響應(yīng)面法優(yōu)化黑果枸杞色素的提取工藝

劉樹興, 趙廣蒙, 楊　麒

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 陜西 西安　710021)

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響應(yīng)面法優(yōu)化黑果枸杞色素的提取工藝

劉樹興, 趙廣蒙, 楊麒

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 陜西 西安710021)

摘要：以黑果枸杞為原料，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以料液比(g/mL)、乙醇濃度、浸提溫度和時間等為自變量，以色素含量為響應(yīng)值，利用Box-Behnken中心組合設(shè)計原理和響應(yīng)面分析法，研究了各自變量及其交互作用對得率的影響，模擬得到了二次多項式回歸方程的預(yù)測模型，并確定了最佳工藝條件為:料液比1∶34、浸提時間63 min、乙醇濃度75%、浸提溫度45 ℃、粗得率為45.15 %.

關(guān)鍵詞：黑果枸杞； 色素; 響應(yīng)面分析法

0引言

市場分析發(fā)現(xiàn)，紅色素的消費量一直較好，尤其是花色苷類色素，在日本、歐洲共同體、美國以及東南亞、海灣各國等都允許大量使用.然而，當(dāng)前使用的各種紫紅色素產(chǎn)品都存在一定的局限性.例如，藏紅花色素，產(chǎn)量有限[1]；番茄紅素來源于番茄果實，純品易氧化，吸氧率高達(dá)30%～41%，且多局限在番茄汁制品中使用[2]；辣椒紅素，由于其具特殊氣味和辣味，且難溶于水而使其使用范圍有限[3]；玫瑰茄色素，產(chǎn)量有限，對光和熱的穩(wěn)定性不佳[4].

黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)果實中含有大量的紫色物質(zhì)，該物質(zhì)溶于水中，具有較強(qiáng)的浸染能力，具有良好的耐熱耐光耐酸能力，是一種優(yōu)良的天然色素資源，可用于食品、醫(yī)藥、化妝品等工業(yè)中，具有廣闊的發(fā)展前景[5,6].

根據(jù)白紅進(jìn)等[7]的報道，在黑果枸杞色素的提取方面，常規(guī)水浴法具有優(yōu)勢.本研究利用常規(guī)水浴法對色素進(jìn)行提取，并通過單因素實驗考察了乙醇濃度、料液比、溫度等因素對黑果枸杞色素提取率的影響，還通過響應(yīng)面法試驗設(shè)計，對其提取工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，以期為黑果枸杞生物活性物質(zhì)的研究及利用提供一些參考.

1材料與方法

1.1材料與試劑

黑果枸杞干果(含水量0.6%，購于青海久實中藥材開發(fā)有限公司)； 無水乙醇(天津市富宇精細(xì)化工有限公司)； UV-2600型系列分光光度計(尤尼柯(上海)儀器有限公司)； HH-S6型電熱恒溫水浴鍋(北京科偉永興儀器有限公司)；HK-06B型 300 g搖擺式粉碎機(jī)(廣州市旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司).

1.2色素含量的測定方法

將獲得的色素提取液置于UV-2600型紫外可見分光光度計上，于460～560 nm處進(jìn)行光譜掃描，發(fā)現(xiàn)色素溶液在545 nm處具有最大吸收峰.根據(jù)比爾定律，可知吸光度與色素濃度成正比，故在一定的體積和pH值下，可用吸光度間接表示色素濃度或含量大小[8].

1.3樣品溶液的制備

精確稱取0.5 g的黑果枸杞果實于100 mL錐形瓶中，加入一定量體積分?jǐn)?shù)的pH=3的乙醇溶液，恒溫一段時間后抽濾，用相應(yīng)的提取液洗滌濾渣兩次，合并濾液，稀釋一定倍數(shù)后，暗處靜置1 h后待用.

1.4最佳工藝條件的確定

考察粉碎目數(shù)、乙醇濃度、料液比、提取溫度、浸提時間等對提取率的影響.在單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken試驗設(shè)計方法進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面試驗設(shè)計，并用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和回歸分析，以確定最佳提取條件.其試驗設(shè)計方案見表1所示.

表1　響應(yīng)面法試驗因素及水平

2結(jié)果與討論

2.1單因素實驗結(jié)果

2.1.1黑果枸杞粉碎目數(shù)對提取率的影響

設(shè)定料液比1∶40 (g/mL)、乙醇濃度80%、浸提溫度50 ℃、浸提時間60 min，選取粉碎目數(shù)為20目、40目、60目、80目、100目等的黑果枸杞果實，按照章節(jié)1.3所述的操作方法進(jìn)行實驗，最后定容至25 mL，稀釋5倍后暗處靜置1 h后于545 nm處進(jìn)行測量，其結(jié)果如圖1所示.

由圖1可知，在實驗設(shè)定的粉碎目數(shù)范圍內(nèi)，隨著粉碎目數(shù)的增大，黑果枸杞色素的提取率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢.分析其原因，可能是粉碎目數(shù)越大，顆粒越小，比表面積越大，接觸面積越大，提取效果越好；但當(dāng)粉碎目數(shù)大于60目時，相互堆積密集使得萃取劑難以通過，反而會使提取率降低[9].因此，后續(xù)單因素實驗的粉碎目數(shù)均設(shè)為60目.

圖1　粉碎目數(shù)對提取率的影響

2.1.2乙醇濃度對提取率的影響

設(shè)定固液配比1∶40(g/mL)、浸提溫度50 ℃、浸提時間60 min,選取pH 3的乙醇濃度分別為40%、50%、60%、70%、80%、90%等,按照章節(jié)1.3所述的操作方法進(jìn)行實驗.提取液過濾后，通過稀釋使各提取液乙醇濃度均為40%，再用強(qiáng)酸(2 mol/L的鹽酸)調(diào)節(jié)pH=3，最后用pH=3的40%乙醇定容至100 mL，暗處靜置1 h后于545 nm處進(jìn)行測量，其結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知，隨著乙醇濃度的增加，黑果枸杞色素的提取率逐漸增大，當(dāng)乙醇濃度達(dá)到70% 時最大，之后再增加乙醇濃度，色素提取率逐漸下降[10].因此，選取乙醇濃度為70% 最為適宜.

圖2　乙醇濃度對提取率的影響

2.1.3浸提溫度對提取率的影響

設(shè)定固液配比1∶40(g/mL)、 乙醇濃度70%、浸提時間為60 min，選取浸提溫度分別為20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃等，按照章節(jié)1.3所述的操作方法進(jìn)行實驗.提取液過濾后，定容至25 mL，稀釋10倍后于暗處靜置1 h，后在545 nm處進(jìn)行測量，其結(jié)果如圖3所示.

由圖3可知，在20 ℃～50 ℃范圍內(nèi)，隨溫度的升高，提取率增大，這可能是因為溫度的升高，使得物質(zhì)分子的運動加劇，擴(kuò)散速度加快，繼而色素的提取率上升[11].在50 ℃時達(dá)到最大，此后，提取率反而下降，可能是由于溫度升高而導(dǎo)致色素分解造成[12].

圖3　浸提溫度對提取率的影響

2.1.4料液比對提取率的影響

設(shè)定乙醇濃度70%、浸提溫度50 ℃、浸提時間60 min，選取固液配比分別為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50等，按照章節(jié)1.3所述的操作方法進(jìn)行實驗.提取液過濾后，定容至50 mL，稀釋5倍后于暗處靜置1 h，后在545 nm處進(jìn)行測量，其結(jié)果如圖4所示.

由圖4可知，料液比對黑果枸杞色素提取率具有一定影響，吸光值隨料液比的變化先增大后減小，當(dāng)料液比為1∶30時最大.

圖4　料液比對提取率的影響

2.1.5浸提時間對提取率的影響

設(shè)定乙醇濃度70%、浸提溫度50 ℃、固液配比1∶30，選取浸提時間分別為20 min、40 min、60 min、80 min、100 min等,按照章節(jié)1.3所述的操作方法進(jìn)行實驗.提取液過濾后，定容至25 mL，稀釋10倍后于暗處靜置1 h，后在545 nm處進(jìn)行測量，其結(jié)果如圖5所示.

由圖5中知，當(dāng)提取時間在20～60 min時，吸光度值隨時間延長而增大，當(dāng)60 min時達(dá)到最大值，隨后，吸光度略有減小.究其原因，可能是因為時間過短，溶劑滲不進(jìn)去，不利于色素充分提取，而當(dāng)時間過長時，不僅不經(jīng)濟(jì)，且可能造成色素分解[12].

圖5　浸提時間對提取率的影響

2.2響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，按照表1的因素水平進(jìn)行響應(yīng)面試驗.調(diào)節(jié)濾液乙醇濃度為50%，用2 mol/L的鹽酸調(diào)節(jié)pH至3.0，定容至100 mL，其結(jié)果見表2所示.

表2　響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

利用Design-Expert 8.0.6軟件包對表2 中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到擬合二次多項式方程：Y=0.80+0.012A+0.028B-0.040C-7.583*10-3D-0.020AB-0.020AC-3.750*10-3AD+2.000*10-3BC+3.000*10-3BD-0.037CD-0.018A2-0.026B2-0.049C2-0.045D2.

2.3模型的效應(yīng)分析

通過對上述回歸方程中的一次項系數(shù)絕對值大小進(jìn)行比較，可以判斷出影響提取效果指標(biāo)的主次順序[13].結(jié)合回歸方程及表3 的分析可知影響的條件順序依次為：C>B>A>D,即浸提溫度>乙醇濃度>料液比>浸提時間.

其交互作用的影響可從響應(yīng)曲面坡度變化及等高線形狀得到反映.響應(yīng)面坡度非常陡峭時，表明當(dāng)處理條件發(fā)生變化時，響應(yīng)值非常敏感；反之，則不明顯.當(dāng)?shù)雀呔€的形狀為橢圓形時，表示兩因素交互作用明顯；為圓形時，則表示交互作用不明顯，可以忽略[13].由表3 的交互項P值及圖6可以看出，各因素間只有CD相，即浸提溫度和浸提時間交互作用顯著.

表3　回歸方程的方差分析

(a)料液比和乙醇濃度的交互作用影響

(b)料液比和溫度的交互作用影響

(c)料液比和時間的交互作用影響

(d)乙醇濃度和溫度的交互作用影響

(e)乙醇濃度和時間的交互作用影響

(f)時間和溫度的交互作用影響圖6　各因素間交互作用對色素提取率的影響

2.4響應(yīng)面結(jié)果驗證

利用Design-Expert 8.0.6軟件包，結(jié)合回歸模型和響應(yīng)曲面圖可得出黑果枸杞色素的最佳提取工藝為： 1∶34.04(A)、73.7%(B)、44.72 ℃(C)、62.55 min(D)，在此條件下的理論吸光度值為0.815.

為方便實際操作，將以上工藝條件優(yōu)化為：提取溫度45 ℃、料液比1∶34、浸提時間63 min、乙醇濃度75%.在此條件下平行試驗3次，黑果枸杞色素的平均吸光度值為0.801，粗得率為45.15%,與預(yù)測值非常接近，預(yù)測精準(zhǔn)度達(dá)1.75%.

3結(jié)論

(1)利用實驗設(shè)計軟件Design-Expert 8.0.6，采用Box-Behnken建立了料液比、乙醇濃度、浸提溫度、浸提時間等與色素得率之間的二次多項數(shù)學(xué)模型.

對影響色素得率的因素及其間的相互作用進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)影響前后順序為:浸提溫度>乙醇濃度>料液比>浸提時間.其中,浸提溫度和乙醇濃度是顯著影響因子.交互作用對色素得率有影響，但除浸提溫度和時間的交互作用影響顯著外，其它交互項影響并不顯著.

(2)優(yōu)化黑果枸杞色素提取的最佳工藝條件為:乙醇濃度75%、浸提溫度43 ℃、浸提時間63 min、料液比1∶34(g/mL).在此條件下的粗得率為45.15%.

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Optimization of extraction conditions of pigment fromLycium

ruthenicumMurr. by response surface methodology

LIU Shu-xing, ZHAO Guang-meng, YANG Qi

(School of Food and Biological Engineering, Shaanxi University of science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:As the Lycium ruthenicum Murr.for raw materials,four extraction parameters including solid-liquid ratio (g/mL)、extractant (ethanol)、extraction temperature and concent extraction time were optimized using central composite design and response surface methodology based on single factor investigations for achieving maximun the pigment extraction rate.The interaction of the respective variables and their influence on the extraction rate were studied by using Box-Benhnken central composite design and response surface analysis theory，the simulated quadratic polynomial regression equation of prediction model was set up.The optimum extraction condition was for extraction temperature 45 ℃，solid liquid ratio 1∶34，ethanol concentration 75%，extraction time of 63 min and the extraction rate was 45.15%.

Key words:Lycium ruthenicum Murr.; pigment; response surface method

中圖分類號：TS202

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)05-0110-05

作者簡介:劉樹興(1962-)，男，河南新鄉(xiāng)人，教授，研究方向：食品加工及食品添加劑的開發(fā)應(yīng)用

基金項目：陜西省科技廳科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2014SJ-06-02)

收稿日期:*2015-07-02 *2015-05-29