīng)面預(yù)測所得最佳條件結(jié)合，以乙醇為溶劑、溶劑濃度68%、超聲時間26.54 min、超聲溫度55 ℃、料液比1∶30(g/mL)進(jìn)行驗證實驗，重復(fù) 3 次?？紤]到實驗的可行性，調(diào)整超聲時間為27 min。驗證實驗最終得到花生紅衣色素的總提取率為21.6%，色價為34.6，原花色素得率為17.77 mg/g，綜合提取效果值為24.65。與預(yù)測值相近，從而證實該模型合理。

3 結(jié)論

通過單因素試驗、Plackett-burman試驗、最陡爬坡試驗和中心組合試驗的優(yōu)化后，得到超聲輔助提取花生紅衣色素的最佳工藝為：乙醇濃度68%，料液比1∶30(g/mL)，超聲時間26.54 min，超聲溫度55 ℃。結(jié)合實際，調(diào)整時間為27 min，在此條件下，花生紅衣色素的總提取率為21.6%，色價為34.6，原花色素得率為17.77 mg/g，綜合提取效果值為24.65。本試驗得到了超聲輔助提取花生紅衣色素的一個較好的工藝。但本試驗在花生紅衣色素提取效果評價值時采用了最常規(guī)的各占均值求權(quán)重的計算，并未采用函熵值求權(quán)重進(jìn)行準(zhǔn)確比重分析，今后可采用matlab軟件編寫代碼，得到綜合評價公式，并加以實驗驗證，得到更加可靠的試驗結(jié)果。

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The optimization of ultrasonic assisted extraction of pigment from peanut skin

LUO XuanHEJing

(WuhanInstituteofDesignandSciences,SchooloffoodandBiotechnology,Wuhan,Hubei430205,China)

Using the response surface method, the process conditions of ultrasonic-asssisted extraction peanut red pigment from the peanuts red skin was optimized. Based on the single factor experiment, Plackett-Burman experiment design and the steepest ascent experiment, with peanut red pigment comprehensive extraction effect value as a response, using the response surface method studied the factors and their interactions of peanuts red pigment extraction effect, the prediction model was established. The results showed that the optimun conditions for ultrasonic assisted extraction of peanut red pigment are as follows: ethanol as solvent, ethanol concentration 68%, solid-liquid ratio 1∶30 (g/mL), working at 55 ℃ for 27 min. In this condition, we found that the extraction rate of peanut red pigment 21.6%, the color value 34.6, the Proanthocyanidins yield 17.77 mg/g, and the result is 24.65. Our empirical test results showed that a successful response model of peanut red pigment was established.

peanut; red peanut skin; pigment; ultrasonic assisted extraction

湖北省教育廳科研項目(編號：B2015205)

羅璇(1982—)，女，武漢設(shè)計工程學(xué)院副教授，碩士。

E-mail：luoxuan20051982@126.com

2016-03-08