均勻設計法優化紅棗紅色素的提取及其穩定性研究

羅璇，李嬋娟，田喆

(武漢設計工程學院 食品與生物科技學院，武漢 430205)

紅棗紅色素是一種天然生物色素，不僅安全無毒、色澤自然，可作為保健食品和化妝品等領域重要的添加劑，而且含有較高的營養價值和藥用價值。研究表明：紅棗紅色素對某些氧化劑和還原劑均有良好的穩定作用，是一種理想的食品添加劑與藥用原料[1,2]。均勻實驗設計是基于不需考慮“整齊可比”，而讓實驗點在實驗的范圍內可充分考慮“均勻分散”的一種穩健設計，所以，最大的特點是可節省大量的實驗工作量，避免偶然性誤差，尤其是在實驗因素的水平較多時，其優勢更加明顯[3,4]。

采用均勻設計法對紅棗紅色素的提取優化和用正交實驗對紅棗紅色素的穩定性做系統研究國內尚未見報道，本文在前人實驗基礎上借鑒其他色素的粗提取優化和穩定性研究方法，設計完善的實驗方案，對紅棗紅色素的提取優化和穩定性進行了更深入的研究，為保存天然色素提供了依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗原料與輔料

紅棗：市售，干紅棗，購于中百超市，產地浙江金華。

1.1.2 試劑

石油醚、乙醚酮：分析純，天津市凱通化學試劑有限公司；L-抗壞血酸：化學純，武漢市華順生物技術有限公司；NaOH、HCl、乙酸乙酯、雙氧水：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.3 儀器

752B型紫外可見分光光度計 天津市普瑞斯儀器有限公司；TG-16WS臺式高速離心機 長沙湘智離心機儀器有限公司； HH-S2/HH-6數顯恒溫水浴鍋 金壇市醫療儀器廠/國華電器有限公司；OH6-907385-Ⅲ電熱恒溫鼓風干燥箱 上海新苗醫療器械制造有限公司； SZ-93自動雙重純水蒸餾器 上海亞榮生化儀器廠； JA2003B電子天平 上海越平科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 原料的預處理

選擇飽滿、完整的紅棗去核，在60 ℃電熱鼓風干燥箱中烘干后粉碎，過60目篩，標號，放在干燥器中儲存備用。

1.2.2 紅棗紅色素提取率的計算[5-7]

在最佳的提取條件組合下，多次提取一定量的紅棗紅色素，直到最后一次提取液呈無色(吸光度<0.01)，分別收集各次的色素提取液并測定其體積(Vi)和吸光度(Ai)計算出提取級數。

提取率(%)=(Ai×Vi/A1×V1+ …+An×Vn)×100%(i=1…n)。

式中：Ai為提取色素溶液的吸光值；Vi為提取色素溶液的體積(mL)。

1.2.3 紅棗紅色素提取單因素實驗條件

將紅棗粉溶于一定濃度的NaOH溶液，于50 ℃水浴中密閉恒溫浸提2 h。速冷后，以4000 r/min離心20 min。吸取1 mL色素溶液，稀釋25倍，在波長為330 nm處測吸光度值。單因素實驗因素水平條件見表1。

表1 溶劑提取單因素實驗因素水平Table 1 Factors and levels of single-factor experiment

1.2.4 均勻設計實驗方法

本均勻設計實驗的目的是確定紅棗紅色素的最優因素組合水平。確定NaOH為提取劑，考察提取劑的濃度(x1)、料液比(x2)、提取時間(x3) 、提取溫度(x4) 4個因素，每個因素取值范圍為t個水平(t為實驗次數)，4個因素的一次項及二次項各有4項，4項因素間的兩兩交互作用設有6項，共14項，實驗數不能小于14，本實驗選用U17(178)表。本實驗為4因素，這4個因素安排在均勻表的1，5，7，8列，去掉U17(178)的最后一行，實驗方案見表2和表3，最后各管取1 mL于25 mL的比色管中，測量吸光度。

表2 U17(178)均勻設計使用表Table 2 Uniform design table of U17(178)

表3 均勻表U17(178)Table 3 Uniform table of U17(178)

1.2.5 紅棗紅色素穩定性單因素實驗

光因素穩定性：稱取1 g紅棗粉，在NaOH提取液為0.2 mol/L，料液比為1∶20 (g/mL)，溫度為50 ℃條件下提取1 h，離心后得到紅棗紅色素粗提液，然后取紅棗紅色素粗提液3份，每份6 mL，每份吸取1 mL分裝不同的試管中，然后加3 mL蒸餾水稀釋，分別置于室內避光處、室內散射光處、室外日光下，定時取樣測其吸光度。

熱因素穩定性：取紅棗紅色素粗提液3份，每份6 mL，加入2 mL緩沖溶液，吸取1 mL，然后加3 mL蒸餾水稀釋，置于0，25，40，80，90，100 ℃保溫1，2，3，4，5 h，取樣冷卻后測其吸光度。

氧化劑因素穩定性：選用雙氧水作為氧化劑。雙氧水原溶液(30%)稀釋成0.6%和1.2%的溶液，吸取2 mL加入6 mL紅棗紅色素溶液中，置于室溫下避光1，2，3天，稀釋3倍，在330 nm的波長下測定吸光度值。

防腐劑因素穩定性：選用抗壞血酸作為防腐劑，配制成0.1%和1%的抗壞血酸后，吸取2 mL加入6 mL紅棗紅色素溶液中，置于室溫下避光1，2，3，4，5，6天，稀釋適當的倍數，用同濃度的抗壞血酸鈉溶液做參比，在330 nm的波長下測定吸光度值。

1.2.6 紅棗紅色素穩定性正交實驗

穩定性影響因素光、熱和抗壞血酸分別用A，B，C表示，采用3因素3水平正交實驗。根據9個組合條件進行實驗，并依次記錄實驗的吸光度，見表4。

表4 紅棗紅色素穩定性正交表Table 4 Orthogonal table of stability of red pigment from red jujube

2 結果與分析

2.1 提取劑的選擇

表5 不同提取劑的提取效果Table 5 The extraction effect of different extraction agents

注：此次實驗中氫氧化鈉、鹽酸的濃度均為0.2 mol/L。

圖1 不同提取劑的提取效果Fig.1 The extraction effect of different extraction agents

由表5可知，無水乙醇提取為淺黃色，說明紅棗紅色素微溶于酒精；乙醚、乙酸乙酯、石油醚幾乎無色，說明紅棗紅色素難溶于這3個有機溶劑，由圖1可知，紅棗紅色素不溶于石油醚，紅棗紅色素在蒸餾水中溶解度較大，而鹽酸對紅棗紅色素的溶解度比蒸餾水大，因此，可以得出鹽酸有助于紅棗紅色素的浸出。NaOH(0.2 mol/L)提取的顏色為紅褐色，與紅棗的顏色相近，結合圖1各種提取劑的提取效果圖，得出在本實驗中所選的提取劑中氫氧化鈉提取效果最好，所以，本實驗提取劑采用氫氧化鈉溶液作為棗粉的紅色素提取溶劑。

2.2 色素提取單因素實驗結果

紅棗紅色素的提取是一個復雜的過程，主要的影響因素有提取溶劑的種類和濃度、料液比、提取溫度和時間等。為了減少后續主參數試驗和結果分析的工作量，本研究首先分別進行了相關單因素實驗， 獲得了紅棗紅色素提取液吸光度最高和提取效果最好的提取溶劑為0.2 mol/L的NaOH溶液，料液比為1∶20 (g/mL)，提取時間為5 h，提取溫度為80 ℃。

圖2 提取劑的濃度對紅棗紅色素提取的影響Fig.2 The effect of concentration of extractant on the extraction of red pigment from red jujube

圖3 料液比對紅棗紅色素提取的影響Fig.3 The effect of solid-liquid ratio on the extraction of red pigment from red jujube

圖4 提取時間對紅棗紅色素提取的影響Fig.4 The effect of extraction time on the extraction of red pigment from red jujube

圖5 提取溫度對紅棗紅色素提取的影響Fig.5 The effect of extraction temperature on the extraction of red pigment from red jujube

2.3 優因素水平組合的確定

采用均勻設計實驗得到的實驗結果見表6。

表6 均勻設計法結果Table 6 Results of uniform design method

首先建立一次回歸方程，利用SAS軟件對表6中的實驗結果進行擬合，運行結果得出R2達到0.9937，說明了x可以解釋y的程度達到了99.37%，解釋了絕大部分信息，說明模型正確。從總體的P值都遠小于0.05，可知模型是顯著的。由各變量的P值可以得出在0.05的水平下x1，x2，x3，x4非常顯著，顯著結果見表7。從而得到以吸光度為因變量，以NaOH的濃度、料液比、提取溫度、提取時間4個因素為自變量的回歸方程：y=11.71465284+21.11564674x1-0.48066931x2-0.08376224x3+0.44222659x4。

根據回歸方程系數的絕對值，得到影響紅棗紅色素提取因素的效應是x1>x2>x4>x3，由此可以說明NaOH的濃度對紅棗紅色素的提取影響最大，其次是料液比，提取溫度在50～90 ℃范圍內影響最小。此外，對表7建立一次回歸方程，由于未通過檢驗，再次補做贅述。

表7 均勻設計法一次回歸模型方差數據分析結果Table 7 Analysis results of variance data of a regression model of uniform design method

對表7的數據進行極差分析，繪出實驗因素與指標值的關系曲線，見圖6。

圖6 因素水平與提取效果趨勢Fig.6 Factors,levels and extraction effect trends

由圖6可知，紅棗紅色素提取優化因素組合為X15X24X32X44(其中，下標中的首數字表示因素，第2個數字表示該因素中的水平編碼)，即NaOH的濃度為0.5 mol/L，料液比為1∶25 (g/mL)，溫度為60 ℃，提取時間為5 h。根據提取率計算公式得出：提取級數為3級，提取率為93.11%。

2.4 穩定性單因素實驗結果

2.4.1 光照對紅棗紅色素穩定性的影響

圖7 光照對紅棗紅色素的穩定性的影響Fig.7 Effect of illumination on the stability of red jujube red pigment

由圖7可知，隨著光照時間的延長，紅棗色素的吸光值有所下降，但是下降不是很明顯，所以，紅棗色素對于光具有一定的穩定性。

2.4.2 氧化劑對紅棗紅色素穩定性的影響

圖8 氧化劑雙氧水對紅棗紅色素穩定性的影響Fig.8 Effect of oxidant hydrogen peroxide on thestability of red jujube red pigment

由圖8可知，氧化劑對紅棗紅色素的影響非常大。肉眼觀察也非常明顯，在很短的時間就將紅棗紅色素氧化成無色。并且氧化劑的濃度增加，氧化速度明顯增加。因此，紅棗紅色素的抗氧化性比較差，保存的時候應防止氧化。

2.4.3 溫度對紅棗紅色素穩定性的影響

圖9 溫度對紅棗紅色素穩定性的影響Fig.9 Effect of temperature on the stability of red jujube red pigment

由圖9可知，紅棗紅色素隨溫度的上升略有增加，顏色略有加深，但增加不大。溫度對紅棗紅色素的影響較小。

2.4.4 抗壞血酸對紅棗紅色素穩定性的影響

圖10 抗壞血酸對紅棗紅色素穩定性的影響Fig.10 Effect of ascorbic acid on the stability of red jujube red pigment

由圖10可知，抗壞血酸對紅棗紅色素提取液穩定性有顯著的影響，但抗壞血酸的濃度對穩定性的變化不大，在保存紅棗紅色素的過程中應避免接觸抗氧化劑抗壞血酸。

2.5 紅棗紅色素穩定性影響優化的正交實驗結果

根據紅棗紅色素穩定性單因素實驗，得出雙氧水對紅棗紅色素具有氧化性，為了得到紅棗紅色素在室溫附近的最佳保存條件，對因素光、熱、防腐劑抗壞血酸的量這3個因素進行正交實驗，見表8。

表8 紅棗紅色素穩定性影響優化的正交實驗結果Table 8 Effect of red jujube pigment stability on optimization of orthogonal experiments

注：A 表示光照，B 表示溫度，C表示抗壞血酸。

由表8可知，抗壞血酸的極值R最大，熱的極值R最??；各因素對紅棗紅色素穩定性的影響大小為抗壞血酸>光>溫度，3個因素的優水平組合是A1B1C1，即：光為陰暗避光處，熱為40 ℃，不需要添加抗氧化劑抗壞血酸。

3 結論

在紅棗紅色素提取的均勻設計實驗中，對實驗數據建立一次回歸方程，通過SAS軟件得出Y=11.71465284+21.11594674X1-0.4806693X2-0.0837622X3+0.44222659X4，R2=0.9937，各變量的P值亦通過檢驗，說明模型正確，結果表明：影響紅棗紅色素提取效果的諸因素的主次順序為提取劑濃度>提取料液比>提取時間>提取溫度，且提取劑濃度、提取的料液比、提取時間都是影響紅棗紅色素提取的顯著因素。紅棗紅色素提取的優因素水平組合為NaOH的濃度為0.5 mol/L，料液比為1∶25 (g/mL)，溫度為60 ℃，提取時間為5 h。提取級數為3級，最高提取率為93.11%。紅棗紅色素提取條件模型的擬合度高。

紅棗紅色素的穩定性研究表明：光、溫度、抗壞血酸量3個因素對紅棗紅色素穩定性的影響大小為抗壞血酸>光>熱量。40 ℃陰暗避光處，無抗壞血酸的環境是紅棗紅色素最佳穩定貯存條件。