超聲波輔助條件下甜菜紅色素提取率研究

關鍵詞：紅甜菜超聲波輔助天然色素提取率

0引言

近年來食品安全事件頻發(fā)，消費者對于食品安全問題越來越重視。食用色素作為食品中常用的食品添加劑，也引發(fā)了消費者的廣泛關注。而天然食用色素因其無毒、無害等安全性質，也越來越被大多數(shù)人認可。經浸提等方法提取的紅甜菜中的甜菜紅色素為天然色素，具有無毒、無害等安全性質，近年來逐漸被應用在食品工業(yè)中[1]

甜菜紅色素大量存在于紅甜菜中，是一種具有生物活性的水溶性含氮色素，在酸性條件下較為穩(wěn)定，堿性和高溫環(huán)境下不穩(wěn)定，耐氧化和還原能力差[2]。甜菜又名牛皮菜、火焰菜等，最早產于歐洲地區(qū)，后經絲綢之路傳入我國。甜菜在我國的種植范圍比較小，主要分布在內蒙古地區(qū)，其主要作為餐飲中的配菜使用。但是隨著新品種的引入，我國甜菜種植面積不斷擴大，甜菜產量也隨之增加。

隨著人們生活水平的不斷提高，現(xiàn)階段天然色素的生產量已不能滿足當下市場的需求。而天然食用色素提取工藝困難，不容易保存，且成本較高，制約了天然色素的廣泛應用。研究紅甜菜中的色素提取，對于進一步提高甜菜紅色素的提取率，合理地使用甜菜紅色素，使其發(fā)揮出自身的獨特價值有著重要的現(xiàn)實意義。同時，也有利于拓寬天然色素的應用范圍，起到推廣作用。

1甜菜紅色素研究概況

1.1甜菜中色素組成

甜菜紅色素是從黎科甜菜屬紅甜菜（BetavulgarisL.var.rabra）的塊根中提取的天然產物。甜菜紅色素是食用甜菜中所含有色化合物的總稱，甜菜紅色素中主要成分為甜菜苷[3]，如圖1所示。

1.2甜菜紅色素應用現(xiàn)狀

甜菜紅色素作為一種天然色素，在食品加工過程中被作為著色劑或食品添加劑使用。除了食品用途之外，甜菜紅色素憑借其抗菌、消炎、抗病毒等特點，在藥物方面也取得了比較好的效果。同時，甜菜紅色素還具有抗疲勞和抗氧化作用，在化妝品、保健品領域有著不錯的應用前景。此外，紅甜菜植株本身所具有的凈水能力、甜菜色素在染料敏化太陽能電池和綠色緩蝕劑上的應用，具有環(huán)保、低成本和可持續(xù)性等多方面優(yōu)勢。因其本身具有的多種特性，在未來的應用方向也有著多種可能[4]。因此研究生物合成甜菜紅素，提高甜菜紅素產能，對于甜菜紅素的食品、工業(yè)等開發(fā)應用具有積極影響。

1.3提取紅色素方法

甜菜紅色素是一種天然色素，具有無毒、無害、營養(yǎng)、保健等功效，可在多領域使用[5]。但甜菜紅色素易受環(huán)境影響，其抗氧化、抗酸堿、抗高溫等能力較差，在提取過程中易消耗損失[6]。近年來，我國已逐步發(fā)展為紅甜菜種植產量大國，但對甜菜色素的提取研究項目還比較少，技術不夠成熟，對紅甜菜色素的應用推廣產生較大的阻礙。

目前，對甜菜紅色素的提取方法有溶劑提取法、微波提取法、酶提取法、外加電場提取等。甜菜紅色素易溶于水和部分有機溶劑，因此提取紅葉甜菜的甜菜紅色素多采用溶劑浸提法。Latorre等[7]采用微波方式處理甜菜根，使微波破壞甜菜細胞的細胞壁，讓甜菜細胞中的色素迅速溶出。魯青等[8]采用纖維素酶提取法對甜菜細胞壁進行分解，可有效促進甜菜色素的釋放。Prakash等[9]將甜菜切片置于高壓電場中進行提取，這種常溫下的方法可以使熱敏性較高的甜菜色素保持穩(wěn)定。

1.4本試驗提取方法優(yōu)勢

超聲波能夠有效破壞甜菜細胞的細胞膜、液泡等細胞結構，加快色素的釋放，超聲輔助提取技術具有提取效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢[10]。本試驗在傳統(tǒng)的溶劑提取法基礎上，采用超聲波輔助進行提取，并對不同條件進行研究，改善甜菜紅色素的提取工藝，增加天然色素的提取率，提升甜菜紅色素的品質，且所提取的色素為可食用級別，能更好地適應現(xiàn)在的市場環(huán)境。

2材料與方法

2.1材料及儀器

2.1.1試驗試劑

本試驗主要用到的試劑見表1。

2.1.2試驗儀器

本試驗用到的主要儀器設備見表2。

2.2試驗方法

2.2.1提取流程

首先稱取預處理后的紅甜菜放到錐形瓶中，加入檸檬酸，再按不同的料液比加入蒸餾水，之后在超聲波條件下進行水浴浸提，最后在紫外可見光分光光度計中測吸光值。在單因素試驗基礎上，分別確定各個因素的最佳值，圖2所示為具體的流程圖。

2.2.2操作要點

（1）預處理：新鮮的紅甜菜，切絲。

（2）蒸汽滅酶：將紅甜菜細絲進行水蒸氣滅酶處理5min。

（3）浸提：加入一定的檸檬酸進行護色。

（4）離心過濾：將浸提液高速離心后進行過濾，取上清液測定其吸光值。

（5）濃縮干燥：將上清液置于55℃下進行25min減壓濃縮，之后進行干燥。

（6）成品包裝：將干燥后的甜菜紅色素進行真空包裝。

2.2.3單因素對吸光值的影響

2.2.3.1不同的時間段對吸光值的影響

稱取紅甜菜10g，放入燒杯，之后加入檸檬酸，以料液比1∶5加入蒸餾水，溫度30℃，在超聲波輔助環(huán)境下，在浸提功率480W環(huán)境條件下分別輔助浸提20min、30min、40min、50min、60min，在離心機離心后取靠上位置的清液，進行吸光值的測定，做3組平行試驗，計算平均值。

2.2.3.2不同功率對吸光值的影響

稱取紅甜菜10g，放入燒杯，之后加入檸檬酸，以料液比1∶5加入蒸餾水，溫度30℃，在超聲波輔助環(huán)境下，以浸提功率分別為450W、460W、470W、480W、490W、500W、510W分別超聲波輔助浸提40min，在離心機離心后取靠上位置的清液，進行吸光值的測定，做3組平行試驗，計算平均值。

2.2.3.3酸度對吸光值的影響

稱取紅甜菜10g，放入燒杯，分別加入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的檸檬酸，以料液比1∶5加入蒸餾水，溫度30℃。在超聲波輔助環(huán)境下，在功率為480W輔助環(huán)境條件下進行40min的超聲波浸提，浸提液離心之后取上清液，在紫外分光光度計下測其吸光值，做3組平行試驗，計算平均值。

2.2.3.4料液比對吸光值的影響

稱取紅甜菜10g，放入燒杯，之后加入檸檬酸，分別以料液比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30加入蒸餾水，浸提溫度30℃，在超聲波輔助環(huán)境中，超聲波功率480W輔助環(huán)境條件下提取40min后，放入離心機離心，后取靠上位置清液，在紫外可見分光光度計下測其吸光值，做3組平行試驗，計算平均值。

2.2.4甜菜紅色素的提取率計算

在最佳的浸提條件下提取甜菜紅色素，得到的色素濃縮干燥，計算甜菜紅色素的提取率。提取率計算方法為：

3結果與分析

3.1酸度對吸光值的影響分析

確定酸堿度的試驗結果見圖3。

由圖3可知，在檸檬酸含量在0.1%～0.5%時，隨著檸檬酸的量越來越大，色素的吸光值也不斷增加，當檸檬酸含量為0.5%時，所對應吸光值最高。如果再繼續(xù)增大檸檬酸的添加量，吸光值則逐漸呈下降趨勢，即甜菜紅色素在pH為5～6時，浸提效率最優(yōu)。

3.2功率對吸光值的影響分析

由圖4可知，隨著功率的增加，甜菜紅色素的吸光值先增加再減少，在浸提功率為480W時，甜菜紅色素吸光值最高。當功率繼續(xù)升高時，較強的超聲波可能對色素產生一定的影響，導致色素的含量降低，進而吸光值有下降的趨勢。

3.3時間對吸光值的影響分析

由圖5可知，浸提時間對吸光值的影響整體趨勢為拋物線形式，即隨著浸提時間的變化，甜菜紅色素的吸光值先增后減，在浸提時間為40min時，甜菜紅色素的吸光值呈現(xiàn)最高，之后受其他因素影響而逐漸降低。

3.4料液比對吸光值的影響分析

由圖6可知，隨著料液比的變化，甜菜紅色素吸光值變化較為平緩，在料液比值為1∶10時，吸光值達到最高峰。隨著料液比的變化，可能對色素的提取造成一定的影響，使得吸光值呈現(xiàn)下降趨勢。

3.5響應面法優(yōu)化提取工藝條件

3.5.1試驗方案及試驗水平

應用Box-Behaken中心組合設計試驗的方法，首先采用單因素試驗，分別獲得各單因素的最佳取值，然后應用四因素三水平的設計方案，觀察圖像對甜菜紅色素吸光值的影響，試驗設計的相關因素及水平見表3。

3.5.2響應面分析方案與結果分析

對本次色素提取響應面分析，具體方案見表4。

試驗數(shù)據采用Design軟件對該模型進行回歸分析，結果見表5。響應面結果分析圖例見圖7～圖12。

3.5.3結果分析

依據試驗結果，本次建立模型是二次線性回歸方程，方程公式如下：

根據Design軟件進行計算，可以得出，在溫度為30℃、浸提時間為25min、料液比為1∶5.03、浸提功率為500W、吸光值為0.647時，Y值是最大值，提取率是82.78%。

3.6適合工藝條件的試驗

為了對試驗數(shù)據和優(yōu)化條件準確性，對甜菜紅色素提取進行試驗，將浸提功率為500W，料液比為1∶5.03。在30℃下進行25min超聲波輔助浸提。之后用離心機離心后取上層澄清液測定吸光值，重復進行3次同樣條件下的試驗，綜合測出吸光值平均數(shù)為0.674，與預測值的誤差是4.08%，提取率是82.69%。

4結論

通過響應面分析的方法，利用Design軟件進行影響因素浸提功率、浸提溫度、浸提時間、料液比對甜菜紅色素的方程模型的建立。

從模型的圖示表面可以直觀地看出各因素的變化情況，并且采用Box-behnken試驗設計方法對甜菜紅色素的響應值進行條件優(yōu)化，結果表明：

（1）經過響應面分析得知對紅色素提取率最大的是料液比，其次是浸提功率。

（2）甜菜紅色素在最終發(fā)現(xiàn)在料液比為1∶5.03、浸提功率500W、浸提溫度為30℃、浸提時間25min的條件下，甜菜紅色素的浸提率最高，為82.69%。