响应面法优化红花刺槐色素的工艺研究

李秋凤，王金亭

（聊城大学东昌学院，山东聊城 252000）

刺槐（Robinia pseudoaeaeia L.）为豆科刺槐属（Robinia）的代表性植物，起源于美国，17世纪传入欧洲，我国于19世纪末从欧洲引人，故名洋槐[1]。红花刺槐[R.pseudoacacia L.f.decaisneana（Carr.）Voss.]是刺槐的种间杂种（R.pseudoaeaeia×R.viseose）安比刺槐（R.ambigua）的一个栽培变种，是近几年的引进树种，在我国南京、北京、大连、沈阳、上海、山东等地有栽培[2]。红花刺槐用于园林绿化，不仅具有吸附灰尘、净化空气、减弱噪音、改善环境的作用，而且生长迅速、干形冠色美观，是良好的速生观赏乔木。宋立功等研究表明[3]：红花刺槐鲜枝叶粗蛋白含量为21.08%，高于沙棘叶粗蛋白含量4%，且富含多种维生素、微量元素及多种氨基酸，无刺、适口性好，可以作为饲用树种广泛推广。在山东地区5月开花，花色艳丽，色素含量较高。文献检索表明，未见有关其红色素的研究报道。本文利用微波辅助技术提取红色素，并对微波功率、微波时间、料液比三因子进行中心组合设计，利用响应面法（Response Surface Methodolog，RSM）优化红色素的最佳提取工艺参数，从而为该色素的提取提供理论参考。

1 材料与仪器

TU1800紫外可见分光光度计：北京普析；722E可见分光光度计：上海光谱；AR1140电子天平：美国奥豪斯；MG08S－2B连续微波处理器：南京汇研；RE－52A旋转蒸发仪：上海亚荣；PHS－3C酸度计：上海雷磁；FD－1B－50真空冷冻干燥机：北京博医康；所用试剂均为分析纯。

刺槐红花：采于聊城市区，由聊城大学生科院黄勇教授鉴定。收集红花刺槐落花，风干、去杂、粉碎、过60目筛备用。

2 实验方法

2.1 色素的吸收光谱

称取1.00 g红花刺槐干花，以盐酸乙醇（0.1 mol/L HCl∶95%乙醇=1∶99，体积比）为溶剂，常温浸提 4 h，合并两次滤液，离心取上清，真空浓缩，0.1 mol/L柠檬酸水溶液定容至100mL，紫外可见分光光度计在400nm～600 nm范围内扫描，确定可见光区最大吸收波长λmax。

2.2 溶剂的选择

分别选择4种不同溶剂，按方法2.1实验，用722E可见分光光度计在548 nm处测量各样品的吸光度。

2.3 单因素试验

称取1.00 g红花刺槐干花若干份，以盐酸乙醇作提取剂，分别在不同的微波功率、微波时间、提取剂浓度、料液比等条件下做单因子平行试验，提取2次，0.1 mol/L柠檬酸水溶液定容至100 mL，用722E可见分光光度计在548 nm处测量各样品的吸光度。

2.4 响应面法优化试验

根据单因素试验结果，以微波时间（A）、微波功率（B）、料液比（C）3个因素与色素提取产量进行响应面试验设计，优化刺槐红色素提取工艺。通过Design Expert V8.0.6.1软件对试验数据进行回归分析，预测红色素提取的最优工艺参数。

应用改进的Fuleki方法计算色素产率，调节色素提取液的pH至3.0，稀释适当倍数后在535 nm下测定光密度（A535）值，按下列经验公式[4]计算红色素的提取产量（mg/g）。

式中：A535为色素在535 nm波长处的吸光度；V为一定重量的干花提取色素时的定容体积，mL；n为比色时稀释的倍数；98.2为花色苷色素在535 nm波长处的平均消光系数；W为干花的重量，g。

2.5 对比实验

称取1.00 g红花刺槐干花6份，1份～3份按单因素最佳条件提取，5份～6份用RSM优化的工艺条件提取，反复提取5次至无色，按方法2.4计算色素产率。

3 结果与讨论

3.1 最大吸收波长

刺槐红色素的紫外可见吸收光谱结果见图1。

图1 刺槐红花色素的紫外可见吸收光谱Fig.1 UV-visible absorption spectrum of RFRP

由图1可看出，红花刺槐红色素在可见光区的最大吸收波长为λmax=548 nm。

3.2 溶剂选择

实验结果如表1所示，以盐酸乙醇（0.1 mol/L HCl∶95%乙醇=1∶99体积比）为溶剂，提取效果最好，作为后续实验的提取溶剂。

表1 溶剂选择结果Table 1 Results of solvent selection

3.2 单因素试验

3.2.1 微波时间的选择

按盐酸乙醇、料液比 1∶30（g/mL）、室温、500 W 的条件，分别以 20、30、40、50、60 s的微波处理时间进行试验测吸光值（表2）。由表2可知，在40 s时吸光度值最大，说明微波处理时间以40 s为佳。

3.2.2 微波功率的选择

按盐酸乙醇、料液比 1∶30（g/mL）、室温、40 s的条件，分别采用 300、400、500、600、700 W 微波功率进行试验测吸光值（表2）。由表2可知，在500 W时吸光度值最大，说明微波功率以500 W为佳。

表2 单因素试验结果Table 2 Result of single factor

3.2.3 料液比的选择

按盐酸乙醇、室温、40 s、500 W的条件，分别以1∶20、1∶30、1∶40 、1∶50、1∶60（g/mL）的料液比进行试验测吸光值（表 2）。由表 2 可知，在料液比 1∶40（g/mL）时提取效果较好。

3.2.4 提取剂浓度的选择

按料液比 1∶40、室温、40 s、500 W 的条件，分别采用55%、60%、75%、85%、95%的盐酸乙醇做提取剂进行试验测吸光值（表2）。由表2可知，在提取剂为95%的盐酸乙醇时提取效果较好，后续RSM实验采用95%盐酸乙醇作为提取剂。

3.3 响应面法实验

3.3.1 响应面法实验分析

RSM分析实验结果见表3。

表3 响应面分析实验及结果Table 3 Experiments and extraction yield of red pigment with Box-Behnken software

利用Design Expert软件对表3数据进行二次多元回归拟合，得到红色素提取产量预测值对编码自变量A、B和C的二次多项回归方程为：

Y=119.00+1.10A－1.91B+4.63C－9.86A2－

17.33B2－6.47C2－11.28AB－2.12AC－0.81BC对上述回归模型进行方差分析，见表4。

表4 回归模型方差分析Table 4 Analysis of variance with regression model

结果表明：模型是显著的（P＜0.000 1），回归模型的决定系数为0.977 4，说明该模型能够解释97.7%的变化，因此，可用此模型对刺槐红色素提取产量进行分析和预测。

3.3.2 红色素提取产量的响应面优化

利用Design Expert软件对表3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及其等高线见图2～图3。

图2显示，等高线呈椭圆形，表示微波时间和微波功率两因素交互作用显著[5－6]。在料液比为 1∶40（g/mL）时，微波时间与功率对红色素提取产量影响较大。微波能可有效提高色素的浸出率[7]，适当延长微波处理时间或增加微波功率，可提高红花刺槐色素的提取产量。但微波能过大，提取温度过高，红色素变得不稳定，提取产量反而下降。

由图3可知，微波处理时间和料液比的交互作用、微波功率和料液比的交互作用不显著。在微波处理时间、微波功率相对固定时，在一定的料液比范围内，随着料液比的增大，红色素的提取产量有所增加。但料液比超过一定范围后，色素的提取产量反而下降，可能是料液比过大时，色素浓度下降，色素分子间作用力变小，其稳定性下降而容易分解，导致色素产量下降[8]。

图2 微波功率和时间交互作用对刺槐红花色素提取产量的影响Fig.2 Effect of interaction of the microwave power and time on the extraction yield of RFRP

图3 A/C交互和B/C交互作用对刺槐红花色素提取产量的影响Fig.3 Effect of interaction of the A/C and B/C on the extraction yield of RFRP

3.4 对比实验

对比实验结果见表5。

表5 对比试验结果Table 5 Result of contrast test

由表5可看出，在优化条件下提取红色素，提取产量比微波辅助提取单因素最佳条件的提取产量高3.15%。

4 结论

用响应面法对红花刺槐红色素的提取工艺进行了优化。建立的红色素提取产量的二次多项数学模型具有显著性（p＜0.000 1），决定系数为0.977 4。由模型可知：在微波处理时间为40.65s、微波功率为491.57W、料液比1∶43.53（g/mL）的条件下，红色素最大提取产量预测值为119.934 mg/g，实际提取产量比微波辅助提取单因素最佳条件的提取产量高3.15%。

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[1]赵梁军.刺槐新品种——无刺红花刺槐[J].中国花卉园艺,2004(9):40-42

[2]柳晨意,黄勇.国产刺槐属植物特性及其园林应用价值[J].安徽农业科学,2008,36(28):12169-12170

[3]宋立功,方志达,杨敏生,等.红花刺槐的饲用特性分析[J].河北林果研究,2006,21(2):149-152

[4]陈郑镔,刘剑秋,陈炳华,等.白檀果肉红色素含量测定及基本理化性质的初步研究[J].漳州师范学院学报：自然科学版,2007(1):8-12

[5]范龚健,韩永斌,顾振新.用响应面法优化红甘蓝色素提取工艺参数[J].南京农业大学学报,2006,29(1):103-107

[6]王允祥,吕凤霞,陆兆新.杯伞发酵培养基的响应曲面法优化研究[J].南京农业大学学报,2004,27(3):89-94

[7]李巧玲,陈学武,李琳.微波强化浸取天然色素的研究[J].食品科学,2002,23(2):49-52

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