超聲-微波聯(lián)合輔助提取黑豆色素的工藝研究

焦忠耀，聶云川，王心彤，劉海燕

(營口理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程系，遼寧 營口 115014)

黑豆紅色素是從黑色大豆種皮中提取的花色苷類色素，是一種安全無毒的水溶性天然色素，該色素能有效的清除體內(nèi)自由基，具有抗氧化、延緩衰老的作用和抗肥胖、降血脂等重要功效[1]。當(dāng)前，黑豆紅色素在食品業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、化工業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面有著廣泛的應(yīng)用，因此研究黑豆紅色素的提取工藝，對該色素的開發(fā)與應(yīng)用具有重要意義。目前，國內(nèi)外對黑豆色素提取的研究主要采用鹽酸乙醇作為溶劑通過熱浸提法、超臨界提取、微波輔助法和超聲輔助法等方法對色素進(jìn)行提取[2-4]。本文首次應(yīng)用超聲與微波聯(lián)合輔助方法提取黑豆紅色素，并通過單因素實驗和正交實驗，得到超聲-微波聯(lián)合輔助提取黑豆色素的最佳提取工藝。

1 實驗材料與方法

1.1 材料與試劑

黑豆：市售(營口市永輝超市)；無水乙醇、鹽酸等均為分析純。

1.2 儀器

BILON-ZCW-1000W微波·超聲·紫外光催化合成儀，上海比朗儀有限公司；CTH1650臺式高速離心機(jī)，湖南湘立科學(xué)儀器有限公司；PHS-3B精密pH計，上漲虹益儀器儀表有限公司；759CR可見分光光度計，上海佑科儀器儀表有限公司；9071A電熱恒溫干燥箱，太倉精宏儀器設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黑豆皮樣制備

取少量黑豆于燒杯中加入蒸餾水浸泡10 min，黑豆皮會出現(xiàn)褶皺，手工剝離豆皮放入燒杯中備用，然后將豆皮放入電熱恒溫干燥箱中在溫度為80 ℃條件下，烘20 min，獲得干燥的黑豆皮。取一部分干燥的黑豆皮經(jīng)瑪瑙研體研磨后制備成粉末狀，待用。

1.3.2 單因素實驗

(1)考察超聲功率對豆皮色素提取效果的影響。分別稱取5份研磨后黑豆皮4 g，加入60 mL體積分?jǐn)?shù)為30%的乙醇溶液，調(diào)節(jié)pH值=2，置于微波·超聲·紫外光催化合成儀中，設(shè)置微波功率100 W，溫度為70 ℃，在超聲功率為80、90、100、110、120 W下浸提15 min。

(2)考察微波功率對豆皮色素提取效果的影響。分別稱取5份研磨后黑豆皮4 g，加入60 mL體積分?jǐn)?shù)為30%的乙醇溶液，調(diào)節(jié)pH值=2，置于微波·超聲·紫外光催化合成儀中，設(shè)置超聲波功率100 W，溫度為70 ℃，在微波功率為80、90、100、110、120、140 W下浸提15 min。

(3)考察浸提溫度對豆皮色素提取效果的影響。分別稱取5份研磨后黑豆皮4 g，加入60 mL體積分?jǐn)?shù)為30%的乙醇溶液，調(diào)節(jié)pH值=2，置于微波·超聲·紫外光催化合成儀中，設(shè)置超聲功率100 W、微波功率120 W，在溫度為50、60、70、80、90℃下浸提15 min。

(4)考察乙醇溶液體積分?jǐn)?shù)對豆皮色素提取效果的影響。稱取5份研磨后黑豆皮4 g，分別加入到60 mL體積分?jǐn)?shù)為10%、30%、50%、70%、90%乙醇溶液中，調(diào)節(jié)pH值=2，置于微波·超聲·紫外光催化合成儀中，設(shè)置超聲功率100 W、微波功率120 W，溫度在70 ℃下浸提15 min。

(5)考察料液比對黑豆色素提取效果的影響。稱取5份研磨后黑豆皮4 g，按料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30(g:mL)的比例，分別加入相應(yīng)體積的50%的乙醇溶液，調(diào)節(jié)pH值=2，置于微波·超聲·紫外光催化合成儀中，設(shè)置超聲功率100 W、微波功率120 W，溫度在70 ℃下浸提15 min。

(6)考察浸提pH值對黑豆色素提取效果的影響。分別稱取5份研磨后黑豆皮4 g，加入60 mL體積分?jǐn)?shù)為50%的乙醇溶液，用稀鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值為1、2、3、4、5，置于微波·超聲·紫外光催化合成儀中，設(shè)置超聲功率100 W、微波功率120 W，溫度在70 ℃下浸提15 min。

(7)考察浸取時間對豆皮色素提取效果的影響。分別稱取5份研磨后黑豆皮4 g，加入60 mL體積分?jǐn)?shù)為50%的乙醇溶液，調(diào)節(jié)pH值=1，置于微波·超聲·紫外光催化合成儀中，設(shè)置超聲功率100 W、微波功率120 W，溫度為70 ℃，設(shè)定時間分別為15、25、35、45、55min下浸提。

1.3.3 正交實驗

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，選取料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)和浸提溫度三個影響吸光度較大的因素進(jìn)行正交實驗，設(shè)計L9(33)正交實驗，以波長為520 nm處吸光度為評判指標(biāo)，確定黑豆紅色素最佳提取條件[5]。

1.3.4 黑豆色素的測定

取8 mL提取液用高速離心機(jī)進(jìn)行離心后，取上層清液5 mL于50 mL容量瓶中定容，用可見分光光度計，在波長為520 nm處測量吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 最佳超聲功率選擇結(jié)果

實驗結(jié)果如表1所示，超聲功率的改變對豆皮色素提取效果有一定的影響，但影響不明顯，當(dāng)超聲功率為100 W時，色素浸提率最高。當(dāng)超聲功率大于100 W時，浸提效果略有下降，可能是超聲功率過大造成豆皮色素結(jié)構(gòu)改變，因此，選擇超聲功率為100 W。

表1 超聲功率對豆皮色素提取效果的影響結(jié)果

2.1.2 最佳微波功率選擇結(jié)果

實驗結(jié)果如表2所示，微波功率的大小對豆皮色素提取有一定影響，當(dāng)微波功率等于120 W時，色素浸提率最高。當(dāng)微波功率繼續(xù)變大，吸光度有所下降，可能是微波功率太大，容易造成色素結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

表2 微波功率對豆皮色素提取效果的影響結(jié)果

2.1.3 浸提溫度選擇結(jié)果

由表3可知，在溫度為70 ℃之前，隨著浸提溫度的升高，對色素提取效果有促進(jìn)作用，當(dāng)溫度超過70 ℃時，再升溫則色素提取率有下降趨勢?？赡艿脑蚴菧囟冗^高會破壞豆皮色素的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致色素褪色?？紤]到提取條件、色素穩(wěn)定性等因素，選擇浸提溫度為70 ℃。

表3 浸提溫度對豆皮色素提取效果的影響

2.1.4 乙醇溶液體積分?jǐn)?shù)選擇結(jié)果

乙醇溶液體積分?jǐn)?shù)對豆皮色素提取的實驗結(jié)果如表4所示，不同的體積分?jǐn)?shù)的乙醇對豆皮色素提取率有較大影響，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%時，提取效果最佳。

表4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對豆皮色素提取效果的影響

2.1.5 最佳料液比選擇結(jié)果

實驗結(jié)果如表5所示，料液比對黑豆色素提取效果有較大影響，隨著料液比增大，從整體上看料液比(g:mL)在1∶10到1∶15時色素提取率呈上升趨勢，1∶15之后呈下降趨勢，因此在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，料液比在1∶15之間色素提取效果較好。

表5 料液比對黑豆色素提取效果的影響

2.1.6 最佳浸提液pH值選擇結(jié)果

實驗結(jié)果如表6所示，提取液的酸堿性對黑豆色素提取效果影響較大，在酸性較強(qiáng)環(huán)境下提取效果較好，隨著pH值的增大，提取液的吸光度有減小的趨勢，在pH值=1時吸光度有最大，當(dāng)pH值大于1后，吸光度值下降明顯。

表6 浸提pH值對黑豆色素提取效果的影響結(jié)果

2.1.7 浸提時間選擇結(jié)果

實驗結(jié)果如表7所示，隨著浸提取時間的延長，有利于利于黑豆皮色素的浸出，黑豆色素含量隨之增加，當(dāng)浸提時間超35 min時，浸提液中黑豆色素的含量趨于恒定。為了節(jié)約能源、低碳環(huán)保，我們在正交實驗時，采用浸提時間為35 min。

表7 浸提時間對黑豆色素提取效果的影響結(jié)果

2.2 正交實驗設(shè)計結(jié)果與分析

表8 正交因素水平表

表9 L9(33)正交實驗結(jié)果及分析

通過對超聲功率、微波功率、浸提時間、乙醇體積分?jǐn)?shù)、料液比、浸提pH值和浸提溫度七個單因素對黑豆色素提取效果的分析，最終選擇料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)和浸提溫度三個影響吸光度較大的因素進(jìn)行正交實驗，為了確定較佳提取效果，以提取液在波長為520 nm處吸光度為評判指標(biāo)，對以上三個因素設(shè)計L9(33)正交實驗，因素水平表見表8，正交實驗結(jié)果見表9。

由正交實驗結(jié)果可以看出，以上三個因素對黑豆色素提取效果的影響的主次順序依次為A>B>C，即：料液比>乙醇體積分?jǐn)?shù)>浸提溫度。從極差數(shù)據(jù)分析，得出黑豆色素最佳提取條件A2B3C2。以料液比(g∶mL)1∶15、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、浸提溫度70 ℃進(jìn)行實驗，測得吸光度為0.603。

3 結(jié)論

通過對超聲功率、微波功率、浸提溫度、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、浸提pH值、浸提時間七種單因素實驗對黑豆色素提取效果的分析后，確定以料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、浸提溫度三個因素影響進(jìn)行正交實驗，得到黑豆色素提取的最佳工藝為：料液比(g∶mL)1∶15、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、浸提溫度70℃、pH值=1、超聲功率100 W、微波功率120 W，在浸提時間35 min條件下黑豆的色素提取效果最好。