微波-超声波协同提取板栗壳色素的工艺研究

  王燕，高洁，王飞娟，张爽，赖普辉

  陕西国际商贸学院（成阳712046）

摘要以板栗壳为研究对象，采用微波-超声波协同提取法对其中色素进行提取。在单因素试验的基础上，对影响板栗壳色素提取效果的6个因素（乙醇体积分数、浸泡时间、微波功率、超声功率、提取时间和液固比值）分别进行考察。随后采用中心组合试验设计法(Box-Behnken)建立二次多项式的预测模型，对提取工艺进行优化，确定的最优提取条件为微波功率580 W，超声功率170 W,提取时间为7min,液固比值17 m L/g。该条件下，板栗壳色素的提取效果与预测值相差1.14%，说明回归模型能较好地预测板栗壳色素提取效果。为板栗壳的进一步研究和开发新型天然色素的提供参考依据。

关键词板栗壳色素：微波-超声波协同提取；响应面法

  板栗（Castanea mollissima Blume），壳斗科( Fagaccac)之栗属坚果类植物。在我国板栗已

有3 000多年的种植历史，近年来我国板栗栽培面积和产量均居世界前列。板栗壳为板栗的外果皮，又称瑰栗、栗子、毛栗等，又名栗毛壳（《唐本草》）、风栗壳（《广东中药》）、具有凉血热、消痰火的功效。板栗是我国的特产，长期以来，板栗仁受到广泛关注，但板栗壳作为加工废弃物未得到有效开发与利用，大部分被当用做燃料或被丢弃，造成资源的极大浪费。

  板栗壳富含天然色素物质，具有良好的抗氧化和抑菌和着色、防腐等多重功效。研究表明，板栗壳色素属于黄酮类色素，是目前世界上并不多见的性质稳定的天然食用色素之一，因而具有很高的开发价值。

  天然色素存在于植物体内，如何高效地提取出色素成为天然色素研究过程的关键问题。目前，关于天然色素的提取研究，已有关于水溶液提取、碱法提取、溶剂提取法、超声波提取法和微波提法等的研究。研究表明，采用前3种方法提取板栗壳色素提取效低率较低，不利于提高生产效益。超声波提取法提取率高、时间短，但能耗高。超声波可以缩短提取时间，提高目标物质得率。微波法提具有方法简单、省时、高效等特点。超声波-微波协同提取法作为一种快速发展新型的提取方法，可充分利用超声波的振动空化作用以及微波的高能作用，加速目标物从基体进入溶剂，具有提取时间短、提取率高、提取物结构未被破坏等优点，己被广泛应用在生物活性物质的提取方面。目前关于微波-超声波协同提取板栗壳色素，尤其是与响应曲面法结合研究板栗壳色素的研究尚未见到报道。以板栗壳为试验材料，利用Box-Behnken试验设计原理，对板栗壳色素的提取工艺条件进行优化，为进一步开发新型天然色素提供试验依据。

1材料与方法

1.1材料

  板栗壳：市售，粉碎于干燥通风处保存；试剂：国产分析纯。

1.2仪器与设备

  电子分析天平FA型：上海恒平科学仪器有限公司；RE-52A旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；FA-2004分析天平：上海精细科技仪器厂；电子恒温水浴锅DZKW-4型：上海金桥科析仪器厂；UV-2100分光光度计：上海精密仪器有限公司；X0-200微波超声波组合反应系统：南京先欧仪器制造有限公司。

1.3试验方法

1.3.1色素提取过程

  准确称量5g粉碎后的板栗壳，按照液固比值加入一定体积分数的乙醇浸泡，随后置于微波-超声波反应系统的专用玻璃反应瓶中，按照所设的微波功率、超声波条件提取一定时间，过滤，所得滤液高速离心后取上层，稀释备用。

1.3.2最大吸收波长的确定

  体积分数为50%乙醇为空白，将经稀释后板栗壳色素的滤液在200～700 nm之间用紫外-可见光进行扫描，确定的最大吸收波长为275 nm。

1.3.3单因素试验

 由于板栗壳色素为黄酮类色素，故采用乙醇为提取溶剂。在275 nm波长下，研究溶剂体积分数（20%，30%，40%，50%和60%）、浸泡时间(2，6. 10，14和18 h)、微波功率(200，300，400，500和600 W)、超声功率(80，160，240，320和480W)、提取时间（3，6，9，12和15 min）、液固比值（5，10，15，20和25 m L/g）等6个因素对色素提取效果——吸光度的影响。

1.3.4响应曲面试验设计

 在单因素试验基础上，对影响因素微波功率（X1）、超声功率（X2）、提取时间（X3）和液固比值（五）进行响应曲面试验设计，见表1。

2  试验结果与分析

2.1单因素试验结果

2.1.1  乙醇体积分数对色素提取效果的影响

 选取浸泡时间为10 h、微波功率为500 W，超声功率为320 W，提取时间为9 min，液固比值为15 m L/g，设定乙醇体积分数为20%，30%，40%，50%和60%，在此条件下研究乙醇体积分数对色素提取效果的影响。从图1可知，体积分数为50%乙醇提取效果较佳，这与色素自身的性质有关。

2.1.2浸泡时间对色素提取效果的影响

 选取乙醇体积分数为50%，微波功率为500 W，超声功率为320 W，提取时间为9 min，液固比值为15mL/g，设定浸泡时间为2，6，10，14和18 h，在此条件下考察浸泡时间对色素提取效果的影响。从试验结果图2可知，浸泡时间越长，色素溶出的量越多；并在10 h时提取效果达最高，随后时间延长，色素的溶出量变化不大。

2.1.3微波功率对板栗壳色素提取效果的影响

 选取体积分数为50%乙醇，浸泡时间为10 h，超声功率320 W，提取时间9 min，液固比值15 m L/g，设定微波功率为200，300, 400，500和600 W，在此条件下考察微波功率对色素提取效果的影响。从试验结果图3可知，随着微波功率的增加，色素提取量较大，500 W时提取量最高，随后随微波功率的增加，色素提取量反而下降，可能是微波功率增加，温度升高，乙醇挥发性增强，色素的溶解量减少，提取量下降的缘故。同时，功率过高也会导致温度升高过快，促使色素物质被氧化和降解。

2.1.4超声功率对板栗壳色素提取效果的影响

 选取体积分数为50%乙醇，浸泡时间为10 h，微波功率400 W，提取时间9 min，液固比值15 m L/g，设定超声功率为80，160, 240，320和480 W，在此条件下考察超声功率对色素提取效果的影响。从试验结果图4可知，随着超声功率的增加，色素提取率不断升高，在320 W时提取量最好。

2.1.5提取时间对板栗壳色素提取效果的影响

 选取体积分数为50%乙醇，浸泡时间为10 h，微波功率400 W，超声功率320 W，液固比值15 m L/g，设定提取时间3，6，9，12和15 min，在此条件下考察提取时间对色素提取效果的影响。从试验结果图5可知，随着提取时间的延长，色素提取量在增加，并在9 min时提取量达最高，随后下降并趋于平缓。

2.1.6液固比值对板栗壳色素提取效果的影响

 选取体积分数为50%乙醇，浸泡时间为10 h，微波功率400 W，超声功率320 W，提取时间为9 min，设定液固比值为5，10，15，20和25 m L/g，在此条件下考察液固比值对色素提取效果的影响。从试验结果图6可知，在15 m L/g时提取效果最好。

2.2响应曲面结果与分析

2.2.1  响应曲面试验结果

 在单因素试验的基础上，按照响应曲面法的BBD设计方法，对影响色素提取效果的因素微波功率（X1）、超声功率（X2）、提取时间（X3）和液固比值（X4）进行因素水平设计，得到27个试验点的设计方案。其中24个试验点为析因点，3个为零点。零点为区域的中心点，共重复试验3次，用以估算试验误差。以吸光度为响应指标(Y)，试验结果见表2。通过表2数据可以看出，试验测定值与预测值比较接近，说明测定结果具有一定可信度。

2.2.2回归模型方程的建立及方差分析

  以板栗壳色素提取率为响应值，建立二次多项

  为了检验模型的有效性，对模型进行方差分析和模型的可信度分析，结果见表3~表4。

影响因素影响，其余变量对模型无影响(p>0.05)。回归模型的方差p<0.000 1，表明该模型是极显著的；同时失拟项值0.192 5(p>0.05)不显著，表明模型拟合程度较好。

 在表4中，模型校正系数R2=0.980 3，说明有98.03%的响应值可采用该模型来解释，仅有1.97%的变异不能使用该模型解释。负相关系数R2=0.949 0，信噪比33.256，亦说明模型拟合程度良好。因此，可用此模型对板栗壳色素的提取效果进行分析和预测。

2.2.3响应曲面分析及最优条件确定

 采用Design Expert 7.1.3软件对因素的交互作用进行分析，所得的响应面图及等高线图（图7）和方差分析图（图8）。响应曲面图反映了各独立变量之间的交互作用对响应值的影响。

 从图7A微波功率与超声功率对响应值的影响可知，微波功率对响应值的影响呈现先升高后降低的趋势，且变化幅度较大，超声功率的曲线较平缓，表明其对响应值的影响较小，且交互作用显著。图7B为微波功率与提取时间对响应值的影响，微波功率和提取时间对响应值的影响呈现先升高后降低的趋势，变化幅度比较大，这与方差分析结果——提取时间和微波功率的一次项、二次项和交互项均对响应值的影响极显著是完全一致的。图7C为微波功率与液固比值对响应值的影响，从等高线图看出，两因素对响应值的影响并非直线关系，交互作用极显著，与方差分析结果一致。图7D为超声功率与提取时间对响应值的影响，提取时间对响应值的影响较大，而超声功率对响应值的影响曲线很平缓，交互作用不明显。图7E中，超声功率和液固比值均对响应值的影响曲线比较陡峭，呈现出先升高后降低的趋势，即二者对响应值的影响比较显著。图7F中，等高线图反映出提取时间和液固比值对响应值的影响影响较为显著。

 同时，从图8响应曲面分析残差图可以看出，试验值与响应值几乎在同一直线上，即拟合程度较好，表明模型能够较好的反应因素与响应值的关系，可以采用该模型进行最优工艺的优化。

2.2.4最佳工艺条件确定及验证试验

 由于响应曲面图7A～F都是开口向下，则在试验所选范围内，存在极大值，因此，采用软件分析得到微波超声波协同提取板栗壳色素的最优工艺为：微波功率577.92 W，超声功率167.46 W，提取时间7.58 min，液固比值17.84 m L/g。考虑到实际操作的情况，将微波功率调整为580 W，超声功率170 W，提取时间为7 min、液固比值17 m L/g，预测吸光度为0.263。该条件下平行提取3次进行验证，测定得到色素吸光度为0.260，与最优值相差1.14%。结合方差分析结果说明所建立的模型能够与实际过程较好的拟合，是一个合理的、有效的模型。

3结论

 基于微波-超声波协同提取法的优点，对我国资源丰富的板栗壳中色素进行了提取，在单因素的基础上采用响应曲面法对影响提取工艺的因素进行了考察，获得了板栗壳色素的最优提取条件，验证试验亦表明所建模型是合理的，所获提取工艺是可行的。试验为进一步开发板栗壳资源，研究新型天然色素提供参考。