響應(yīng)曲面法優(yōu)化紅葡萄柚番茄紅素的提取工藝

徐 媛，王魯峰，徐曉云，潘思軼*

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

響應(yīng)曲面法優(yōu)化紅葡萄柚番茄紅素的提取工藝

徐 媛，王魯峰，徐曉云，潘思軼*

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

利用響應(yīng)曲面法研究提取紅葡萄柚中番茄紅素的工藝。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取提取溫度、提取時(shí)間及液料比為自變量，采用響應(yīng)曲面法研究各因素及其交互作用對(duì)紅葡萄柚番茄紅素提取的影響。模擬得出了番茄紅素提取的回歸方程，確定番茄紅素提取工藝的最佳條件為以石油醚為提取溶劑、提取溫度30℃、提取時(shí)間3.8h、液料比3.5:1(mL/g)。在此條件下，提取的番茄紅素含量為15.61μg/mL。本實(shí)驗(yàn)所得工藝參數(shù)準(zhǔn)確，可應(yīng)用于紅葡萄柚番茄紅素的提取生產(chǎn)。

紅葡萄柚；番茄紅素；提??；響應(yīng)曲面

葡萄柚(Citrus paradise Macf.)屬蕓香科柑橘屬植物，為世界柑橘四大類群之一(甜橙類、寬皮柑橘類、檸檬來(lái)檬類、葡萄柚和柚類)[1]，其按果肉顏色可分為白色果肉栽培種和紅色果肉栽培種。其中紅肉葡萄柚外形美觀，色澤艷麗，香氣獨(dú)特，而且果肉酸甜適中，營(yíng)養(yǎng)全面而豐富[2]，其加工果汁深受國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者喜愛(ài)，已成為美國(guó)等地最暢銷的果汁飲品。

使柑橘汁胞呈現(xiàn)紅色的色素有兩種類型，一種是水溶性的花青素類，存在于細(xì)胞液中，血橙是典型的因花青素著色的品種[3]；二是脂溶性的胡蘿卜素類，存在于細(xì)胞質(zhì)中，如番茄紅素、β-胡蘿卜素及β-胡蘿卜素的羥化產(chǎn)物β-隱黃質(zhì)等，紅肉葡萄柚就是典型的因番茄紅素而呈色的品種[4]，當(dāng)番茄紅素含量低時(shí)，果肉

呈粉紅色，含量高時(shí)，則呈鮮艷的紅色[5]。番茄紅素的分子式為C40H56，含有11個(gè)共軛雙鍵和2個(gè)非共軛碳碳雙鍵，具有優(yōu)越的生理功能，其清除單線態(tài)氧的能力是VE的100倍、β-胡蘿卜素的2倍，對(duì)于預(yù)防和治療心腦血管疾病、動(dòng)脈粥樣硬化和腫瘤等各種成人病，增強(qiáng)人體免疫功能和抗衰老等都具有重要作用。因此，番茄紅素的提取及應(yīng)用已成為目前食品研究的一項(xiàng)新熱點(diǎn)[6-7]。本實(shí)驗(yàn)以紅葡萄柚為原料，通過(guò)響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)探求提取其中番茄紅素的最佳工藝條件，為紅葡萄柚資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅葡萄柚購(gòu)于湖北省松滋市。

乙酸乙酯、正己烷、丙酮、石油醚、二氯甲烷、95%乙醇(均為分析純) 上海振興化工一廠。

1.2 儀器與設(shè)備

721型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海第三分析儀器廠；電子天平 上海天平儀器廠；雙功能水浴恒溫振蕩器 杰瑞爾電器有限公司；UV-1700 SPC型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) Shimadzu公司；Anke TDL-5-A型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 紅葡萄柚番茄紅素的提取工藝

將紅葡萄柚剝皮去籽后攪碎勻漿，稱取10g(精確到0.01g)勻漿于150mL三角瓶中，加入15mL 95%乙醇預(yù)處理30min[8]，4800r/min離心分離，所得沉淀物用有機(jī)溶劑于恒溫振蕩器中避光浸提，轉(zhuǎn)速為180r/min，使其與有機(jī)溶劑充分混合。浸提后避光靜置10min，上層有機(jī)相即為番茄紅素提取液。

1.3.2 最佳提取溶劑的選擇

為了選擇番茄紅素的最佳提取溶劑，按上述方法對(duì)原料準(zhǔn)確預(yù)處理后，分別加入30mL乙酸乙酯、正己烷、丙酮、石油醚、氯仿，在3 0℃下提取2 h，用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定不同提取液最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度，將吸光度最大者確定為最佳提取溶劑[9-10]。

1.3.3 番茄紅素吸收光譜及測(cè)定波長(zhǎng)的確定

以石油醚為提取溶劑，將提取液置于1cm厚比色杯中，在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)上進(jìn)行波長(zhǎng)掃描(4 0 0～600nm)，確定番茄紅素吸收光譜，同時(shí)考慮β-胡蘿卜素在最大吸收波長(zhǎng)處對(duì)吸光度的影響，選取測(cè)定波長(zhǎng)。1.3.4番茄紅素含量的測(cè)定

為了避免β-胡蘿卜素等成分對(duì)番茄紅素測(cè)定的影響，以及昂貴的番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)樣品的制約，本實(shí)驗(yàn)采用張連富等[11]建立的番茄紅素簡(jiǎn)便測(cè)定方法。

將番茄紅素提取液旋蒸濃縮至干，用50mL含2%二氯甲烷的石油醚定容，混勻。同時(shí)以2%二氯甲烷的石油醚作為空白溶劑，在502nm處測(cè)定樣品的吸光度。提取液中番茄紅素含量：

式中：X為番茄紅素的質(zhì)量濃度/(g/mL)；A為溶液在502nm處吸光度；為番茄紅素為1%時(shí)的消光系數(shù)，此處在2%二氯甲烷的石油醚的消光系數(shù)為3087。

1.3.5 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用石油醚作為提取溶劑，選擇提取溫度、提取時(shí)間、液料比、提取次數(shù)這4個(gè)對(duì)紅葡萄柚番茄紅素提取效果有影響的工藝參數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。不同條件下提取番茄紅素后，按照1.3.4節(jié)方法測(cè)定溶液吸光度。

1.3.6 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)[12-14]

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用Minitab軟件設(shè)計(jì)Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)，對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)結(jié)果用二次多項(xiàng)式回歸擬合，用微分計(jì)算預(yù)測(cè)最佳提取工藝。選取提取溫度、提取時(shí)間、液料比3個(gè)主要影響因素為自變量，因素水平及編碼值見(jiàn)表1。由于番茄紅素含量與其復(fù)溶溶液吸光度成線性正相關(guān)，為了簡(jiǎn)化工藝，故以溶液吸光度為響應(yīng)值。

表1 試驗(yàn)的因素水平及編碼Table1 Factors and levels of response surface experiments

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳提取溶劑的選擇

表2 不同溶劑浸提紅葡萄柚番茄紅素的提取效果Table2 Effect of solvent type on extraction rate of lycopene from red grapefruit

由表2可知，番茄紅素在石油醚和正己烷中的提取效果較好，由于吸光度與番茄紅素的量呈正效應(yīng)關(guān)系，因此用石油醚提取紅葡萄柚番茄紅素最為高效，故確定最佳提取溶劑為石油醚。

2.2 番茄紅素吸收光譜及測(cè)定波長(zhǎng)的確定

圖1 番茄紅素在石油醚中的紫外吸收?qǐng)D譜Fig.1 UV-visible spectrum of lycopene in petroleum ether

由圖1可知，番茄紅素的最大吸收波長(zhǎng)為472nm，但考慮到β-胡蘿卜素在此處吸收較強(qiáng)，若選用此吸收波長(zhǎng)作為測(cè)定波長(zhǎng)會(huì)對(duì)番茄紅素的提取效果產(chǎn)生較大誤差，而在次強(qiáng)吸收峰502nm處β-胡蘿卜素的吸收強(qiáng)度很小，可避免其影響[15]，故選取吸收波長(zhǎng)502nm作為測(cè)定波長(zhǎng)。

2.3 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 提取溫度對(duì)提取工藝的影響

在液料比3:1(mL/g)、提取時(shí)間2h、提取次數(shù)1次的條件下，考察不同提取溫度對(duì)紅葡萄柚番茄紅素提取效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度對(duì)番茄紅素提取量的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of lycopene from red grapefruit

由圖2可知，溫度對(duì)番茄紅素提取效果有著較為顯著的影響，番茄紅素提取量隨著溫度的升高呈現(xiàn)逐漸上升而后下降的趨勢(shì)。當(dāng)提取溫度超過(guò)30℃時(shí)，番茄紅素提取量逐漸下降，這可能是由于長(zhǎng)時(shí)間在較高溫度下提取，番茄紅素發(fā)生氧化降解的緣故。因此選擇30℃作為紅葡萄柚番茄紅素的最適提取溫度。

2.3.2 提取時(shí)間對(duì)提取工藝的影響

在液料比3:1、提取溫度30℃、提取次數(shù)1次的條件下，考察不同提取時(shí)間對(duì)紅葡萄柚番茄紅素提取效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 時(shí)間對(duì)番茄紅素提取量的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of lycopene from red grapefruit

由圖3可知，在提取時(shí)間小于3h時(shí)，番茄紅素提取液吸光度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，這是因?yàn)榉鸭t素的提取過(guò)程為固液傳質(zhì)過(guò)程，初始提取時(shí)間延長(zhǎng)可促進(jìn)傳質(zhì)進(jìn)行，而當(dāng)達(dá)到傳質(zhì)平衡后，由于番茄紅素的不穩(wěn)定性，繼續(xù)提取可能將導(dǎo)致番茄紅素發(fā)生降解，故在3h后，隨著提取時(shí)間延長(zhǎng)，番茄紅素提取量呈略微下降趨勢(shì)。因此選擇提取時(shí)間為3h。

2.3.3 液料比對(duì)提取工藝的影響

在提取溫度30℃、提取時(shí)間3h、提取次數(shù)1次的條件下，考察不同液料比對(duì)紅葡萄柚番茄紅素提取效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 液料比對(duì)番茄紅素提取量的影響Fig.4 Effect of liquid-material ratio on extraction rate of lycopene from red grapefruit

由圖4可知，紅葡萄柚番茄紅素提取量隨著液料比的增加而增大，當(dāng)提取溶劑量從1倍增加到3倍時(shí)，提取效果顯著提高，這可能是因?yàn)槿軇┯昧吭酱?，越有利于番茄紅素在溶劑中的有效溶解。但當(dāng)繼續(xù)增加液料比時(shí)，由于番茄紅素的提取逐漸達(dá)到平衡，此時(shí)提取液吸光度增長(zhǎng)緩慢。綜合經(jīng)濟(jì)成本及提取效果考慮，選取液料比3:1為宜。

2.3.4 提取次數(shù)對(duì)提取工藝的影響

在液料比3:1、提取溫度30℃、提取時(shí)間3h的條件下，考察提取次數(shù)對(duì)紅葡萄柚番茄紅素提取效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 提取第次對(duì)番茄紅素提取量的影響Fig.5 Effect of extraction repeat number on extraction rate of lycopene from red grapefruit

如圖5所示，經(jīng)過(guò)1次提取后，番茄紅素基本都可以被提取出來(lái)，當(dāng)增加提取次數(shù)時(shí)，番茄紅素提取液吸光度很小，表明番茄紅素的溶出已經(jīng)趨近飽和，所

以從簡(jiǎn)化工藝和節(jié)約成本綜合考慮，選擇提取1次為最佳提取次數(shù)。

2.4 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)結(jié)果上，以吸光度為響應(yīng)值，利用Box-Behnken響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)三因素三水平共15組試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果Table3 Design and results of response surface experiments for the extraction of lycopene from red grapefruit

2.4.2 模型方程的建立及顯著性檢驗(yàn)

應(yīng)用Minitab 15軟件對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到紅葡萄柚番茄紅素提取液吸光度對(duì)提取時(shí)間、提取溫度和液料比的二次多項(xiàng)回歸方程：

對(duì)所得模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示；回歸方程系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表5。

表4 回歸模型的方差分析Table4 Variance analysis of fitted quadratic polynomial model

從表4可以看出，該回歸模型P＜0.01，表明回歸方程模型極顯著；失擬項(xiàng)P=0.614＞0.05，表明失擬不顯著。經(jīng)F檢驗(yàn)，可知回歸方程中線性及平方項(xiàng)極顯著，交互作用不顯著。方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.9926，R2Adj為0.9792，表明模型回歸方程的擬合程度良好，可用來(lái)分析和預(yù)測(cè)紅葡萄柚番茄紅素的提取工藝。

表5 回歸方程系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)Table5 Regression coefficients and significance test for regression equation

由表5可知，回歸模型的一次項(xiàng)x2顯著，x1、x3極顯著，二次項(xiàng)x22顯著，x12、x32極顯著，交互項(xiàng)x2x3顯著，x1x2、x1x3不顯著，說(shuō)明不同的提取工藝與紅葡萄柚番茄紅素提取量不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

2.4.3 響應(yīng)曲面分析與工藝優(yōu)化

根據(jù)回歸方程繪出響應(yīng)曲面圖及等高線圖，以確定提取溫度、提取時(shí)間和液料比3個(gè)因素對(duì)番茄紅素提取效果的影響，響應(yīng)曲面圖和等高線圖見(jiàn)圖6～8。

圖6 提取溫度和提取時(shí)間的響應(yīng)曲面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots for the effect of crossinteraction between extraction temperatue and extraction time on extraction rate of lycopene from red grapefruit

圖7 提取溫度和液料比的響應(yīng)曲面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots for the effect of crossinteraction between extraction temperatue and liquid-material ratio on extraction rate of lycopene from red grapefruit

圖8 提取時(shí)間和液料比的響應(yīng)曲面和等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots for the effect of crossinteraction between extraction time and liquid-material ratio on extraction rate of lycopene from red grapefruit

由圖6～8可以看出，提取溫度和提取時(shí)間的相互作用較顯著。等高線的形狀可反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱大小，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反[16]。

對(duì)回歸方程求一階偏導(dǎo)，令其等于零，求解得各因素的最佳水平值，分別為x1=30.36，x2=3.87，x3=3.56，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后得到紅葡萄柚番茄紅素的最佳提取條件為提取溫度30.36℃，提取時(shí)間3.87h，液料比3.56:1(mL/g)，在此條件下提取的番茄紅素含量理論值為15.69μg/mL。為檢驗(yàn)該最佳提取工藝的可靠性，采用上述響應(yīng)曲面優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行番茄紅素提取的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，考慮到實(shí)際操作可行性，將工藝條件改進(jìn)為提取溫度30℃，提取時(shí)間3.8h，液料比為3.5:1(mL/g)，提取得到番茄紅素含量為15.61μg/mL，其與理論值的相對(duì)誤差較小，因此利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化紅葡萄柚番茄紅素提取工藝是有效可行的，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

根據(jù)單因素試驗(yàn)分析，得出用石油醚做提取溶劑提取紅葡萄柚番茄紅素的效果最好，并且在各單因素試驗(yàn)中，提取溫度30℃、提取時(shí)間3h、液料比3:1(mL/g)、提取次數(shù)1次時(shí)為紅葡萄柚番茄紅素的最佳提取條件。

應(yīng)用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)得到了紅葡萄柚番茄紅素提取效果與提取溫度、提取時(shí)間和液料比的回歸模型，經(jīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明該方程是準(zhǔn)確可靠的，能有效預(yù)測(cè)番茄紅素提取液的吸光度。在對(duì)各主要影響因素及其相互作用進(jìn)行探討后，得到番茄紅素提取的優(yōu)化工藝參數(shù)：提取溫度30.36℃，提取時(shí)間3.87h，液料比為3.56:1(mL/g)，此條件下番茄紅素含量理論值為15.69μg/mL，考慮到實(shí)際操作的可行性，最后優(yōu)選的提取工藝條件為：提取溫度30℃，提取時(shí)間3.8h，液料比為3.5: 1(mL/g)，此條件下提取的番茄紅素含量為15.61μg/mL。因此，利用響應(yīng)曲面法對(duì)紅葡萄柚番茄紅素提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，可獲得最佳工藝參數(shù)，能夠?yàn)檫M(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

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Optimization of Lycopene Extraction from Red Grapefruit by Response Surface Methodology

XU Yuan，WANG Lu-feng，XU Xiao-yun，PAN Si-yi*
(College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

The extraction processing of lycopene from red grapefruit was investigated in this paper. Based on single factor experiments, response surface methodology was used to explore the effects of extraction temperature, extraction time and liquidmaterial ratio as well as their cross-interactions on extraction rate of lycopene. An extraction regression equation was established through orthogonal experiments and the optimal extraction processing parameters were petroleum ether as extraction solvent, extraction temperature of 30 ℃, extraction time of 3.8 h and liquid-material ratio of 3.5:1. Under the optimal extraction conditions, the extraction rate of lycopene was 15.61μg/mL. The processing parameters achieved from these experiments were accurate and can be applied to the extraction and production of lycopene from red grapefruit.

red grapefruit；lycopene；extraction；response surface methodology

TS202.3

A

1002-6630(2010)22-0255-05

2010-06-08

湖北省科技攻關(guān)重大專項(xiàng)(2007AA204A02)；農(nóng)業(yè)部“948”項(xiàng)目(2006-Z25)；湖北省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2005AA201C68)；國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(nyhyzx07-023)

徐媛(1986—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：xuyuan0804@163.com

*通信作者：潘思軼(1965—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：pansiyi@mail.hzau.edu.cn