基于微波辅助提取橘皮总色素的实验研究

张泽志, 王 瑾, 李成未, 王宇婷, 方靖国, 王亚琦

(河南财政金融学院 环境经济学院,河南 郑州 450046)

0 引言

色素能赋予物品一定颜色,尤其是食用色素加入食物后能调节人的食欲。合成色素不当使用会导致人体不同程度的损害。随着绿色生活理念的普及,天然色素受到更多青睐,天然色素主要存在于动物和植物组织以及微生物,着色效果好,大部分具有一定的营养价值和生理活性,所以被广泛应用于饮料、食品和医药等领域。因此,对天然色素的提取研究具有一定的应用价值[1-2]。

我国是柑橘的重要原产地之一,资源丰富[3-4]。通常情况下,橘皮被丢弃,造成环境污染及资源浪费。橘皮中含有的橘皮色素是一种性能稳定安全可再生天然色素,含有丰富的维生素E和稀有元素硒,常用于食品生产与加工中的营养强化剂、香味剂[5-10]。

本研究以乙醇为提取剂,采用微波辅助法提取橘皮总色素。通过单因素实验探讨料液比、提取时间、微波功率对橘皮总色素得率的影响,并通过正交实验,考察各因素对橘皮总色素提取的协同效应,寻求最佳提取条件,实现废物利用,为食用色素的提取提供理论依据。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

橘皮(超市自购)、乙醇、蒸馏水,微波炉(格兰仕电器实业公司)、高速离心机(上海手术器械厂)、TU-1901双光束紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)等。

1.2 实验方法

1.2.1 实验流程

将鲜橘皮用清水冲洗干净,置于60 ℃烘箱内烘干,粉碎后装入保鲜袋中,避光密封保存备用。实验流程为:洗净橘皮→烘干粉碎→微波浸提→抽滤→离心→稀释定容→测吸光度。

1.2.2 橘皮色素最大吸收波长的确定

准确称取烘干粉碎后的橘皮样品1.00 g,置于250 mL平底烧瓶中,以料液比1∶20 g/mL加入20 mL 80%乙醇溶液作为提取剂,缠绕多层聚四氟乙烯膜密封烧瓶口,摇匀后置于微波炉,以“低火档”功率处理2 min。取出冷却静置,抽滤,收取全部滤液离心,用吸量管准确量取离心后清液1.0 mL移于100 mL容量瓶中,用80%乙醇补充至刻度,摇匀后放3～5 min,以相应试剂做空白,紫外-可见分光光度法于200～700 nm波长扫描,以确定最大吸收波长,结果见图1。可知,色素的最大吸收波长λmax为330.0 nm。

图1 橘皮总色素的紫外光谱

1.2.3 橘皮总色素提取单因素实验

准确称量橘皮样品于平底烧瓶中,以一定的料液比加入80%乙醇溶液作为提取剂,设置微波功率、提取时间对橘皮色素进行提取,提取液取出冷却静置,抽滤,按1.2.2节实验方法,在330.0 nm处分别测定不同实验条件下所得提取液的吸光度值,吸光度值大表示色素提取率高,以此优化最佳提取条件。

2 结果与讨论

2.1 橘皮总色素提取率的单因素实验

2.1.1 料液比对提取率的影响

准确称量5份橘皮样品各1.00 g,分置于5个250 mL平底烧瓶,分别以1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50 g/mL的料液比加入相应体积的80%乙醇溶液作为提取剂,封口后在“低火档”微波处理3 min,取出冷却静置,抽滤,按1.2.2节实验方法,分别测定不同实验因素下所得提取液的吸光度值A,以吸光度最大作为选择最佳料液比的依据,结果见图2。

图2 料液比对提取率的影响

由图2可知,固定其他因素的条件下,吸光度值随料液比的增加先升高后减小。当料液比为1∶20 g/mL时,吸光度值最大,即总色素提取率最好,所以本实验选择料液比为1∶20 g/mL。

2.1.2 微波提取时间对提取率的影响

准确称量橘皮粉样品5份1.00 g于250 mL平底烧瓶中,以1∶20 g/mL的料液比加入80%乙醇溶液作为提取剂, 封口后“低火档”条件下分别设置微波提取时间2、3、4、5、6 min,取出冷却静置,抽滤,按1.2.2节实验方法,分别测定不同微波提取时间下所得提取液的吸光度值,以吸光度最大作为选择最佳微波提取时间依据,结果见图3。

图3 提取时间对色素提取率的影响

由图3曲线变化趋势可知,吸光度值随提取时间的增加先迅速升高,然后缓慢降低,提取时间为3 min时吸光度值最高。提取时间的增加可能会导致橘皮糊化而增加溶液的黏度,既可阻滞色素提取,又可造成色素被纤维素等吸附造成得率减少[11],故实验提取时间取为3 min。

2.1.3 微波功率对提取效果的影响

准确称量橘皮样品3份各1.00 g分置于3个250 mL平底烧瓶中,以1∶20 g/mL的料液比加入80%乙醇为提取剂,封口后分别于“低火档”“解冻档”“中火档”条件下微波处理3 min, 取出冷却静置,抽滤,按1.2.2节实验方法,分别测定不同微波功率下所得提取液的吸光度值,以此选出最佳微波功率,结果见图4。

图4 微波功率对色素提取率的影响

图4结果表明,微波功率越大,吸光度值越大。当微波功率为中火时,吸光度值最大,实验条件下提取效果最佳。研究[11]发现,随着微波功率不断增加,提取物的溶解渗透、扩散作用加强,细胞膜破裂程度加大,色素提取率增加;若微波功率太大,溶剂乙醇易暴沸而不易控制,同时还可能造成色素成分发生变性破坏而使检测值变低。所以本实验选择的功率是中火档。

2.2 橘皮总色素提取正交实验

在单因素实验基础上,设置影响橘皮总色素提取率的正交实验L9(34),考察各因素的协同效应,以优化实验条件,正交实验设计水平见表1,实验结果见表2。

表1 正交实验因素水平

表2 正交实验结果

由表2数据R料液比>R微波功率>R提取时间可知,各因素对橘皮总色素提取率的影响主次顺序为料液比>微波功率>提取时间,即料液比最大,其次是微波功率,而提取时间的影响相对较小。研究[11-12]发现,当固定物料质量,增加溶剂的量时,溶剂对微波提取产生双重影响:溶剂用量增加提高了液固浓度差,也增大样品与溶剂的接触面,有利于色素扩散;同时过多的溶剂会吸收较多微波能,导致物料粉末对微波能吸收减少,细胞破裂不完全,色素不能充分溶出。故实验提取橘皮总色素的最佳实验条件组合为A2B2C3,即料液比1 g∶20 mL,提取时间3 min,微波功率为中火档。

2.3 橘皮总色素提取的验证实验

为验证正交实验,在最优提取条件即料液比1∶20 g/mL,微波功率为中火,提取时间3 min下进行了3次平行验证实验,所得橘皮总色素的吸光度值见表3。结果证明,优化提取条件选择是可靠的,橘皮总色素提取率较高。

表3 验证实验结果

3 结论

采用微波辅助提取橘皮总色素,以80%乙醇为提取剂,通过单因素实验和正交实验对提取工艺进行优化,得出最佳提取条件:料液比为1∶20 g/mL,提取时间为3 min,微波功率为中火档。验证实验表明,橘皮总色素提取率较高,最佳提取条件是可靠的。