全 文 : 2012, Vol. 33, No. 02 食品科学 ※工艺技术78
超声 -微波协同萃取紫参薯花青素工艺
裴志胜,张海德 *,袁腊梅,辛晓晨,盛灵芝
(海南大学食品学院,海南 海口 570228)
摘 要:以海南产紫参薯为原料,采用Box-Behnken中心组合试验设计优化紫参薯花青素的超声 -微波协同萃取工
艺。分别采用时间模式与恒温模式两种方法,在单因素试验基础上,以花青素提取率为响应值,采用三因素三水
平的响应面分析法进行试验。结果表明:恒温模式时,在额定超声功率 50W、料液比 1:48(g/mL)、萃取时间 283s、
微波控制温度 46℃工艺条件下,紫参薯提取率达 79.38%,较时间模式下高 10.63%,超声 -微波协同萃取的总花青
素质量浓度为 48.42mg/L,即 4.37mg/g。
关键词:紫参薯;花青素;超声 - 微波协同萃取;响应面优化
Ultrasonic/Microwave-Assisted Extraction (UMAE) of Anthocyanins From Purple Yam
PEI Zhi-sheng,ZHANG Hai-de*,YUAN La-mei,XIN Xiao-chen,SHENG Ling-zhi
(College of Food Science, Hainan University, Haikou 570228, China)
Abstract :Purple yam planted in Hainan province (Dioscoreaceae, Dioscorea alata Linn) was used as the raw material to explore
the optimal extraction process parameters of anthocyanins by ultrasonic/microwave assisted extraction technology. The optimal
extraction process conditions were explored through Box-Benhnken central composite design. The results showed that the
optimal extraction process conditions at the fixed temperature mode were ultrasonic power of 50 W, ultrasonic frequency of 40
kHz, material-liquid ratio of 1:48 (g/mL), extraction time of 283 s and extraction temperature of 46 ℃. Under the optimal extraction
conditions, the yield of anthocyanins was up to 79.38%, which revealed an enhancement by 10.63% compared with the fixed
time mode. The total content of anthocyanins was 48.42 mg/L, namely 4.37 mg/g.
Key words:purple yam;anthocyanins;ultrasonic/microwave-assisted extraction (UMAE);response method
中图分类号:TS201.2 文献标识码:A 文章编号:1002-6630(2012)02-0078-06
收稿日期:2011-06-28
基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20080565000);农业部热带作物种质资源保护专项(10RZZY-33);
海南大学 211工程建设创新人才培养项目
作者简介:裴志胜(1985—),男,硕士研究生,研究方向为农产品深加工。E-mail:pzs183@163.com
*通信作者:张海德(1970—),男,教授,博士,研究方向为农产品深加工。E-mail:zhanghaide@163.com
参薯来源于薯蓣科植物参薯(Dioscorea alata L.)的
根茎,可入药。海南参薯种植历史悠久,《正德琼台
志》一书中就有过详细记载[1]。其主要分布于亚热带及
热带地区,富含碳水化合物、蛋白质、多糖、各种
维生素及人体所需微量元素,长期食用可强体、抗病。
紫参薯肉呈紫红色,富含色素。
花青素(Anthocyanins)是一种水溶性色素,常见于
花、果实的组织中及茎叶的表皮细胞与下表皮层。花
青素作为天然色素,具有较高的安全性能,属于功能
性食品添加剂。花青素对人体有抗氧化、强血管弹性、
改善循环系统、抑制炎症和过敏等保健功效[ 2 ]。
超声 -微波协同萃取技术将超声振动与开放式微波
两种作用方式结合,利用微波的高能作用与超声波的空
化作用,实现对样品进行快速、高效、可靠的处理。
国内对于紫参薯的超声 -微波协同萃取花青素未见报道。
本实验通过响应面法优化超声 -微波协同萃取紫参薯花青
素工艺,确定其最佳工艺条件,旨在为紫参薯花青素
纯化与活性研究等提供一定参考。
1 材料与方法
1.1 材料、试剂与仪器
新鲜紫参薯由海南大学农学院提供,洗净、去
皮、切片,于 4 0℃真空条件下干燥,粉碎备用。
氯化钾、醋酸钠、盐酸、柠檬酸、磷酸氢二钠
79※工艺技术 食品科学 2012, Vol. 33, No. 02
均为分析纯。
HB12-44型粉碎机;CP225D型分析天平;UV-2450
型紫外 -可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任
公司;HH-8型数显恒温水浴锅;DC-1006型低温恒温
槽;DZF-6053型真空干燥箱;Hettich32R型高速冷冻
离心机;pH s-2c型精密酸度计;Alpha 1-4 LSC型冷
冻干燥机 德国Christ公司;CW2000超声 -微波协同
仪由上海新拓微波溶样测试有限公司生产,工作原理见
图 1,样品容器与功率为 50W的超声波换能器紧密粘结
后置于微波辐射内使产生直接超声振动,同时,磁控
管上发射天线的微波(0~80W可调节)通过波导管作用于样品
与溶剂,受热溶剂蒸气经冷凝管冷却并回流至样品容器。
1.2 方法
1.2.1 紫参薯色素的提取及测定
1.2.1.1 紫参薯色素最大吸收波长的确定
色苷及其衍生物特征吸收峰的范围。故本实验选择在波
长 538nm处测定紫参薯色素提取液的吸光度。
1.2.1.2 pH值示差法测定吸光度[4]
分别用 0.025mol/L pH1.0(± 0.1)氯化钾缓冲液和
pH4.5(± 0.1)的醋酸钠缓冲液,将样品稀释适当倍数,暗
处静置平衡 130min,蒸馏水做空白,用 1cm比色杯,在
最大吸收波长 538nm和 700nm处测定稀释液的吸光度。
根据 Fuleki等[4]的计算方法转换花青素浓度。
A×MW×DF×1000
TAcy花青素质量浓度 /(mg/L)=——————————
ε×1
式中:A 为吸光度;ε为矢车菊花素 -3 - 葡萄糖苷
的消光系数,26900 [5](L/(cm·mg));DF为稀释因子;
MW为矢车菊花素 -3-葡萄糖苷的相对分子质量,449.2;
A=(A538nm pH1.0- A700nm pH1.0)-(A538nm pH4.5- A700nm pH4.5)。
1.2.1.3 提取率的测定
取处理后原料约 1.000g,在 40℃、料液比 1:30(g/mL)
条件下,多次重复提取,直到提取液为无色,停止继
续提取,合并各次提取液,测出 T A c y 总,计算提取率。
TAcy
提取率/%=————× 100
TAcy总
1.2.2 超声 -微波协同萃取两种模式下萃取提取工艺单
因素试验[6-9]
1.2.2.1 恒温模式萃取提取工艺单因素试验
使仪器自动控制微波的输出功率,使实际的工作温
度等于温度设定值,微波的输出功率为经过 PID运算后
的功率,超声功率为额定 5 0 W。
微波控制温度:料液比 1:40,分别采用不同的萃
取温度(20、30、40、50、60℃)提取,提取时间 120s,
收集提取液,8000r/min离心处理。
提取液料液比:分别采用不同的料液比[ 1 : 2 0、
1:40、1:60、1:80、1:100(g/mL)]进行提取,提取时间 120s,
提取温度 50℃,收集提取液,8000r/min离心处理。
萃取时间:料液比 1:40,提取温度 50℃,提取时
间分别设定为 60、120、180、240、300s,收集提取
液,8000r/min离心处理。
1.2.2.2 时间模式萃取提取工艺单因素试验
仅受控于时间,微波输出功率等于设定值,超声
功率为额定 50W。
萃取时间:料液比 1:40,提取时间分别设定为 60、
90、120、150、180s,微波功率 60W,冷却收集提
取液,8000r/min离心处理。
微波萃取功率:料液比 1:40,提取时间 120s,微
波功率分别设定为 20、40、60、80、100W,冷却收
图 1 超声 - 微波协同萃取装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of the combined ultrasonic and
microwave device
水循环
磁控管
聚焦微波
样品容器
超声波压电换能器
图 2 紫参薯色素紫外 - 可见光谱图
Fig.2 UV-visible spectrum of purple yam anthocyanins
3.200
2.405
1.610
0.815
0.020
236.00, 3.0141
A
波长/nm
200 300 400 500 600 700
284.00, 1.6720
538.00, 0.6158
紫参薯粉 1.000g放入 50mL烧杯中,加入 50mL蒸
馏水作为提取剂[3],充分混合均匀,在恒温水浴箱中 45
℃水浴浸取 60min,浸取液经过离心定容,然后在紫外
分光光度计进行光谱扫描。
由图2可知,紫参薯色素的粗提取液在紫外区270~
285nm和可见区 510~540nm之间有吸收峰出现,属于花
2012, Vol. 33, No. 02 食品科学 ※工艺技术80
集提取液,8000r/min离心处理。
提取液料液比:料液比分别设定为 1 :20、1 :40、
1:60、1:80、1:100(g/mL),进行提取,提取时间 120s,
微波功率 60W,收集提取液,8000r/min离心处理。
1.2.3 超声 -微波协同萃取提取工艺响应面试验
恒温模式:在单因素试验的基础上,以料液比、
微波控制温度、萃取时间 3因素为考察对象,采用响应
面并试验设计,以获取最佳工艺参数。
时间模式:在单因素试验的基础上,以料液比、
萃取时间、微波萃取功率 3因素为考察对象,采用响应
面分析并设计试验,以获取最佳工艺参数。
1.2.4 统计学分析[10]
使用 SAS 9.0及Design-Expert软件对数据进行统计
学分析,每组试验均重复 3 次,试验数据表示为“平
均值±标准偏差”。
2 结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 恒温模式
2.1.1.1 微波控制温度
由图 3可知,微波控制温度对紫参薯花青素的提取
率影响不大,但由于花青素类物质属于热敏性物质,故
提取温度不宜过高,故选择 40~60℃作为紫参薯中花青
素提取的萃取温度。
2.1.1.2 料液比
由图 4可知,当料液比小于 1:40时,花青素提取
率随料液比的变化不大,考虑过高的料液比会增加后续
的能耗,增加成本,故选择料液比在 1:40~1:80(g/mL)
范围内较好。
2.1.1.3 萃取时间
由图 5 可知,随着提取时间的延长,花青素的提
取率在 240s达到最高,300s时又呈现下降趋势。可能
是由于花青素易富含酚羟基可作为H供体,提取时间过
长被空气中的氧气所氧化,故萃取时间选择在 1 8 0~
300s 范围内较好。
2.1.2 时间模式
2.1.2.1 萃取时间
图 4 料液比对紫参薯花青素提取率的影响
Fig.4 Effect of material-liquid ratio on extraction rate of purple yam
anthocyanins
80
70
60
50
40
30
20
10
0
花
青
素
提
取
率
/%
料液比(g/mL)
1:20 1:40 1:60 1:80 1:100
图 5 萃取时间对紫参薯花青素提取率的影响
Fig.5 Effect of extraction time on extraction rate of purple yam
anthocyanins
74.5
74.0
73.5
73.0
72.5
72.0
71.5
71.0
70.5
70.0
69.5
69.0
花
青
素
提
取
率
/%
60 120 180 240 300
超声 -微波协同萃取时间 /s
图 6 萃取时间对紫参薯花青素提取率的影响
Fig.6 Effect of extraction time on extraction rate of purple yam
anthocyanins
70
68
66
64
62
60
58
56
花
青
素
提
取
率
/%
60 90 120 150 180 210
超声 -微波协同萃取时间 /s
由图 6可知,在 660~180s内,随着时间的延长花
青素提取率升高,但 210s 后降低,可能是由于随着萃
取时间的延长,提取温度升高,使花青素类物质分解
与氧化,故萃取时间选择在 150~210s 范围内较好。
2.1.2.2 微波功率
由图 7 可知,由于随着微波功率的增加,提取温
度的升高,可能使花青素类物质分解,故微波功率选
择在 60~100s范围内较好。
图 3 萃取微波控制温度对紫参薯花青素提取率的影响
Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of purple yam
anthocyanins
80
70
60
50
40
30
20
10
0
花
青
素
提
取
率
/%
超声 -微波协同萃取温度/℃
20 30 40 50 60
81※工艺技术 食品科学 2012, Vol. 33, No. 02
2.1.2.3 料液比
由图 8可知,料液比在 1:40时花青素提取率达到较
高水平,考虑过高的料液比会增加后续的能耗,增加
成本,故料液比选择在 1:20~1:60范围内较好。
2.2 响应面试验[11-13]
2.2.1 时间模式
因素
编码
水平
1 0 - 1
料液比(g/mL) X1 1:60 1:40 1:20
提取时间 /s X2 210 180 150
微波功率 /W X3 100 80 60
表 1 时间模式响应面分析试验因素与水平
Table 1 Factors and levels of orthogonal tests at the condition of fixed
time mode
试验号 料液比 提取时间 微波功率 提取率/%
1 - 1 - 1 0 58.00
2 - 1 1 0 62.93
3 1 - 1 0 67.31
4 1 1 0 65.76
5 0 - 1 - 1 64.25
6 0 - 1 1 61.25
7 0 1 - 1 67.04
8 0 1 1 63.08
9 - 1 0 - 1 63.11
10 1 0 - 1 68.46
11 - 1 0 1 61.08
12 1 0 1 67.88
13 0 0 0 66.58
14 0 0 0 67.27
15 0 0 0 65.96
表 2 时间模式响应面中心组合试验设计及结果
Table 2 Design and results of response surface central composite
tests
2.2.1.1 回归模型的检验
以料液比 X1、提取时间 X2、微波功率 X3为试验因
素,花青素提取率(Y )为考察指标的回归模型为:
Y=-0.53173+0.007529X1+0.010385X2+0.001903X3-
0.000023X12- 0.000027X1X2+ 9.053× 10 - 6X1X3-
0.000024X22- 4.028× 10- 6X2X3- 0.000013X32
来源 自由度 平方和 均方 F值 P值
模型 9 0.012426 0.001381 20.17972 0.002046
线性 3 0.009316 0.003105 45.38907 0.000475
平方 3 0.001985 0.000662 9.669158 0.015972
交互 3 0.001125 0.000375 5.48094 0.048809
残差 5 0.000342 0.000068
失拟误差 3 0.000257 0.000086 2.006599 0.349679
纯误差 2 0.000085 0.000043
总和 14 0.012768
R2=0.97326,R2Adj=0.9250
表 3 时间模式回归模型方差分析
Table 3 Variance analysis of regression models
图 7 微波功率对紫参薯花青素提取率的影响
Fig.7 Effect of microwave power on extraction rate of purple yam
anthocyanins
70
68
66
64
62
60
58
56
54
52
花
青
素
提
取
率
/%
20 40 60 80 100
微波功率/W
图 8 料液比对紫参薯花青素提取率的影响
Fig.8 Effect of material-liquid ratio on extraction rate of purple yam
anthocyanins
64
63
62
61
60
59
58
57
56
55
花
青
素
提
取
率
/%
料液比(g/mL)
1:20 1:40 1:60 1:80 1:100
由表 3可知,此模型 R2为 0.97326,R2Adj为 0.9250。
响应面回归模型达到极显著水平(P= 0.002046< 0.01),
说明该二次模型能够拟合真实的试验结果,试验误
差小 [ 1 4 - 1 5 ]。表 3 表明,在所选择因素水平范围内,
对结果影响的大小顺序为料液比>微波功率>提取
时间。
2.2.1.2 两因素交互作用分析
因素水平编码如表 1所示,响应面分析方案及试验
结果如表 2所示。采用Design-Expert软件对所得数据进
行分析。回归分析结果见表 3。
2012, Vol. 33, No. 02 食品科学 ※工艺技术82
来源 估计值 标准误差 t值 P值
X1 0.030357 0.002924 10.38077 0.000143
X2 0.009995 0.002924 3.417758 0.018884
X3 - 0.01196 0.002924 - 4.0897 0.00945
X12 - 0.00938 0.004305 - 2.17979 0.081135
X1X2 - 0.0162 0.004136 - 3.91595 0.011228
X1X3 0.003621 0.004136 0.875605 0.421309
X22 - 0.02163 0.004305 - 5.02373 0.004022
X2X3 - 0.00242 0.004136 - 0.58436 0.584352
X32 - 0.00534 0.004305 - 1.24151 0.26948
表 4 时间模式回归方程系数显著性检验
Table 4 Significance test for regression coefficients of regression
models
由表 4可知,所得模型中仅料液比 X1与提取时间 X2
交互作用达到显著水平(P< 0.05),其他因素交互效应均
不显著。作料液比 X 1与提取时间 X 2两因素交互作用对
花青素含量影响响应面图见图 9。
2.2.2 恒温模式
恒温模式响应面分析试验因素水平编码如表 5 所
示,响应面分析方案及试验结果如表 6 所示。采用
Design-Expert软件对所得数据进行分析,回归分析结果
见表 7 。
因素 水平
编码
1 0 - 1
料液比(g/mL) X1 1:40 1:60 1:80
提取时间 /s X2 180 240 300
微波控制温度 /℃ X3 40 50 60
表 5 恒温模式响应面分析试验因素与水平表
Table 5 Design and results of response surface tests at the condition of
fixed temperature mode
试验号 料液比 提取时间 微波控制温度 提取率/%
1 - 1 - 1 0 74.26
2 - 1 1 0 79.14
3 1 - 1 0 72.53
4 1 1 0 78.68
5 0 - 1 - 1 72.18
6 0 - 1 1 73.07
7 0 1 - 1 78.95
8 0 1 1 75.27
9 - 1 0 - 1 77.86
10 1 0 - 1 74.52
11 - 1 0 1 76.23
12 1 0 1 74.10
13 0 0 0 79.11
14 0 0 0 79.08
15 0 0 0 78.91
表 6 恒温模式响应面中心组合试验结果及预测值
Table 6 Experimental and predicted values of central composite
design
2.2.2.1 回归模型的检验
以料液比 X1、提取时间 X2、微波控制温度 X3为试
验因素,花青素提取率(Y )为考察指标的回归模型为:
Y=-0.29483+0.000179X1+0.003838X2+0.024149X3-
0.000023X12+2.661×10- 6X1X2+0.000028X1X3-5.477×
10- 6X 22- 0.000019X 2X 3- 0.00022X32
来源 自由度 平方和 均方 F值 P值
模型 9 0.009856 0.001095 27.68574 0.000962
线性 3 0.006031 0.00201 50.82231 0.000362
平方 3 0.003226 0.001075 27.18719 0.0016
交互 3 0.000599 0.0002 5.047724 0.056694
残差 5 0.000198 0.00004
失拟误差 3 0.000195 0.000065 54.30284 0.018137
纯误差 2 2.40× 10-6 1.20× 10-6
总和 14 0.010054
R2=0.9803;R2Adj=0.9449
表 7 恒温模式回归模型方差分析
Table 7 Variance analysis of regression models
由表 7可知,此模型的 R2为 0.9803,R2Adj为 0.9449。
响应面回归模型达到极显著水平(P= 0.000962< 0.01),
说明该二次模型能够拟合真实的试验结果,试验误差
小。在所选择因素水平范围内,对结果影响的大小顺
序为:提取时间>料液比>温度。
2.2.2.2 两因素交互作用分析
由表 8可知,所建立的提取数据模型中仅提取时间
X2与微波控制温度 X3交互作用达到显著水平(P< 0.05)。
其他因素交互效应均不显著。作提取时间 X2与微波控制
温度 X 3 两因素交互作用图,见图 10。
固定水平:微波功率 8 0 W。
图 9 时间模式处理时间和料液比交互作用对花青素含量影响的
响应面
Fig.9 Response surface plots for the effect of cross-interaction among
extraction time and material-liquid ratio on the content of
anthocyanins from purple yam
69
66
63
60
57
提
取
率
/%
1.0
0.5
0.0
- 0.5
-1.0 -1.0- 0.5
0.0
0.5
1.0
B:处理时间 A:
料液
比
83※工艺技术 食品科学 2012, Vol. 33, No. 02
来源 估计值 标准误差 t值 P值
X1 - 0.00958 0.002224 - 4.30901 0.00765
X2 0.02501 0.002224 11.24718 0.0001
X3 - 0.00605 0.002224 - 2.72037 0.041757
X12 - 0.01037 0.003273 - 3.16675 0.024905
X1X2 0.003194 0.003145 1.015538 0.356444
X1X3 0.003002 0.003145 0.954715 0.383566
X22 - 0.01847 0.003273 - 5.6418 0.002427
X2X3 - 0.01143 0.003145 - 3.63323 0.01501
X32 - 0.02321 0.003273 - 7.09101 0.000864
表 8 恒温模式回归方程系数显著性检验
Table 8 Significance test for regression coefficients of regression
models
2.2.3 最佳条件优化
2.2.3.1 恒温模式
将回归方程用 LINGO语言进行分析,得到最佳方
案为:在额定超声功率为 50W条件下,料液比 1:48.08
(g/mL)、提取时间 282.72s、微波控制温度 45.73℃,紫
参薯花青素提取率的理论值为 80.43%。
验证响应面法的可行性,料液比 1:48(g/mL)、萃取
时间 283s、微波控制温度 46℃对紫参薯粉末进行提取验
证实验。3次平行实验得到实际平均提取率为 79.38%,
与理论值相比,其相对误差约为 1. 31%。
2.2.3.2 时间模式
将回归方程用LINGO语言进行分析,得到最佳方案
为:在额定超声功率为 50W条件下,料液比 1:60(g/mL)、
萃取时间 176.47s、微波功率 65.64W,紫参薯花青素提
取率的理论值为 69.01%。
验证响应面法的可行性,料液比 1:60(g/mL)、萃取
时间 176s、微波功率 66W对紫参薯粉末进行提取验证
实验。3次平行实验得到实际平均提取率为 68.75%,与
理论值相比,其相对误差约为 0. 38%。
在恒温模式条件下,紫参薯花青素的提取率明显高
于时间模式条件。在时间模式条件下,在一定的功率条
件下,提取温度随着提取时间增加而不断上升,对于花
青素类热敏物质高温对其的破坏也较严重。而在恒温模
式条件下则有效的控制温度对花青素类热敏物质的影响,
故其花青素提取率要远高于时间模式条件下的提取。
3 结 论
采用Box-Behnken型的中心组合试验设计原理,建
立紫参薯超声波微波协同萃取辅助提取的数学模型。在
采用恒温模式条件下的最佳工艺参数为:在额定超声功
率 50W条件下,料液比 1:48(g/mL)、萃取时间 283s、
微波控制温度 46℃,在此工艺条件下的紫参薯的提取率
达 79.38%,即超声 -微波协同萃取的总花青素质量浓度
为 48.42mg/L,即 4.37mg/g。可知紫参薯是一种极具开
发价值的花青素提取原料[16]。
参 考 文 献 :
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固定水平:料液比 1:60(g /mL)。
图 10 微波控制温度和处理时间交互作用对花青素含量影响的
响应面
Fig.10 Response surface plots for effect of cross-interaction among
extraction temperature and extraction time on the content of
anthocyanins from purple yam
80.200
78.075
75.950
73.825
71.700
提
取
率
/%
1.0
-1.0- 0.5
0.0
0.5
1.0
C :温度
B:
处理
时间
0.5
0.0
- 0.5
-1.0