吳 濤,姚志剛,許 杰,王秀鵬

(1.濱州學(xué)院生命科學(xué)系,山東濱州 256603;2.濱州市食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濱州 256603;3.濱州職業(yè)學(xué)院生物工程系,山東濱州 256600)

鹽地堿蓬 (Suaeda salsa)屬藜科,一年生草本植物,一般生于海濱、荒漠等處的鹽堿荒地上,是一種典型的鹽堿地指示植物。有研究表明,堿蓬提取物的甲酯化產(chǎn)物對急性炎癥有明顯的抑制作用,其幼苗的分離提取物也對機(jī)體具有增強(qiáng)非特異性免疫功能的作用[1-2]。紅色素在食品工業(yè)中,屬于價(jià)值較高的色素添加劑,鹽地堿蓬在紅葉期,可加工制作堿蓬紅色素。王長泉等以鹽地堿蓬為試材,對其葉片中紅色素的理化性質(zhì)進(jìn)行了研究,表明鹽地堿蓬紅色素為甜菜紅素[3]。目前國內(nèi)對甜菜紅素提取主要采用傳統(tǒng)的溶劑萃取法[4]。國外采取了一些新的技術(shù)。Zvitov等[5]將甜菜切片置于場強(qiáng)為 40 V/cm的電場中進(jìn)行色素的提取;Mustafa Fincan等[6]用脈沖電場進(jìn)行輔助提取試驗(yàn)并建立提取的數(shù)學(xué)模型。采用外加電場輔助提取是在常溫下進(jìn)行,對甜菜紅素這樣的熱敏性色素來說,是比較有利的,但是外加電場提取對脈沖發(fā)生器的電壓、脈沖波的技術(shù)參數(shù)以及提取室的要求都比較高,設(shè)備投入以及維護(hù)成本也較高[7]。超聲波作為是一種彈性波,能產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)、高加速度、強(qiáng)烈空化效應(yīng)和攪拌作用等,可加速有效成分的溶出。利用超聲波輔助提取具有提取時(shí)間短、產(chǎn)率高、無需加熱、低溫提取,有利于有效成分的保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。目前關(guān)于超聲波輔助提取鹽地堿蓬紅色素的研究還未見報(bào)道。本研究采用超聲波技術(shù)對鹽地堿蓬紅色素的提取進(jìn)行試驗(yàn)研究,通過單因素和正交試驗(yàn)優(yōu)選最佳工藝參數(shù),為進(jìn)一步開發(fā)利用這一天然色素提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鹽地堿蓬,采自黃河三角洲濱海鹽堿地。

1.2 主要儀器

756PC紫外 -可見光分光光度計(jì)。上海光譜儀器廠;KQ-1000DE型數(shù)控超聲波清洗器。昆山市超聲儀器有限公司;HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋。江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司;PH-S-3精密數(shù)顯酸度計(jì)。浙江象山縣石鋪海天電子儀器廠;ALl04電子天平。梅特 -托利多儀器上海有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 鹽地堿蓬紅色素的超聲波輔助提取

將鹽地堿蓬植株用蒸餾水洗凈,取其地上部,晾干、磨碎。精確稱取鹽地堿蓬粉末若干份,每份0.50 g,分別加入一定量的蒸餾水作為提取溶劑[3,8],按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的條件進(jìn)行超聲波輔助提取,提取液過濾,稀釋,定容。甜菜紅素的測定一般用可見光 538 nm吸收峰來表示[9,10]。試驗(yàn)均以538 nm作為色素的檢測波長,以比較不同因素對堿蓬紅色素提取效果的影響。

1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)

本試驗(yàn)中主要考慮提取時(shí)間、提取溫度、液固比和超聲功率作為影響鹽地堿蓬紅色素的單因素,在各因素試驗(yàn)中采用 1.3.1節(jié)所述的方法進(jìn)行鹽地堿蓬紅色素的提取。

1.3.2.1 不同提取時(shí)間對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

在超聲功率為 800 W,提取溫度 30℃,液固比100 mL/g,研究提取時(shí)間分別為 10、20、30、40、50、60 min時(shí)對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響。

1.3.2.2 不同提取溫度對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

在超聲功率為 800 W,提取時(shí)間為 40 min,液固比 100 mL/g,研究提取溫度分別為 20、30、40、50、60℃時(shí)對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響。

1.3.2.3 不同液固比對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

在超聲功率為 800 W,提取時(shí)間為 40 min,提取溫度 30 ℃,研究液固比分別為 10、20、30、40、60、80、100 mL/g時(shí)對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響。

1.3.2.4 不同超聲功率對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

在提取時(shí)間為 40 min,提取溫度 30℃,液固比為 100 mL/g,研究超聲功率分別為 400、600、800、1 000 W時(shí)對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響。

1.3.3 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用四因素三水平正交試驗(yàn)分析提取時(shí)間、提取溫度、液固比和超聲功率四種因素對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響,以確定鹽地堿蓬紅色素的最佳提取條件。因素水平安排如表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 時(shí)間對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

圖1 時(shí)間對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

由圖1可以看出,在超聲波作用下,色素溶液的吸光度在 10～50 min間逐漸增加,在 30～40 min間增加較顯著,50 min后降低。這可能是隨著時(shí)間的延長色素逐漸分解。這與未在超聲波輔助提取下的研究結(jié)果[8,11]有所差異。這可能是前期所用樣品不同及超聲波作用所致。在超聲波作用下,提取時(shí)間以 30～50 min為宜。

2.1.2 溫度對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

圖2 溫度對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

由圖2可知,在超聲波作用下,提取溫度在 20～60℃范圍內(nèi),鹽地堿蓬紅色素吸光值呈先逐漸上升,隨后下降的趨勢。提取溫度為 50℃時(shí),鹽地堿蓬紅色素溶出最多。由于鹽地堿蓬紅色素的熱穩(wěn)定性較差[9],隨著溫度的升高,色素的降解也隨之加快,溫度超過 50℃色素溶液吸光度開始下降。因此,在超聲波輔助作用下,提取溫度以 40～60℃為宜。

2.1.3 液固比對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

圖3 液固比對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

由圖3可知,隨著液固比的增加,鹽地堿蓬紅色素溶液吸光度逐漸降低,但降低幅度逐漸減小。從傳質(zhì)速率的角度講,液固比大,提取過程中液相濃度增加慢,兩相間的濃度差減少變慢,從而使傳質(zhì)推動(dòng)力衰減變慢[12],而導(dǎo)致其降低幅度逐漸減小?？紤]到浸提劑的量過少,會(huì)造成原料的浪費(fèi),故液固比以20 mL/g左右為宜。

2.1.4 超聲功率對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

圖4 超聲功率對鹽地堿蓬紅色素提取效果的影響

由圖4可知,隨著超聲功率增加,鹽地堿蓬紅色素吸光值先略有升高,后又下降。超聲波功率小,鹽地堿蓬紅色素提取不完全,功率太大可能造成鹽地堿蓬紅色素降解,含量下降。超聲功率可選 600～800 W之間。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了研究各因素水平對提取的綜合影響效果并將提取條件優(yōu)化,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對 4個(gè)主要參數(shù):提取時(shí)間、提取溫度、液固比、超聲功率,進(jìn)行 L9(34)正交試驗(yàn)。結(jié)果如表2所示。

表2 超聲波輔助提取堿蓬紅色素正交實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超聲波輔助提取鹽地堿蓬紅色素液固比對色素提取效率的影響最大,其次是提取溫度和超聲波功率,提取時(shí)間影響最小;最佳工藝組合為 A3B2C1D3,即超聲波輔助提取鹽地堿蓬紅色素的最佳工藝為:提取時(shí)間為 50 min,提取溫度為50℃,液固比為 15 mL/g,超聲功率為 800 W。這與前期采用溶劑直接浸提法所得提取條件[8]差別較大,究其原因,可能是由于溶劑直接浸提實(shí)驗(yàn)樣品為剪碎處理,本次研究樣品為磨碎處理,樣品處理方式不同對提取時(shí)間和提取溫度要求不同。

3 結(jié) 論

鹽地堿蓬富含色素,又具有一定的醫(yī)療保健功能,是一種較為理想的天然食用色素資源,具有廣闊的生產(chǎn)前景和應(yīng)用價(jià)值。將單因素和正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合對超聲波輔助提取鹽地堿蓬紅色素工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,獲得最佳提取工藝為:超聲功率 800 W,液固比為 15 mL/g,提取溫度為 50℃,提取時(shí)間為 50 min。超聲波對鹽地堿蓬紅色素提取有一定的強(qiáng)化作用,至于更深入的浸提動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究以及超聲波對鹽地堿蓬紅色素結(jié)構(gòu)的影響等問題有待進(jìn)一步研究。

[1] 孫宇梅,趙 進(jìn),周 威,等.我國鹽生植物堿蓬開發(fā)的現(xiàn)狀與前景[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,25(1):1-4.

[2] 張學(xué)杰,樊守金,李法曾.中國堿蓬資源的開發(fā)利用研究狀況[J].中國野生植物資源,2003,22(2):13.

[3] Wang C Q,Zhao J Q,Chen M. Identification of betacyanin and effects of environmental factors on its accumulation in halo phyte suaeda salsa[J].Journal of Plant Physiology and Molecular Biology,2006,32(2):195-201.

[4] 王 成.甜菜紅色素的提取工藝及其理化性質(zhì)研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué),2003.

[5] Zvitov R,Schwartz A,Nussinovith A.Comparison of betalain extraction from beet(Beta vulgaris)by low DC electrical field versus cryogenic freezing[J].Journal of Texture Studies,2003,34(1):83-94.

[6] Mustafa F,Francesca D,Petre D.Pulsed electric field treatment for solid-liquid extraction of red beetroot pigment[J].Journal of Food Engineering,2004,64:381-388.

[7] 高彥祥,劉 璇.甜菜紅色素研究進(jìn)展[J].中國食品添加劑,2005(8):65-70.

[8] 吳 濤,姚志剛,許 杰,等.鹽地堿蓬紅色素的提取工藝及穩(wěn)定性研究[J].食品科學(xué),2009,30(10):97-100.

[9] SchliemannaW,Caib Y,Degenkolbc T,et al.Betalains of Celosia argentea[J].Phytochem,2001,58:159-165.

[10] Stintzing F,SchieberA,Carle R.Betacyanins in fruits from redpurple pitaya,hylocereuspolyrhizus britton rose[J].Food Chem,2002,77:101-106.

[11] 段 迪.鹽地堿蓬甜菜紅素提取分離及純化工藝研究[D].濟(jì)南:山東師范大學(xué),2009.

[12] 李大婧,宋江峰,劉春泉,等.超聲波輔助提取黑豆皮色素工藝優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(2):273-279.