紀(jì)平雄,黎潔玲,曾榮光
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院生物材料研究所,廣東 廣州 510642)
響應(yīng)曲面法優(yōu)化葉綠素銅的制備工藝
紀(jì)平雄,黎潔玲,曾榮光
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院生物材料研究所,廣東 廣州 510642)
以竹葉為原料提取葉綠素,葉綠素再經(jīng)過銅代、脫脂等步驟制備油溶性葉綠素銅。對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的銅代關(guān)鍵工藝過程,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用Box-Behnken Design試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,選擇三因素三水平進(jìn)行銅代工藝條件響應(yīng)面法分析優(yōu)化。結(jié)果表明:銅代過程最佳條件為加銅量為理論值的2.2倍、反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時(shí)間75min。在此條件下,油溶性葉綠素銅得率4.051mg/g,檢驗(yàn)結(jié)果主要指標(biāo)符合食品添加劑的規(guī)定。
竹葉;葉綠素;葉綠素銅;制備工藝;響應(yīng)面分析
竹子是禾本科(Poaceae)竹亞科(Bambusoidea)多年生常綠植物,對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng),生長速度很快。我國竹林資源豐富,占世界竹林面積的25%[1]。竹葉中含有許多具有人體生理生化活性的物質(zhì),竹葉提取物有效成分包括葉綠素、胡蘿卜素、葉黃素、維生素、黃酮、內(nèi)酯、多糖、氨基酸、微量元素等,這些物質(zhì)具有優(yōu)良的抗自由基、抗氧化、抗衰老、抗疲勞、降血脂、預(yù)防心腦血管疾病和保護(hù)肝臟[2-3]、擴(kuò)張毛細(xì)血管、疏通微循環(huán)、活化大腦、促進(jìn)記憶、改善睡眠、美化肌膚等功效[4-5]。所以,對(duì)竹葉的綜合利用研究具有實(shí)際意義。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和大眾認(rèn)識(shí)水平的提高,長期用作食品添加劑的合成色素被天然色素取代已是大勢所趨,開發(fā)安全可靠的天然色素對(duì)保障人民身體健康具有重要意義。竹葉是易于收集、來源豐富、富含葉綠素的原材料。天然的葉綠素對(duì)光和熱不穩(wěn)定,但以銅離子取代其鎂離子得到的葉綠素衍生物穩(wěn)定性大大提高,是目前使用最多的綠色色素,廣泛應(yīng)用于食品、日用和醫(yī)藥等行業(yè)。有關(guān)水溶性銅代葉綠素的研究報(bào)道很多,而油溶性銅代葉綠素卻鮮見報(bào)道[6]。
本研究以乙醇為溶劑從竹葉提取葉綠素,進(jìn)一步制備油溶性葉綠素銅,并利用 Box-Behnken Design(BBD)試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[7],探討關(guān)鍵步驟的最佳工藝條件組合,旨在為今后竹葉葉綠素成分的實(shí)際開發(fā)提供理論依據(jù)。
1.1 材料、試劑與儀器
毛竹(Phyllostachys heterocycla cv. Pubescens)葉采集于本校校園內(nèi),在室外風(fēng)干后,剪碎,儲(chǔ)存于陰涼干燥處;氯化銅、濃鹽酸、石油醚、95%乙醇均為分析純;其他試劑均為國產(chǎn)分析純。
UV2550紫外-可見分光光度計(jì) 日本島津公司;JJ300精密電子天平 常熟雙杰測試儀器廠;PHS-3C精密pH計(jì) 上海雷磁儀器廠;數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市江南儀器廠;RE-20000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。
1.2 方法
1.2.1 葉綠素的提取
稱取10g毛竹葉,加體積分?jǐn)?shù)85%的乙醇溶液150mL,在加熱溫度60℃、攪拌條件下提取3.5h?;厥杖軇?,得到油狀葉綠素[8-9]。葉綠素得率的測定參照文獻(xiàn)[10]等方法進(jìn)行,以紫外-可見分光光度計(jì)分別在645nm和663nm波長處測定吸光度,按公式(1)計(jì)算葉綠素的含量:
式中:Ca、Cb、Ct分別為葉綠素a、葉綠素b及葉綠素總質(zhì)量濃度/(mg/L)。
式中:V為提取液體積/mL;m為竹葉質(zhì)量/g。
1.2.2 葉綠素銅的制備
將油狀葉綠素以20倍體積的石油醚溶解,加入5%的CuCl2乙醇液,用體積比1:1的鹽酸溶液調(diào)節(jié)溶液pH值,在恒溫水浴鍋中加熱回流,反應(yīng)完成后回收溶劑,得到油狀葉綠素銅。質(zhì)量指標(biāo)檢定按凌關(guān)庭等[11]的方法進(jìn)行。葉綠素銅得率測定時(shí)則無需回收溶劑,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaOH乙醇溶液,繼續(xù)加熱回流。之后將反應(yīng)液移入分液漏斗,加等體積蒸餾水分層兩次。參照GB 26406—2011《食品添加劑葉綠素銅鈉鹽》規(guī)定方法,水相部分于容量瓶中用磷酸鹽緩沖液定容,以磷酸鹽緩沖液作參比,測定其吸光度。按公式(3)計(jì)算葉綠素銅(以測定的葉綠素銅鈉得率表示)的得率[12]:
式中:A405nm為405nm波長處測定的吸光度;568為特殊消光值;m為竹葉質(zhì)量/g。
1.2.3 葉綠素銅代步驟的單因素試驗(yàn)
考察加銅量(即實(shí)際加銅量對(duì)理論加銅量的倍數(shù))、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、pH值對(duì)葉綠素銅得率的影響,因素和水平設(shè)置見表1。
表1 單因素試驗(yàn)因素與水平Table1 Variables and levels used in single factor design
1.2.4 葉綠素銅代步驟的響應(yīng)面試驗(yàn)
通過竹葉制備葉綠素銅的銅代步驟的單因素試驗(yàn),選取加銅量(A)、反應(yīng)溫度(B)和反應(yīng)時(shí)間(C)設(shè)計(jì)三因素三水平進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)分析優(yōu)化,以葉綠素銅得率為響應(yīng)值,確定竹葉制備葉綠素銅的銅代關(guān)鍵步驟的最佳工藝條件。響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平編碼表見表2。試驗(yàn)共設(shè)17個(gè)試驗(yàn)組,其中12組為析因組,5組為重復(fù)的零點(diǎn)組,用作試驗(yàn)誤差估計(jì)。利用Design Expert 8.0.5軟件中的多元線性回歸分析程序,擬合二階多項(xiàng)式方程,建立各試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的函數(shù)模型。
表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平編碼表Table2 Variables and levels used in response surface analysis
2.1 葉綠素銅代步驟的單因素試驗(yàn)
由于葉綠素銅鈉含量測定的準(zhǔn)確度和重復(fù)性較好,所以以葉綠素銅鈉作為衡量竹葉制備油溶性葉綠素銅得率的標(biāo)準(zhǔn)[13]。
2.1.1 加銅量對(duì)葉綠素銅得率的影響
在反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時(shí)間70min、pH2.5條件下進(jìn)行葉綠素的銅代反應(yīng),考察加銅量對(duì)葉綠素銅得率的影響,見圖1。加銅量為理論值的2.25倍時(shí)葉綠素銅得率最高,而1.5倍時(shí)最低。加銅量對(duì)葉綠素銅得率的影響是隨加銅量的增加明顯提高,達(dá)到最大值后出現(xiàn)下降。這是因?yàn)橹袢~葉綠素提取液中還含有許多其他組分,這些組分在加銅量太高或太低時(shí)對(duì)葉綠素的溶解和銅代反應(yīng)有很大干擾,因此加銅量比一般反應(yīng)要求的理論值(1.1~1.3倍)高得多,但有一個(gè)合適的范圍,即2.0~2.3倍。
圖1 加銅量對(duì)葉綠素銅得率的影響Fig.1 Effect of copper dosage on the yield of copper chlorophyllin
2.1.2 反應(yīng)溫度對(duì)葉綠素銅得率的影響
取加銅量為理論值的2.2倍、反應(yīng)時(shí)間70min、pH2.5,在不同溫度條件下進(jìn)行葉綠素的銅代反應(yīng),考察反應(yīng)溫度對(duì)葉綠素銅得率的影響,見圖2。葉綠素銅得率開始隨著反應(yīng)溫度的升高而提高,50~60℃溫度區(qū)間的葉綠素銅得率差別較大,說明在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)葉綠素銅代反應(yīng)效率增長較快。而在60~70℃的溫度區(qū)間內(nèi),葉綠素銅得率呈現(xiàn)下降趨勢,這可能是由于過高的反應(yīng)溫度導(dǎo)致葉綠素的氧化和分解,從而影響到銅代反應(yīng)的進(jìn)程。
圖2 反應(yīng)溫度對(duì)葉綠素銅得率的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on the yield of copper chlorophyllin
2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)葉綠素銅得率的影響
取加銅量為理論值2.2倍、反應(yīng)溫度60℃、pH2.5,在不同時(shí)間條件下進(jìn)行葉綠素的銅代反應(yīng),觀察反應(yīng)時(shí)間對(duì)葉綠素銅得率的影響,見圖3。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為75min時(shí),葉綠素銅得率最高,曲線反映出銅代反應(yīng)的效率隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而提高;但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過75min時(shí),銅代反應(yīng)的效率開始下降,但下降的幅度較小,這是因?yàn)楫?dāng)銅代反應(yīng)完成后,生成物繼續(xù)處于高溫環(huán)境,會(huì)引起生成的葉綠素銅由于受熱破壞導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)改變。
圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)葉綠素銅得率的影響Fig.3 Effect of reaction time on the yield of copper chlorophyllin
2.1.4 pH值對(duì)葉綠素銅得率的影響
取加銅量為理論值2.2倍、反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時(shí)間75min,在不同pH值條件下進(jìn)行葉綠素的銅代反應(yīng),觀察pH值對(duì)葉綠素銅得率的影響,見圖4。pH值的控制對(duì)銅代率的影響非常顯著,這是由于銅代反應(yīng)是在酸性條件下進(jìn)行,pH值偏高會(huì)使葉綠素脫酯,影響其在石油醚中的溶解從而阻礙銅代反應(yīng)的進(jìn)行;在pH值偏低時(shí)葉綠素也容易脫鎂而不易發(fā)生銅代反應(yīng)。pH2~3是銅代反應(yīng)必須嚴(yán)格控制的范圍,在此pH值范圍內(nèi)才能確保銅代完全。
圖4 pH值對(duì)葉綠素銅得率的影響Fig.4 Effect of pH on the yield of copper chlorophyllin
2.2 葉綠素銅代步驟的響應(yīng)面試驗(yàn)
2.2.1 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析
按照響應(yīng)面設(shè)計(jì)的因素和水平表,對(duì)自變量加銅量(A)、反應(yīng)溫度(B)、反應(yīng)時(shí)間(C)與因變量即響應(yīng)值葉綠素銅得率(Y)的關(guān)系進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn),設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表3??煽闯鰧?shí)測值和預(yù)測值數(shù)據(jù)很接近。
表3 葉綠素銅代工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table3 Experimental design and results for response surface analysis
圖5是響應(yīng)面模型實(shí)測值和預(yù)測值的擬合曲線,可以直觀地看出擬合曲線幾乎是一條直線,說明模型可以較好地描述各個(gè)自變量與因變量之間的相互關(guān)系。進(jìn)一步由軟件Design Expert對(duì)試驗(yàn)得到的響應(yīng)值葉綠素銅得率進(jìn)行回歸分析,初步建立起模型的二次回歸方程:
Y=-6.57150+3.46850A+0.19858B+0.021800C-2.00000×10-3AB+8.33333×10-4AC-1.58333×10-4BC-0.78400A2-1.51000B2-9.27778×10-5C2
表4是模型的方差分析及相關(guān)系數(shù),可觀察模型各個(gè)變量之間的擬合程度??梢娔P虵值43.93,P<0.0001,RSN=18.696,表明該模型出現(xiàn)噪音的機(jī)會(huì)只有0.01%?;貧w模型的決定系數(shù)R2為0.9826,說明98.26%的試驗(yàn)結(jié)果可以由這一模型來解釋。調(diào)整決定系數(shù)為0.9606,預(yù)測決定系數(shù)為0.8832,兩者之差在允許范圍。由失擬性該項(xiàng)的方差分析可知,F(xiàn)值很小,P值很大,表明該項(xiàng)對(duì)模型影響很小,證明模型的擬合結(jié)果很好。另外,B、BC(P<0.05)對(duì)模型有顯著影響,C、C2(P<0.01)有很顯著影響,A、A2、B2(P<0.0001)有極顯著影響。盡管AB和AC對(duì)模型沒有顯著影響,但模型若沒有這兩項(xiàng),會(huì)導(dǎo)致模型方差及相關(guān)系數(shù)的較大變化,失去原有很好的擬合結(jié)果,因而初步建立的模型也是最優(yōu)的模型[14]。
圖5 響應(yīng)曲面模型實(shí)測值和預(yù)測值的擬合曲線Fig.5 Good agreement between the experimental and model predicted yield of copper chlorophyllin
表4 葉綠素銅得率與試驗(yàn)因素關(guān)系的回歸模型分析Table4 Analysis of variance for the fitted regression model
2.2.2 交互影響因素顯著性分析
圖6 各兩因素交互作用對(duì)葉綠素銅得率影響的響應(yīng)面圖及等高線圖Fig.6 Response surface plots showing the interaction effects of three reaction conditions on the yield of copper chlorophyllin
由圖6a可知,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60min時(shí),反應(yīng)溫度在60~65℃之間,加銅量在2.15~2.30倍之間對(duì)增加葉綠素銅得率最有利。反映溫度影響的曲線較平滑,這說明在試驗(yàn)溫度范圍,葉綠素及其他脂溶性物質(zhì)溶解性都很好,只有銅離子達(dá)到一定濃度才能保證葉綠素銅代反應(yīng)的完全進(jìn)行。
由圖6b可知,當(dāng)反應(yīng)溫度為60℃時(shí),延長反應(yīng)時(shí)間,葉綠素銅得率提高,在反應(yīng)時(shí)間為75~85min之間,加銅量為2.15~2.30之間的條件下,葉綠素銅得率最高。這是因?yàn)橹挥羞_(dá)到足夠長的反應(yīng)時(shí)間才能克服雜質(zhì)的干擾,使葉綠素中心鎂離子被銅離子取代。
由圖6c可知,當(dāng)加銅量為理論值的2.0倍時(shí),反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間兩者對(duì)竹葉葉綠素銅得率的交互影響顯著,隨反應(yīng)溫度的升高和反應(yīng)時(shí)間的延長,葉綠素銅得率不斷提高,反應(yīng)溫度60~65℃、反應(yīng)時(shí)間75~85min是最優(yōu)組合。
2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
由回歸模型,求得最優(yōu)工藝條件是實(shí)際加銅量為理論加銅量的2.18倍、反應(yīng)溫度60.34℃、反應(yīng)時(shí)間75.75min,竹葉葉綠素銅得率的理論值為4.018mg/g。但這一最佳組合未包括在響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)組中,需做進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了方便驗(yàn)證試驗(yàn)條件的控制,改為加銅量2.2倍、反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時(shí)間75min,由此得到葉綠素銅得率為4.051mg/g。表明在此反應(yīng)條件下,葉綠素銅得率實(shí)測值與預(yù)測值相差不大,說明該模型方程與實(shí)際情況很好擬合,證明所建模型是正確的,可以肯定響應(yīng)面法對(duì)竹葉葉綠素銅代過程工藝條件進(jìn)行回歸分析和參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果是可靠的。
2.3 精制油溶性葉綠素銅的質(zhì)量檢測
表5 油溶性葉綠素銅的質(zhì)量指標(biāo)及檢測結(jié)果Table5 Quality indicators of crude and refined copper chlorophyllin
將未脫脂精制的銅代葉綠素進(jìn)行質(zhì)量檢測,由表5可知,與食品添加劑規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)相比,檢測值中只有消光比一項(xiàng)在規(guī)定的范圍內(nèi),特殊消光值和含量這兩項(xiàng)均不合格且相距較大。因此,需要經(jīng)丙酮進(jìn)一步脫脂精制,才可能得到合格的產(chǎn)品。進(jìn)一步脫脂精制后的檢測結(jié)果表明,脫脂精制處理是關(guān)乎葉綠素銅產(chǎn)品質(zhì)量的重要純化步驟。經(jīng)處理后的銅代葉綠素的特殊消光值合格,且含量提高了差不多1倍,這是由于脫脂處理去除了脂溶性雜質(zhì)使產(chǎn)物純度提高。另一方面是一些氧化生成的、不能起銅代反應(yīng)的葉綠素衍生物,由于極性較之葉綠素銅小,不易溶于丙酮而沉淀除去,這些雜質(zhì)往往對(duì)葉綠素銅的消光值有消長作用,導(dǎo)致質(zhì)量不合格[15-16]。
本實(shí)驗(yàn)以竹葉為原料、乙醇為溶劑提取葉綠素,葉綠素再經(jīng)過銅代、脫脂等步驟制備油溶性葉綠素銅。對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的銅代關(guān)鍵工藝過程,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用Box-Behnken Design試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,選擇三因素三水平進(jìn)行銅代工藝條件響應(yīng)面法分析優(yōu)化,建立了實(shí)際加銅量(A)、反應(yīng)溫度(B)和反應(yīng)時(shí)間(C)與油溶性葉綠素銅得率之間的二次多項(xiàng)回歸模型:Y=-6.57150+3.46850A+0.19858B+0.021800C-2.00000×10-3A B+8.3 3 3 3 3×1 0-4A C-1.5 8 3 3 3×1 0-4BC-0.78400A2-1.51000B2-9.27778×10-5C2。從模型的方差分析及相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)可證明模型對(duì)各個(gè)變量之間的擬合結(jié)果很好,各因素影響葉綠素銅得率的主次順序?yàn)閷?shí)際加銅量A>反應(yīng)溫度B>反應(yīng)時(shí)間C,可應(yīng)用于竹葉葉綠素銅代工藝過程條件控制。通過以模型的響應(yīng)面對(duì)影響油溶性葉綠素銅得率的主要因素及其相互作用進(jìn)行探討,優(yōu)化出竹葉葉綠素銅代工藝過程條件的最佳條件為實(shí)際加銅量為理論加銅量2.2倍、反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時(shí)間75min,葉綠素銅得率為實(shí)測值4.051mg/g、預(yù)測值4.018mg/g,兩者相差不大,進(jìn)一步證明所建模型是正確的,響應(yīng)面法對(duì)竹葉葉綠素銅代過程工藝條件進(jìn)行回歸分析和參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果是可靠的[17-20]。此外,葉綠素銅代后得到的只是粗品,需要經(jīng)過丙酮進(jìn)一步脫脂精制,才可能得到合格的產(chǎn)品,脫脂精制處理是關(guān)乎油溶性葉綠素銅產(chǎn)品質(zhì)量的重要純化步驟。
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[19] 秦嬌, 姚永紅, 侯智, 等. 響應(yīng)面分析法優(yōu)化毛竹葉揮發(fā)油提取工藝[J]. 食品科學(xué), 2010, 31(6): 1-5.
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Optimization of the Preparation of Oil-Soluble Copper Chlorophyllin from Bamboo Leaves
JI Ping-xiong,LI Jie-ling,ZENG Rong-guang
(Institute of Biomaterial, College of Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)
Chlorophyllin was extracted from bamboo leaves and used to prepare oil-soluble copper chlorophyllin by copper replacement and degreasing. The procedure of copper replacement critical for the quality of copper chlorophyllin was optimized by response surface methodology based on a three-variable, three-level Box-Behnken design. The optimal conditions for copper replacement were established as follows: the amount of copper was 2.2-fold of the theoretical amount and the reaction was allowed to proceed for 75 min at 60 ℃. Under these conditions, the yield of copper chlorophyllin was 4.051 mg/g. The main quality indicators of the final product obtained met the requirements for use as a food additive.
bamboo leaves;chlorophyll;copper chlorophyllin;preparation;response surface methodology
TS201.1
A
1002-6630(2013)18-0087-05
10.7506/spkx1002-6630-201318018
2012-09-19
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)“211工程”三期重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目(2009B010100001)
紀(jì)平雄(1956—),男,副教授,本科,研究方向?yàn)閼?yīng)用化學(xué)與生物資源利用。E-mail:xiongpj16591@163.com