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響應面法優化紫色馬鈴薯花青素超聲波提取工藝

  • 來源:酒旗網 http://www.ffpbooth.com 發布人:旗旗 新聞分類:行業資訊
    • 紫馬鈴薯又名紫土豆、黑土豆,是通過雜交方法育成的新馬鈴薯品種[1]。紫馬鈴薯不但營養豐富而且富含花青素。花青素是一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素,因其常以糖苷形式存在故又名花色苷,屬于黃酮多酚類化合物[2-4]。花青素具有抗氧化及清除自由基[5]、增強人體免疫力[6]、抗癌[7]、增強視力[8]、降脂減肥[9]等作用,在食品、化妝品、醫藥領域有著巨大的應用潛力,是替代合成色素的理想材料。

      隨著技術的發展,超臨界CO2萃取技術、液態靜高壓脈沖電場技術等高新技術的應用大大提高了花青素的提取質量和效率[10],但設備條件要求高這一因素大大限制了高新技術應用。目前,溶劑法仍是國內外提取花青素的主要方法,常用提取劑以甲醇、乙醇、丙酮等有機溶劑為主。常用的花青素定量分析方法主要有:直接測定法[11]、高效液相色譜法[12]和pH示差法[13]。直接測定法操作簡單,但其準確度較低;高效液相色譜法具有較高的靈敏度和分析速度,但其成本較高;pH示差法依據花青素分子結構和特征光譜隨pH值的改變而改變的原理[14],多用于測定體系中有干擾物的花青素含量測定,其操作簡單,易于推廣[15-16]。響應曲面法可以用較少的試驗量有效、快速地確定多因素系統的最佳條件,該方法常用于優化花青素綜合分離工藝條件[17-19]。本研究采用響應面中心復合試驗設計(CCD)方法對影響花青素提取率的料液比、超聲功率、超聲時間、提取溫度等條件進行優化,以期為紫馬鈴薯資源的充分利用提供科學依據。

      1 材料與方法

      1.1 材料與試劑


      紫馬鈴薯,產于甘肅省定西市。鹽酸、乙醇、氯化鈉、醋酸鉀、檸檬酸、氯化鉀、醋酸、醋酸鈉等,分析純,購自國藥集團化學試劑公司。

      1.2 儀器與設備


      TU-1901紫外分光光度計,北京普析通用有限公司產品;KQ2200B型超聲波清洗器,昆山市超聲波儀器有限公司產品;GT1-1高速離心機,廣州柏斯特儀器有限公司產品。

      1.3 紫馬鈴薯預處理[20]


      新鮮紫色馬鈴薯→清洗、去皮、切片→50 ℃干燥→粉碎過80目篩→紫馬鈴薯粉→4 ℃冰箱保存待用。

      1.4 花青素提取工藝流程


      紫馬鈴薯粉→加入提取劑→超聲波提取→離心(5 000 r/min,10 min) →上清液→花青素粗提液。

      1.5 紫馬鈴薯花青素最大吸收波長的測定


      將紫馬鈴薯花青素溶液在 200~800 nm波長范圍內掃描,從而確定紫馬鈴薯花青素在可見光區的最大吸收波長。

      1.6 紫馬鈴薯花青素含量的測定


      紫馬鈴薯花青素含量采用pH示差法[21-23]測定。取待測液1 ml,分別用pH1.0和pH4.5的緩沖液定容至10 ml。兩種溶液分別測定在528 nm和700 nm波長處的吸光度(A)。每個樣品平行測定3次,取平均值。計算吸光度差值(△A),△A=(A1-A2)-(A3-A4),式中,A1為pH1.0溶液528 nm 處的吸光度,A2為pH1.0溶液700 nm 處的吸光度,A3為pH4.5溶液528 nm 處的吸光度,A4為pH4.5溶液700 nm 處的吸光度。再計算花青素提取率(Y,mg/kg),Y=△A·V·M·DF·1 000/(ε·m),式中,V為稀釋后體積(ml),M為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾質量(449.2),DF為稀釋倍數,ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(26 900),m為樣品質量(mg)。

      1.7 紫馬鈴薯花青素提取的單因素試驗


      1.7.1 提取劑中檸檬酸濃度 配制濃度為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的檸檬酸溶液,分別與95%乙醇按 10∶1的體積比混合,配制成不同濃度的檸檬酸-乙醇提取液。取1 g紫馬鈴薯粉按液料比 10∶1混合,在50 ℃、超聲波功率200 W條件下提取10 min,提取液5 000 r/min離心10 min,上清液過濾后即為花青素提取液。將花青素提取液分別在pH1.0和pH4.5緩沖液下進行稀釋,利用紫外可見分光光度計測定吸光度差值△A。計算花青素提取率,根據最大花青素提取率確定最適宜的檸檬酸濃度。

      1.7.2 提取劑中檸檬酸與乙醇體積比 將2%檸檬酸溶液與95%乙醇(體積分數)分別以 4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1和9∶1的體積比混合,配制成檸檬酸-乙醇提取液。提取液按 10∶1的液料比與1 g紫馬鈴薯粉混合,按照方法1.7.1提取花青素。測定△A,計算花青素提取率,根據最大花青素提取率確定最適宜的檸檬酸與乙醇體積比。

      1.7.3 提取劑與原料的液料比 將2%檸檬酸溶液與 95%乙醇按10∶1 的體積比混合配制成檸檬酸-乙醇提取液,將提取液與1 g紫馬鈴薯粉分別以 10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1的比例混合,按照方法1.7.1提取花青素。測定△A,計算花青素提取率,根據最大花青素提取率確定最佳液料比。

      1.7.4 提取溫度 將2%檸檬酸溶液與95%乙醇按 10∶1 的體積比混合配制成檸檬酸-乙醇提取液,提取液按液料比 10∶1與1 g紫馬鈴薯粉混合,分別于25 ℃、35 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃下提取花青素,方法和其余條件同方法1.7.1。測定△A,計算花青素提取率,根據最大花青素提取率確定最佳提取溫度。

      1.7.5 超聲波功率 將2%檸檬酸溶液與95%乙醇按 10∶1 的體積比混合配制成檸檬酸-乙醇提取液,提取液按液料比 10∶1與1 g紫馬鈴薯粉混合,分別在超聲波功率200 W、250 W、300 W、350 W、400 W、450 W和500 W條件下提取花青素,方法和其余條件同方法1.7.1。測定△A,計算花青素提取率,根據最大花青素提取率確定最佳超聲波功率。

      1.7.6 提取時間 將2%檸檬酸溶液與95%乙醇按 10∶1 的體積比混合配制成檸檬酸-乙醇提取液,提取液按液料比 10∶1與1 g紫馬鈴薯粉混合,按照方法1.7.1提取花青素,提取時間分別為10 min、15 min、20 min、25 min、30 min。測定△A,計算花青素提取率,根據最大花青素提取率確定最佳提取時間。

      1.8 紫馬鈴薯花青素提取的響應面試驗


      根據中心復合試驗設計(CCD)方法原理,以料液比(A)、超聲波功率(B)、提取時間(C)、溫度(D)為自變量,以花青素提取量為評判指標,考察4個因素對提取量的影響。設計4因素3水平響應面分析試驗對提取工藝進行優化。各因素及水平編碼見表1。

      表1 紫馬鈴薯花青素提取工藝優化響應面因素水平表

      Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters of extraction process for anthocyanin from purple potato by response surface methodology

      水平料液比(A)(ml/g)超聲波功率(B)(W)提取時間(C)(min)溫度(D)(℃)-125.035015.045.0027.537517.547.5130.040020.050.0

      2 結果與分析

      2.1 紫馬鈴薯花青素最大吸收波長


      將紫馬鈴薯花青素粗提液在 200~800 nm波長下掃描,得到紫馬鈴薯花青素在可見光區的最大吸收峰圖譜(圖1)。確定紫馬鈴薯花青素的最大吸收波長為528 nm。

      圖1 紫馬鈴薯花中花青素可見光譜圖
      Fig.1 The visible spectrum of purple potato anthocyanins

      2.2 紫馬鈴薯花青素提取工藝條件單因素試驗結果


      2.2.1 提取劑中最適宜檸檬酸濃度 花青素在酸性條件下比較穩定,但過強的酸性環境也會影響其穩定性。由圖2可知,花青素提取率隨提取劑中檸檬酸濃度升高而增加,且在檸檬酸濃度為2%時達到最大。因此確定最適宜檸檬酸濃度為2%。

      圖2 檸檬酸濃度對花青素提取率的影響
      Fig.2 Effect of citric acid concentration on extraction rate of anthocyanin

      2.2.2 提取劑中最適宜檸檬酸與乙醇體積比 花青素提取率隨檸檬酸與乙醇體積比的升高而增加,當體積比為6時達到最大,隨后開始下降(圖3)。原因可能為當體積比為6時,體系pH為花青素最適宜酸性條件。

      圖3 檸檬酸和乙醇體積比對花青素提取率的影響
      Fig.3 Effect of citric acid and ethanol volume ratio on extraction rate of anthocyanin

      2.2.3 提取劑與原料的最佳液料比 由圖4可知,花青素提取率在液料比為30時達到最大。液料比過低不利于提取劑和原料的充分接觸,而液料比過大會造成提取物被過分稀釋,這都不利于花青素的提取。因此選擇液料比30 ml/g為最佳液料比。

      圖4 液料比對花青素提取率的影響
      Fig.4 Effect of solvent-material ratio on extraction rate of anthocyanin

      2.2.4 最佳提取溫度 由圖5可知,花青素提取率隨提取溫度升高而增加,50 ℃時花青素提取率最大,隨后呈下降趨勢。較高的溫度有助于破壞組織結構,加快分子運動速度,從而促進花青素析出,但是過高溫度也會影響花青素的穩定性。因此,確定最佳提取溫度為50 ℃。

      圖5 溫度對花青素提取率的影響
      Fig.5 Effect of temperature on extraction rate of anthocyanin

      2.2.5 最佳超聲波功率 花青素提取率隨超聲波功率增加而升高,且增幅較大,當超聲波功率為350 W時,花青素提取率達到最大值,隨后呈下降趨勢(圖6)。超聲波在提取溶液中產生的空化效應和機械作用可以有效破碎植物細胞壁,使有效成分呈游離狀態并溶入提取溶劑,因此,一定功率的超聲波可促進花青素的提取。當功率過高時,也會使更多的花青素分解酶進入提取液,影響花青素提取率。

      圖6 超聲波功率對花青素提取率的影響
      Fig.6 Effect of ultrasonic power on extraction rate of anthocyanin

      2.2.6 最佳提取時間 由圖7可以看出,花青素提取率隨提取時間的延長而呈上升趨勢,且在超聲波提取20 min時達到最大,之后花青素提取率下降明顯。超聲波處理的時間過長所產生的超聲波熱效應會使溫度上升,導致花青素不穩定以及溶劑揮發,提取率降低。

      圖7 提取時間對花青素提取率的影響
      Fig.7 Effect of ultrasonic time on extraction rate of anthocyanin

      2.3 紫馬鈴薯花青素提取工藝條件的響應面優化試驗結果


      使用Design-Expert 8.0軟件處理以上數據,得到回歸方程: Y=604.83+6.62A+1.54B+2.37C+0.12D-10.01A2-7.26B2-6.64C2-6.64D2-0.94AB+2.19AC-1.19AD-0.94BC-1.06BD-1.94CD。由回歸方差分析結果(表2)可知,該模型P值小于0.000 1,表明該模型極顯著。各項系數的P值越小,說明該項越顯著[14],因此A、A2、B2、C2、D2 5項對于該模型最顯著。失擬檢驗結果表明該模型失擬項不顯著(P=0.168 0),說明其模擬程度較好,試驗結果與預測值間的誤差較小,可用于紫馬鈴薯花青素的提取條件預測。

      表2 紫馬鈴薯花青素提取回歸模型及方差分析

      Table 2 Analysis of variance of regression equation of anthocyanin extraction from purple potato

      方差來源平方和自由度均方F值P值模型6177.9514.00441.2816.33<0.0001??A1053.381.001053.3838.99<0.0001??B57.041.0057.042.110.1668C135.381.00135.385.010.0408D0.381.000.380.010.9078A22748.571.002748.57101.74<0.0001??B21445.861.001445.8653.52<0.0001??C21207.651.001207.6544.70<0.0001??D21207.651.001207.6544.70<0.0001??AB14.061.0014.060.520.4817AC76.561.0076.562.830.1130AD22.561.0022.560.840.3752BC14.061.0014.060.520.4817BD18.061.0018.060.670.4263CD60.061.0060.062.220.1567殘差405.2515.0027.02失擬性336.4210.0033.642.440.1680純誤差68.835.0013.77總差6583.2029.00

      A:料液比(ml/g);B:超聲波功率(W);C:提取時間(min);D:溫度(℃)。**表示極顯著。R2=0.938 4,Radj2=0.881 0。

      為進一步研究各因素間交互作用以確定最佳條件,通過Design-Expert8.0軟件繪制響應面曲線圖進行可視化分析。圖8為液料比(A)、超聲波功率(B)、提取時間(C)和溫度(D)兩兩間的響應面曲線圖,可以直接明了顯示各因素對花青素提取率的影響。由圖8可知,本研究所建立的模型具有最大值。根據模型擬合結果,紫馬鈴薯花青素的最佳提取工藝條件為:液料比28.4 (ml/g)、超聲波功率376.79 W、提取時間18.1 min、提取溫度47.34 ℃,花青素提取率最大理論值為606.36 mg/kg。為便于操作,將工藝參數修正為:液料比28 ml/g、超聲波功率380 W、提取時間為18 min、提取溫度為47 ℃,在此條件下花青素提取率為602 mg/kg。

      3 討 論


      花青素在酸性條件下穩定性較好,常用檸檬酸等增加提取劑的酸性[24-25]。超聲波能夠使溶劑進入提取物細胞的速率加快,縮短提取周期,且不影響產品品質[26]。高溫也能增強細胞壁滲透性,增加提取物的溶解度和擴散系數,從而提高提取率,然而溫度過高會引起花青素的降解。由于超聲波產生的熱效應會使溫度以0.25 ℃/min的速率上升[27],因此控制提取時間和溫度是增加提取率的重要措施。有研究結果表明,紫馬鈴薯花青素的耐受溫度是 60~70 ℃[28-29]。花色苷含量測定方法有多種,張玥等[30]比較研究了直接測定法、單pH測定法、pH示差法、差減法對紫色馬鈴薯花色苷的分析效果,結果表明pH 示差法簡單、快速、精確,適用于紫色馬鈴薯花色苷含量的測定。王亞云等[29]以鹽酸酸化乙醇為提取劑提取紫色馬鈴薯花色苷,并對提取工藝進行了優化,得到最佳提取工藝條件為:提取前用提取溶劑浸泡紫色馬鈴薯粉1 h,乙醇體積分數50%,提取溫度60 ℃,提取時間120 min,料液比1∶10,在此條件下花色苷提取率可達到542.3 mg/kg。本研究在單因素試驗的基礎上,采用超聲波輔助酸性乙醇提取法提取紫馬鈴薯花青素,并采用響應面法對提取工藝進行優化,獲得的紫馬鈴薯花青素最佳提取工藝條件為液料比28 ml/g、超聲波功率380 W、提取時間18 min、提取溫度47 ℃,在此條件下花青素提取率為602 mg/kg。本方法具有安全無毒、成本低、提取率較高、操作簡單的特點。

      圖8 兩因素交互作用對花青素提取率的響應曲面
      Fig.8 Response surface plots for the interactions of two variables on extraction rate of anthocyanin


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      Optimization of ultrasonic-assisted extraction process for anthocyanin from purple potato by response surface analysis


      WU Zhong-yong, RE ZIWANGULI Sai-mai-ti, CHE Min-na, HE Xin-rui, CHEN Shi-en

      (College of Life Science and Engineering, Northwest Minzu University, Lanzhou 730124, China)


      Abstract: On the basis of single-factor test, the processing parameters, including solvent-material ratio, ultrasonic power, extraction time and temperature were investigated. The extraction rate of purple potato anthocyanin was chosen as response value, and the ultrasonic-assisted extraction process for anthocyanin from purple potato was optimized by utilizing central composite design (CCD) design and response surface analysis. The result indicated that the model was highly significant, and the established regression equation for purple potato anthocyanin had an excellent goodness of fit. Therefore, the anthocyanin from purple potato could be analyzed and predicted by the model. The optimum technological conditions were solvent-material ratio of 28∶1, ultrasonic power of 380 W, extraction time of 18 min, extraction temperature of 47 ℃. Under these conditions, the extraction ratio of purple potato anthocyanin was up to 602 mg/kg.


      Key words: purple potato; anthocyanin; ultrasonic-assisted extraction; response surface methodology

      武中庸,熱孜萬古力·賽買提,車敏娜,等. 響應面法優化紫色馬鈴薯花青素超聲波提取工藝[J].江蘇農業學報,2017,33(6):1379-1385.


      doi:10.3969/j.issn.1000-4440.2017.06.026


      收稿日期:
      2017-05-04


      基金項目:
      教育部動物醫學生物工程創新團隊項目(IRT13091);國家科技支撐計劃項目(2015BAD29B05)


      作者簡介:
      武中庸(1990-),男,河北滄州人,碩士研究生,研究方向為食品安全與品質控制,(E-mail)272251424@qq.com


      通訊作者:
      陳士恩,(Tel)0931-4512986;(E-mail)chshien@163.com


      中圖分類號: TS264.4


      文獻標識碼: A


      文章編號: 1000-4440(2017)06-1379-07


      (責任編輯:張震林)
      文章地址:http://www.ffpbooth.com/news/901.html

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