响应面优化提取苋菜红色素及其稳定性研究*

闻玉慧，王鑫蒙，艾春辛，赵文静，石 彬，张 伟，郭 娇

(1 新乡学院化学与材料工程学院，河南 新乡 453003；2 新乡市博源科技有限公司，河南 新乡 453003)

苋菜为一年生草本苋科属植物，其含有大量的天然红色素，在我国各地普遍种植，茎粗壮，成紫红色，耐旱、湿和高温[1]，性味甘凉，清热解毒，利便明目[2]。苋菜红色素无毒、性质稳定、色泽明艳、水溶性好。由于苋菜生长迅速，管理方便，每年可摘三茬，产量高，价格便宜[3]。所以对天然红色素的提取和开发有着广阔的发展前景。

目前，对苋菜红色素的提取研究不多，一般的方法是水浸提法，如高英[4]用乙醇做浸提剂，张萃明[5]用水、NaOH溶液提取，尹琳琳[6]用超高压提取等。这些方法提取的苋菜红色素纯度不高，色泽不好，且耗能、耗时、提取率低[7]。本文采用超声波辅助提取苋菜红色素，确定了苋菜红色素的最佳工艺条件，并分析了其在各种条件下的稳定性，为天然苋菜红色素的提取和储存使用提供了技术参考。

1 苋菜红色素的提取实验

1.1 材料、试剂与仪器

苋菜，市售。

无水乙醇，天津市德恩化学试剂有限公司；浓盐酸，扬州市华富化工有限公司；过氧化氢，广东光华科技股份有限公司；亚硫酸钠，天津市兴复精细化工研究所；氯化铵、无水氯化钙、氯化钡、氯化钾氯化钠，天津市天力化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。

0.2 μm水系微孔过滤膜，天津市津腾实验设备有限公司；定性滤纸，杭州特种纸业有限公司；T6新世纪紫外可见分光光度计，北京普析仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 苋菜的处理

将新鲜苋菜清洗干净之后，放入电热鼓风干燥箱中干燥，用粉碎机将苋菜粉碎后，将粉末在99.9%的乙醇中浸泡一天去除绿色素，然后再在干燥箱中烘干，过40目的筛子待用。用UV-1600紫外可见分光光度计，对苋菜粉末进行定容稀释后的色素溶液，进行全波长扫描，确定色素的最大吸收波长。

1.2.2 超声波提取苋菜红色素

准确称取1.00 g苋菜粉末于烧杯中，加入蒸馏水30 mL分别在20、35、50、65和80 ℃条件下，用超声波仪器提取30 min。在料液比(mL/g)10∶1、20∶1、30∶1、40∶1和50∶1的情况下，在超声波中提取30 min，30 ℃条件下超声提取20、30、40、50和60 min，用0.2 μm微孔滤膜过滤后，将得到的滤液稀释同样倍数到同样大小的比色管中，在最大吸收波长处测定各个样品的吸光度值。在单因素实验的基础上，以超声波的提取温度、料液比、提取时间为因素，以吸光度值为响应值，确定最优条件。

表1 苋菜红色素的影响因素与水平

1.2.3 不同条件下超声波提取对苋菜红色素的稳定性研究。

设置不同梯度的超声温度(20、30、40、50、60、70、80 ℃)，pH为(1、3、5、7、9、11、13)，金属离子(Ba2+、Na+、Ca2+、NH4+、K+)和不同光照时间(6、12、18、24 h)、不同浓度氧化剂H2O2(1%、2%、3%、6%和15%)、不同浓度的还原剂Na2SO3(0.01 mol/L、0.05 mol/L、0.1 mol/L、0.3 mol/L和0.5 mol/L)。

1.2.4 响应面优化分析法

本次实验使用Design-Expert 10软件中的响应面设计法，以吸收波长为响应值，设计超声提取时间、温度、料液比3因素3水平的实验方案。根据实验结果拟合得出的数学模型，确定最佳提取条件。

1.3 苋菜红色素的提取结果与分析

1.3.1 苋菜红色素最大的吸收波长确定

如图1所示，最大吸收峰在(520～540 nm)范围内，波长在531 nm处有最大值，与查阅的张萃明[5]文献波长λ=535 nm虽有差别，但差别不大，或许是因为苋菜的品种不同，也可能是仪器的误差，所以此次实验采用531 nm为苋菜红色素的最大吸收波长。

图1 苋菜红色素全波长图

1.3.2 不同温度对苋菜红色素的提取结果影响

由图2知，在20～50 ℃范围内，苋菜红色素的吸光度值随着温度的升高而增大，在折线图上可以清晰的看见50 ℃时数值大，色素提取最好，50～80 ℃之间时，温度升高吸光度值降低了，并且温度升高时提取的苋菜色素不再是紫红色，而是棕黄色，温度越高棕黄色越深，可能是温度升高对色素的细胞结构造成损坏，使得色素的吸光度值降低，从而降低了色素的提取率。

1.3.3 不同料液比对苋菜红色素的提取效果影响

由图3可知，料液比在10～40 mL/g之间时，折线图中横坐标比值增大，吸光度值也增大，在折线图上40∶1(mL/g)时吸光度值最大，料液比高于40 mL/g之后，增大的料液比并不会使吸光度值增加，说明此条件下苋菜红色素已经不再能析出。故最优料液比为40∶1(mL/g)。

图3 不同料液比对苋菜色素吸光度值的影响

图4 不同提取时间对苋菜色素吸光度值的影响

1.3.4 不同提取时间对苋菜红色素的提取效果影响

由图 4知，提取时间在20～40 min内时，折线图中吸光度值在不断上升，在折线图中可以看到40 min时，吸光度值最大，40 min后吸光度值在缓慢降低，故选用40 min较为合适。

1.4 响应面分析试验

1.4.1 试验方案及结果

运用Design-Expert 10软件对表2中数据进行回归线方程拟合之后，得到苋菜红色素吸光度值提取温度A，料液比B，提取时间C的回归模型，回归方程为：

表2 苋菜红色素的Box-Behnken实验方案

Y=+0.78-0.034A-0.000 075B-0.006 775-0.000 25AB+0.000AC-0.000BC-0.039A2-0.018B2-0.011C2

对上述回归方程进行方差分析，得到结果见表3。

表3 响应面模拟结果

由表3可以看出，模型模拟得出P值<0.000 1，效果显著，失拟项的P值>0.05，不显著，说明了本次建立的模型模拟极显著，较好的拟合出来超声波技术提取苋菜红色素需要的条件，可以用这个方程对实验结果进行阐述。从表3知，提取温度、提取时间对苋菜色素的提取影响极显著(P<0.01)。

1.4.2 响应面分析

超声提取时间、液料比和提取温度交互作用对苋菜红色素提取率影响的响应面曲线及等高线见图5。

图5 各因素交互作用苋菜红色素提取率影响的响应面和等高线

由图5三因素交互作用的曲面图可以看出，当提取时间固定，随着提取温度与料液比的增大，苋菜红色素的吸光度值是先增大后减小的，提取温度在47～49 ℃，料液比在35～45 mL/g内响应面凸起，等高线闭合，说明提取温度与料液比交互作用有最大值；料液比固定，提取温度与提取时间的增大，也使红色素的吸光度值增大，当温度在47～49 ℃，时间在35～45 min时，曲面有顶点，说明了提取温度与提取时间交互有最大值，当提取温度固定时，料液比与提取时间的交互曲面平缓，料液比与提取时间交互不明显。

利用Design-Expert 10软件对实验数据进行回归方程分析，确定最佳提取条件为提取温度48.418 ℃，料液比39.408(mL/g)，提取时间34.826 min。此时模拟得到的最高数值为0.790。为验证模拟结果的真实性，在实验条件为提取温度48 ℃，料液比40(mL/g)，提取了35 min，进行10次实验，测出提取出的苋菜色素吸光度值平均值为0.793，与预测值十分接近，说明响应面优化超声波提取技术的工艺参数可靠性。

2 结 论

本实验以新鲜苋菜为研究对象，利用紫外可见分光光度计进行全波长扫描，确定了苋菜红色素的最高吸收峰的波长为531 nm。利用单因素实验与响应面优化法相结合的实验方法，确定了采用蒸馏水为溶剂超声波辅助提取苋菜红色素的最佳工艺参数为：提取温度48 ℃，料液比40∶1(mL/g)，提取时间35 min。通过对超声波技术提取苋菜红色素的稳定性分析，发现苋菜红色素对金属离子、光照并不敏感，在保存或使用过程中不必考虑金属离子或光照对它的影响。但是苋菜红色素对于较高的温度、强酸、强碱、氧化剂、还原剂较敏感，使用过程中应避免与它们的接触，以防它们使色素变质，对使用造成影响。