超声波辅助提取盐地碱蓬红色素的工艺研究

吴 涛,姚志刚,许 杰,王秀鹏

(1.滨州学院生命科学系,山东滨州 256603;2.滨州市食品安全重点实验室,山东滨州 256603;3.滨州职业学院生物工程系,山东滨州 256600)

盐地碱蓬 (Suaeda salsa)属藜科,一年生草本植物,一般生于海滨、荒漠等处的盐碱荒地上,是一种典型的盐碱地指示植物。有研究表明,碱蓬提取物的甲酯化产物对急性炎症有明显的抑制作用,其幼苗的分离提取物也对机体具有增强非特异性免疫功能的作用[1-2]。红色素在食品工业中,属于价值较高的色素添加剂,盐地碱蓬在红叶期,可加工制作碱蓬红色素。王长泉等以盐地碱蓬为试材,对其叶片中红色素的理化性质进行了研究,表明盐地碱蓬红色素为甜菜红素[3]。目前国内对甜菜红素提取主要采用传统的溶剂萃取法[4]。国外采取了一些新的技术。Zvitov等[5]将甜菜切片置于场强为 40 V/cm的电场中进行色素的提取;Mustafa Fincan等[6]用脉冲电场进行辅助提取试验并建立提取的数学模型。采用外加电场辅助提取是在常温下进行,对甜菜红素这样的热敏性色素来说,是比较有利的,但是外加电场提取对脉冲发生器的电压、脉冲波的技术参数以及提取室的要求都比较高,设备投入以及维护成本也较高[7]。超声波作为是一种弹性波,能产生强烈振动、高加速度、强烈空化效应和搅拌作用等,可加速有效成分的溶出。利用超声波辅助提取具有提取时间短、产率高、无需加热、低温提取,有利于有效成分的保护等优点。目前关于超声波辅助提取盐地碱蓬红色素的研究还未见报道。本研究采用超声波技术对盐地碱蓬红色素的提取进行试验研究,通过单因素和正交试验优选最佳工艺参数,为进一步开发利用这一天然色素提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

盐地碱蓬,采自黄河三角洲滨海盐碱地。

1.2 主要仪器

756PC紫外 -可见光分光光度计。上海光谱仪器厂;KQ-1000DE型数控超声波清洗器。昆山市超声仪器有限公司;HH-8数显恒温水浴锅。江苏金坛市荣华仪器制造有限公司;PH-S-3精密数显酸度计。浙江象山县石铺海天电子仪器厂;ALl04电子天平。梅特 -托利多仪器上海有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 盐地碱蓬红色素的超声波辅助提取

将盐地碱蓬植株用蒸馏水洗净,取其地上部,晾干、磨碎。精确称取盐地碱蓬粉末若干份,每份0.50 g,分别加入一定量的蒸馏水作为提取溶剂[3,8],按照试验设计方案的条件进行超声波辅助提取,提取液过滤,稀释,定容。甜菜红素的测定一般用可见光 538 nm吸收峰来表示[9,10]。试验均以538 nm作为色素的检测波长,以比较不同因素对碱蓬红色素提取效果的影响。

1.3.2 单因素实验

本试验中主要考虑提取时间、提取温度、液固比和超声功率作为影响盐地碱蓬红色素的单因素,在各因素试验中采用 1.3.1节所述的方法进行盐地碱蓬红色素的提取。

1.3.2.1 不同提取时间对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

在超声功率为 800 W,提取温度 30℃,液固比100 mL/g,研究提取时间分别为 10、20、30、40、50、60 min时对盐地碱蓬红色素提取效果的影响。

1.3.2.2 不同提取温度对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

在超声功率为 800 W,提取时间为 40 min,液固比 100 mL/g,研究提取温度分别为 20、30、40、50、60℃时对盐地碱蓬红色素提取效果的影响。

1.3.2.3 不同液固比对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

在超声功率为 800 W,提取时间为 40 min,提取温度 30 ℃,研究液固比分别为 10、20、30、40、60、80、100 mL/g时对盐地碱蓬红色素提取效果的影响。

1.3.2.4 不同超声功率对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

在提取时间为 40 min,提取温度 30℃,液固比为 100 mL/g,研究超声功率分别为 400、600、800、1 000 W时对盐地碱蓬红色素提取效果的影响。

1.3.3 正交实验

在单因素试验结果的基础上,利用四因素三水平正交试验分析提取时间、提取温度、液固比和超声功率四种因素对盐地碱蓬红色素提取效果的影响,以确定盐地碱蓬红色素的最佳提取条件。因素水平安排如表1。

表1 正交试验因素水平表

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 时间对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

图1 时间对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

由图1可以看出,在超声波作用下,色素溶液的吸光度在 10～50 min间逐渐增加,在 30～40 min间增加较显著,50 min后降低。这可能是随着时间的延长色素逐渐分解。这与未在超声波辅助提取下的研究结果[8,11]有所差异。这可能是前期所用样品不同及超声波作用所致。在超声波作用下,提取时间以 30～50 min为宜。

2.1.2 温度对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

图2 温度对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

由图2可知,在超声波作用下,提取温度在 20～60℃范围内,盐地碱蓬红色素吸光值呈先逐渐上升,随后下降的趋势。提取温度为 50℃时,盐地碱蓬红色素溶出最多。由于盐地碱蓬红色素的热稳定性较差[9],随着温度的升高,色素的降解也随之加快,温度超过 50℃色素溶液吸光度开始下降。因此,在超声波辅助作用下,提取温度以 40～60℃为宜。

2.1.3 液固比对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

图3 液固比对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

由图3可知,随着液固比的增加,盐地碱蓬红色素溶液吸光度逐渐降低,但降低幅度逐渐减小。从传质速率的角度讲,液固比大,提取过程中液相浓度增加慢,两相间的浓度差减少变慢,从而使传质推动力衰减变慢[12],而导致其降低幅度逐渐减小。考虑到浸提剂的量过少,会造成原料的浪费,故液固比以20 mL/g左右为宜。

2.1.4 超声功率对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

图4 超声功率对盐地碱蓬红色素提取效果的影响

由图4可知,随着超声功率增加,盐地碱蓬红色素吸光值先略有升高,后又下降。超声波功率小,盐地碱蓬红色素提取不完全,功率太大可能造成盐地碱蓬红色素降解,含量下降。超声功率可选 600～800 W之间。

2.2 正交实验结果

为了研究各因素水平对提取的综合影响效果并将提取条件优化,在单因素试验的基础上,对 4个主要参数:提取时间、提取温度、液固比、超声功率,进行 L9(34)正交试验。结果如表2所示。

表2 超声波辅助提取碱蓬红色素正交实验及其结果

实验结果表明,超声波辅助提取盐地碱蓬红色素液固比对色素提取效率的影响最大,其次是提取温度和超声波功率,提取时间影响最小;最佳工艺组合为 A3B2C1D3,即超声波辅助提取盐地碱蓬红色素的最佳工艺为:提取时间为 50 min,提取温度为50℃,液固比为 15 mL/g,超声功率为 800 W。这与前期采用溶剂直接浸提法所得提取条件[8]差别较大,究其原因,可能是由于溶剂直接浸提实验样品为剪碎处理,本次研究样品为磨碎处理,样品处理方式不同对提取时间和提取温度要求不同。

3 结 论

盐地碱蓬富含色素,又具有一定的医疗保健功能,是一种较为理想的天然食用色素资源,具有广阔的生产前景和应用价值。将单因素和正交实验相结合对超声波辅助提取盐地碱蓬红色素工艺条件进行优化,根据实际生产情况,获得最佳提取工艺为:超声功率 800 W,液固比为 15 mL/g,提取温度为 50℃,提取时间为 50 min。超声波对盐地碱蓬红色素提取有一定的强化作用,至于更深入的浸提动力学机理研究以及超声波对盐地碱蓬红色素结构的影响等问题有待进一步研究。

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