響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取棗皮紅色素

馬奇虎，邵佩蘭，張海紅，周世平

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川750021）

響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取棗皮紅色素

馬奇虎，邵佩蘭*，張海紅，周世平

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川750021）

采用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取棗皮中紅色素的條件。在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇超聲時(shí)間、超聲波功率、NaOH濃度和液料比為提取因子，色素提取液吸光度值為響應(yīng)值，進(jìn)行四因素三水平Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)，采用響應(yīng)面法分析優(yōu)化提取工藝。超聲波輔助提取棗皮中紅色素的最優(yōu)條件為：超聲時(shí)間30min，超聲功率80W，NaOH濃度0.5mol/L，料液比1∶10g/mL（w/v）。在此條件下，模型預(yù)測吸光度值為1.445，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)吸光度值為1.427，說明模型具有良好的擬合度，能較好的描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

棗皮，紅色素，超聲波輔助法，響應(yīng)面優(yōu)化法

紅棗（Zizyphus jujube Dates）又曰棗、華棗，為鼠李科（Rh-amnaceae）棗屬（Zizyphus）的成熟果實(shí)[1]。與桃、李、栗、杏并稱為我國古代五果。紅棗中不僅含有蛋白質(zhì)、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，還含有多種生物活性物質(zhì)，如多糖、多酚、黃酮、蒽醌、環(huán)磷酸腺苷（cAMP）等。同時(shí)還富含天然紅色素，尤其是在棗皮中，但棗皮卻常作為紅棗加工的副產(chǎn)物被拋棄，得不到充分利用。以紅棗加工過程中產(chǎn)生的大量廢棄棗皮為原料提取紅色素，對綜合利用紅棗資源有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)意義。目前，棗皮紅色素的提取主要采用溶劑浸提法，提取率低、提取時(shí)間長，采用超聲波輔助提取可克服水提法時(shí)間長、效率低等缺點(diǎn)[2-6]。對棗皮紅色素提取條件的優(yōu)化多采用單因子和正交設(shè)計(jì)法，在實(shí)際應(yīng)用和提取過程的分析中有很大的局限性，而采用響應(yīng)面法優(yōu)化紅棗色素提取工藝的研究鮮有報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)，使用響應(yīng)面法對棗皮紅色素超聲波輔助提取條件進(jìn)行優(yōu)化，以期為紅棗皮色素的合理開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

棗皮 選擇飽滿的靈武長棗，沸水煮5min，立即放入冷水中除去果肉，清洗2～3次，棗皮在40℃下烘干，粉碎過60目篩備用；氫氧化鈉 天津市大茂化學(xué)試劑廠，分析純；鹽酸 天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司，分析純。

7230G可見分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；KQ-100DB型數(shù)控超聲波清洗機(jī) 昆山市超聲儀器有限公司；AL204型電子分析天平 梅特勒—托利多儀器（上海）有限公司；ST-02A型多功能粉碎機(jī) 上海樹立儀器儀表有限公司；PHS-3C型pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司—雷磁儀器廠；TDL-5-A型臺式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；101-3型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海東星建材實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 棗皮紅色素的提取 精密稱取一定量的棗皮粉，加入一定量的NaOH溶液，在一定的超聲波（頻率40kHz）功率下提取一定時(shí)間后，過濾，離心5000r/min，10min，取上清液備用。每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，取其平均值。

1.2.2 棗皮紅色素的測定 天然色素提取物中存在大量非色素成分，因此，其含量無法直接表示。國外大都用色價(jià)法，中國食品添加劑標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定用吸光值表示[7]。有研究發(fā)現(xiàn)，棗皮紅色素NaOH溶液提取物在480nm處有明顯吸收峰[8]，本實(shí)驗(yàn)選擇480nm作為棗皮紅色素的最大吸收波長。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1 超聲時(shí)間對棗皮色素提取的影響 在料液比為1∶20g/mL，超聲溫度65℃，超聲功率100W，NaOH濃度為0.3mol/L的條件下，分別考察當(dāng)超聲時(shí)間為10、20、30、40、50和60min時(shí)，不同超聲時(shí)間對棗皮色素提取效果的影響。

1.2.3.2 超聲功率對棗皮色素提取的影響 在超聲時(shí)間為30min，料液比1∶20g/mL，超聲溫度65℃，NaOH濃度為0.3mol/L的條件下，分別考察當(dāng)超聲功率為60、70、80、90和100W時(shí)，不同功率對棗皮色素提取效果的影響。

1.2.3.3 料液比對棗皮色素提取的影響 在超聲時(shí)間為30min，超聲功率90W，超聲溫度65℃，NaOH濃度為0.3mol/L條件下，分別考察當(dāng)料液比為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50時(shí)，不同料液比對棗皮色素提取效果的影響。

1.2.3.4 NaOH濃度對棗皮色素提取的影響 在超聲時(shí)間為30min，超聲功率90W，料液比1∶20，超聲溫度65℃的條件下，分別考察當(dāng)NaOH濃度為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8mol/L時(shí)，不同NaOH濃度對棗皮色素提取效果的影響。

1.2.3.5 超聲溫度對棗皮色素提取的影響 在超聲時(shí)間為30min，超聲功率90W，料液比1∶20，NaOH濃度為0.4mol/L的條件下，分別考察當(dāng)超聲溫度為55、60、65、70、75和80℃時(shí)，不同溫度對棗皮色素提取效果的影響。

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 根據(jù)Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮各因素對棗皮中色素提取率的影響，以超聲波處理時(shí)間、超聲波功率、NaOH濃度和料液比為考察對象，以色素提取液吸光值OD480為響應(yīng)值，建立四因素三水平的Box-Behnken模型，通過實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)提取工藝。實(shí)驗(yàn)因素水平表見表1。

1.2.5 提取率與提取級數(shù)的確定[9]在最佳提取條件下，多次浸提一定量的棗皮，直至浸提液近于無色，分別收集各次的色素浸提液并測定其體積Vi和吸光度值A(chǔ)i，然后合并各次提取液得到總體積V和總吸光度值A(chǔ)。計(jì)算各次提取率，確定提取級數(shù)。提取率計(jì)算公式如下：

1.3 數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)采用Design-Expert 8.0.6和Excel 2007對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

表1 Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels design of Box-Benhnken central composite design

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 超聲時(shí)間對色素提取效果的影響 超聲時(shí)間對色素提取效果的影響如圖1所示。

圖1 超聲時(shí)間對色素提取的影響Fig.1 Effect of different ultrasonic time on extraction efficiency of jujube red pigments

由圖1可知，棗皮色素提取液的吸光度隨超聲時(shí)間的延長而增大，30min時(shí)達(dá)到最大，之后緩慢下降。這是因?yàn)槌晻r(shí)間太短，提取不充分；時(shí)間過長，由于超聲波具有較強(qiáng)的機(jī)械剪切作用，長時(shí)間的作用可能會使色素分子的某些鍵斷裂，從而破壞色素分子的結(jié)構(gòu)[10]。而且浸提時(shí)間過長還會造成大量雜質(zhì)成分的溶出和溶劑的揮發(fā)[11]，加大了后續(xù)處理的難度。故適宜的超聲時(shí)間為30min。

2.1.2 超聲功率對色素提取效果的影響 超聲功率對色素提取效果的影響如圖2所示。

由圖2可知，在超聲波功率為90W時(shí)，色素提取效果最好，但在超聲功率為60～80W間，色素提取液吸光度與超聲功率呈現(xiàn)先降后升的關(guān)系，這可能與色素分子本身的某些發(fā)色基團(tuán)有關(guān)，其實(shí)際原因還有待進(jìn)一步探討。當(dāng)超聲波功率大于90W之后，由于高功率的超聲波會放出大量的熱并產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，使色素的結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致色素得率下降[12]，故選用的超聲功率為90W。

圖2 超聲功率對色素提取的影響Fig.2 Effect of different ultrasonic power on extraction efficiency of jujube red pigments

2.1.3 料液比對色素提取效果的影響 料液比對色素提取效果的影響如圖3所示。

圖3 料液比對色素提取的影響Fig.3 Effect of different ratio of raw material to liquid on extraction efficiency of jujube red pigments

由圖3可知，料液比為1∶20時(shí)，色素提取效果最好，當(dāng)料液比大于1∶20后，隨溶劑用量增大，色素液吸光度下降。料液比達(dá)一定程度時(shí)，有效成分基本完全析出，繼續(xù)增大料液比，往往會使更多的雜質(zhì)溶出，且增加生產(chǎn)成本。因此選擇1∶20作為最佳料液比。

2.1.4 NaOH濃度對色素提取效果的影響 NaOH濃度對色素提取效果的影響如圖4所示。

圖4 NaOH濃度對色素提取的影響Fig.4 Effect of different concentration of NaOH on extraction efficiency of jujube red pigments

由圖4可知，隨NaOH濃度的增大，色素的提取效果越好，但當(dāng)濃度大于0.4mol/L后，色素吸光度隨NaOH濃度的增大變化不大，故選取0.4mol/L作為最佳提取劑濃度。

2.1.5 超聲溫度對色素提取效果的影響 超聲溫度對色素提取效果的影響如圖5所示。

圖5 超聲溫度對色素提取的影響Fig.5 Effect of different ultrasonic temperatures on extraction efficiency of jujube red pigments

溫度升高可以提高物質(zhì)的溶解度，分子運(yùn)動越劇烈，物質(zhì)擴(kuò)散越快，提取速度也越快。由圖5可知，色素的提取率隨超聲溫度的升高而逐漸增大，最終趨于平緩。但是超聲波清洗機(jī)在工作過程中自身會放出大量的熱并產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，從而使體系的溫度大于設(shè)定的溫度。因此，為了避免溫度過高導(dǎo)致色素結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，參考孫靈霞的提取方法[13]，選擇75℃作為最佳超聲溫度。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化棗皮紅色素的提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析 Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2?；貧w統(tǒng)計(jì)分析表見表3。

利用Design Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到預(yù)測值（Y）對編碼自變量X1、X2、X3和X4的二次多項(xiàng)回歸方程為：

對上述回歸模型進(jìn)行方差分析（表3）。從表3結(jié)果可知：回歸決定系數(shù)R2為95.44%，修正決定系數(shù)為90.88%，說明響應(yīng)值的變化有95.44%來源于所選因子變化，擬合程度良好；回歸模型p＜0.0001，失擬項(xiàng)p＞0.05，說明回歸模型極顯著，失擬項(xiàng)不顯著，能夠較好的描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用方程代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析是可行的。

2.2.2 響應(yīng)面分析 根據(jù)二次回歸方程繪制的響應(yīng)面及其等高線見圖6～圖11。從圖6中可看出，其他條件不變時(shí)，隨著提取時(shí)間的延長提取液的吸光度增大，30min左右達(dá)最大值，之后吸光度逐漸減小。提取時(shí)間和NaOH濃度不變時(shí)，隨超聲波功率的增大，色素提取液的吸光度逐漸增大，但是變化趨勢不是很明顯。從圖10中可看出，料液比較小時(shí)，隨超聲功率的增大色素提取液的吸光度反而下降，但變化不大。提取時(shí)間和超聲功率不變時(shí)，隨提取劑NaOH濃度的增大，提取效果越好。但圖11中可看出，當(dāng)料液比較大時(shí)，隨NaOH濃度的增大，吸光值變化很小。當(dāng)其他條件保持不變時(shí)，隨著料液比的增大，提取效果反而下降。

表2 Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 The experimental design and results of Box-Benhnken

圖6 超聲波處理時(shí)間和超聲波功率對提取效果的影響Fig.6 Effect of different ultrasonic temperatures and time on extraction efficiency of jujube red pigments

圖7 超聲波處理時(shí)間和NaOH濃度對提取效果的影響Fig.7 Effect of different ultrasonic time and concentration of NaOH on extraction efficiency of jujube red pigments

圖8 超聲時(shí)間和料液比對提取效果的影響Fig.8 Effect of different ultrasonic time and ratio of raw material to liquid on extraction efficiency of jujube red pigments

圖9 超聲波功率和NaOH濃度對提取效果的影響Fig.9 Effect of different ultrasonic power and concentration of NaOH on extraction efficiency of jujube red pigments

圖10 超聲功率和料液比對提取效果的影響Fig.10 Effectofdifferentultrasonicpowerandratioofrawmaterial to liquid on extraction efficiency of jujube red pigments

應(yīng)用響應(yīng)面尋優(yōu)分析方法對回歸模型進(jìn)行分析，得到最優(yōu)解：X1=30.73，X2=80，X3=0.5，X4=10。即當(dāng)超聲功率為80W，超聲時(shí)間為30.73min，NaOH濃度為0.5mol/L，料液比為1∶10時(shí)，響應(yīng)值Y為1.455，提取效果最好，考慮到實(shí)際操作的可行性，將超聲時(shí)間修正為30min，其他條件不變。為了驗(yàn)證模型方程預(yù)測的可靠性，對優(yōu)化條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重復(fù)3次，測得色素提取液的平均值為1.427，與模型的預(yù)測值相差不大，說明該模型方程與實(shí)際情況擬合很好。

表3 回歸模型方差分析表Table 3 The variance analysis of the Regression model

圖11 NaOH濃度和料液比對提取效果的影響Fig.11 Effect of different concentration of NaOH and ratio of raw material to liquid on extraction efficiency of jujube red pigments

2.3 提取級數(shù)的確定

在確定的最佳工藝條件下，多次浸提一定量的棗皮，按1.2.5中的方法計(jì)算提取率，結(jié)果見表4。

表4結(jié)果表明，和溶劑浸提法相比，超聲法一次提取的提取率較低，僅為65.75%，4次提取率累計(jì)達(dá)到98.86%，可提出絕大部分色素。但從節(jié)約成本的角度考慮，采用3級提取，提取率可達(dá)95.77%。

表4 提取級數(shù)對提取效果的影響Table 4 Effect of extraction times on extraction efficiency of jujube red pigments

3 結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用響應(yīng)面分析法對超聲波輔助提取棗皮中紅色素的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過研究得到最佳提取工藝條件為超聲功率80W，超聲時(shí)間為30min，NaOH濃度為0.5mol/L，料液比為1∶10，在此條件下棗皮紅色素提取液吸光度值的預(yù)測值為1.455，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果為1.427，采用3級提取，提取率可達(dá)95.77%。結(jié)果表明：模型預(yù)測與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，用該模型可以合理、有效的預(yù)測提取工藝參數(shù)，對于棗皮的綜合利用及紅色素的提取具有一定的理論參考。

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Optimization of ultrasonic-assisted extraction of red pigment from jujube peel by response surface methodology

MA Qi-hu，SHAO Pei-lan*，ZHANG Hai-hong，ZHOU Shi-ping
（School of Agriculture Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

The Ultrasonic-assisted extraction condition of red pigment from jujube peel was optimized by using response surface method.Based on single factor experiments，a four-factor-three-level experiment design were developed by box-benhnken central composite design method with the causal factors of ultrasonic time，ultrasonic power，concentration of NaOH，ratio of raw material to liquid and the extract absorbance value for the response，and the response surface methodology（RSM）was applied to optimize the ultrasonic-assisted extraction.The optimum ultrasonic-assisted extraction conditions were as follow：ultrasonic time was 30min，ultrasonic power was 80W，concentration of NaOH was 0.5mol/L and the ratio of raw material to liquid was 1∶10g/mL（w/v）.Under the optimum extraction technology condition，the absorbance value predicted of the model was 1.445 and the experimented value was 1.427.The model had a good degree of fitting，so it could be used to describe the test result preferably.

jujube peel；red pigment；ultrasonic-assisted；response surface methodology（RSM）

TS209

B

1002-0306（2014）08-0255-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.08.049

2013－08－02 *通訊聯(lián)系人

馬奇虎（1989-），男，在讀碩士研究生，研究方向：食品加工與安全。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31260375）。