响应曲面法优化超声叶黄素的制备工艺

张应鹏，许建国，杨云裳，李春雷

(兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州730050)

响应曲面法优化超声叶黄素的制备工艺

张应鹏，许建国，杨云裳，李春雷

(兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州730050)

以叶黄素酯为原料，在超声条件下系统地考察了由叶黄素酯制备叶黄素的条件。在单因素实验的基础上，用响应曲面法对叶黄素的制备工艺进行优化，以液固比、超声皂化温度以及皂化时间为因素，分析了各因子与叶黄素得率的关系。确定最佳皂化反应条件是:皂化时间138min、超声皂化温度48℃、液固比15mL/g。在此条件下叶黄素得率达到75.8mg·g-1。

叶黄素，皂化，响应曲面法，超声波

1 材料与方法

表4 回归方程系数显著性检验表

1.1 材料与仪器

叶黄素酯浸膏 由发酵压制的万寿菊花棒状颗粒提取得到，由甘肃省丰蕾天然色素有限公司提供;石油醚、氯仿、四氢呋喃、无水乙醇 均为国产分析纯。

KQ-100DE型数控超声波清洗器 昆山市超声波仪器有限公司;TU-1810紫外可见分光光度计北京普析通用仪器有限责任公司;RE-52A真空旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;FA1004电子分析天平 上海恒平科学仪器有限公司;真空干燥箱。

1.2 叶黄素的制备

称取适量叶黄素酯于50mL圆底烧瓶中，加入一定量的KOH-MeOH溶液(皂化液)，在40℃下超声皂化2h。皂化完毕后处理如下:过滤、5%盐酸调pH至7、浓缩至干、真空干燥即得产品，测定叶黄素含量。

1.3 叶黄素含量测定方法

本实验中均采用 AOAC法测定叶黄素的含量［9］，吸收波长为474nm。

1.4 响应曲面分析因素水平的选取

根据中心复合设计(central composite design，CCD)设计原理［10］，对叶黄素酯制备叶黄素各主要影响因子液固比、超声皂化温度以及皂化时间三个影响因素，采用三因素三水平的响应曲面分析方法。共16个实验点，其中14个为析因点，2个为零点，零点实验进行了2次，以估计误差。

表1 由叶黄素酯制备叶黄素的因素水平表

2 结果与分析

2.1 响应曲面法优化叶黄素的制备工艺

2.1.1 回归模型的建立 对皂化反应时间(x1)、超声皂化温度(x2)、液固比(x3)设计3因素3水平响应面分析实验，实验方案设计与结果见表2。利用STATISTICA 6.0软件对表2数据进行二次多元回归拟合，得到叶黄素得率预测值(y)对编码自变量x1、 x2和x3的二次多项回归方程:

表2 叶黄素制备实验的设计与结果

2.1.2 回归模型的检验 表3为回归模型的方差分析结果。回归方差分析显著性检验表明该模型回归显著。模型的复相关系数R2=0.968，说明该模型与实际实验拟合较好。方程中自变量均为显著影响因素。自变量与响应值之间线性关系显著，可以用于叶黄素制备的理论预测。

表3 回归模型方差分析表

从表4回归方程系数显著性检验可知，模型一次项x1、x2、x3不显著;二次项均处于显著水平，不显著;交互项均不显著，表明各影响因素对叶黄素得率的影响不是简单的线性关系。

2.2 响应面分析

利用STATISTICA 6.0软件对表2数据进行二次多元回归拟合，所得到的二次回归方程的响应面图见图1～图3。

图1 皂化时间和超声皂化温度对叶黄素得率影响的响应曲面

图2 液固比和超声皂化温度对叶黄素得率影响的响应曲面

图3 液固比和皂化时间对叶黄素得率影响的响应曲面

比较3组图可知，液固比和超声皂化温度对叶黄素得率之间的交互作用显著。相比较而言，其他的因素间交互作用较小。超声皂化温度和液固比的一次相系数较大，有着较大的F值和很小的P值，说明二者是叶黄素酯制备叶黄素的限制因素，较小的波动会引起叶黄素得率的变化。

对皂化反应时间(x1)、超声皂化温度(x2)、液固比(x3)作如下变换:Zi=(Xi-X0)/X，式中，Zi为自变量的编码值，Xi为自变量的真实值，X0为实验中心点处自变量的真实值，X为自变量的变化步长，叶黄素得率为响应值(Y)。不同实验条件下所测定的叶黄素得率，利用SAS6.0软件实验数据进行多元回归拟合，并对回归分析结果采用回归方差分析及显著性检验。结果表明，该模型回归显著，决定系数R2= 0.968，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，可用于实验的理论预测。

为进一步确定最佳点，在模型浓度范围内选择出发点，按照模型使用快速上升法进行优化，可得叶黄素制备的最佳方案为x1=137.9min，x2=48.4℃，x3=14.7mL/g，叶黄素得率可达75.9mg·g-1。

2.3 验证实验

为检验响应曲面法所得结果的可靠性，采用上述优化提取条件进行叶黄素的制备，考虑到实际操作的便利，将提取工艺参数修正为皂化时间138min、超声皂化温度48℃、液固比15mL/g。在此条件下提取3次，实际测得的平均叶黄素得率可达75.8mg·g-1，与理论预测值75.9mg·g-1相比，其相对误差约为0.13%。因此，基于响应曲面法所得的优化工艺参数准确可靠，具有实用价值。

3 结论

基于实验设计软件STATISTICA 6.0，在单因素实验的基础上，通过二次回归设计得到了叶黄素得率与皂化反应时间(x1)、超声皂化温度(x2)、液固比(x3)关系的回归模型，经检验证明该模型是合理可靠的，能够较好地预测叶黄素的超声提取率。利用模型的响应面，对影响叶黄素得率的关键因素及其相互作用进行探讨，得到的优化工艺参数为皂化时间138min、超声皂化温度48℃、液固比15mL/g。在此条件下叶黄素得率达到75.8mg·g-1。

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［4］Entezari M H，Nazary S H，Khodaparast M H H.The direct effect of ultrasound on the extraction of date syrup and its microorganisms［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2004(11):379-384.

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［9］AOAC.Official methods of analysis［M］，1990:1048-1049.

［10］Hadden W L，Watkins R H，Levy L W，et al.Carotenoids in marigold flower extract［J］.J Agric Food Chem，1999，47(10): 4189-4193.

Optimization of the ultrasonically assisted production of lutein by response surface method

ZHANG Ying-peng，XU Jian-guo，YANG Yun-shang，LI Chun-lei
(School of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Lutein was achieved using lutein esters by saponification technology were systemically investigated under ultrasonically conditions.Based on the single factor experiments，the affecting factors such as the water/solid ratio (mL/g)，reaction temperature and reaction time were optimized with response surface method(RSM).The impacts of factors on the yield of lutein were analyzed.The results showed that the optimal saponification parameter was the reaction at the water/solid ratio of 15(mL/g)，48℃and 138min.Under the optimum conditions，the yield of lutein can reach 75.8mg·g-1.

lutein;saponification;response surface method;ultrasound

TS201.1

B

1002-0306(2011)03-0250-03

叶黄素，又名“植物黄体素”，是一种广泛存在于蔬菜、花卉、水果与某些藻类生物中的天然色素，是一种重要的类胡萝卜素［1］。含叶黄素最丰富的植物是万寿菊花。早在上世纪80年代中期，西方医学研究人员就发现植物所含天然叶黄素是一种性能优异的抗氧化剂［2］。将一定量叶黄素添加到食品中，可防止人体因器官衰老而引起的一系列疾病，并具有预防和延缓老年性黄斑退化引起的视力衰退与失明症，是目前国际上功能性食品成分研究中的一个热点［3-6］。目前提取天然叶黄素的方法有:有机溶剂萃取、CO2超临界萃取、生物技术萃取、微波萃取［7］等。这些传统方法提取效率低，主要原因是由于一部分叶黄素存在于植物细胞壁内，提取过程中不易溶出，故得率低，耗时长。本研究在传统溶剂提取的基础上，采用超声波处理，利用超声波的空化作用、热效应、机械作用加速细胞壁的破碎［8］，促使细胞内叶黄素的溶出，以提高含量，缩短提取时间。影响超声波破壁作用的主要因素有:超声频率、超声强度、超声辅助提取时间、溶剂选择、超声温度等。本实验研究了用响应曲面法优化超声波辅助叶黄素酯制备叶黄素的工艺，借助实验设计软件STATISTICA 6.0，采 用 中 心复合设计(central composite design，CCD)对各主要影响因子液固比、超声皂化温度以及皂化时间之间的单一和交互作用等进行了较深入的研究，得出超声波作用下，叶黄素制备的最佳工艺参数。

2010-01-08

张应鹏(1970-)，博士，副教授，研究方向:生物有机化学。

兰州市科技攻关项目(0805ZTB007)。