响应曲面法优化红葡萄柚番茄红素的提取工艺

徐 媛，王鲁峰，徐晓云，潘思轶*

(华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070)

响应曲面法优化红葡萄柚番茄红素的提取工艺

徐 媛，王鲁峰，徐晓云，潘思轶*

(华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070)

利用响应曲面法研究提取红葡萄柚中番茄红素的工艺。在单因素试验基础上，选取提取温度、提取时间及液料比为自变量，采用响应曲面法研究各因素及其交互作用对红葡萄柚番茄红素提取的影响。模拟得出了番茄红素提取的回归方程，确定番茄红素提取工艺的最佳条件为以石油醚为提取溶剂、提取温度30℃、提取时间3.8h、液料比3.5:1(mL/g)。在此条件下，提取的番茄红素含量为15.61μg/mL。本实验所得工艺参数准确，可应用于红葡萄柚番茄红素的提取生产。

红葡萄柚；番茄红素；提取；响应曲面

葡萄柚(Citrus paradise Macf.)属芸香科柑橘属植物，为世界柑橘四大类群之一(甜橙类、宽皮柑橘类、柠檬来檬类、葡萄柚和柚类)[1]，其按果肉颜色可分为白色果肉栽培种和红色果肉栽培种。其中红肉葡萄柚外形美观，色泽艳丽，香气独特，而且果肉酸甜适中，营养全面而丰富[2]，其加工果汁深受国内外消费者喜爱，已成为美国等地最畅销的果汁饮品。

使柑橘汁胞呈现红色的色素有两种类型，一种是水溶性的花青素类，存在于细胞液中，血橙是典型的因花青素着色的品种[3]；二是脂溶性的胡萝卜素类，存在于细胞质中，如番茄红素、β-胡萝卜素及β-胡萝卜素的羟化产物β-隐黄质等，红肉葡萄柚就是典型的因番茄红素而呈色的品种[4]，当番茄红素含量低时，果肉

呈粉红色，含量高时，则呈鲜艳的红色[5]。番茄红素的分子式为C40H56，含有11个共轭双键和2个非共轭碳碳双键，具有优越的生理功能，其清除单线态氧的能力是VE的100倍、β-胡萝卜素的2倍，对于预防和治疗心脑血管疾病、动脉粥样硬化和肿瘤等各种成人病，增强人体免疫功能和抗衰老等都具有重要作用。因此，番茄红素的提取及应用已成为目前食品研究的一项新热点[6-7]。本实验以红葡萄柚为原料，通过响应曲面法试验设计探求提取其中番茄红素的最佳工艺条件，为红葡萄柚资源的进一步开发利用提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红葡萄柚购于湖北省松滋市。

乙酸乙酯、正己烷、丙酮、石油醚、二氯甲烷、95%乙醇(均为分析纯) 上海振兴化工一厂。

1.2 仪器与设备

721型紫外可见分光光度计 上海第三分析仪器厂；电子天平 上海天平仪器厂；双功能水浴恒温振荡器 杰瑞尔电器有限公司；UV-1700 SPC型紫外-可见分光光度计 Shimadzu公司；Anke TDL-5-A型离心机 上海安亭科学仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 红葡萄柚番茄红素的提取工艺

将红葡萄柚剥皮去籽后搅碎匀浆，称取10g(精确到0.01g)匀浆于150mL三角瓶中，加入15mL 95%乙醇预处理30min[8]，4800r/min离心分离，所得沉淀物用有机溶剂于恒温振荡器中避光浸提，转速为180r/min，使其与有机溶剂充分混合。浸提后避光静置10min，上层有机相即为番茄红素提取液。

1.3.2 最佳提取溶剂的选择

为了选择番茄红素的最佳提取溶剂，按上述方法对原料准确预处理后，分别加入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-可见分光光度计测定不同提取液最大吸收波长处的吸光度，将吸光度最大者确定为最佳提取溶剂[9-10]。

1.3.3 番茄红素吸收光谱及测定波长的确定

以石油醚为提取溶剂，将提取液置于1cm厚比色杯中，在紫外可见分光光度计上进行波长扫描(4 0 0～600nm)，确定番茄红素吸收光谱，同时考虑β-胡萝卜素在最大吸收波长处对吸光度的影响，选取测定波长。1.3.4番茄红素含量的测定

为了避免β-胡萝卜素等成分对番茄红素测定的影响，以及昂贵的番茄红素标准样品的制约，本实验采用张连富等[11]建立的番茄红素简便测定方法。

将番茄红素提取液旋蒸浓缩至干，用50mL含2%二氯甲烷的石油醚定容，混匀。同时以2%二氯甲烷的石油醚作为空白溶剂，在502nm处测定样品的吸光度。提取液中番茄红素含量：

式中：X为番茄红素的质量浓度/(g/mL)；A为溶液在502nm处吸光度；为番茄红素为1%时的消光系数，此处在2%二氯甲烷的石油醚的消光系数为3087。

1.3.5 单因素试验设计

采用石油醚作为提取溶剂，选择提取温度、提取时间、液料比、提取次数这4个对红葡萄柚番茄红素提取效果有影响的工艺参数进行单因素试验。不同条件下提取番茄红素后，按照1.3.4节方法测定溶液吸光度。

1.3.6 响应曲面试验设计[12-14]

根据单因素试验结果，利用Minitab软件设计Box-Behnken响应曲面试验，对提取工艺进行优化试验设计并进行数据处理，试验结果用二次多项式回归拟合，用微分计算预测最佳提取工艺。选取提取温度、提取时间、液料比3个主要影响因素为自变量，因素水平及编码值见表1。由于番茄红素含量与其复溶溶液吸光度成线性正相关，为了简化工艺，故以溶液吸光度为响应值。

表1 试验的因素水平及编码Table1 Factors and levels of response surface experiments

2 结果与分析

2.1 最佳提取溶剂的选择

表2 不同溶剂浸提红葡萄柚番茄红素的提取效果Table2 Effect of solvent type on extraction rate of lycopene from red grapefruit

由表2可知，番茄红素在石油醚和正己烷中的提取效果较好，由于吸光度与番茄红素的量呈正效应关系，因此用石油醚提取红葡萄柚番茄红素最为高效，故确定最佳提取溶剂为石油醚。

2.2 番茄红素吸收光谱及测定波长的确定

图1 番茄红素在石油醚中的紫外吸收图谱Fig.1 UV-visible spectrum of lycopene in petroleum ether

由图1可知，番茄红素的最大吸收波长为472nm，但考虑到β-胡萝卜素在此处吸收较强，若选用此吸收波长作为测定波长会对番茄红素的提取效果产生较大误差，而在次强吸收峰502nm处β-胡萝卜素的吸收强度很小，可避免其影响[15]，故选取吸收波长502nm作为测定波长。

2.3 单因素试验结果与分析

2.3.1 提取温度对提取工艺的影响

在液料比3:1(mL/g)、提取时间2h、提取次数1次的条件下，考察不同提取温度对红葡萄柚番茄红素提取效果的影响，结果如图2所示。

图2 温度对番茄红素提取量的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of lycopene from red grapefruit

由图2可知，温度对番茄红素提取效果有着较为显著的影响，番茄红素提取量随着温度的升高呈现逐渐上升而后下降的趋势。当提取温度超过30℃时，番茄红素提取量逐渐下降，这可能是由于长时间在较高温度下提取，番茄红素发生氧化降解的缘故。因此选择30℃作为红葡萄柚番茄红素的最适提取温度。

2.3.2 提取时间对提取工艺的影响

在液料比3:1、提取温度30℃、提取次数1次的条件下，考察不同提取时间对红葡萄柚番茄红素提取效果的影响，结果如图3所示。

图3 时间对番茄红素提取量的影响Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of lycopene from red grapefruit

由图3可知，在提取时间小于3h时，番茄红素提取液吸光度随着时间的延长而逐渐增大，这是因为番茄红素的提取过程为固液传质过程，初始提取时间延长可促进传质进行，而当达到传质平衡后，由于番茄红素的不稳定性，继续提取可能将导致番茄红素发生降解，故在3h后，随着提取时间延长，番茄红素提取量呈略微下降趋势。因此选择提取时间为3h。

2.3.3 液料比对提取工艺的影响

在提取温度30℃、提取时间3h、提取次数1次的条件下，考察不同液料比对红葡萄柚番茄红素提取效果的影响，结果如图4所示。

图4 液料比对番茄红素提取量的影响Fig.4 Effect of liquid-material ratio on extraction rate of lycopene from red grapefruit

由图4可知，红葡萄柚番茄红素提取量随着液料比的增加而增大，当提取溶剂量从1倍增加到3倍时，提取效果显著提高，这可能是因为溶剂用量越大，越有利于番茄红素在溶剂中的有效溶解。但当继续增加液料比时，由于番茄红素的提取逐渐达到平衡，此时提取液吸光度增长缓慢。综合经济成本及提取效果考虑，选取液料比3:1为宜。

2.3.4 提取次数对提取工艺的影响

在液料比3:1、提取温度30℃、提取时间3h的条件下，考察提取次数对红葡萄柚番茄红素提取效果的影响，结果如图5所示。

图5 提取第次对番茄红素提取量的影响Fig.5 Effect of extraction repeat number on extraction rate of lycopene from red grapefruit

如图5所示，经过1次提取后，番茄红素基本都可以被提取出来，当增加提取次数时，番茄红素提取液吸光度很小，表明番茄红素的溶出已经趋近饱和，所

以从简化工艺和节约成本综合考虑，选择提取1次为最佳提取次数。

2.4 响应曲面试验结果与分析

2.4.1 响应曲面设计及试验结果

在单因素试验结果上，以吸光度为响应值，利用Box-Behnken响应曲面法设计三因素三水平共15组试验，试验设计及结果见表3。

表3 响应曲面设计及试验结果Table3 Design and results of response surface experiments for the extraction of lycopene from red grapefruit

2.4.2 模型方程的建立及显著性检验

应用Minitab 15软件对表3中的数据进行多元回归拟合，得到红葡萄柚番茄红素提取液吸光度对提取时间、提取温度和液料比的二次多项回归方程：

对所得模型进行显著性检验，结果如表4所示；回归方程系数及其显著性检验见表5。

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

从表4可以看出，该回归模型P＜0.01，表明回归方程模型极显著；失拟项P=0.614＞0.05，表明失拟不显著。经F检验，可知回归方程中线性及平方项极显著，交互作用不显著。方程的复相关系数R2为0.9926，R2Adj为0.9792，表明模型回归方程的拟合程度良好，可用来分析和预测红葡萄柚番茄红素的提取工艺。

表5 回归方程系数及其显著性检验Table5 Regression coefficients and significance test for regression equation

由表5可知，回归模型的一次项x2显著，x1、x3极显著，二次项x22显著，x12、x32极显著，交互项x2x3显著，x1x2、x1x3不显著，说明不同的提取工艺与红葡萄柚番茄红素提取量不是简单的线性关系。

2.4.3 响应曲面分析与工艺优化

根据回归方程绘出响应曲面图及等高线图，以确定提取温度、提取时间和液料比3个因素对番茄红素提取效果的影响，响应曲面图和等高线图见图6～8。

图6 提取温度和提取时间的响应曲面和等高线图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

图7 提取温度和液料比的响应曲面和等高线图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

图8 提取时间和液料比的响应曲面和等高线图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

由图6～8可以看出，提取温度和提取时间的相互作用较显著。等高线的形状可反映出交互效应的强弱大小，椭圆形表示两因素交互作用显著，而圆形则与之相反[16]。

对回归方程求一阶偏导，令其等于零，求解得各因素的最佳水平值，分别为x1=30.36，x2=3.87，x3=3.56，经过转换后得到红葡萄柚番茄红素的最佳提取条件为提取温度30.36℃，提取时间3.87h，液料比3.56:1(mL/g)，在此条件下提取的番茄红素含量理论值为15.69μg/mL。为检验该最佳提取工艺的可靠性，采用上述响应曲面优化结果进行番茄红素提取的验证实验，考虑到实际操作可行性，将工艺条件改进为提取温度30℃，提取时间3.8h，液料比为3.5:1(mL/g)，提取得到番茄红素含量为15.61μg/mL，其与理论值的相对误差较小，因此利用响应曲面法优化红葡萄柚番茄红素提取工艺是有效可行的，具有实际应用价值。

3 结 论

根据单因素试验分析，得出用石油醚做提取溶剂提取红葡萄柚番茄红素的效果最好，并且在各单因素试验中，提取温度30℃、提取时间3h、液料比3:1(mL/g)、提取次数1次时为红葡萄柚番茄红素的最佳提取条件。

应用响应曲面设计得到了红葡萄柚番茄红素提取效果与提取温度、提取时间和液料比的回归模型，经验证实验证明该方程是准确可靠的，能有效预测番茄红素提取液的吸光度。在对各主要影响因素及其相互作用进行探讨后，得到番茄红素提取的优化工艺参数：提取温度30.36℃，提取时间3.87h，液料比为3.56:1(mL/g)，此条件下番茄红素含量理论值为15.69μg/mL，考虑到实际操作的可行性，最后优选的提取工艺条件为：提取温度30℃，提取时间3.8h，液料比为3.5: 1(mL/g)，此条件下提取的番茄红素含量为15.61μg/mL。因此，利用响应曲面法对红葡萄柚番茄红素提取工艺进行优化，可获得最佳工艺参数，能够为进一步实验研究提供理论依据。

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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

湖北省科技攻关重大专项(2007AA204A02)；农业部“948”项目(2006-Z25)；湖北省科技攻关项目(2005AA201C68)；国家公益性行业(农业)科研专项(nyhyzx07-023)

徐媛(1986—)，女，硕士研究生，研究方向为食品科学。E-mail：xuyuan0804@163.com

*通信作者：潘思轶(1965—)，男，教授，博士，研究方向为食品科学。E-mail：pansiyi@mail.hzau.edu.cn