超聲輔助低共熔溶劑提取蝶豆花色素的工藝研究

趙薇

（衡水學(xué)院化工學(xué)院，河北 衡水 053000）

蝶豆花是一種生長(zhǎng)在熱帶地區(qū)的觀賞性植物。蝶豆花不僅有美麗的外表，其花蕾在采收后可制成花茶飲用，也能入藥，或者制成保健品供人食用。蝶豆花中含有的天然花青素含量比一般植物多10倍，是一種具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和藥用價(jià)值的天然色素資源[1-2]。

低共熔溶劑（Deep Eutectic Solvents，DESs）是一種新型的綠色環(huán)保離子液體，其概念由Abbott等[3]在2003年首次提出。低共熔溶劑是由一定化學(xué)計(jì)量比的氫鍵受體（如季銨鹽）和氫鍵給體（如多元醇、羧酸等）構(gòu)成的一類物質(zhì)。常溫下，DESs與傳統(tǒng)溶劑相比粘度大，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，溫度、低共熔溶劑的組成成分以及摩爾比和含水量共同決定低共熔溶劑的極性[4-5]，而其極性的大小影響著它對(duì)物質(zhì)的溶解及提取能力，也正因?yàn)榈凸踩廴軇┧哂械奶刭|(zhì)，使得其在萃取天然產(chǎn)品領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越多。

目前，還沒(méi)有關(guān)于采用低共熔溶劑從蝶豆花中提取蝶豆花色素的報(bào)道。因此，本實(shí)驗(yàn)以蝶豆花為原料，應(yīng)用超聲輔助提取技術(shù)，研究不同低共熔溶劑對(duì)蝶豆花色素提取效果的影響，運(yùn)用響應(yīng)面分析法對(duì)蝶豆花色素提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期在最大限度下提取蝶豆花色素，為蝶豆花的深加工提供一定理論依據(jù)[6]。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

蝶豆花干花，市售；無(wú)水乙醇、乙二醇、丙三醇、1，2-丙二醇、氯化膽堿、無(wú)水甜菜堿，均為分析純，市售。

W100高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司；FA2004B電子天平，上海衡平儀器儀表廠；TD4臺(tái)式高速離心機(jī)，湖南赫西儀器裝備有限公司；TH-600BQ超聲波清洗機(jī)，濟(jì)寧天華超聲電子儀器有限公司；TU-1800紫外可見(jiàn)吸收分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；HW SY11-K電熱恒溫水浴鍋，北京市長(zhǎng)風(fēng)儀器儀表有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原材料預(yù)處理

將蝶豆花干花經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，過(guò)60目篩，密封避光保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 最佳吸收波長(zhǎng)的確定

準(zhǔn)確稱取0.100 0 g蝶豆花粉末6份，分別加入DESs1-6，低共熔溶劑含水率均為40%，液料比1∶25 g/mL，超聲溫度30℃，超聲時(shí)間20 min，將初步得到的提取液離心15 min，得上清液定容，以40%含水率的相應(yīng)DESs作為空白對(duì)照，使用紫外可見(jiàn)吸收光譜儀在400～700 nm波長(zhǎng)內(nèi)進(jìn)行掃描，得到最佳吸收波長(zhǎng)為574 nm。

1.2.3 DESs的制備與選擇

參考Abbott等[3，7-9]，設(shè)計(jì)6組不同低共熔溶劑（見(jiàn)表1），以氯化膽堿和無(wú)水甜菜堿作為HBA（氫鍵受體），將乙二醇、1，2-丙二醇、無(wú)水乙醇、丙三醇作為HBD（氫鍵供體），按照1∶1的摩爾比，在85℃的水浴鍋中恒溫水浴至溶液澄清，冷卻至室溫備用，得到均一透明的DESs1-6。

表1 低共熔溶劑Tab.1 Eutectic solvent

稱取0.100 0 g蝶豆花粉末6份于提取器中，分別加入摩爾比為1∶1的低共熔溶劑（DESs-1、DESs-2、DESs-3、DESs-4、DESs-5、DESs-6），其含水率均為40%，液料比為1∶25 g/mL，超聲溫度30℃，超聲時(shí)間20 min進(jìn)行DESs的選擇。

1.2.4 單因素試驗(yàn)

稱取0.100 0 g蝶豆花粉末，加入低共熔溶劑，含水率（30%、40%、50%、60%、70%），料液比（1∶10 g/mL、1∶15 g/mL、1∶20 g/mL、1∶25 g/mL、1∶30 g/mL），氯化膽堿和無(wú)水乙醇摩爾比（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3），超聲溫度（30℃、40℃、50℃、60℃、70℃），超聲時(shí)間（10 min、20 min、30 min、40 min、50 min），進(jìn)行蝶豆花色素提取，將初步得到的提取液于400 r/min下離心15 min，得上清液定容，測(cè)其吸光度值，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.2.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

選取低共熔溶劑的摩爾比、液料比、超聲時(shí)間、超聲溫度，以蝶豆花色素所對(duì)應(yīng)的吸光度值為響應(yīng)值，進(jìn)行四因素三水平設(shè)計(jì)，用DESsign expert軟件進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化分析，見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素和水平表Tab.2 Response surface DESsign factors and levels

2 結(jié)果與分析

2.1 低共熔溶劑種類對(duì)蝶豆花色素提取的影響

由圖1可知，DESs-3（氯化膽堿-無(wú)水乙醇）對(duì)蝶豆花色素的提取效果最好。6種低共熔溶劑對(duì)蝶豆花色素的提取效果依次為：DESs-3＞DESs-6＞DESs-2＞DESs-5＞DESs-1＞DESs-4。另外，比較DESs與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑（乙醇-水溶液）對(duì)蝶豆花素提取效果的影響，由圖1可看到，低共熔溶劑對(duì)蝶豆花色素的提取效果優(yōu)于傳統(tǒng)有機(jī)溶劑，在許多實(shí)驗(yàn)中，DESs對(duì)天然物質(zhì)的提取效果都優(yōu)于傳統(tǒng)有機(jī)溶劑[10]。DESs之所以對(duì)蝶豆花色素表現(xiàn)出更好的提取效果，可能是由于DESs的極性與蝶豆花色素相似，其擴(kuò)散力、溶解度和極性等有利于花青素的溶出[11]，因此，選擇DESs-3（氯化膽堿-無(wú)水乙醇）作為蝶豆花色素的提取劑。

圖1 提取劑對(duì)蝶豆花色素提取的影響Fig.1 The effect of extractant on the extraction effect of butterfly pea flower pigment

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 摩爾比對(duì)蝶豆花色素提取的影響

不同摩爾比對(duì)蝶豆花色素提取效率的影響如圖2所示。隨著乙醇比例的增加，提取液中蝶豆花色素含量快速上升，當(dāng)氯化膽堿-乙醇的比例為1∶1時(shí)，吸光度值達(dá)到最大，繼續(xù)增加乙醇量，色素的提取率又迅速下降。其原因可能是，DESs在室溫下的黏度很大，增加乙醇含量可降低低共熔溶劑的黏度和表面張力，從而增加目標(biāo)組分的擴(kuò)散和質(zhì)量轉(zhuǎn)移能力，使得色素的提取效率升高，然而，隨著乙醇含量增多，氯化膽堿含量逐漸降低，又會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)組分與低共熔溶劑的相互作用減弱[12-13]。因此，選擇氯化膽堿和無(wú)水乙醇的摩爾比為1∶1為最優(yōu)操作條件。

圖2 摩爾比對(duì)蝶豆花色素提取的影響Fig.2 The effect of molar ratio on extraction of butterfly pea flower pigment

2.2.2 料液比對(duì)蝶豆花色素提取的影響

由圖3可知，隨著料液比的降低，吸光度值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，原因可能是增加溶液量，使得溶液和蝶豆花粉末的接觸增多，從而使得更多的色素溶解到溶液中，提高了提取量，吸光度增加；但溶液量繼續(xù)增加，使得超聲破壞蝶豆花細(xì)胞壁的效果變差，部分蝶豆花色素?zé)o法溶解到溶液中，導(dǎo)致其吸光度下降[14]。因此，最佳液料比為1∶20 g/mL。

圖3 料液比對(duì)蝶豆花色素提取的影響Fig.3 The effect of material-to-liquid ratio on extraction of butterfly pea flower pigment

2.2.3 含水率對(duì)蝶豆花色素提取的影響

如圖4所示，DESs含水率為40%時(shí)，吸光度值最大，水的多少會(huì)影響低共熔溶劑的極性，同時(shí)降低DESs的黏度，黏度降低有利于溶劑和蝶豆花的接觸，可以提高蝶豆花色素的提取效率，但含水量過(guò)高會(huì)使低共熔溶劑中的氫鍵被破壞，削弱DESs與溶質(zhì)間的相互作用[15-16]。因此，選擇含水率40%為最優(yōu)條件。

圖4 含水率對(duì)蝶豆花色素提取的影響Fig.4 The effect of moisture content on extraction of butterfly pea flower pigment

2.2.4 超聲時(shí)間對(duì)蝶豆花色素提取的影響

由圖5可知，在10～20 min時(shí)間段內(nèi)吸光度隨著超聲時(shí)間的增加而上升，這是因?yàn)槌晻r(shí)間越長(zhǎng)，超聲對(duì)于蝶豆花細(xì)胞壁的破壞程度就越大，提取色素增多，吸光度增加；在20～50 min的時(shí)間段內(nèi)吸光度值逐漸降低，可能是隨著超聲時(shí)間的增加，色素溶出率接近飽和，而雜質(zhì)溶出增多[17]，色素提取效果下降。因而在超聲20 min的條件下吸光度最高，提取效果最好。

圖5 超聲時(shí)間對(duì)蝶豆花色素提取的影響Fig.5 The effect of ultrasound time on extraction of butterfly pea flower pigment

2.2.5 超聲溫度對(duì)蝶豆花色素提取的影響

由圖6可看到，隨著超聲溫度的增加，會(huì)進(jìn)一步增加蝶豆花細(xì)胞壁的破壞程度，加大溶劑與蝶豆花的傳質(zhì)能力；隨著超聲溫度再升高，反而會(huì)破壞色素，使色素降解[18]。在超聲溫度為40℃的情況下吸光度最高，提取效果最好。

圖6 超聲溫度對(duì)蝶豆花色素提取的影響Fig.6 The effect of ultrasound temperature on extraction of butterfly pea flower pigment

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)分析

2.3.1響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及方差分析

運(yùn)用Dsign Expert 10軟件進(jìn)行回歸分析，以吸光度值為響應(yīng)值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可得擬合二次回歸方程：Y=1.28-0.22A+0.017B+8.167×10-3C+0.021D-7.5×10-3AB+0.024AC-0.082AD-0.25BC+0.014BD+1.0×10-2CD-0.15A2-0.18B2-0.18C2-0.22D2

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of response surface experiment

從表4可知，模型的P＜0.000 1，說(shuō)明模型極顯著，失擬項(xiàng)P=0.413 5＞0.05不顯著，表明該模型擬合充分，可較好地描述各試驗(yàn)因素與響應(yīng)值間的關(guān)系。R2Adj為0.937 6，說(shuō)明此模型能預(yù)測(cè)實(shí)際試驗(yàn)中約93.76%的結(jié)果，變異系數(shù)CV為5.31%，表明此模型具有更好的可靠性[19]。各試驗(yàn)因素對(duì)蝶豆花色素含量影響大小為A料液比＞D摩爾比＞B超聲時(shí)間＞C超聲溫度，并且料液比對(duì)蝶豆花色素的影響達(dá)到了極顯著水平。利用回歸模型預(yù)測(cè)蝶豆花色素提取的最佳工藝條件：超聲時(shí)間21 min，超聲溫度40℃，摩爾比1∶1.2，料液比1∶16 g/mL，該條件下預(yù)測(cè)蝶豆花色素吸光度值為1.363。在該條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到蝶豆花色素提取液吸光度值為1.359，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值無(wú)顯著差異。

表4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.4 Analysis of variance of experimental results

2.3.2 交互作用的結(jié)果分析

各因素交互對(duì)蝶豆花色素提取液的吸光度值影響的響應(yīng)面圖見(jiàn)圖7～圖12。

圖7 料液比和超聲時(shí)間對(duì)吸光度值的影響Fig.7 Effect of material-to-liquid ratioe and ultrasonic time on absorbance value

圖12 超聲時(shí)間和摩爾比對(duì)吸光度值的影響Fig.12 Effect of ultrasonic time and molar ratio on absorbance value

由圖9可以看出，溶劑摩爾比和料液比的交互作用對(duì)提取液吸光度值的影響是非常顯著的，其等高線為橢圓形，且隨著溶劑摩爾比和料液比的變化，圖形凸起明顯，三維圖坡面陡。料液比的曲線變化幅度大，表明其對(duì)蝶豆花色素的提取效果影響較大。其余影響因素交互作用不顯著[20-21]。

圖8 料液比和超聲溫度對(duì)吸光度值的影響Fig.8 Effect of material-to-liquid ratioe and ultrasonic temperature on absorbance value

圖9 料液比和摩爾比對(duì)吸光度值的影響Fig.9 Effect of material-to-liquid ratioe and molar ratio on absorbance value

圖10 超聲時(shí)間和超聲溫度對(duì)吸光度值的影響Fig.10 Effect of ultrasonic time and ultrasonic temperature on absorbance value

圖11 超聲溫度和摩爾比對(duì)吸光度值的影響Fig.11 Effect of ultrasonic temperature and molar ratio on absorbance value

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以蝶豆花為原材料，采用超聲輔助，氯化膽堿-無(wú)水乙醇低共熔溶劑提取蝶豆花色素，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法優(yōu)化色素提取工藝條件。結(jié)果表明：各因素對(duì)蝶豆花色素提取效果的影響程度由大到?。毫弦罕龋灸柋龋境晻r(shí)間＞超聲溫度，當(dāng)溶劑含水率為40%，超聲時(shí)間為21 min，超聲溫度為40℃，摩爾比為1∶1.2，料液比為1∶16 g/mL時(shí)，可得到最大吸光度值1.363，在該條件下進(jìn)行試驗(yàn)可得其吸光度值為1.359，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值接近，說(shuō)明該模型模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠，為蝶豆花的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供了一定的理論依據(jù)。