响应面设计的紫甘蓝花色苷色素提取技术研究

卢 珊

(郑州电力高等专科学校，郑州 450000)

花色苷是花青素与糖以糖苷键结合而成的化合物[1]，广泛存在于植物界中，花卉中以及水果所呈现的大部分红色、蓝色和紫色都是由花色苷和花青素产生的[2-3]。花色苷因其漂亮的外观广泛应用于食品工业中，如软饮料、果酱以及乳制品等[4]。除了艳丽的颜色，花色苷对人体的健康也起到不可替代的作用。研究表明，花色苷可降低心血管疾病、糖尿病、关节炎、癌症以及与年龄有关的神经退行性激素下降的风险[5-7]。然而，花色苷由于化学性质极不稳定，导致其从采集到提取过程中大量损失[8]。因此，花色苷的来源及提取工艺是影响其提取量的重要因素。

紫甘蓝有一个复杂的酰基化花色苷模式，以青苷为唯一的苷元[9-10]。酰化作用使其色素具有比葡萄花色苷更强的热稳定性和光稳定性[11]。另外，从农产品层面上讲，紫甘蓝在集约化农业中，在很短的时间内可以产生大量收益[12]。因此，本研究选用紫甘蓝为花色苷的提取原料，通过响应面设计选定最佳工艺，提高花色苷的提取量，为后续花色苷的相关研究奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 主要材料与仪器

紫甘蓝：市售；酸性乙醇提取剂：50%乙醇∶柠檬酸为80 mL/4 g。

美的MJ-LZ25 Easy121榨汁机；HY-727SPC紫外-可见分光光度计 无锡英之诚高速分析仪器有限责任公司。

1.2 最大吸收波长的测定

将紫甘蓝洗净、切碎，用榨汁机打成匀浆。用分析天平准确称取5 g紫甘蓝匀浆于锥形瓶中，加入40 mL酸性乙醇提取剂(50%乙醇∶柠檬酸为80 mL/4 g)，混匀，在300 W功率下微波提取5 min。室温3500 r/min离心10 min后取10 mL上清液，定容至50 mL。在325～800 nm下进行全波长扫描，确定其最大吸收峰[13-14]，最终确定其最大吸收波长为520 nm。根据查阅的文献可知，花色苷的含量越高，在其特定波长下的吸光值越高，因此，本研究用A520 nm下的吸光值代表紫甘蓝花色苷的提取量。

1.3 花色苷提取的单因素试验

1.3.1 微波功率对花色苷提取量的影响

分别取5 g匀浆5份于锥形瓶中，并分别加入40 mL酸性乙醇提取剂，混匀。设置100，200，300，400，500 W 5个功率梯度[15]，微波提取5 min。室温条件下3500 r/min离心10 min后取10 mL上清液，定容至50 mL，用紫外分光光度计在其最大吸收波长处测定吸光值。在不同微波功率条件下作图，分析不同微波功率对花色苷提取量的影响。

1.3.2 提取时间对花色苷提取量的影响

分别取5 g匀浆5份于锥形瓶中，并分别加入40 mL酸性乙醇提取剂，混匀，在300 W功率下分别微波提取3，6，9，12，15 min。随后，室温3500 r/min离心10 min后取10 mL上清液，定容至50 mL，用紫外分光光度计在其最大吸收波长处测定吸光值。在不同提取时间条件下作图，分析不同微波提取时间对花色苷提取量的影响。

1.3.3 料液比对花色苷提取量的影响

分别取5 g匀浆5份于锥形瓶中，按照料液比分别为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50加入配制好的酸性乙醇提取剂[16]。300 W功率下微波提取5 min。随后，室温3500 r/min离心10 min后取10 mL上清液，定容至50 mL，用紫外分光光度计在其最大吸收波长处测定吸光值。对不同料液比作图，分析不同料液比对花色苷提取量的影响。

1.4 花色苷提取的响应面试验

在单因素试验的基础上，对不同的微波功率(W)、提取时间(min)和料液比进行响应面优化试验，用软件分析后得到最佳的紫甘蓝花色苷色素提取工艺[17]，共17个处理组。响应面试验设计见表1。

表1 响应面试验因素水平表Table 1 The factors and levels of response surface experiment

2 结果与分析

2.1 微波功率对花色苷提取量的影响

由图1可知，在100～300 W的范围内，随着微波功率的升高，吸光值急剧增大，直到400 W逐渐趋于平缓，而400 W之后吸光值反而下降，说明微波功率过高可能会对花色苷具有一定的破坏性，导致其提取量下降。因此，最终选用400 W作为最佳微波提取功率。

图1 微波功率对花色苷提取量的影响Fig.1 The effect of microwave power on the extraction yield of anthocyanin

2.2 提取时间对花色苷提取量的影响

由图2可知，随着微波提取时间的延长，吸光值也逐渐增大，到9 min时达到最大值，随后吸光度不再增长反而略有下降。通过试验中的观察，微波处理12，15 min之后的溶液会出现絮状物，很可能是微波时间过长导致紫甘蓝中其他物质溶出，从而影响了提取量。因此，最终选用9 min为最佳的提取时间。

图2 提取时间对花色苷提取量的影响Fig.2 The effect of extraction time on the extraction yield of anthocyanin

2.3 料液比对花色苷提取量的影响

由图3可知，料液比对花色苷提取量的影响极大，当料液比为1∶20时可以得到最佳的提取量。溶剂比例过高不仅不会提高提取量，反而使提取效果大大下降，而且会造成浪费，提高生产成本。因此，最终选用1∶20为最佳料液比。

图3 料液比对花色苷提取量的影响Fig.3 The effect of solid-liquid ratio on the extraction yield of anthocyanin

2.4 响应面试验测定结果

表2 响应面分析试验结果Table 2 The experimental results of response surface analysis

表3 方差分析表Table 3 The analysis of variance of regression equation

续 表

由回归分析结果得到提取率预测值对应微波处理功率、提取时间和料液比3个因素的二次多项回归方程为：Y=0.37-0.014A-0.029B-0.030C+0.010AB+8.750E-3AC-0.024BC+0.032A2+0.026B2+0.032C2。分析可知，在回归模型显著性检验结果中，B、C、A2、B2、C2项的影响极显著，A、BC项的影响高度显著，AB、AC项的影响显著。诊断分析表明，各因素的 F值可以反映出对试验响应值的重要性，F值越大，表明该因素对响应值的影响越大，对花色苷提取率的影响因素由大到小依次为C(料液比)>B(提取时间)>A(微波功率)，说明各因素对紫甘蓝花色苷的提取率的影响并非简单的线性关系。决定系数R2=0.9897，说明该方程可以拟合98.97%的花色苷提取率，即花色苷提取率的变化有98.97%来自于所选的微波功率、提取时间以及料液比这3个因素。变异系数CV(%)=1.65，>0.05，说明预测值与实际值拟合度较好。RAdj2=0.9765，RPred2=0.9688 ，说明模型的拟合度和可信度较高，可以用该数学模型来模拟微波功率、提取时间以及料液比3个因素对紫甘蓝中花色苷提取率的影响，以此选出最佳的提取工艺。

2.5 双因素对紫甘蓝花色苷提取量的影响

根据回归模型做出的交互作用响应面见图4～图6。微波功率与提取时间对花色苷提取量的影响见图4。

图4 微波功率和提取时间对花色苷提取量的响应面Fig.4 The response surface of microwave power and extraction time on anthocyanin extraction amount

由图4可知，在提取时间恒定时，提取量随着微波功率的增加而逐渐增大，达到最大值后，随着微波功率的增加反而呈现下降的趋势。同样，在微波功率恒定时，提取量随着提取时间的延长呈现先上升后下降的趋势。

微波功率和料液比两因素交互对紫甘蓝花色苷的影响见图5。

图5 微波功率和料液比对花色苷提取量的响应面Fig.5 The response surface of microwave power and solid-liquid ratio on anthocyanin extraction amount

由图5可知，当微波功率恒定时，提取量随着料液比的降低呈现先上升后下降的趋势，同样，在料液比保持恒定的情况下，提取量随着微波功率的增加而逐渐增加，达到某一峰值后急剧下降。

提取时间和料液比两因素交互对紫甘蓝花色苷提取量的影响见图6。

图6 提取时间和料液比对花色苷提取量的响应面Fig.6 The response surface of extraction time and solidliquid ratio to anthocyanin extraction amount

由图6可知，在提取时间恒定时，提取量随着料液比的降低而逐渐增大，而在料液比恒定时，提取量随着提取时间的延长而逐渐增大最终趋于平缓。

以上3个响应面图均能直观反映出3个因素中的2个因素对响应值的影响，且第3个因素均保持在编码的零水平上。根据二次多项式回归方程的预测值，紫甘蓝花色苷的最佳提取条件为：微波功率315.21 W，提取时间6.15 min，料液比1∶10.45。根据实际操作情况进行调整，最终的反应条件为：微波功率315 W，提取时间6 min，料液比1∶10。

2.6 回归模型验证试验

在响应面试验的优化条件下，进行了花色苷提取的验证试验，并重复3次取平均值。最终得到的吸光值为0.494±0.006，接近于预测值的0.506，说明模型可靠。

3 结论

本研究通过单因素试验分别从微波功率、提取时间和料液比3个因素中确定影响紫甘蓝花色苷提取量的最佳范围，随后采用响应面设计，对提取工艺进一步优化，最终得到最佳的提取工艺条件为：微波功率315 W，提取时间6 min，料液比1∶10。根据回归模型的验证试验，得到花色苷的吸光值为0.494±0.006，接近于预测值的0.506。