響應(yīng)面法優(yōu)化萬壽菊中類胡蘿卜素的提取工藝

張 瑞，邢 軍，張 娟，朱曉瑩

（1.新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 8300541；

2.新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊 8300462）

響應(yīng)面法優(yōu)化萬壽菊中類胡蘿卜素的提取工藝

張 瑞1，邢 軍2，張 娟1，朱曉瑩1

（1.新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 8300541；

2.新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊 8300462）

采用響應(yīng)面法對萬壽菊中類胡蘿卜素提取工藝進行優(yōu)化。在單因素實驗基礎(chǔ)上，選擇乙酸乙酯為浸提溶劑，固液比、提取時間、提取溫度為自變量，以類胡蘿卜素特定波長下吸光度值作為響應(yīng)值，利用Box-Benhnken中心組合方法進行三因素三水平的實驗設(shè)計，并做響應(yīng)面分析，建立數(shù)學(xué)回歸模型。結(jié)果表明：曲面回歸方程擬合性好，類胡蘿卜素適宜提取工藝條件為浸提時間4.5h，提取溫度45℃，固液比為1∶25（g/mL），最優(yōu)條件下測得萬壽菊中類胡蘿卜素提取液的吸光度平均值為0.824，說明該工藝穩(wěn)定、可行。

萬壽菊，類胡蘿卜素，溶劑浸提法，響應(yīng)面分析法

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

萬壽菊干花 2011年9月采于烏市南山，晾干，粉碎過40目篩，黑暗條件下貯于干燥器中備用；乙酸乙酯 分析純，新疆烏魯木齊市托普化玻儀器有限公司；蒸餾水 實驗室自行制備。

UV-2800型紫外可見分光光度計 上海龍尼柯儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、HWS28型電熱恒溫水浴鍋 上海-恒科學(xué)儀器有限公司；BS223S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 類胡蘿卜素提取工藝流程 萬壽菊干花瓣→剪

碎研磨→過篩→乙酸乙酯浸提→過濾→濾液→濃縮→類胡蘿卜素提取液

1.2.2 類胡蘿卜素測定波長 用比色法測定萬壽菊中類胡蘿卜素的含量[15-16]。在最大吸收波長445nm下（葉黃素和葉黃素酯的最大吸收波長均為445nm左右），使用UV-2800型紫外可見分光光度計，以乙酸乙酯為參比液，用1cm比色皿測定浸提液的吸光值。所有處理都進行3次重復(fù)，數(shù)據(jù)取平均值。

（2）加強產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)建設(shè)的頂層設(shè)計和規(guī)劃。產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)發(fā)展存在問題的重要原因是頂層設(shè)計和規(guī)劃不到位、不完善。加快產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)建設(shè)，要系統(tǒng)規(guī)劃，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，按照量力而行、適度超前的原則，科學(xué)規(guī)劃產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能的技術(shù)路線和發(fā)展路徑，適時出臺產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)建設(shè)規(guī)劃。要加快制度的“廢改立”，破除產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)深度利用、綜合利用的政策藩籬，形成目標(biāo)協(xié)同、層次明確、銜接嚴(yán)密的大數(shù)據(jù)發(fā)展政策體系。要堅持問題導(dǎo)向、突出應(yīng)用，科學(xué)規(guī)劃產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)建設(shè)的重點任務(wù)、時間節(jié)點，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心布局，促進大數(shù)據(jù)與實體經(jīng)濟的深度融合，充分發(fā)揮質(zhì)量大數(shù)據(jù)的作用。

1.2.3 單因素實驗

1.2.3.1 浸提時間的選擇 準(zhǔn)確稱量五份1.000g剪碎的萬壽菊干花瓣粉，置于5個三角瓶中。各加入30m L乙酸乙酯，置于45℃的水浴鍋中分別浸提3、3.5、4、4.5、5h。過濾，收集濾液，測其吸光值。

1.2.3.2 浸提固液比的選擇 準(zhǔn)確稱量五份1.000g剪碎的萬壽菊干花瓣，置于5個三角瓶中。依次加入15、20、25、30、35m L乙酸乙酯，置于45℃的水浴鍋中浸提4.5h。過濾，收集濾液，測其吸光值。

1.2.3.3 浸提溫度的選擇 準(zhǔn)確稱量五份1.000g剪碎的萬壽菊干花瓣，置于5個三角瓶中。各加入30m L乙酸乙酯，分別置于30、35、40、45、50℃的水浴鍋中浸提4.5h。過濾，收集濾液，測其吸光值。

1.2.4 響應(yīng)面法對類胡蘿卜素提取工藝的優(yōu)化設(shè)計

正交設(shè)計僅能從實驗預(yù)先設(shè)定的幾個水平中優(yōu)選組合得到的最佳工藝條件，并非真實意義的最佳條件，只能說是理想條件，所以無法給出整個區(qū)域上因素的最佳組合的最優(yōu)值[14]。響應(yīng)面分析法是一種尋找多因素系統(tǒng)中最佳條件的數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法。由于采用了合理的實驗設(shè)計，能以最經(jīng)濟的方式，用很少的實驗數(shù)量和時間對實驗進行全面研究，能在整個考察區(qū)域上確定各個因素的最佳組合及最優(yōu)響應(yīng)值。所以實驗將通過單因素實驗設(shè)計篩選的對類胡蘿卜素提取的主要因素進一步采用響應(yīng)面法進行優(yōu)化，得到最佳提取條件，以提高類胡蘿卜素的產(chǎn)量，并為將來的類胡蘿卜素的廣泛應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

在單因素考察基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法確定影響水平，根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實驗設(shè)計，固定浸提溶劑，采用三因素三水平進行實驗，確定類胡蘿卜素提取的最佳條件。實驗設(shè)計如下：

表1 響應(yīng)面實驗因素水平Table 1 The level of response surface experimental factors

2 結(jié)果與分析

2.1 提取時間對類胡蘿卜素提取率的影響分析由圖1可知，浸提時間在3～3.5h時，類胡蘿卜素的提取率為小幅上升，3.5～4h則下降明顯，4h后又持續(xù)上升，并在4.5h后上升趨勢減緩，因時間越長乙酸乙酯揮發(fā)量越大，故選取時間在4～5h為響應(yīng)面時間的三水平。

圖1 時間對類胡蘿卜素提取的影響Fig.1 Effectof time on the extraction of carotenoids

2.2 固液比對類胡蘿卜素提取率的影響分析

圖2 固液比對類胡蘿卜素提取的影響Fig.2 Effectof solid-liquid ratio on the extraction of carotenoids

由圖2可知，固液比在1∶15到1∶20之間時，類胡蘿卜素的提取率呈上升趨勢，但在1∶20到1∶25時又下降，而在1∶25后繼續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢，并在1∶30時達到最大并大致保持穩(wěn)定，故選取固液比分別為1∶25、1∶30、1∶35為響應(yīng)面固液比的三水平。

2.3 提取溫度對類胡蘿卜素提取率的影響分析

圖3 提取溫度對類胡蘿卜素提取的影響Fig.3 Effectof temperature on the extraction of carotenoids

由圖3可知，溫度在30～45℃之間時，類胡蘿卜素的提取率呈上升趨勢，其中30～35℃上升趨勢較緩，35～45℃時上升趨勢基本呈直線，但在45～50℃時有較緩的下降趨勢，故選取溫度分別為40、45、50℃為響應(yīng)面溫度的三水平。

2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化實驗結(jié)果

表2 中心復(fù)合旋轉(zhuǎn)實驗的結(jié)果Table 2 Central composite design arrangementand experimental results

對表2數(shù)據(jù)進行ANOVA分析，結(jié)果見表3。

采用Box-Behnken實驗設(shè)計對類胡蘿卜素提取條件進行3因素3水平的響應(yīng)面分析實驗，運用design expert軟件對實驗點的響應(yīng)值進行回歸分析。以萬壽菊類胡蘿卜素提取液的吸光值為響應(yīng)值，經(jīng)回歸擬合后，確定函數(shù)表達式。實驗結(jié)果見表2。

該實驗回歸方程為：

該方程回歸顯著，模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)的平方即R2=0.9495，說明回歸方程的擬合程度良好，失擬較小，可以用該方程代替真實實驗點進行分析。由表3中的p值可知，方程中A、C、AB對吸光值的影響達顯著水平，而方程中A2、B2對吸光值的影響達極顯著水平。表明實驗因子對響應(yīng)值不是簡單的線性關(guān)系，二次項對響應(yīng)值也有很大的關(guān)系，這和模型回歸中的線性和平方項影響顯著項對應(yīng)。失擬項的p=0.6539，沒有顯著性影響，說明數(shù)據(jù)中沒有異常點，不需要引入更高次數(shù)的項，模型適當(dāng)。

2.5 響應(yīng)面直觀分析

圖4 提取時間和溫度對萬壽菊類胡蘿卜素提取的響應(yīng)面分析Fig.4 Extraction time and temperature ofmarigold carotenoids extracted from response surface analysis

由圖4分析可知，響應(yīng)面的坡度很陡，可以得出時間和溫度的交互影響對類胡蘿卜素的提取有顯著影響，通過等高線的疏密可以判斷在交互影響中時間對響應(yīng)值的影響大于溫度。

圖5 提取時間和固液比對萬壽菊類胡蘿卜素提取的響應(yīng)面分析Fig.5 Extraction time and ratio of solvent tomaterial extracted by themarigold carotenoids response surface analysis

由圖5分析可知，響應(yīng)面的坡度較緩，可以得出提取時間和料液比的交互影響對類胡蘿卜素提取的影響不夠顯著。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Regression analysis of variance

圖6 提取溫度和固液比對萬壽菊類胡蘿卜素提取的響應(yīng)面分析Fig.6 Extraction temperature and ratio of solvent tomaterial extracted by themarigold carotenoids response surface analysis

由圖6分析可知，響應(yīng)面的坡度較緩，可以得出提取溫度和料液比的交互影響對類胡蘿卜素提取的影響不夠顯著。

通過軟件分析，得到萬壽菊中類胡蘿卜素的提取工藝最佳條件為浸提時間為4.53h，提取溫度為43.84℃，固液比為1∶25（g/m L）。為檢驗響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的可靠性，考慮到實際采用浸提時間為4.5h，提取溫度為45℃，固液比為1∶25（g/m L）進行提取測定，實際測得萬壽菊中類胡蘿卜素提取液的吸光度平均值為0.824，與理論預(yù)測值0.772相比，其相對誤差較小，因此，基于響應(yīng)面分析法所得的萬壽菊中類胡蘿卜素的提取條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實用價值。

3 結(jié)論

實驗證明響應(yīng)面分析法是優(yōu)化提取條件非常有效的工具，Box-Behnken實驗設(shè)計能建立各影響因素的二次多項數(shù)學(xué)模型，并利用統(tǒng)計學(xué)方法對該模型進行了顯著性檢驗，優(yōu)化了內(nèi)在因素水平，找出最佳值。研究經(jīng)響應(yīng)面方法優(yōu)化，得出萬壽菊中類胡蘿卜素最佳提取條件為：浸提時間為4.5h，提取溫度為45℃，固液比為1∶25（g/m L）。在優(yōu)化條件下經(jīng)3次重復(fù)實驗驗證，得實測萬壽菊中類胡蘿卜素提取液的吸光度平均值為0.824，預(yù)測值與驗證實驗平均值接近。

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Optim ization of carotenoids extracting technology in Marigold by response surface methodology

ZHANG Rui1，XING Jun2，ZHANG Juan1，ZHU Xiao-ying1
（1.College of Life Science，Xinjiang Normal University，Urumqi830054，China；
2.Life Science and Technology College，Xinjiang University，Urumqi830046，China）

Response surface methodology was app lied to op tim ize the extraction cond itions of carotenoids in Marigold.On the basis of sing le-factor test，the mathematical reg ression model was estab lished about dependent variab le（absorbance values in a specific waveleng th of carotenoids，using ethylacetate as solvent）and independentvariab les（ratio of solvent to material，extraction time and temperature）through Box-Benhnken center com posite design and response surface analysis.The result showed that reg ression equation fit well w ith experimental data，the op timum extraction cond itions of capsanthin were extraction time of 4.5h，extraction temperature of 45℃，material/liquid ratio of 1∶25（g/m L）.Measured under op timal cond itions，the average absorbance was 0.824 about carotenoids from Marigold extract.The op tim ized technology was stab le and viab le．

Marigold；carotenoids；solventextraction；response surface methodology

TS202.3

B

1002-0306（2012）22-0319-04

2012－06－12

張瑞（1974－），女，碩士，副教授，研究方向：食品科學(xué)。

自治區(qū)科技支疆項目計劃（201191256）。