響應(yīng)面法優(yōu)化紅松松籽殼色素提取工藝的研究

郭慶啟，毛 佳，王 萍，王振宇，，*

（1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150086）

響應(yīng)面法優(yōu)化紅松松籽殼色素提取工藝的研究

郭慶啟1，毛 佳2，王 萍1，王振宇1，2，*

（1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150086）

以紅松松籽殼為原料，采用響應(yīng)面法對水溶液提取松籽殼色素的條件進(jìn)行優(yōu)化并建立回歸模型，得到最佳提取條件為：提取時(shí)間5.06h，溫度80.4℃，液料比35∶1（mL∶g），提取液pH12。經(jīng)回歸分析表明：回歸方程的R2= 97.40%，=94.81%，預(yù)測提取液吸光值為1.802。經(jīng)驗(yàn)證在最佳提取條件下，松籽殼色素提取液的吸光值為1.800，回歸模型的預(yù)測值與實(shí)測值的相對誤差＜1%。

松籽殼，色素，響應(yīng)面，提取

松籽殼占松籽質(zhì)量的40%左右，為松籽加工的主要副產(chǎn)品之一，我國松籽殼產(chǎn)地主要在東北三省，每年大約生產(chǎn)2萬t［1］。目前我國松籽殼利用水平較低，在許多松籽加工企業(yè)，松籽殼主要用作燃料，但由于松籽殼燃燒時(shí)放出大量的濃煙并且熱值較低，國家已禁止其作為燃料使用。我國紅松松籽年產(chǎn)量較大，有報(bào)道表明松籽殼里的活性物質(zhì)具有抗氧化、抗病毒、抗感染、抗癌、降低膽固醇等作用［2］。但加工松籽時(shí)所產(chǎn)生的種殼作為加工廢棄物常因其堅(jiān)硬且不可食用而被遺棄，既嚴(yán)重污染環(huán)境，也是一種資源浪費(fèi)，如何綜合利用松籽殼，提高產(chǎn)品附加值，保護(hù)環(huán)境，已成為人們所關(guān)注的問題［3］。目前關(guān)于紅松松籽殼色素的研究很少，本研究的目的是從紅松籽生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物松籽殼中提取天然色素，采用響應(yīng)面法對提取工藝過程進(jìn)行優(yōu)化，以期紅松松籽殼色素能夠成為一種新的天然食品添加劑資源，可添加或用于食品、藥物或化妝品；或是作為具有某些生物活性的新資源，在產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)減少環(huán)境污染，提高產(chǎn)品的附加值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

野生紅松松籽 購自哈爾濱哈達(dá)市場，剝?nèi)∷勺褮ぃ?0℃烘干，萬能粉碎機(jī)粉碎，過40目篩備用；所用化學(xué)試劑 均為分析純。

TU-1800SPC型紫外分光光度計(jì) 北京普析通用；真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 松籽殼色素提取溶劑的選擇 分別稱取松籽殼粉末10份，每份1.0g，置于10支試管中，從1到10號試管中分別加入1%NaHCO3、1%NaOH、蒸餾水、甲醇、石油醚、乙酸乙酯、丙酮、30%乙醇、1% Na2CO3、95%乙醇20mL，室溫封口避光提取24h后觀察浸提液顏色，確定提取溶劑。

1.2.2 松籽殼色素的紫外-可見光譜測定 室溫下用1%的NaOH溶液浸提松籽殼，以1%的NaOH溶液為空白，于TU-1800SPC紫外-可見分光光度計(jì)上200～800nm進(jìn)行光譜掃描，確定最大吸收波長。

1.2.3 松籽殼色素提取條件的優(yōu)化 稱取2.0g松籽殼粉置于具塞三角瓶中，加入一定體積的1%NaOH溶液，調(diào)整溶液pH，在一定溫度下提取一定時(shí)間后，冷卻抽濾，移取1mL濾液定容至25mL容量瓶中，紫外-分光光度計(jì)比色，以吸光值作為提取條件的判定指標(biāo)。

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)，以提取溫度、時(shí)間、液料比、pH為單因素，采用Design Expert軟件中的Box-Behnken設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，采用SAS9.0軟件分析優(yōu)化提取工藝條件。因素與水平編碼表見表1。

表1 松籽殼色素提取因素與水平設(shè)計(jì)表

2 結(jié)果與分析

2.1 松籽殼色素提取溶劑的確定

不同提取溶劑對松籽殼色素的提取效果是明顯不同的。通過浸提液顏色可以看出，松籽殼色素可溶于極性較大的溶劑中、不溶或難溶于非極性溶劑中，其中1%NaOH、1%NaHCO3、1%Na2CO3、95%乙醇具有較強(qiáng)提取能力，提取液為深棕色或棕紅色，甲醇有一定提取能力，提取液為土黃色，非極性或極性較小的試劑如石油醚、乙酸乙酯、丙酮不能提取色素。通過浸提液顏色判斷，1%的NaOH提取的松籽殼溶液顏色最深，提取效果最好。

2.2 松籽殼色素的紫外-可見光譜測定

由圖1可見，松籽殼色素的浸提液在紫外區(qū)具有明顯的吸收峰，而在可見區(qū)則沒有吸收峰，最大峰值檢出為236nm，推測其主要含有黃酮類化合物，有關(guān)黃酮類化合物的定性實(shí)驗(yàn)還需要進(jìn)一步的確定。

圖1 松籽殼色素提取液光譜掃描曲線

2.3 松籽殼色素提取條件的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用Design-Expert7.0設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案，以x1、x2、x3、x4為自變量，以浸提液吸光度值為響應(yīng)值y1，測定結(jié)果見表2。其中實(shí)驗(yàn)序號1～24為析因?qū)嶒?yàn)，25～27為3個(gè)中心實(shí)驗(yàn)，用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。

表2 響應(yīng)面分析法實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS9.1對表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，建立二次多元回歸方程：

回歸分析與方差分析結(jié)果見表3。

由表3可知，方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯，該模型回歸顯著（P＜0.0001），失擬項(xiàng)不顯著。該模型R2=97.40%，=94.81%，說明該模型與實(shí)驗(yàn)擬合較好，自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著，可以用于該反應(yīng)的理論推測。由F檢驗(yàn)可以得到因子貢獻(xiàn)率為：X4＞X1＞X3＞X2，即pH＞提取時(shí)間＞液料比＞提取溫度。

P水平是檢驗(yàn)編碼變量對指標(biāo)（y1）的影響是否顯著，當(dāng)P＜0.05時(shí)表明變量影響顯著；當(dāng)P＜0.01時(shí)表明變量影響極顯著；當(dāng)P＞0.05時(shí)表明影響不顯著。從表3中可以看出，x1、x2、x3、x4、x1x2、x1x3項(xiàng)達(dá)到了極顯著的水平，這其中提取時(shí)間和溫度、提取時(shí)間和液料比間存在著交互作用，具體交互作用如圖2、圖3所示。

應(yīng)用響應(yīng)面尋優(yōu)分析方法對回歸模型進(jìn)行分析，尋找最優(yōu)響應(yīng)結(jié)果為：提取時(shí)間 5.06h，溫度80.4℃，液料比35∶1（mL/g），提取液pH12，響應(yīng)面最優(yōu)值為1.802。在響應(yīng)面分析法優(yōu)化的最佳條件下進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，得到松籽殼色素提取液的吸光值為1.800，預(yù)測值與實(shí)際測量值非常接近，說明響應(yīng)值的實(shí)驗(yàn)值與回歸方程預(yù)測值吻合良好。

表3 回歸與方差分析結(jié)果

圖2 提取溫度和時(shí)間交互作用的曲面圖

圖3 提取時(shí)間和液料比交互作用的曲面圖

3 結(jié)論

通過Design-Expert7.0軟件采用Box-Benhnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對松籽殼色素的提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明，提取時(shí)間、溫度、液料比和pH對松籽殼色素的提取影響顯著，并且提取時(shí)間和溫度、提取時(shí)間和液料比之間存在著交互作用。通過SAS9.0軟件建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并且得到了松籽殼最佳提取工藝條件為：提取時(shí)間5.06h，溫度80.4℃，液料比35∶1（mL∶g），提取液pH12。經(jīng)驗(yàn)證在最佳提取條件下，松籽殼色素提取液的吸光值為1.800，回歸模型的預(yù)測值與實(shí)測值的相對誤差＜1%。優(yōu)化工藝為黑龍江省大量的松籽殼廢棄物的應(yīng)用提供新的前景。

［1］任華東，段福文，王祖芳.世界松籽資源生產(chǎn)利用現(xiàn)狀及我國松籽發(fā)展對策探討［J］.世界林業(yè)研究，2006，4（2）：28-33.

［2］劉光明，呂永俊，周萍，等.松屬植物的松塔、松子殼藥用開發(fā)［J］.大理學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，15（2）：47-49.

［3］文攀，王振宇，李宏菊.紅松松籽殼色素理化性質(zhì)研究［J］.中國林副特產(chǎn)，2009（4）：1-5.

［4］李永祥，詹少華，蔡永萍，等.板栗殼色素的提取、純化及穩(wěn)定性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（9）：298-303.

［5］王孟歌，孟憲昌，康永勝，等.松籽殼色素的提取及穩(wěn)定性研究［J］.保定師范?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002，15（2）：47-49.

Optimization of extraction technology for pine nut shell pigment using response surface analysis

GUO Qing-qi1，MAO Jia2，WANG Ping1，WANG Zhen-yu1，2，*
（1.College of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China；2.Food College，Harbin Institute of Technology，Harbin 150086，China）

Taking the pine nut shell as raw materials，with the response surface analytical method（rsm），the regressive model through the optimization of main technical parameters of extraction pine nut pigment by water solution was obtained.The best conditions were as follow：extracting time 5.06h；temperature 80.4℃，the proportion of liquid to material 35∶1（mL∶g），extracting pH 12.The regressive analysis indicated R2=97.40%，R2Adj=94.81%，the estimating OD value of extracting solution was 1.802.Through the validating test，under the best extracting conditions，the OD value of solution was 1.800.The relative error between the estimating data of regressive model and actual data was less than 1%.

pine nut shell；pigment；RSM；extraction

TS201.1

B

1002-0306（2010）11-0262-03

2009-11-25 *通訊聯(lián)系人

郭慶啟（1978-），男，講師，研究方向：植物化學(xué)成分。

黑龍江省哈爾濱市科技公關(guān)項(xiàng)目。