響應(yīng)面法優(yōu)化提取金櫻子棕工藝

李樂 ，李菲，馬雙，袁瑩，李全宏*

1. 重慶化工職業(yè)學(xué)院環(huán)境與質(zhì)量檢測學(xué)院（重慶 401228）；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點(diǎn)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室（北京 100083）

食用色素按來源分為天然食用色素和合成色素。合成色素具有成本低廉、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，曾被廣泛應(yīng)用。但人們研究發(fā)現(xiàn)，合成色素多含苯環(huán)、氧雜蒽等結(jié)構(gòu)，人體代謝后可生成具有致癌作用的R-萘胺，長期攝入會對人體產(chǎn)生毒害作用[1-2]，有的甚至誘發(fā)染色體變異。天然色素中的棕色素使用量非常大，是很多食品、醫(yī)藥、化工用品的著色劑。金櫻子棕（Rosa laevigataMichx brown）為天然的食用棕色色素[3]，是非常難得的天然棕色素來源之一。它來源于薔薇科薔薇屬的野生常綠蔓性灌木植物金櫻子[4-5]，目前對金櫻子棕的提取工藝鮮有研究[6]，試驗(yàn)以金櫻子粉為原料提取金櫻子棕色素，采用響應(yīng)面法優(yōu)化其提取條件，分析料液比、提取溫度、提取時間對金櫻子棕得率的影響，以期得到提取金櫻子棕色素的最佳工藝條件，為金櫻子棕色素的開發(fā)利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 主要儀器與試劑

金櫻子，市售；無水乙醇、石油醚，均為分析純，所用水均為去離子水。

BSA224S電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；多功能粉碎機(jī)，浙江瑞安市永歷制藥機(jī)械有限公司；UV-3150紫外-可見光分光光度計(jì)，日本島津公司；臺式離心機(jī)，天津廣豐科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料預(yù)處理

將金櫻子果實(shí)烘干、粉碎，過30目篩，用石油醚脫脂，干燥備用。

1.2.2 測定波長的確定

金櫻子棕自身為黃棕色，是多種色素的混合物，顯色主要成分為酚類色素，包括黃花素類（Anthoxanlhins）[7]，其在紫外可見區(qū)沒有明顯特征吸收，選取了可見光區(qū)的小吸收峰450 nm處進(jìn)行測量。

1.2.3 浸提溶劑的選擇

準(zhǔn)確稱取5 g金櫻子樣品7份于100 mL錐形瓶中，分別加入蒸餾水、20%乙醇、30%乙醇、40%乙醇、50%乙醇、60%乙醇、70%乙醇，用保鮮膜密封，室溫下震蕩浸提4 h。過濾，取濾液10 mL，稀釋定容至50 mL，分別用相應(yīng)的提取溶劑作參比，于450 nm處進(jìn)行測定，根據(jù)吸光度的大小確定最佳提取溶劑。

1.2.4 金櫻子棕提取的單因素試驗(yàn)

分別以不同溫度（20，30，40，50和60℃）、不同時間（1，2，3，4和5 h）、不同料液比（1∶10，1∶20，1∶30，1∶40和1∶50（g/mL））為自變量，以金櫻子棕提取時測得的吸光度為參考量，通過控制變量法，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定響應(yīng)面分析法各個因素的控制范圍。

1.2.5 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)一步優(yōu)化提取條件。運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件建立三因素三水平Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平取值見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平編碼表

2 結(jié)果與分析

2.1 浸提溶劑的選擇

圖1為浸提劑乙醇體積分?jǐn)?shù)對金櫻子棕色素提取吸光度的影響，可以看出隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，色素提取液的吸光度呈現(xiàn)逐漸增大再降低的趨勢，40%乙醇對金櫻子棕色素的提取效果最好，因此，選擇40%乙醇作為浸提溶劑。

圖1 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)提取的金櫻子棕色素溶液的吸光度

2.2 單因素結(jié)果分析

2.2.1 溫度對浸提效果的影響

由圖2可知，隨著提取溫度的升高，金櫻子棕色素的吸光度值逐步增大，在40℃時達(dá)到最高，其后隨著溫度升高吸光度逐漸下降。這可能是因?yàn)殡S著提取液溫度的升高，加速金櫻子棕色素的氧化，或者溫度過高，乙醇揮發(fā)量增大，影響浸提效果。因此，選擇40℃作為金櫻子棕提取溫度。

2.2.2 浸提時間對浸提效果的影響

從圖3可以看出，浸提時間在一定范圍內(nèi)，隨著時間的延長，金櫻子棕色素的提取率不斷提高。但時間過長提取率有降低的趨勢，這可能是金櫻子棕色素在氧氣、光線、熱條件下，穩(wěn)定性受到影響。因此，選擇4 h為浸提時間。

2.2.3 料液比對浸提效果的影響

由圖4可知，金櫻子棕色素浸提的吸光度隨料液比出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在料液比1∶30 g/mL時色素提取的吸光度達(dá)到最大。因此，選擇1∶30 g/mL為提取的料液比1∶30 g/mL。

圖2 不同浸提溫度提取的金櫻子棕色素溶液的吸光度

圖3 不同浸提時間提取的金櫻子棕色素溶液的吸光度

圖4 不同料液比提取的金櫻子棕色素溶液的吸光度

2.3 響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)與分析

2.3.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)回歸方程和方差分析

利用Design Expert 8.0.6軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到金櫻子棕色素提取率。

對提取時間（A）、提取溫度（B）、料液比（C）的擬合二次回歸方程：Y=0.43-2.5A10-4+7.5B10-3+ 3.5C10-3-2.75AB10-3+1.25AC10-3-2.75BC10-3-0.022A2-0.018B2-0.033C2。方差分析結(jié)果表明，失擬項(xiàng)p= 0.068 4＞0.05，說明失擬項(xiàng)不顯著，試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測值與實(shí)際值擬合度較好，而模型p＜0.000 1，表明該模型可信度較高，試驗(yàn)方法可行，且回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.982 2＞0.9，說明提取時間、提取溫度、液料比存在良好的線性關(guān)系，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼`差小、擬合度較高。決定系數(shù)R2Adj=0.959 3，F(xiàn)=42.90說明試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂尚哦容^高，該模型可用于分析金櫻子棕色素提取工藝，并能準(zhǔn)確分析色素吸光度的變化。AB、AC、BC項(xiàng)p均大于0.05，表現(xiàn)為不顯著，這表明提取溫度、提取時間、料液比三者無交互作用。

方差分析見表3。從F值可知，三個因素對金櫻子棕色素提取率影響強(qiáng)弱依次為提取溫度＞料液比＞提取時間。

表2 Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

表3 二次回歸模型方差分析

2.3.2 響應(yīng)面分析

響應(yīng)曲面越陡峭，說明該因素對提取效果的影響越大，交互作用越顯著，越平緩，則影響越小，交互作用越不明顯。橢圓形等高線表示兩因素間的交互作用顯著，圓形等高線表示交互作用不顯著[8-10]。從圖5可以看出，料液比在零水平時，提取溫度從30～45℃，提取時間從3～4 h，金櫻子棕色素提取率逐漸增大；提取時間在零水平時，隨著增加料液比的增加，金櫻子棕色素的提取緩慢升高而后出現(xiàn)下降。

圖5 各因素及其交互作用對提取影響的響應(yīng)面圖

通過Box-Behnken分析，預(yù)測的最佳試驗(yàn)條件為：提取溫度42.07℃，提取時間3.98 h，料液比1∶30.43（g/mL）。此條件下預(yù)測的吸光度為0.429。為了提取試驗(yàn)的可行性，對預(yù)測條件進(jìn)行了修正：提取溫度42℃，提取時間4 h，料液比1∶30（g/mL）。通過試驗(yàn)檢驗(yàn)最優(yōu)預(yù)測條件下的提取效果，色素提取吸光度測定值為0.431，與預(yù)測值相接近，相差0.002。說明該模型切實(shí)可行。

3 結(jié)論

以金櫻子為研究對象，對金櫻子棕色素進(jìn)行提取。通過單因素試驗(yàn)可知提取溫度對色素提取有顯著影響作用。通過響應(yīng)面分析模型對金櫻子棕色素提取條件進(jìn)行了優(yōu)化分析，建立了提取金櫻子棕色素的三因素三水平模型，得到了最優(yōu)的提取條件為提取溫度42℃，提取時間4 h，料液比1∶30（g/mL）。該研究為金櫻子資源充分利用和天然色素種類的開發(fā)提供了一定的理論依據(jù)。