響應(yīng)面法優(yōu)化玫瑰茄紅色素提取工藝

曾哲靈，郝純青，呂 偉，彭 超

(南昌大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047)

響應(yīng)面法優(yōu)化玫瑰茄紅色素提取工藝

曾哲靈，郝純青，呂 偉，彭 超

(南昌大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047)

采用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法(RSM)研究料液比、提取時(shí)間、提取溫度對(duì)乙醇提取玫瑰茄紅色素效果的影響。以提取液中總花色苷含量為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面分析優(yōu)化玫瑰茄紅色素提取工藝條件。結(jié)果表明：影響玫瑰茄紅色素提取效果的主要因素為料液比，次要因素為提取時(shí)間和提取溫度。玫瑰茄紅色素適宜乙醇提取工藝條件為料液比1:24.8(g/mL)、提取時(shí)間1.52h、提取溫度48.74℃，相應(yīng)提取液中總花色苷的含量為487.6mg/100g。

玫瑰茄紅色素；提?。豁憫?yīng)面法

玫瑰茄又名山茄、紅角葵、洛神葵、山茄子等，學(xué)名Hibiscus sabdariffa Linn.，英文名malvace roselle、roselle[1]，為錦葵科木槿屬一年生草本植物，原產(chǎn)非洲，近年來在我國(guó)福建、廣東、廣西、云南、浙江等地有大面積種植[2]。

玫瑰茄花萼呈紫紅色，其色素屬花青甙類，主要是飛燕草素(delphinidin)和矢車菊素(cyanidin)的糖甙[3]，與葡萄、草莓、櫻桃等水果色素相同。玫瑰茄花萼中總花青苷含量為干花萼的1%～1.5%，檸檬酸、木槿酸等有機(jī)酸10%～15%，還原糖16%，蛋白質(zhì)3.5%～7.9%，其他非含氮物質(zhì)25%，纖維素11%，灰分12%，另含有不到1%的17種氨基酸[4]。玫瑰茄提取物中含有還原糖類、甙類、酚類、少量生物堿和樹脂類等[5]。

傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)認(rèn)為，玫瑰茄花萼具有清熱、解渴、止咳和降血壓的作用。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)玫瑰茄花萼的保健功能和藥理作用進(jìn)行了廣泛深入研究，發(fā)現(xiàn)玫瑰茄具有抗氧化[6]、抗腫瘤[7]、降血壓[8]、保護(hù)肝臟[9]和保護(hù)心血管[10]等藥理作用[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，合成色素逐步被天然色素取代已是大勢(shì)所趨，開發(fā)安全可靠的天然色素對(duì)保障人民身體健康具有十分重要的意義[2]。

本實(shí)驗(yàn)主要研究玫瑰茄紅色素提取工藝及其影響因素，通過響應(yīng)面分析得到其優(yōu)化組合，為進(jìn)一步開發(fā)利用玫瑰茄紅色素提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玫瑰茄干花萼 江西武功山農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司；無水乙醇、鹽酸、氯化鉀、醋酸鈉均為分析純；pH4.5緩沖液[11]：1mol/L CH3COONa:1mol/L HCl:水=100:60:90 (V/V)；pH1.0緩沖液：0.2mol/L鹽酸溶液:0.2mol/L KCl溶液=25:67(V/V)。

1.2 儀器與設(shè)備

70目標(biāo)準(zhǔn)篩 江南篩具廠；HH-2恒溫水浴鍋 江蘇金壇市中大儀器廠；WFZ756PC型紫外-可見分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司；R6型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀器 上海申生科技有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；FA1604型電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；PHS-2F型PH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司雷磁儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 玫瑰茄紅色素的提取

將玫瑰茄干花萼用中藥粉碎機(jī)粉碎，過70目標(biāo)準(zhǔn)篩，在適宜溫度下，以40%乙醇溶液[12]萃取玫瑰茄干花萼一定時(shí)間。然后過濾，收集濾液即得到玫瑰茄紅色素提取液。

1.3.2 玫瑰茄紅色素提取效果評(píng)價(jià)

玫瑰茄紅色素提取效果以一次提取液中總花色苷含量(mg/100g)來評(píng)價(jià)?？偦ㄉ蘸康臏y(cè)定方法采用pH示差法[11]，玫瑰茄紅色素提取液濃縮后，用提取液定容至100mL，從100mL提取液中取1mL，分別用pH1.0、pH4.5的緩沖液稀釋至10mL，在波長(zhǎng)520nm處測(cè)定光密度。

參考Osawa等[13]和馮建光等[14]的方法，計(jì)算提取液中總花色苷的含量。

式中：DV為稀釋體積/mL；VF為稀釋倍數(shù)；ΔOD為光密度變化值；m為樣品質(zhì)量/kg；M為Cyanidin-3-glucoside的相對(duì)分子質(zhì)量，449.2；ODpH1.0為pH1.0緩沖液定容的色素溶液的光密度；ODpH4.5為pH4.5緩沖液定容的色素溶液的光密度；為Cyanidin-3-glucoside消光系數(shù)，取26900。

1.3.3 測(cè)定波長(zhǎng)的確定

取玫瑰茄紅色素的提取液稀釋至一定的體積，進(jìn)行200～700nm全波長(zhǎng)掃描，繪制光譜圖，并與文獻(xiàn)[15]的花色苷光譜進(jìn)行比較，同時(shí)確定測(cè)定時(shí)可見光區(qū)最大吸收波長(zhǎng)。

1.3.4 玫瑰茄紅色素提取工藝條件確定

1.3.4.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

提取溫度對(duì)總花色苷含量的影響：稱取5份玫瑰茄干花萼粉末(每份2g)，料液比1:25，乙醇體積分?jǐn)?shù)40%，提取時(shí)間1h，研究不同提取溫度30、40、50、60、70℃對(duì)總花色苷含量的影響。

提取時(shí)間對(duì)總花色苷含量的影響：稱取5份玫瑰茄干花萼粉末(每份2g)，料液比為1:25，乙醇體積分?jǐn)?shù)40%，提取溫度60℃，研究不同提取時(shí)間1.0、1.5、2.0、2.5、3.0h對(duì)總花色苷含量的影響。

料液比對(duì)總花色苷含量的影響：稱取5份玫瑰茄干花萼粉末(每份2g)，乙醇體積分?jǐn)?shù)40%，提取溫度60℃，提取時(shí)間1h，研究不同料液比1:15、1:20、1:25、1:30、1:35(g/mL)對(duì)總花色苷含量的影響。

1.3.4.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以總花色苷含量為指標(biāo)，以提取溫度、料液比、提取時(shí)間3個(gè)因素為自變量，設(shè)計(jì)三因素三水平共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，優(yōu)化玫瑰茄紅色素提取工藝條件。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理及分析

利用Design Expert7.0軟件中的多元線性回歸分析程序，擬合二階多項(xiàng)式方程：

式中：Y為預(yù)測(cè)值；b0為常數(shù)項(xiàng)；bi為線性系數(shù)項(xiàng)；bii為二次項(xiàng)系數(shù)；bij為交互作用項(xiàng)系數(shù)。對(duì)回歸方程的系數(shù)進(jìn)行顯著性比較(F檢驗(yàn))，研究提取溫度、料液比、提取時(shí)間對(duì)玫瑰茄紅色素制備的影響。再利用Design Expert7.0將獲得的二階多項(xiàng)式方程轉(zhuǎn)化為響應(yīng)曲面，進(jìn)一步分析試驗(yàn)因素及水平對(duì)響應(yīng)值的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)定波長(zhǎng)確定

玫瑰茄紅色素的紫外-可見掃描圖譜見圖1。

圖1 玫瑰茄紅色素紫外-可見掃描光譜圖Fig.1 UV-visible scanning spectrum of roselle calyx red pigments

由圖1可知，玫瑰茄紅色素分別在280nm和520nm波長(zhǎng)處有吸收峰。據(jù)資料報(bào)道[16]，花色苷類的特征吸收光譜帶在278nm附近和507～536nm范圍內(nèi)，認(rèn)定玫瑰茄紅色素屬于花色苷類色素。同時(shí)選取可見光區(qū)520nm為最佳測(cè)定波長(zhǎng)。

2.2 提取工藝參數(shù)對(duì)玫瑰茄紅色素提取效果的影響

2.2.1 提取溫度對(duì)總花色苷的含量的影響

從圖2可見，隨提取溫度的升高，總花色苷含量不斷增加，在50℃時(shí)總花色苷的含量增加到最高，以后就有所下降，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，一方面總花色苷的溶出速度增加，另一方面總花色苷在溫度較高的條件下，容易發(fā)生氧化降解，溫度越高，降解速度越快，圖2結(jié)果是兩種相反因素共同作用的結(jié)果，開始時(shí)溶出速度要大于氧化降解速度，因此在50℃以前含量是增加的，但隨著溫度的升高，總花色苷氧化降解速度大于溶出速度，所以50℃后，總花色苷的含量呈下降趨勢(shì)。

圖2 提取溫度對(duì)總花色苷含量的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on the content of total anthocyanins in the extract

2.2.2 提取時(shí)間對(duì)總花色苷含量的影響

圖3 提取時(shí)間對(duì)總花色苷的含量的影響Fig.3 Effect of extraction duration on the content of total anthocyanins in the extract

從圖3可以看出，隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)，總花色苷的含量先增加后降低，這是因?yàn)槊倒迩迅苫ㄝ嘀械目偦ㄉ赵?.5h前基本都溶出，1.5h后花色苷開始降解，含量降低。從圖3可知，1.5h時(shí)總花色苷的含量最高。

2.2.3 料液比對(duì)總花色苷的含量的影響

圖4 料液比對(duì)總花色苷含量的影響Fig.4 Effect of material/liquid ratio on the content of total anthocyanins in the extract

從圖4可知，隨含水量的增加，總花色苷的含量開始增加，這是因?yàn)樗慷嘤欣诳偦ㄉ盏臄U(kuò)散傳質(zhì)，但加水量到達(dá)一定的程度后，總花色苷含量呈下降趨勢(shì)，因?yàn)樗窟^大時(shí)，花色苷含量下降，花色苷分子間作用力變小，其穩(wěn)定性下降而容易分解，所以料液比為1:25(g/mL)時(shí)，總花色苷的含量最高。

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以總花色苷含量為指標(biāo)，以提取溫度、料液比、提取時(shí)間3個(gè)因素為自變量，設(shè)計(jì)三因素三水平17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，因素水平編碼見表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見表2。

表1 中心復(fù)合旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)因素水平編碼表Table1 Factors and levels in the central composite design

表2 中心復(fù)合旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table2 Central composite design arrangement and experimental results

2.4 響應(yīng)面法試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及數(shù)值分析

為了研究不同條件對(duì)玫瑰茄紅色素制備的影響和確定最佳制備條件，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行中心組合試驗(yàn)(Box-Behnken)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果見表3，17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分為兩類：其一是析因點(diǎn)，自變量取值在X1、X2、X3所構(gòu)成的三維頂點(diǎn)，共有12個(gè)析因點(diǎn)；其二是零點(diǎn)，為區(qū)域中心點(diǎn)，零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)5次，用來估計(jì)試驗(yàn)誤差。

以總花色苷含量為響應(yīng)值，經(jīng)回歸擬合后，各試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響可以用下列函數(shù)表示：

進(jìn)一步對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，其系數(shù)顯著性結(jié)果見表3。

表3 回歸模型方差分析Table3 Analysis of variance for the content of total anthocyanins in the extract with various extraction conditions

從表3可以看出，此模型P＜0.05，響應(yīng)面回歸模型達(dá)到顯著水平。相關(guān)系數(shù)R2=0.9667，表明96%的數(shù)據(jù)可以用這個(gè)方程解釋。由表3可以看出，影響總花色苷含量的因素主次順序?yàn)閄2＞X1＞X3。模型中X12、X22、X32對(duì)總花色苷含量的影響極顯著(P＜0.01)，X1X2對(duì)總花色苷含量的影響顯著(P＜0.05)，失擬項(xiàng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析表明該模型失擬不顯著，因此該二次方程能夠較好地?cái)M合真實(shí)的響應(yīng)面。

2.5 顯著交互作用對(duì)總花色苷含量的影響

為進(jìn)一步考察3個(gè)因素兩兩之間的交互作用對(duì)總花色苷含量的影響，對(duì)其響應(yīng)面曲線以及等高線圖進(jìn)行分析，從圖5～7中可以直觀看出優(yōu)化區(qū)域，并可以在優(yōu)化區(qū)域內(nèi)根據(jù)總花色苷提取過程中的實(shí)際需要調(diào)整各因素的數(shù)值大小，從而得到含量較高的總花色苷。

2.5.1 提取溫度和料液比的交互作用

圖5 總花色苷含量與提取溫度和料液比之間關(guān)系響應(yīng)曲面及等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots illustrating the interactive effects of extraction temperature and material/liquid ratio on the content of total anthocyanins in the extract

由圖5可知，響應(yīng)曲面的坡度相對(duì)較陡，表明響應(yīng)值(總花色苷含量)對(duì)提取溫度和料液比的改變較敏感。特別是料液比的變化對(duì)總花色苷含量的影響比提取溫度變化的影響大，等高線比較密。當(dāng)提取溫度在48～50℃之間，料液比在1:24～1:25g/mL之間時(shí)對(duì)提高總花色苷含量最有利，其預(yù)測(cè)總花色苷含量為487.6mg/100g。

2.5.2 提取溫度和提取時(shí)間的交互作用

由圖6可知，響應(yīng)曲面的坡度較陡，表明響應(yīng)值(總花色苷含量)對(duì)提取溫度與提取時(shí)間的變化較敏感。從等高線可以看出提取時(shí)間變化對(duì)總花色苷含量的影響比提取溫度的變化影響大。當(dāng)提取溫度在48～50℃之間、提取時(shí)間在1.5～1.6h之間時(shí)對(duì)提高總花色苷含量最有利，其預(yù)測(cè)值為486.8mg/100g。

圖6 總花色苷含量與提取溫度和提取時(shí)間之間關(guān)系響應(yīng)曲面及等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots illustrating the interactive effects of extraction temperature and duration on the content of total anthocyanins in the extract

2.5.3 料液比和提取時(shí)間的交互作用

圖7 總花色苷含量與料液比和提取時(shí)間之間關(guān)系響應(yīng)曲面及等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots illustrating the interactive effects of extraction duration and material/liquid ratio on the content of total anthocyanins in the extract

由圖7可知，響應(yīng)曲面的坡度相對(duì)較平緩，表明響應(yīng)值(總花色苷含量)對(duì)料液比和提取時(shí)間的交互作用不敏感。從等高線看，料液比和提取時(shí)間兩者的變化對(duì)響應(yīng)值的影響區(qū)別不是很大，當(dāng)料液比在1:24～1:25(g/ mL)之間、提取時(shí)間在1.5～1.6h之間時(shí)對(duì)提取總花色苷含量最有利，其預(yù)測(cè)值為489.4mg/100g。

2.6 優(yōu)化提取工藝參數(shù)的驗(yàn)證

為了進(jìn)一步確證計(jì)算機(jī)模擬得到最佳點(diǎn)的值，對(duì)所得的回歸方程取一階偏導(dǎo)等于零并整理得：X1=－0.126；X2=－0.052；X3=0.035；Y=489.98。對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條件：提取溫度48.74℃、料液比1:24.8(g/mL)、提取時(shí)間1.52h，總花色苷含量489.98mg/100g。以所得最佳反應(yīng)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得總花色苷含量為487.6mg/100g，與模擬計(jì)算機(jī)值基本接近，表明預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間有很好的擬合性，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性。

3 結(jié) 論

響應(yīng)面分析法可以很好地優(yōu)化玫瑰茄紅色素的提取工藝，影響玫瑰茄紅色素提取效果的主要因素為料液比，次要因素為提取時(shí)間和提取溫度；玫瑰茄紅色素的適宜提取工藝參數(shù)為料液比1:24.8(g/mL)、提取時(shí)間1.52h、提取溫度48.74℃，相應(yīng)提取液中總花色苷含量487.6mg/100g。本研究結(jié)果對(duì)玫瑰茄紅色素的進(jìn)一步純化及開發(fā)利用具有指導(dǎo)作用。

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Optimizing the Extraction of Red Pigments from Dry Roselle Calyx by Response Surface Methodology

ZENG Zhe-ling，HAO Chun-qing，LU Wei，PENG Chao
(State Key Laboratory of Food Science and Technology, College of Life Science and Food Engineering, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

In order to develop an optimal procedure for the extraction of red pigments from dry roselle calyx, single factor method and responses surface methodology (RSM) were applied to study the effects of material/liquid ratio and extraction duration and temperature and their interactions on the total anthocyanin content of the extract. Material/liquid ratio was found to be the most important affecting factor, followed by extraction duration and temperature. The optimal values of the three conditions were determined as follows: material/liquid ratio, 1:24.8; extraction duration, 1.52 h; extraction temperature, 48.74 ℃, and the total anthocyanin content of the extract obtained was 487.6 mg/100 g.

roselle calyx；red pigmente；extraction；response surface methodology

TS264.4

A

1002-6630(2010)20-0047-05

2010-01-21

曾哲靈(1965—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭澄镔Y源開發(fā)利用與生物質(zhì)轉(zhuǎn)化。E-mail：zlzengjx@163.com