穆莎茉莉，包英才，王文躍，黃鳳蘭，*，張繼星，*（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼028000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程研究中心，內(nèi)蒙古通遼028000）

超聲波輔助提取蓖麻色素工藝優(yōu)化

穆莎茉莉1，2，包英才1，2，王文躍1，2，黃鳳蘭1，2，*，張繼星1，2，*
（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼028000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程研究中心，內(nèi)蒙古通遼028000）

以蓖麻殼為原料，采用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲提取蓖麻色素工藝。以蓖麻色素提取率為考察指標(biāo)，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取乙醇濃度、提取時(shí)間、提取溫度三個(gè)因素，進(jìn)行中心組合實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，蓖麻色素的最佳提取工藝條件為乙醇濃度94%，提取時(shí)間104min，提取溫度56℃，此條件下蓖麻色素提取率為85.97%。

蓖麻色素，響應(yīng)面法，提取

目前主要將色素分為兩大類：天然色素和人工合成色素。其中天然色素是從動(dòng)物、植物及礦物質(zhì)中經(jīng)提取獲得的，這類色素往往含有對(duì)人體有益的成分而倍受關(guān)注[1-5]。蓖麻是重要的油料作物之一，蓖麻籽殼的顏色種類豐富，依據(jù)蓖麻不同的品種其表皮上有淺紅、暗紅、淺栗、暗栗、淺灰、暗灰等斑紋。蓖麻籽殼色素主要包含蓖麻紅色素和蓖麻黃色素，是很好的天然色素，目前對(duì)于該色素的研究較少[6-7]。本實(shí)驗(yàn)利用超聲波對(duì)蓖麻殼中的色素進(jìn)行提取[8-13]，應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝，得到了蓖麻色素提取的最佳工藝條件，為今后蓖麻殼的進(jìn)一步開發(fā)和利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

無(wú)水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸 均為分析純；通蓖5號(hào)蓖麻籽殼（籽粒暗栗斑紋） 內(nèi)蒙古民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供。

HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；JJ-2組織勻漿搗碎機(jī) 江蘇省大地自動(dòng)化儀器廠；紫外分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限公司；JY96-Ⅱ超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 鄭州南北儀器設(shè)備有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海鴻都電子科技有限公司；AO104電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超聲輔助提取蓖麻色素工藝 蓖麻籽殼→粉碎60s后過(guò)40目篩→超聲提取→經(jīng)一次抽濾→定容至100mL→色素含量測(cè)定。

1.2.2 蓖麻色素最大吸收波長(zhǎng)的確定 用80%乙醇溶液在超聲波功率60W，提取時(shí)間100min，提取蓖麻色素，得到的提取液抽濾，用紫外-可見分光光度計(jì)在300～600nm范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，得到蓖麻色素的最大吸收波長(zhǎng)λmax為321nm，這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果一致[14]。

1.2.3 色素的提取率的計(jì)算[15]稱取1.0g蓖麻殼粉末樣品，加入80%乙醇，料液比1∶60，超聲功率60W，提取時(shí)間100min，提取溫度60℃進(jìn)行色素提取，提取后抽濾得到濾液，再將濾渣反復(fù)提取直到提取液無(wú)色，收集合并各次提取液，以80%乙醇溶液稀釋到體積V，在321nm波長(zhǎng)處測(cè)定最大吸光度A。

稱取1.0g蓖麻殼粉末樣品，在一定實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行色素的單次提取，提取后經(jīng)抽濾得到濾液，以80%乙醇溶液稀釋到體積V1，在321nm波長(zhǎng)處測(cè)定最大吸光度A1。

1.2.4 色素提取的單因素實(shí)驗(yàn) 以色素提取率為考察指標(biāo)，分別考察乙醇濃度（20%、40%、60%、80%、100%）對(duì)色素提取率的影響，此時(shí)，料液比1∶60，超聲功率60W，提取時(shí)間100min，提取溫度60℃；料液比（1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80g/mL）對(duì)色素提取率的影響，此時(shí)，乙醇濃度80%，超聲功率60W，提取時(shí)間100min，提取溫度60℃；超聲功率（40、60、80、100、120W）對(duì)色素提取率的影響，此時(shí)，乙醇濃度80%，料液比1∶60，提取時(shí)間100min，提取溫度60℃；提取時(shí)間（40、60、80、100、120min）對(duì)色素提取率的影響，此時(shí)，乙醇濃度80%，料液比1∶60，超聲功率60W，提取溫度60℃；提取溫度（20、40、60、80、100℃）對(duì)色素提取率的影響，此時(shí)，乙醇濃度80%，料液比1∶60，超聲功率60W，提取時(shí)間100min。

1.2.5 色素提取的響應(yīng)面法優(yōu)化 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以乙醇濃度（x1）、提取時(shí)間（x2）、提取溫度（x3）為自變量，色素提取率為響應(yīng)值（y）進(jìn)行Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。因素水平編碼表見表1。

表1 Box-Behnken設(shè)計(jì)因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of Box-Behnken design

1.3 數(shù)據(jù)分析

結(jié)果采用Design-Expert7.1軟件（Stat Ease，Inc，Minneapolis，USA）、SPSS（version11.5，SPSSlnc.USA）軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 乙醇濃度對(duì)蓖麻色素提取率的影響 由圖1可知，隨著乙醇濃度的增加，蓖麻色素的提取率也增加，乙醇濃度在20%～60%范圍變化時(shí)色素提取率呈緩慢上升，乙醇濃度由60%增加至80%過(guò)程中提取率快速上升。一方面乙醇作為有機(jī)溶劑本身可以破壞膜蛋白，增加細(xì)胞膜的通透性，溶劑進(jìn)出細(xì)胞不受影響，溶解的色素很容易被溶劑帶出細(xì)胞外[16]，另一方面可能是蓖麻色素中所含的醇溶性色素較多，當(dāng)乙醇濃度增加至80%，有利于這類色素的溶出，選取80%乙醇作為最佳濃度。

2.1.2 料液比對(duì)蓖麻色素提取率的影響 由圖2可知，隨著料液比逐漸減小，色素提取率先上升后趨于平緩，料液比為1∶60～1∶80時(shí)，色素提取率趨于穩(wěn)定，減小料液比也不能促進(jìn)色素更多的分散在提取液中，提取液量多，不利于回收，故料液比選取1∶60。

2.1.3 超聲功率對(duì)蓖麻色素提取率的影響 由圖3可知，超聲波功率在40～120W范圍，色素提取率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，超聲波功率為60W時(shí)色素提取率最高；當(dāng)超聲功率大于60W，色素提取率逐漸降低可能是超聲功率過(guò)大破壞了色素[17-18]，因此選取60W為色素提取最佳功率。

圖1 乙醇濃度對(duì)蓖麻色素提取率的影響Fig.1 Influence of ethanol concentration on castor pigment extraction rate

圖2 料液比對(duì)蓖麻色素得率的影響Fig.2 Influence of solid-liquid ratio on castor pigment extraction rate

圖3 超聲波功率對(duì)蓖麻色素提取率的影響Fig.3 Influence of ultrasonic power on castor pigment ertraction rate

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)蓖麻色素提取率的影響 從圖4中可知，蓖麻色素的提取率隨著提取時(shí)間的增加呈現(xiàn)出階段性的上升，色素的提取即是色素溶解在溶劑中的過(guò)程，浸提時(shí)間小于80min時(shí)，色素溶出量較少，當(dāng)提取時(shí)間為80～100min時(shí)，色素充分溶出，色素提取率增加，提取時(shí)間大于100min，色素向溶劑中的溶出趨于平衡，色素提取率變化較小，從能源等方面綜合考慮提取時(shí)間以100min為最佳。

圖4 提取時(shí)間對(duì)蓖麻色素提取率的影響Fig.4 Influence of extraction time on castor pigment extraction rate

2.1.5 提取溫度對(duì)蓖麻色素提取率的影響 色素提取率隨提取溫度的增加呈上升趨勢(shì)，在提取溫度為60～80℃時(shí)，色素穩(wěn)定，當(dāng)提取溫度升高至100℃，提取液顏色變淺，吸光值變化較大，可能是溫度較高使色素部分分解[19]，提取最佳溫度為60℃。

圖5 提取溫度對(duì)蓖麻色素得率的影響Fig.5 Influence of extraction temperature on castor pigment extraction rate

在各單因素實(shí)驗(yàn)中，除了超聲功率以外，其他單因素參數(shù)的增大對(duì)于色素的提取率都表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。其中提取溫度的升高有利于提取率的增加但是隨著溫度的增加色素顏色會(huì)發(fā)生變化，提取時(shí)間對(duì)于提取率的影響是所有因素中最大的，當(dāng)提取時(shí)間從80min增加到100min時(shí)，提取率增加了29.3%，乙醇濃度的變化主要與蓖麻色素的溶解特性有關(guān)，當(dāng)乙醇濃度達(dá)到80%時(shí)，色素提取率增加較快，料液比對(duì)于色素提取的影響在到1∶60時(shí)基本到達(dá)平衡，隨著溶劑的增加，色素提取率趨于穩(wěn)定，并且色素的其他性質(zhì)也沒(méi)發(fā)生變化，所以選取乙醇濃度、提取時(shí)間、提取溫度三個(gè)因素進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化蓖麻色素提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面分析優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果 依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用響應(yīng)面法確定不同乙醇濃度、不同提取時(shí)間、不同提取溫度對(duì)蓖麻色素提取的最佳工藝。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件和響應(yīng)值見表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface design and result

表3 Box-Behnken設(shè)計(jì)方差分析表Table 3 Analysis of variance（ANOVA）of the regression parameters for the Box-Behnken

2.2.2 響應(yīng)面分析 通過(guò)分析自變量和因變量得到能夠在給定的范圍內(nèi)預(yù)測(cè)響應(yīng)值的回歸方程，回歸方程如下：

y=-84.24+4.38x1+13.74x2+7.64x3-0.43x1x2+0.13x1x3-0.050x2x3-3.90x12-14.47x22-6.72x32

中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的方差分析見表3。本實(shí)驗(yàn)所得回歸模型項(xiàng)p＜0.0001，表明該模型高度顯著，失擬項(xiàng)F=2.10，p=0.2425＞0.1，不顯著，表明中心旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所獲得的回歸方程與實(shí)際情況擬合較好，實(shí)驗(yàn)誤差小，一次項(xiàng)和二次項(xiàng)中x1、x2、x3的偏回歸系數(shù)均極顯著，二次項(xiàng)x1x2、x1x3、x2x3的偏回歸系數(shù)均不顯著，說(shuō)明各因子間交互并不顯著，因此可用該回歸方程代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 根據(jù)本模型計(jì)算得到最佳工藝條件為：乙醇濃度94%，提取時(shí)間104.4min，提取溫度56.4℃，理論色素最大提取率為86.04%。根據(jù)模型調(diào)整工藝條件為：乙醇濃度95%，提取時(shí)間104min，提取溫度56℃，在此條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次得到色素提取率平均值為85.97%，實(shí)際值與理論值相差較小。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以響應(yīng)面分析法優(yōu)化蓖麻色素提取工藝條件，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的最佳提取工藝條件為乙醇濃度為95%，提取時(shí)間為104min，提取溫度為56℃，在此條件下色素提取率為85.97%，與響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)值非常接近，說(shuō)明該模型能很好應(yīng)用于色素提取工藝條件的優(yōu)化。

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Optimization of utrasonic-assised extraction process for pigment from castor by response surface extraction

MU Sha-moli1，2，BAO Ying-cai1，2，WANG Wen-yue1，2，HUANG Feng-lan1，2，*，ZHANG Ji-xing1，2，*
（1.College of Life Science，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao 028000，China；2.Inner Mongolia Industrial Engineering Research Center of Universities for Castor，Tongliao 028000，China）

Response surface methodology was used to optimize the ultrasonic-assisted extraction of pigment from castor with the yield as investigation index.Based on the single-factor tests，the center combination experiment was established with three key factors of ethanol concentration extraction temperature and extraction time.The results showed that the optimal extraction conditions were as follows：94%ethanol concentration，56℃extraction temperature and 104min extraction time．Under this condition，the extraction rate of pigment from Castor was up to 85.97%.

castor pigment；response surface methodology；extraction

TS202.3

B

1002-0306（2014）14-0260-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.049

2013-10-09 *通訊聯(lián)系人

穆莎茉莉（1979-），女，碩士研究生，講師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工方面的研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31260336）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31160290）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程枝術(shù)研究中心項(xiàng)目（BMYJ2013001，BMJ2011007）；內(nèi)蒙古民族大學(xué)科學(xué)市校合作項(xiàng)目（SXZD2012018）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心與軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院軍事獸醫(yī)研究所合作項(xiàng)目（MV-201201-1）。