超聲輔助提取柚子黃油胞層黃色素的研究

劉 永,連純儀,韋壽蓮,田林杰

(肇慶學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,廣東肇慶 526061)

超聲輔助提取柚子黃油胞層黃色素的研究

劉 永,連純儀,韋壽蓮,田林杰

(肇慶學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,廣東肇慶 526061)

利用超聲波的空化作用和響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化柚子黃油胞層黃色素的提取工藝,建立了提取時(shí)間、料液比和乙醇濃度對(duì)黃色素提取的數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化出最佳提取工藝。結(jié)果表明:料液比、乙醇濃度對(duì)黃色素提取溶液的吸光度影響顯著,最佳提取參數(shù)為提取時(shí)間30min、料液比1∶33g/mL、乙醇濃度51%,在此條件下柚子黃油胞層黃色素提取液的吸光度為1.778(n=3),與預(yù)測(cè)值無顯著性差異。

超聲波,響應(yīng)面,柚子,黃色素

食用色素用于食品的著色,改善食品的色彩,賦予食品誘人的色澤,使著色的食品給人識(shí)別視覺風(fēng)味和味覺閾值,從而給消費(fèi)者帶來良好的感官感受和強(qiáng)烈的購(gòu)買欲[1-3]。隨著人們對(duì)食品安全越來越重視,天然食用色素色調(diào)自然,安全無毒,同時(shí)還兼有營(yíng)養(yǎng)和保健功能,越來越受到關(guān)注[4-6]。

目前,開發(fā)利用兼有營(yíng)養(yǎng)和保健功能的天然色素是色素的研究熱點(diǎn)。黃色素是一類非常重要的天然色素,占市場(chǎng)需求量的60%,前景廣闊[2]。柚皮是柚子加工所產(chǎn)生的廢棄物,約占整個(gè)柚子質(zhì)量的50%。柚皮的黃油胞層富含黃色素,充分提取和利用柚皮黃色素,不僅可以減少環(huán)境污染,還可以變廢為寶,產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。本研究先將柚子皮分離成黃油胞層和白囊皮,利用超聲波的機(jī)械振動(dòng)、空化作用和提取溫度低等特點(diǎn)[7-8],提取黃油胞層的黃色素。與傳統(tǒng)提取相比,提取率高,可保護(hù)黃色素,既適合工業(yè)化生產(chǎn),又提高柚子皮的綜合利用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

沙田柚子皮 取于農(nóng)貿(mào)市場(chǎng);無水乙醇為分析純。

TD3C800B離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司;UVmini-1240紫外可見分光光度計(jì) 島津企業(yè)管理(中國(guó))有限公司;DFY-250A高速組織粉碎機(jī) 上海比朗儀器有限公司;SK8200H超聲波清洗器 上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 黃油胞層粉末的制備 將新鮮的沙田柚子皮削去白囊皮獲得黃油胞層,將黃油胞層干燥、粉碎過80目篩得到黃油胞層粉末。

1.2.2 黃油胞層黃色素的光譜特性 將黃油胞層粉末按1∶20料液比加入濃度為60%的乙醇溶液超聲提取20min,以10000r/min離心10min,上清液定容于100mL容量瓶,利用UVmini-1240紫外可見分光光度計(jì)在200～600nm波長(zhǎng)下進(jìn)行掃描,測(cè)定其黃油胞層黃色的紫外紫外-可見光譜。

1.2.3 黃油胞層黃色素提取 用精度為萬分之一的天平稱量固定重量的黃油胞層粉末,按一定料液比加入乙醇溶液,在超聲波清洗器中提取一定時(shí)間后,離心(10000r/min,10min),上清液定容于100mL容量瓶,測(cè)定其吸光度,以吸光度的大小來表示黃色素的提取率。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn) 以吸光度為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。提取時(shí)間的影響:料液比為1∶20,乙醇濃度為50%,提取時(shí)間分別為20、30、40、50、60min;料液比的影響:提取時(shí)間為30min,乙醇濃度為50%,料液比分別為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50g/mL;乙醇濃度的影響:提取時(shí)間為30min,料液比為1∶20,乙醇濃度分別為30%、40%、50%、60%、70%。

1.2.5 響應(yīng)面優(yōu)化 在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)原理,以吸光度為優(yōu)化目標(biāo),選擇提取時(shí)間、料液比、乙醇濃度進(jìn)行3因素3水平實(shí)驗(yàn),利用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。實(shí)驗(yàn)因素水平編碼見表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼表Table 1 Factors and levels of response surface design

2 結(jié)果與分析

2.1 柚子黃油胞層黃色素的光譜特性

將柚子黃油胞層黃色素溶液在紫外可見分光光度計(jì)上進(jìn)行200～600nm波長(zhǎng)掃描,得到柚子黃油胞層黃色素的紫外-可見光譜圖(圖1)。從圖1可知,柚子黃油胞層黃色素分別在259、276、322nm處有顯著的吸收峰,說明該黃色素的主要成分為黃酮類化合物。由于最大吸收峰在322nm處,所以在322nm處測(cè)定溶液的吸光度來表示黃色素的提取率。

圖1 柚子黃油胞層黃色素的紫外-可見光譜Fig.1 UV-vis spectroscopy of yellow pigment from flavedo of grapefruit

2.2 提取時(shí)間的影響

提取時(shí)間對(duì)黃色素提取的影響見圖2。從圖2可知,吸光度隨提取時(shí)間的增加先增后降,在30min達(dá)到最大值,40min后吸光度下降非?？?。超聲波具有機(jī)械效應(yīng),空化效應(yīng)和熱效應(yīng),通過增大介質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)速度、增大介質(zhì)的穿透力使溶劑快速地進(jìn)入固體物質(zhì)中,將活性成分盡可能完全地溶于溶劑之中,實(shí)現(xiàn)活性成分的快速提取[9-10]。所以,提取時(shí)間的增加有利于增加黃色素的溶出,使吸光度增加;但提取時(shí)間過長(zhǎng),超聲的機(jī)械效應(yīng),空化效應(yīng)和熱效應(yīng)可能會(huì)破壞黃色素的結(jié)構(gòu),使黃色素發(fā)生降解,導(dǎo)致吸光度降低[11]。故提取時(shí)間選擇30min左右為宜。

圖2 吸光度隨提取時(shí)間變化的曲線Fig.2 Curve of absorbance changing with extraction time

2.3 料液比的影響

料液比對(duì)黃色素提取的影響見圖3。從圖3可知,吸光度隨料液比的增大先增后降,在1∶30(g/mL)達(dá)到最大值,然后吸光度下降。料液比的變化關(guān)系到質(zhì)量的傳遞和超聲能量密度的分配[12]。料液比小,即溶劑量少,提取體系滲透壓過高,使黃色素溶出阻力增大,不利于黃色素的溶出,吸光度較小;隨著料液比的增大,提取體系滲透壓降低,有利于黃色素的溶出,吸光度增加;但料液比過高,單位體積提取劑中的超聲能量密度降低,超聲破碎細(xì)胞的程度下降,不利于黃色素的溶出[12-13],導(dǎo)致吸光度下降。同時(shí),料液比的增大會(huì)增加去除溶劑負(fù)荷和生產(chǎn)成本,故料液比選擇1∶30(g/mL)左右為宜。

圖3 吸光度隨料液比變化的曲線Fig.3 Curve of absorbance changing with solid-liquid ratio

2.4 乙醇濃度的影響

乙醇濃度對(duì)黃色素提取的影響見圖4。從圖4可知,吸光度隨乙醇濃度的增加先增后降,在50%達(dá)到最大值,然后吸光度有所下降。水可作為基質(zhì)的溶脹劑,而乙醇可以破壞溶質(zhì)與基質(zhì)之間形成的鍵[12]。此外,水具有高的介電常數(shù),使不同濃度的乙醇溶液具有不同的極性[14]。一方面隨著乙醇濃度的增加,乙醇作為有機(jī)溶劑破壞黃色素與基質(zhì)之間形成的鍵的能力增加,使黃色素溶解增加,溶出基質(zhì)容易,導(dǎo)致吸光度增加;另一方面乙醇濃度增加,溶劑極性降低,降低水溶性黃色素的溶出,導(dǎo)致吸光度降低。溶劑的極性過高和過低時(shí),都會(huì)降低黃色素的溶出,所以,乙醇濃度為50%溶液的極性對(duì)黃色素的提取最合適,故乙醇濃度選擇50%左右為宜。

圖4 吸光度隨乙醇濃度變化的曲線Fig.4 Curve of absorbance changing with ethanol concentration

2.5 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

以提取時(shí)間、料液比和乙醇濃度為響應(yīng)變量,以吸光度(Y)為響應(yīng)值進(jìn)行Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results of response surface

采用Design-Expert軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合分析,得到吸光度與各因素變量二次方程模型為:

Y=1.77+0.00138X1+0.06X2+0.026X3-0.00875X1X2+0.053X1X3-0.029X2X3-0.032X12-0.089X22-0.15X32

回歸模型方差分析見表3。由表3可知,回歸方程模型極顯著(p<0.01),模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.9879,模型變異系數(shù)為1.21%,說明該二次模型能夠擬合真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)誤差小;模型的失擬項(xiàng)(p>0.05)不顯著,表明模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符,模型擬合程度好[9]。

表3 回歸方程的方差分析Table 3 Variance analysis for regression equation

注:R2=0.9879;C.V.%=1.21。

由表4的回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知,因素料液比(X2)和乙醇濃度pH(X3)對(duì)吸光度的影響顯著(p<0.05),提取時(shí)間(X1)和乙醇濃度pH(X3)、料液比(X2)和乙醇濃度pH(X3)的交互作用對(duì)吸光度的影響顯著(p<0.05);各因素對(duì)吸光度的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,而是非線性關(guān)系。

表4 回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 4 Significant test of regression coefficient

2.6 響應(yīng)曲面分析

吸光度對(duì)各因素的三維曲面見圖5。通過曲面和等高線的形狀可以判斷因素對(duì)吸光度影響的顯著性以及因素之間交互作用的強(qiáng)弱[9]。從圖5可知,三維曲面都為上凸曲面,最高點(diǎn)均落在所選區(qū)域內(nèi),說明因素水平選擇合理;吸光度隨提取時(shí)間(X1)、料液比(X2)和乙醇濃度(X3)的增加均呈現(xiàn)先增后降的二次關(guān)系;等高線疏密表明因素影響吸光度的大小順序?yàn)榱弦罕?X2)>乙醇濃度(X3)>提取時(shí)間(X1);等高線的形狀反映提取時(shí)間(X1)和乙醇濃度(X3)、料液比(X2)和乙醇濃度(X3)的交互作用對(duì)吸光度影響顯著,提取時(shí)間(X1)和料液比(X2)的交互作用對(duì)吸光度影響不顯著。

圖5 不同因素對(duì)吸光度影響的響應(yīng)曲面Fig.5 Response surface of effects of different factors on absorbance

2.7 最佳參數(shù)的確定

由Design-Expert軟件獲得黃色素提取的最佳條件為:提取時(shí)間30.26min、料液比1∶33.27g/mL、乙醇濃度50.6%,吸光度的預(yù)測(cè)值為1.785。為了方便實(shí)際操作,最佳條件確定為:提取時(shí)間30min、料液比1∶33g/mL、乙醇濃度51%。在此條件下柚子黃油胞層黃色素提取液的吸光度為1.778(n=3),與預(yù)測(cè)值相差0.39%,說明該模型用于提取黃色素是可靠的。

3 結(jié)論

采用響應(yīng)面法對(duì)柚子黃油胞層黃色素的提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化,建立了黃色素提取的數(shù)學(xué)模型。料液比、乙醇濃度對(duì)黃色素提取溶液的吸光度影響顯著;最佳提取工藝參數(shù)為提取時(shí)間30min、料液比1∶33g/mL、乙醇濃度51%,在此條件下柚子黃油胞層黃色素提取液的吸光度為1.778(n=3),與預(yù)測(cè)值無顯著性差異,有利于提高柚子皮的綜合利用。

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Ultrasonic assisted extraction of yellow pigment from flavedo of grapefruit

LIU Yong,LIAN Chun-yi,WEI Shou-lian,TIAN Lin-jie

(School of Chemical and Engineering,Zhaoqing University,Zhaoqing 526061,China)

The ultrasonic cavitation and the response surface methodology were used to optimize the extraction process of the yellow pigment from flavedo of grapefruit,and a mathematical model of extraction time,solid-liquid ratio and ethanol concentration on the extraction of yellow pigment was established to obtain the optimal extraction process. The results showed that the effects of solid-liquid ratio and ethanol concentration on the absorbance of yellow pigment extract solution were significant,and the optimal extraction process was extraction time of 30min,solid-liquid ratio of 1∶33g/mL and ethanol concentration of 51%,under which the absorbance of yellow pigment extract solution was 1.778(n=3)and there was no significant difference between prediction value.

ultrasonic;response surface;grapefruit;yellow pigment

2014-09-09

劉永(1977-)，男，博士，副教授，主要從事功能食品與功能材料的研究。

廣東省教育廳科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2012klcx0104)。

TS202.3

B

1002-0306(2015)11-0223-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.11.037