响应面法优化紫甘薯花青素的提取工艺

吕跃东，王勇，张文革，何璐，谢程程，宫立晶

（1.辽宁科技大学，辽宁鞍山 114044；2.鞍山师范学院附属卫校，辽宁鞍山 114001）

紫甘薯是最新研发的一类甘薯品种，优良特异，是旋花科一年生的草本植物，其块根均呈现出紫红色，其中不但含有普通甘薯所具备的各种营养成分，还富含天然红色素，即花青素类色素，该色素不但是一种天然的食用色素，而且还具有营养保健、清除自由基及天然抗氧化等生理活性功能[1]，还具有较好的降血压、降血脂及抗癌效果[2]，进而显示出了它的独具特色，引起了国内外的广泛关注。紫甘薯花青素在食品、医药等方面均有较大的发展前景。

目前，国内关于花青素提取方面报道最多的是溶剂提取法，因花青素在酸性条件下稳定性较好，所以通常采用盐酸水溶液、盐酸化乙醇[3-4]、甲酸、乙酸、硫酸及柠檬酸等[5-6]作为提取剂来提取花青素。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

紫甘薯：市售；无水乙醇（AR）、盐酸（AR）；TA2003N电子天平、LD4-2A型离心机、HH-8数显恒温水浴锅、WFZUV-2000紫外可见分光光度计。

1.2 方法

1.2.1 材料预处理

将新鲜紫甘薯洗干净，切成约1 cm2的小块后冷冻干燥，粉碎，4℃避光保存。

1.2.2 紫甘薯花青素的提取工艺

称取已粉碎的紫甘薯粉，按比例加入浓度一定的乙醇溶液（含1%盐酸），在设定温度下提取2 h，3 500 r/min离心10 min，取上清液，即花青素粗提液，备用。

1.2.3 紫甘薯花青素提取的单因素试验

分别以不同的乙醇浓度、pH、料液比和提取温度为单因素，考察各因素对紫甘薯花青素提取效果的影响。

1.2.4 响应面法优化提取工艺

综合考虑单因素试验结果，选取提取温度、乙醇浓度、料液比和pH 4个因素为自变量，采用Design-Expert 8.0.4软件对试验数据进行回归分析，预测其最优提取工艺。响应面试验设计因子水平见表1。

表1 响应面试验设计因子水平表Table 1 Factors and levels of RSD（Response surface design）

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 乙醇浓度对花青素提取效果的影响

乙醇浓度对花青素提取效果的影响，结果见图1。

提取液乙醇浓度较低时，花青素溶液的吸光值会随着乙醇浓度的增大而升高。当浓度大于80%时，花青素溶液的吸光度反而随着乙醇浓度的增加逐渐减少。乙醇浓度为80%时，花青素溶液的吸光度达到最高点，表明80%的乙醇浓度提取的花青素含量最高。因此，80%的乙醇溶液作为提取剂较为理想。

2.1.2 pH对花青素提取效果的影响

pH对花青素提取效果的影响，如图2所示。

当提取液的pH为1.0时，花青素的提取率达到最高。当pH大于1.0时，花青素溶液的吸光值随着pH值的增大而减小。因此，提取液pH为1.0时的提取效果最好。

2.1.3 提取温度对花青素提取效果的影响

提取温度对花青素提取效果的影响，结果见图3。

当温度小于70℃时，温度的升高有利于花青素的提取，但当温度大于70℃时，温度不断的升高，花青素溶液的吸光度反而下降，可能由于温度过高会导致花青素的降解。由图3可知，在70℃时花青素溶液的吸光度达到最高点，表明70℃下提取的花青素含量最高。因此，70℃为最佳提取温度。

2.1.4 料液比对花青素提取效果的影响

料液比对花青素提取效果的影响，结果见图4。

花青素的提取率随着提取剂比重的加大而有所提高，但是，当料液比大于1∶15（g/mL）时，随提取剂比重的加大反而会造成提取效果的显著下降。由图可知，在料液比为1∶15（g/mL）时花青素溶液的吸光度达到最高点，表明在料液比为1∶15（g/mL）时提取的花青素含量最高。因此，确定最佳料液比为1∶15（g/mL）。

2.2 响应面法优化提取工艺结果分析

响应面法设计方案及结果和回归模型的方差分析见表2和表3。应用Design－Expert 8.0.4软件对试验数据进行回归分析，得到二次多元回归模型为：

由表3可知，模型的P＜0.01，表明模型的显著性极高，R2=95.75，Adj R2=91.50，说明模型拟合良好。且由表 3 还可以看出，一次项 X4，二次项 X12、X22、X32、X42，交互项X1X4、X3X4显著，表明乙醇浓度、提取液pH与乙醇浓度及料液比与提取温度的交互作用对紫甘薯花青素的提取率有显著的影响。影响紫甘薯花青素提取率的4个因素的主次因素依次为：乙醇浓度（X4）＞提取液 pH（X1）＞料液比（X2）＞提取温度（X3）。

表2 响应面试验设计方案及结果Table 2 Design and results of RSD tests

表3 回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance for items of regression equation

利用RSM图可以更直观的看出最佳点，及参数间的交互作用，如图5～图10，并得到提取紫甘薯花青素的最佳工艺为：提取液pH0.94，料液比1∶14.88，提取温度69.58℃，乙醇浓度78.31%，在此工艺条件下，花青素的吸光度为0.699。考虑到实际操作的方便，将提取工艺参数修正为：提取液pH1.0，料液比1∶15，提取温度70℃，乙醇浓度80%。在此条件下实际测得的吸光度为0.694，与理论预测值相比，其相对误差仅为0.005。由此证明试验模式合理，结果理想。

3 结论

本试验选取酸化乙醇水溶液作为提取剂，通过单因素和响应面试验设计考察提取剂pH、提取剂乙醇浓度、料液比及提取温度等因素对花青素提取效果的影响，并确定提取紫甘薯花青素的最佳工艺参数为：提取温度70℃，提取剂乙醇浓度80%，提取液pH1.0料液比1∶15。在此条件下实际测得紫甘薯花青素溶液的吸光度为0.694，与理论预测值相比，其相对误差仅为0.005。由此证明试验模式合理，结果理想。

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[1]唐传核,彭志英.天然花色苷类色素演技现状及展望[J].食品添加剂,2000(1):26-28

[2]方忠祥,倪元颖.花青素生理功能研究进展[J].广州食品工业科技[M].2001,17(3):60-62

[3]Nishama K,Muroi T.Anthocyanin isolation from purple sweet potato,JP:823919[P].1996-01-30

[4]Odake K,Terahara N,Saito N,et al.Chemical structures of two anthocyanins from purple sweet potato,Ipomoea batatas[J].Phytochemistry,1992,31(6):2127-2130

[5]杜连启,李润丰,程浩.紫甘薯色素的提取工艺及其稳定性研究[J].中国调味品,2006(6):46-50

[6]李洪民.甘薯花青素的乙醇提取研究[J].中国甘薯,1994(7):219-221