响应面法优化黑果枸杞色素的提取工艺

刘树兴, 赵广蒙, 杨　麒

(陕西科技大学 食品与生物工程学院， 陕西 西安　710021)



响应面法优化黑果枸杞色素的提取工艺

刘树兴, 赵广蒙, 杨麒

(陕西科技大学 食品与生物工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：以黑果枸杞为原料，在单因素实验的基础上，以料液比(g/mL)、乙醇浓度、浸提温度和时间等为自变量，以色素含量为响应值，利用Box-Behnken中心组合设计原理和响应面分析法，研究了各自变量及其交互作用对得率的影响，模拟得到了二次多项式回归方程的预测模型，并确定了最佳工艺条件为:料液比1∶34、浸提时间63 min、乙醇浓度75%、浸提温度45 ℃、粗得率为45.15 %.

关键词：黑果枸杞； 色素; 响应面分析法

0引言

市场分析发现，红色素的消费量一直较好，尤其是花色苷类色素，在日本、欧洲共同体、美国以及东南亚、海湾各国等都允许大量使用.然而，当前使用的各种紫红色素产品都存在一定的局限性.例如，藏红花色素，产量有限[1]；番茄红素来源于番茄果实，纯品易氧化，吸氧率高达30%～41%，且多局限在番茄汁制品中使用[2]；辣椒红素，由于其具特殊气味和辣味，且难溶于水而使其使用范围有限[3]；玫瑰茄色素，产量有限，对光和热的稳定性不佳[4].

黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)果实中含有大量的紫色物质，该物质溶于水中，具有较强的浸染能力，具有良好的耐热耐光耐酸能力，是一种优良的天然色素资源，可用于食品、医药、化妆品等工业中，具有广阔的发展前景[5,6].

根据白红进等[7]的报道，在黑果枸杞色素的提取方面，常规水浴法具有优势.本研究利用常规水浴法对色素进行提取，并通过单因素实验考察了乙醇浓度、料液比、温度等因素对黑果枸杞色素提取率的影响，还通过响应面法试验设计，对其提取工艺条件进行了优化，以期为黑果枸杞生物活性物质的研究及利用提供一些参考.

1材料与方法

1.1材料与试剂

黑果枸杞干果(含水量0.6%，购于青海久实中药材开发有限公司)； 无水乙醇(天津市富宇精细化工有限公司)； UV-2600型系列分光光度计(尤尼柯(上海)仪器有限公司)； HH-S6型电热恒温水浴锅(北京科伟永兴仪器有限公司)；HK-06B型 300 g摇摆式粉碎机(广州市旭朗机械设备有限公司).

1.2色素含量的测定方法

将获得的色素提取液置于UV-2600型紫外可见分光光度计上，于460～560 nm处进行光谱扫描，发现色素溶液在545 nm处具有最大吸收峰.根据比尔定律，可知吸光度与色素浓度成正比，故在一定的体积和pH值下，可用吸光度间接表示色素浓度或含量大小[8].

1.3样品溶液的制备

精确称取0.5 g的黑果枸杞果实于100 mL锥形瓶中，加入一定量体积分数的pH=3的乙醇溶液，恒温一段时间后抽滤，用相应的提取液洗涤滤渣两次，合并滤液，稀释一定倍数后，暗处静置1 h后待用.

1.4最佳工艺条件的确定

考察粉碎目数、乙醇浓度、料液比、提取温度、浸提时间等对提取率的影响.在单因素实验的基础上，采用Box-Behnken试验设计方法进行四因素三水平响应面试验设计，并用Design-Expert 8.0.6软件进行数据处理和回归分析，以确定最佳提取条件.其试验设计方案见表1所示.

表1　响应面法试验因素及水平

2结果与讨论

2.1单因素实验结果

2.1.1黑果枸杞粉碎目数对提取率的影响

设定料液比1∶40 (g/mL)、乙醇浓度80%、浸提温度50 ℃、浸提时间60 min，选取粉碎目数为20目、40目、60目、80目、100目等的黑果枸杞果实，按照章节1.3所述的操作方法进行实验，最后定容至25 mL，稀释5倍后暗处静置1 h后于545 nm处进行测量，其结果如图1所示.

由图1可知，在实验设定的粉碎目数范围内，随着粉碎目数的增大，黑果枸杞色素的提取率呈现先升高后下降的趋势.分析其原因，可能是粉碎目数越大，颗粒越小，比表面积越大，接触面积越大，提取效果越好；但当粉碎目数大于60目时，相互堆积密集使得萃取剂难以通过，反而会使提取率降低[9].因此，后续单因素实验的粉碎目数均设为60目.

图1　粉碎目数对提取率的影响

2.1.2乙醇浓度对提取率的影响

设定固液配比1∶40(g/mL)、浸提温度50 ℃、浸提时间60 min,选取pH 3的乙醇浓度分别为40%、50%、60%、70%、80%、90%等,按照章节1.3所述的操作方法进行实验.提取液过滤后，通过稀释使各提取液乙醇浓度均为40%，再用强酸(2 mol/L的盐酸)调节pH=3，最后用pH=3的40%乙醇定容至100 mL，暗处静置1 h后于545 nm处进行测量，其结果如图2所示.

由图2可知，随着乙醇浓度的增加，黑果枸杞色素的提取率逐渐增大，当乙醇浓度达到70% 时最大，之后再增加乙醇浓度，色素提取率逐渐下降[10].因此，选取乙醇浓度为70% 最为适宜.

图2　乙醇浓度对提取率的影响

2.1.3浸提温度对提取率的影响

设定固液配比1∶40(g/mL)、 乙醇浓度70%、浸提时间为60 min，选取浸提温度分别为20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃等，按照章节1.3所述的操作方法进行实验.提取液过滤后，定容至25 mL，稀释10倍后于暗处静置1 h，后在545 nm处进行测量，其结果如图3所示.

由图3可知，在20 ℃～50 ℃范围内，随温度的升高，提取率增大，这可能是因为温度的升高，使得物质分子的运动加剧，扩散速度加快，继而色素的提取率上升[11].在50 ℃时达到最大，此后，提取率反而下降，可能是由于温度升高而导致色素分解造成[12].

图3　浸提温度对提取率的影响

2.1.4料液比对提取率的影响

设定乙醇浓度70%、浸提温度50 ℃、浸提时间60 min，选取固液配比分别为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50等，按照章节1.3所述的操作方法进行实验.提取液过滤后，定容至50 mL，稀释5倍后于暗处静置1 h，后在545 nm处进行测量，其结果如图4所示.

由图4可知，料液比对黑果枸杞色素提取率具有一定影响，吸光值随料液比的变化先增大后减小，当料液比为1∶30时最大.

图4　料液比对提取率的影响

2.1.5浸提时间对提取率的影响

设定乙醇浓度70%、浸提温度50 ℃、固液配比1∶30，选取浸提时间分别为20 min、40 min、60 min、80 min、100 min等,按照章节1.3所述的操作方法进行实验.提取液过滤后，定容至25 mL，稀释10倍后于暗处静置1 h，后在545 nm处进行测量，其结果如图5所示.

由图5中知，当提取时间在20～60 min时，吸光度值随时间延长而增大，当60 min时达到最大值，随后，吸光度略有减小.究其原因，可能是因为时间过短，溶剂渗不进去，不利于色素充分提取，而当时间过长时，不仅不经济，且可能造成色素分解[12].

图5　浸提时间对提取率的影响

2.2响应面优化试验结果

根据单因素实验结果，按照表1的因素水平进行响应面试验.调节滤液乙醇浓度为50%，用2 mol/L的盐酸调节pH至3.0，定容至100 mL，其结果见表2所示.

表2　响应面试验设计及结果

利用Design-Expert 8.0.6软件包对表2 中的试验数据进行分析，得到拟合二次多项式方程：Y=0.80+0.012A+0.028B-0.040C-7.583*10-3D-0.020AB-0.020AC-3.750*10-3AD+2.000*10-3BC+3.000*10-3BD-0.037CD-0.018A2-0.026B2-0.049C2-0.045D2.

2.3模型的效应分析

通过对上述回归方程中的一次项系数绝对值大小进行比较，可以判断出影响提取效果指标的主次顺序[13].结合回归方程及表3 的分析可知影响的条件顺序依次为：C>B>A>D,即浸提温度>乙醇浓度>料液比>浸提时间.

其交互作用的影响可从响应曲面坡度变化及等高线形状得到反映.响应面坡度非常陡峭时，表明当处理条件发生变化时，响应值非常敏感；反之，则不明显.当等高线的形状为椭圆形时，表示两因素交互作用明显；为圆形时，则表示交互作用不明显，可以忽略[13].由表3 的交互项P值及图6可以看出，各因素间只有CD相，即浸提温度和浸提时间交互作用显著.

表3　回归方程的方差分析

(a)料液比和乙醇浓度的交互作用影响

(b)料液比和温度的交互作用影响

(c)料液比和时间的交互作用影响

(d)乙醇浓度和温度的交互作用影响

(e)乙醇浓度和时间的交互作用影响

(f)时间和温度的交互作用影响图6　各因素间交互作用对色素提取率的影响

2.4响应面结果验证

利用Design-Expert 8.0.6软件包，结合回归模型和响应曲面图可得出黑果枸杞色素的最佳提取工艺为： 1∶34.04(A)、73.7%(B)、44.72 ℃(C)、62.55 min(D)，在此条件下的理论吸光度值为0.815.

为方便实际操作，将以上工艺条件优化为：提取温度45 ℃、料液比1∶34、浸提时间63 min、乙醇浓度75%.在此条件下平行试验3次，黑果枸杞色素的平均吸光度值为0.801，粗得率为45.15%,与预测值非常接近，预测精准度达1.75%.

3结论

(1)利用实验设计软件Design-Expert 8.0.6，采用Box-Behnken建立了料液比、乙醇浓度、浸提温度、浸提时间等与色素得率之间的二次多项数学模型.

对影响色素得率的因素及其间的相互作用进行了探讨，发现影响前后顺序为:浸提温度>乙醇浓度>料液比>浸提时间.其中,浸提温度和乙醇浓度是显著影响因子.交互作用对色素得率有影响，但除浸提温度和时间的交互作用影响显著外，其它交互项影响并不显著.

(2)优化黑果枸杞色素提取的最佳工艺条件为:乙醇浓度75%、浸提温度43 ℃、浸提时间63 min、料液比1∶34(g/mL).在此条件下的粗得率为45.15%.

参考文献

[1] 李进.黑果枸杞色素研究[D].上海:华东师范大学,2006.

[2] 吕春雷，皮士卿，刘云风.番茄红素的综合研究[J].中国食品添加剂，2006(1)：71-80．

[3] 甘青梅,骆桂法,李普衍,等.藏药黑果枸杞开发利用的研究[J].青海科学与技术,1997,4(1):17-19．

[4] 周雯雯，李湘洲，张炎强．辣椒红色素的国内研究进展[J].云南化工,2005,32(5):52-54．

[5] 赵海军,汪朝阳,侯晓娜,等.天然红色素的提取研究进展[J].广州化学,2008,33(3):32-38.

[6] 蔺定运,甘青梅,李炜,等.黑果枸杞色素初步研究[J].中国食品添加剂,1995(2):5-9．

[7] 白红进,汪河滨,罗锋,等.黑果枸杞色素的提取及其清除DPPH自由基作用的研究[J].西北农业学报,2007,16(2):190-192.

[8] 柳福智,师希雄.黑果枸杞色素最佳提取工艺研究[J].中国中医药信息杂志,2012,19(9):68-70.

[9] 茹可也木·沙吾提,郑慧文,黄玉萍,等.山城紫苔天然色素的提取和分离[J].西南师范大学学报(自然科学版),2003,28(4):590-593.

[10] 孙奎.柴达木盆地黑果枸杞色素最佳提取工艺研究[J].湖北农业科学,2011,50(11):2 318-2 320.

[11] 翟广玉,寇娴,王桂红,等.连续萃取法从槐米中提取芦丁的新工艺[J].精细化工,2003,20(8):498-500.

[12] 李雪梅,苏运聪,王颉.响应面法优化水溶性扇贝多糖的提取工艺[J].中国食品学报,2014,14(2):127-131.

[13] 曾绍校,彭彬,陈洁,等.响应面法优化西番莲果皮花色苷提取工艺[J].中国食品学报,2014,14(1):104-113.

Optimization of extraction conditions of pigment fromLycium

ruthenicumMurr. by response surface methodology

LIU Shu-xing, ZHAO Guang-meng, YANG Qi

(School of Food and Biological Engineering, Shaanxi University of science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:As the Lycium ruthenicum Murr.for raw materials,four extraction parameters including solid-liquid ratio (g/mL)、extractant (ethanol)、extraction temperature and concent extraction time were optimized using central composite design and response surface methodology based on single factor investigations for achieving maximun the pigment extraction rate.The interaction of the respective variables and their influence on the extraction rate were studied by using Box-Benhnken central composite design and response surface analysis theory，the simulated quadratic polynomial regression equation of prediction model was set up.The optimum extraction condition was for extraction temperature 45 ℃，solid liquid ratio 1∶34，ethanol concentration 75%，extraction time of 63 min and the extraction rate was 45.15%.

Key words:Lycium ruthenicum Murr.; pigment; response surface method

中图分类号：TS202

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2015)05-0110-05

作者简介:刘树兴(1962-)，男，河南新乡人，教授，研究方向：食品加工及食品添加剂的开发应用

基金项目：陕西省科技厅科学技术研究发展计划项目(2014SJ-06-02)

收稿日期:*2015-07-02 *2015-05-29