超声波辅助提取桑葚色素及热降解动力学

  刘永术，傅先枫

  肇庆学院化学化工学院(肇庆526061)

摘要  采用响应面试验优化超声时间、料液比和乙醇体积分数三因素对超声辅助提取桑葚色素的工艺参数，并对桑葚色素的热降解动力学进行研究。结果表明；超声时间、料液比、乙醇体积分数对桑葚色素提取液的吸光度影响显著，影响大小顺序为乙醇体积分数>料液比>超声时间；最佳提取参数为超声时间30 min、料液比1：42 (g/m L)、乙醇体积分数76%，此条件下吸光度为2.409;桑葚色素随热处理温度的增加热降解加剧，符合一级热降解反应动力学。

关键词超声波；桑葚色素；热降解动力学

  桑葚色泽艳丽、果肉多汁、滋味甘甜，被誉为“中华果王”。桑葚营养丰富，含有多种氨基酸、维生素及微量元素等1 50多种化合物，其中主要活性物质为花青素类化合物、白藜芦醇、多糖等。桑葚有乌发明目、滋阴补血、润肠通便、补肝益肾、降糖降脂和抗衰老等功效，具有较高营养和药用价值。因此，桑葚被加工成桑葚果脯、桑葚果醋、桑葚酒、桑葚果汁、桑葚冰淇淋、桑葚奶茶、桑葚果冻、桑葚酸奶等产品，深受消费者喜爱。

  天然食用色素广泛存在植物的花、叶、果实、皮中，来源丰富、安全无毒、色调自然。其除了能赋予食品诱人色彩，给人识别食品视觉风味和味觉阈值外，还兼具营养和保健功能，越来越受到关注。桑葚色素中富含花青素，而花色素预防心脑血管疾病、保护肝脏、降低DNA氧化损害、降血糖等功效。试验采用超声波辅助提取桑葚色素，利用响应面方法优化桑葚色素的提取参数，并研究桑葚色素的热降解动力学，以期为桑葚资源的开发利用提供参考。

1  材料与方法

1.1材料与仪器

  桑葚：农户提供；无水乙醇：广州化学试剂厂；TD3C800B离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；UVmini-1240紫外可见分光光度计：岛津企业管理（中国）有限公司；DFY-250A高速组织粉碎机：上海比朗仪器有限公司；SK8200H超声波清洗器：上海科导超声仪器有限公司。

1.2试验方法

1.2.1桑葚色素的光谱特性

  将桑葚置于干燥箱中烘干后，取出粉碎过60目筛，获得桑葚粉末。称取固定质量的桑葚粉末按一定料液比分散于一定体积分数的乙醇溶液中，超声提取一定时间后，以10 000 r/min离心15 min，取上清液定容于50m L容量瓶，在紫外可见分光光度计上进行200～600 nm波长扫描，测定桑葚色素的紫外-可见光谱。

1.2.2桑葚色素的提取

  根据1.2.1中的方法，将离心后的桑葚色素定容于50 m L容量瓶，在286 nm处测定其吸光度，以吸光度的大小来表示提取桑葚色素的相对浓度大小。

1.2.3响应面优化提取桑葚色素

  在单因素试验基础上，根据响应面试验设计原理，以吸光度为优化目标，选择超声时间、料液比和乙醇体积分数进行三因素三水平试验，利用Design-Expert软件进行响应面优化提取桑葚色素的最佳参数。

1.2.4桑葚色素的热降解动力学

  研究表明色素热降解可用一级反应动力学进行分析，热降解常数(Dc)、半衰期(t1/2)与活化能（Ea）可分别按公式(1)~(3)计算：

  式中：A------为热处理后桑葚色素溶液的吸光度；A0——为热处理前桑葚色素溶液的吸光度；t------热处理时间，h；D0——指数前因子；R------气体常数；T------热处理温度，℃。

2结果与分析

2.1桑葚色素的光谱特性

  桑葚色素的紫外-可见光谱见图1。从图1可知，桑葚色素分别在216，286和529 nm处有显著的吸收峰，说明桑葚色素的主要成分为花青素类化合物。由于286 nm处的吸收峰大且稳定，所以在286 nm处测定桑葚色素提取液的吸光度来表示提取桑葚色素的相对浓度。

2.2响应面试验优化提取桑葚色素

  在单因素试验基础上，以吸光度(Y)为优化指标，对超声时间、料液比和乙醇体积分数采用三因素三水平进行响应面优化桑葚色素的提取参数，试验设计及结果见表1。

  采用Design-Expert软件对表1中的试验数据进行回归拟合分析，得到二次方程模型为：Y=2.4-0.03A+0.051B+0.062C-0.016AB+0.048AC-0.019BC -0.068A2-0.012B2-0.049C2.

  采用Design-Expert软件对表1中的试验数据进行回归模型方差分析，结果见表2。由表2可知，回归方程模型极显著(p<0.01)，模型的相关系数R2为0.97，模型变异系数为1.29%，说明该二次模型能够拟合真实的试验结果，试验误差小；模型的失拟项不显著(p>0.05)，表明模型拟合程度好，模型与试验数据相符。

  采用Design-Expert软件对表1中的试验数据进行回归模型系数显著性检验，结果见表3。由表3可知，超声时间(A)、料液比(B)和乙醇体积分数(C) 对吸光度(Y)的影响显著(P<0.05)，影响的大小顺序为乙醇体积分数>料液比>超声时间；超声时间与乙醇体积分数的交互作用对吸光度影响显著( p<0.05)，超声时间与料液比、料液比与乙醇体积分数的交互作用对吸光度的影响不显著(p>0.05)；各因素的二次方对吸光度影响显著(p<0.05)。

2.3提取桑葚色素最佳参数的确定

  采用Design-Expert软件对回归拟合的二次方程进行计算，得到桑葚色素提取的最佳参数为：超声时间29.65 min、料液比1：41.76( g/m L)、乙醇体积分数75.85%，吸光度的预测值为2.425。为了方便实际操作，最佳参数调整为：超声时间30 min、料液比1：42( g/m L)、乙醇体积分数76%，在此条件下提取桑葚色素溶液的吸光度为2.409( n=3)，与预测值相差

0.66%，说明该模型用于提取桑葚色素是可靠的。

2.4桑葚色素热降解动力学

  桑葚色素热降解动力学结果见图2和表4。由图2和表4可知，桑葚色素的热降解符合一级降解动力学；随着热处理温度的增加，Dc值逐渐增加，t1/2值逐渐减小，说明桑葚色素随着热处理温度增加降解加剧；桑葚色素在40℃，60℃，80 ℃和100 ℃下对应的t1／2值分别为995.90, 210.68, 113.44和67.69 h，说明桑葚色素的半衰期较长，能满足食品加工的需要。

3结论

  采用响应面法对桑葚色素的超声提取参数进行了优化。超声时间、料液比和乙醇体积分数对桑葚色素的提取影响显著，影响大小顺序为乙醇体积分数>料液比>超声时间。最佳提取参数为超声时间30 min、料液比1：42( g/m L)、乙醇体积分数76%，此条件下吸光度为2.409。桑葚色素随热处理温度的增加热降解加剧，但其半衰期较大，能满足食品加工的需要。