超声波辅助提取克氏原螯虾青素的研究

超声波辅助提取克氏原螯虾青素的研究

克氏原始锚大鼠、节肢动物门、甲壳纲、足量科。原产于墨西哥北部和美国南部,1929年由日本引入南京克氏原螯虾味道鲜美深受人民喜爱,如江苏省年消费克氏原螯虾约20万t,年产值200亿元虾青素又名虾黄素、虾黄质,因其分子中含有很长的共轭双键链和不饱和α-羟基酮而具有极强的抗氧化性能,能有效清除体内自由基、硫化物、二硫化物,具有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、提高机体免疫力、保护视网膜等功效,可应用于保健食品、高档化妆品、药品等领域中。有资料显示,新鲜克氏原螯虾壳湿料中虾青素含量在80～90μg/g目前虾青素常采用的提取工艺有碱提法、油溶法、有机溶剂萃取法、超临界CO本研究以克氏原螯虾壳为原料,以虾青素提取量为指标,采用超声波辅助法提取虾青素,探讨提取剂种类、超声波作用时间、超声波功率和料液比等因素对虾青素提取量的影响,并通过响应面分析优选出最佳提取方案。1材料和机器1.1实验材料克氏原螯虾,盱眙龙盛龙虾养殖场提供;虾青素标准品,西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;其余试剂均为国产分析纯。1.2仪器、检测设备WF180万能粉碎机,上海光学仪器厂;RE-2000A旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器厂;SHA-C恒温水浴振荡器,上海医疗器械厂;TDL40C低速大容量离心机,上海安亭科学仪器厂;TU-1900紫外-可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;JA1003A电子精密天平,上海伦捷机电仪表有限公司;JY92-DN超声波细胞粉碎机,宁波新芝生物科技股份有限公司。2实验方法2.1虾壳的剥除新鲜螯虾沸水煮制2min后自然冷却,剥除虾仁和内脏,流水洗净虾头、尾及壳,避光、密封于-20℃备用。实验前用万能粉碎机粉碎,过筛后使用。2.2超声细胞粉碎机准确称取一定质量虾壳粉,按比例加入一定体积提取剂浸泡2h,超声波细胞粉碎机超声处理,离心后取上清液,重复3次,混合上清液,于60℃旋转蒸干后用丙酮溶解并定容至10mL2.3提取虾青素的测定2.3.1最大吸收波长的确定吸取虾青素标准溶液和螯虾壳提取液各1.0mL于比色管中,丙酮定容至25mL,混合均匀后以丙酮做基线,用紫外-可见分光光度计在300～700nm波长内进行扫描,得到虾青素和虾壳提取液的吸收光谱,通过对比确定最大吸收波长。2.3.2标准曲线的绘制分别吸取0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50mL1.0mg/mL虾青素标准溶液于比色管中,用丙酮定容至25mL,混合均匀后在最大吸收波长处测定吸光度,以吸光度值为纵坐标,虾青素标准溶液浓度为横坐标,绘制标准曲线(图1)。结果表明虾青素在10～50μg/mL内线性回归方程为y=0.0086x-0.0063,相关系数为0.9995。2.3.3样品测定吸取1.0mL螯虾壳提取液置于比色管中,按照2.3.2测定吸光度值,根据标准曲线计算虾壳提取液中虾青素含量。3结果与分析3.1最大吸收波长的确定由图2可知,在300～700nm内,虾青素和提取液的吸光度随着波长的增加先增加后降低,且均在478nm处吸收最强,这说明提取液中的主要成分为虾青素,因此可以选择虾青素为标准品,以478nm作为最大吸收波长。3.2克氏原螯虾壳中虾青素提取准确称取6份5.0g的虾壳粉样品,分别加入100mL石油醚、正己烷、二氯甲烷、乙酸乙酯、三氯甲烷、丙酮,在超声波功率120W条件下处理30min,根据2.2、2.3步骤进行虾青素提取和含量测定,结果见图3。由图3可知,不同提取剂对虾壳中虾青素提取的效果有明显差异。其中二氯甲烷和丙酮的提取效果最好,提取量均在50μg/g以上。而石油醚和正己烷的提取量均小于40μg/g。6种提取剂对虾青素提取量影响的大小顺序为:二氯甲烷>丙酮>三氯甲烷>乙酸乙酯>正己烷>石油醚。这主要是因为虾青素结构中含有大量疏水基团和2个亲水的羟基,整体极性很低,属于非极性物质,根据相似相溶原理可知该物质易溶于极性较低的有机溶剂。而6种试剂极性顺序依次为:丙酮<三氯甲烷<乙酸乙酯<二氯甲烷<正己烷<石油醚,因此丙酮的提取率较高。而二氯甲烷的提取率较高可能是因为二氯甲烷能溶于约50份水中,有利于虾青素的提取。但水溶二氯甲烷不易回收,因此选择丙酮作为提取溶剂。3.3虾青素提取和测定准确称取7份5.0g的虾壳粉样品,加入100mL丙酮,在超声波功率120W条件下分别处理5、10、15、20、25、30、35min,根据2.2、2.3步骤进行虾青素提取和含量测定,结果见图4。由图4可知,虾青素含量随超声作用时间的延长先快速增加,这主要是因为超声波产生的机械粉碎和空化效应使虾青素和溶剂分子运动速度增大,提高了虾青素的溶出速度和溶出数量,增加了溶剂的穿透能力3.4虾青素的提取准确称取7份5.0g的虾壳粉样品,加入100mL丙酮,分别在超声波功率100、120、140、160、180、200、220W处理25min后,根据2.2、2.3步骤进行虾青素提取和含量测定,结果见图5。由图5可知,随着超声波功率的增加,虾青素提取量先快速增加,但是超过一定功率(160W)后,提取量增加变化不明显。这主要是因为超声波功率越大,空化作用和机械作用越剧烈,虾青素和丙酮分子的运动速度越大,虾青素分子扩散渗出速度也就越快3.5料液比对虾青素提取效果的影响准确称取7份5.0g的虾壳粉样品,分别加入50、60、70、80、90、100、110mL丙酮,在超声波功率160W条件下处理25min后,根据2.2、2.3步骤进行虾青素提取和含量测定,测定结果见图6。由图6可知,当料液比为1:10时,提取出的虾青素含量很低(仅为8.621μg/g),这主要是因为在单位时间内(25min)每个丙酮与虾青素分子接触的次数是固定的,萃取出的虾青素分子数量也是固定的。丙酮数量越少,萃取出的虾青素数量也就越少。另外,实验发现,当料液比为1:10时,虾壳中的蛋白质乳化,溶液黏度增加,虾青素和虾壳废料分离困难。随着丙酮添加量的不断增加,虾青素在虾壳与溶剂中的浓度差加大,提取量增大,当到达1:18时出现峰值(58.34μg/mg)。当料液比大于1:18时虾青素含量开始降低,这可能是因为蒸发回收丙酮时的60℃高温(丙酮沸点为56℃)导致了部分虾青素发生分解反应。因此从虾青素提取效果和能耗等多方面考虑应选定料液比为1:18。3.6虾青素提取条件的优化3.6.1中心组合设计原理在单因素实验的基础上,依据Box-Benhnken中心组合设计原理,以超声作用时间、超声波功率、料液比为因素,虾青素含量为响应值,设计三因素三水平响应面分析实验。因素水平编码表见表1,实验方案与结果见表2。3.6.2提取量与回归方程结果及分析采用sas软件对Box-Benhnken实验结果(表2)进行回归分析,并建立二次响应面回归方程。从模型方差分析结果(表3)可知,回归方程一次项、二次项、总和的F值均为极显著(P值<0.01),失拟项的F值显著(P<0.05),方程总决定系数R由表4可知,拟合的二次多项回归方程为:提取量=-419.96+6.55925X根据表4中一次项参数估计可知,三因素对虾青素含量影响的次序为料液比>时间>功率,且料液比、时间、功率对提取量均为正效应。3.6.3反应曲线分析3.6.3.超声波功率对提取量的影响固定料液比为1:18,绘制超声作用时间与超声功率对提取量影响的响应曲面图,结果见图7。由图7可知,随着超声波作用时间的延长,提取量先增大后减小;随着超声波功率的增大,提取量先快速上升后缓慢降低;由相应面可知,图形上凸,这说明超声时间与超声波功率的协同作用明显。3.6.3.超声波作用时间对提取量的影响固定超声波功率为160W,绘制超声时间与料液比对提取量影响的响应曲面图,结果见图8。由图8可知,随着超声波作用时间的延长,提取量先增大后快速降低;随着料液比的增大,提取量先增大后减小;由相应面可知,图形向上凸,说明超声时间与料液比的协同作用明显。3.6.3.超声波用量对提取量的影响固定超声时间25min,绘制超声波功率与料液比对提取量影响的响应曲面图,结果见图9。由图9可知,随着超声波功率和料液比的增加,提取量先快速增大后略有下降;由相应面可知,图形向上凸,说明超声波功率与料液比的协同作用明显。3.6.4最佳提取条件验证实验由sas软件拟合二次回归模型得出最优条件和最优值,见表5。由表5可知,当提取量最大时,X为验证方程与实际情况的吻合程度,进行最佳提取条件(超声作用时间29.4min、超声波功率163W、料液比为1:18.2)验证实验,验证实验结果为62.52μg/g,与模拟结果基本符合。因此确定最佳提取条