响应面法优化红松松籽壳色素提取工艺的研究

郭庆启，毛 佳，王 萍，王振宇，，*

（1.东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨150040；2.哈尔滨工业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150086）

响应面法优化红松松籽壳色素提取工艺的研究

郭庆启1，毛 佳2，王 萍1，王振宇1，2，*

（1.东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨150040；2.哈尔滨工业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150086）

以红松松籽壳为原料，采用响应面法对水溶液提取松籽壳色素的条件进行优化并建立回归模型，得到最佳提取条件为：提取时间5.06h，温度80.4℃，液料比35∶1（mL∶g），提取液pH12。经回归分析表明：回归方程的R2= 97.40%，=94.81%，预测提取液吸光值为1.802。经验证在最佳提取条件下，松籽壳色素提取液的吸光值为1.800，回归模型的预测值与实测值的相对误差＜1%。

松籽壳，色素，响应面，提取

松籽壳占松籽质量的40%左右，为松籽加工的主要副产品之一，我国松籽壳产地主要在东北三省，每年大约生产2万t［1］。目前我国松籽壳利用水平较低，在许多松籽加工企业，松籽壳主要用作燃料，但由于松籽壳燃烧时放出大量的浓烟并且热值较低，国家已禁止其作为燃料使用。我国红松松籽年产量较大，有报道表明松籽壳里的活性物质具有抗氧化、抗病毒、抗感染、抗癌、降低胆固醇等作用［2］。但加工松籽时所产生的种壳作为加工废弃物常因其坚硬且不可食用而被遗弃，既严重污染环境，也是一种资源浪费，如何综合利用松籽壳，提高产品附加值，保护环境，已成为人们所关注的问题［3］。目前关于红松松籽壳色素的研究很少，本研究的目的是从红松籽生产过程中产生的废弃物松籽壳中提取天然色素，采用响应面法对提取工艺过程进行优化，以期红松松籽壳色素能够成为一种新的天然食品添加剂资源，可添加或用于食品、药物或化妆品；或是作为具有某些生物活性的新资源，在产生经济效益的同时减少环境污染，提高产品的附加值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

野生红松松籽 购自哈尔滨哈达市场，剥取松籽壳，60℃烘干，万能粉碎机粉碎，过40目筛备用；所用化学试剂 均为分析纯。

TU-1800SPC型紫外分光光度计 北京普析通用；真空旋转蒸发仪 上海亚荣。

1.2 实验方法

1.2.1 松籽壳色素提取溶剂的选择 分别称取松籽壳粉末10份，每份1.0g，置于10支试管中，从1到10号试管中分别加入1%NaHCO3、1%NaOH、蒸馏水、甲醇、石油醚、乙酸乙酯、丙酮、30%乙醇、1% Na2CO3、95%乙醇20mL，室温封口避光提取24h后观察浸提液颜色，确定提取溶剂。

1.2.2 松籽壳色素的紫外-可见光谱测定 室温下用1%的NaOH溶液浸提松籽壳，以1%的NaOH溶液为空白，于TU-1800SPC紫外-可见分光光度计上200～800nm进行光谱扫描，确定最大吸收波长。

1.2.3 松籽壳色素提取条件的优化 称取2.0g松籽壳粉置于具塞三角瓶中，加入一定体积的1%NaOH溶液，调整溶液pH，在一定温度下提取一定时间后，冷却抽滤，移取1mL滤液定容至25mL容量瓶中，紫外-分光光度计比色，以吸光值作为提取条件的判定指标。

根据预实验，以提取温度、时间、液料比、pH为单因素，采用Design Expert软件中的Box-Behnken设计四因素三水平的响应面实验，采用SAS9.0软件分析优化提取工艺条件。因素与水平编码表见表1。

表1 松籽壳色素提取因素与水平设计表

2 结果与分析

2.1 松籽壳色素提取溶剂的确定

不同提取溶剂对松籽壳色素的提取效果是明显不同的。通过浸提液颜色可以看出，松籽壳色素可溶于极性较大的溶剂中、不溶或难溶于非极性溶剂中，其中1%NaOH、1%NaHCO3、1%Na2CO3、95%乙醇具有较强提取能力，提取液为深棕色或棕红色，甲醇有一定提取能力，提取液为土黄色，非极性或极性较小的试剂如石油醚、乙酸乙酯、丙酮不能提取色素。通过浸提液颜色判断，1%的NaOH提取的松籽壳溶液颜色最深，提取效果最好。

2.2 松籽壳色素的紫外-可见光谱测定

由图1可见，松籽壳色素的浸提液在紫外区具有明显的吸收峰，而在可见区则没有吸收峰，最大峰值检出为236nm，推测其主要含有黄酮类化合物，有关黄酮类化合物的定性实验还需要进一步的确定。

图1 松籽壳色素提取液光谱扫描曲线

2.3 松籽壳色素提取条件的响应面实验方案及实验结果

利用Design-Expert7.0设计响应面实验方案，以x1、x2、x3、x4为自变量，以浸提液吸光度值为响应值y1，测定结果见表2。其中实验序号1～24为析因实验，25～27为3个中心实验，用以估计实验误差。

表2 响应面分析法实验方案及实验结果

2.4 响应面实验结果分析

通过统计分析软件SAS9.1对表2中实验数据进行二次多项式回归拟合，建立二次多元回归方程：

回归分析与方差分析结果见表3。

由表3可知，方程因变量与自变量之间的线性关系明显，该模型回归显著（P＜0.0001），失拟项不显著。该模型R2=97.40%，=94.81%，说明该模型与实验拟合较好，自变量与响应值之间线性关系显著，可以用于该反应的理论推测。由F检验可以得到因子贡献率为：X4＞X1＞X3＞X2，即pH＞提取时间＞液料比＞提取温度。

P水平是检验编码变量对指标（y1）的影响是否显著，当P＜0.05时表明变量影响显著；当P＜0.01时表明变量影响极显著；当P＞0.05时表明影响不显著。从表3中可以看出，x1、x2、x3、x4、x1x2、x1x3项达到了极显著的水平，这其中提取时间和温度、提取时间和液料比间存在着交互作用，具体交互作用如图2、图3所示。

应用响应面寻优分析方法对回归模型进行分析，寻找最优响应结果为：提取时间 5.06h，温度80.4℃，液料比35∶1（mL/g），提取液pH12，响应面最优值为1.802。在响应面分析法优化的最佳条件下进行3次平行实验，得到松籽壳色素提取液的吸光值为1.800，预测值与实际测量值非常接近，说明响应值的实验值与回归方程预测值吻合良好。

表3 回归与方差分析结果

图2 提取温度和时间交互作用的曲面图

图3 提取时间和液料比交互作用的曲面图

3 结论

通过Design-Expert7.0软件采用Box-Benhnken实验设计法对松籽壳色素的提取工艺进行了优化。研究结果表明，提取时间、温度、液料比和pH对松籽壳色素的提取影响显著，并且提取时间和温度、提取时间和液料比之间存在着交互作用。通过SAS9.0软件建立了相应的数学模型，并且得到了松籽壳最佳提取工艺条件为：提取时间5.06h，温度80.4℃，液料比35∶1（mL∶g），提取液pH12。经验证在最佳提取条件下，松籽壳色素提取液的吸光值为1.800，回归模型的预测值与实测值的相对误差＜1%。优化工艺为黑龙江省大量的松籽壳废弃物的应用提供新的前景。

［1］任华东，段福文，王祖芳.世界松籽资源生产利用现状及我国松籽发展对策探讨［J］.世界林业研究，2006，4（2）：28-33.

［2］刘光明，吕永俊，周萍，等.松属植物的松塔、松子壳药用开发［J］.大理学院学报，2002，15（2）：47-49.

［3］文攀，王振宇，李宏菊.红松松籽壳色素理化性质研究［J］.中国林副特产，2009（4）：1-5.

［4］李永祥，詹少华，蔡永萍，等.板栗壳色素的提取、纯化及稳定性［J］.农业工程学报，2008，24（9）：298-303.

［5］王孟歌，孟宪昌，康永胜，等.松籽壳色素的提取及稳定性研究［J］.保定师范专科学校学报，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 *通讯联系人

郭庆启（1978-），男，讲师，研究方向：植物化学成分。

黑龙江省哈尔滨市科技公关项目。