響應(yīng)面法優(yōu)化紫薇花色素的提取工藝

陳洋，唐瑤，曹婉鑫，劉軍海（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723001）

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響應(yīng)面法優(yōu)化紫薇花色素的提取工藝

陳洋，唐瑤，曹婉鑫，劉軍海
（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723001）

摘要：對(duì)紫薇花色素的提取工藝進(jìn)行研究，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：紫薇花色素溶液的吸收光譜在波長為576.1 nm處有明顯的吸收峰，可作為測定紫薇花色素溶液吸光度的特定波長。其優(yōu)化工藝為：超聲功率為400 W，超聲時(shí)間為20 min，溫度為53℃，料液比為1∶36（g/mL），乙醇體積分?jǐn)?shù)為50 %，得紫薇花色素提取液的平均吸光度為0.670231，與理論預(yù)測值0.674841的誤差為0.7%，說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果可靠。

關(guān)鍵詞：紫薇花；響應(yīng)面試驗(yàn)；提取；色素

隨著食品加工業(yè)的不斷發(fā)展，食品色素成為食品加工過程中不可或缺的一部分。食品色素主要分為人工合成色素和天然色素兩大類。人工合成色素使用方便，但隨著人們健康安全意識(shí)的提高，人工合成色素的安全性受到廣大消費(fèi)者的質(zhì)疑，有研究表明部分人工合成色素對(duì)人體細(xì)胞具有毒性，有強(qiáng)烈的致癌作用[1]。天然色素?zé)o毒無害，色澤自然，色素來源廣、種類多，而且具有一定的營養(yǎng)價(jià)值和抗氧化、防衰老、抗癌等藥理作用，逐漸受到人們的重視[2]。

紫薇[3]（Lagerstroemia indica L.），又稱百日紅、紫蘭花，屬千屈菜科（Lythraceae）紫薇屬，其花期長、品種和花色較多、適應(yīng)能力強(qiáng)，廣泛分布在我國南北各地。紫薇花色素是一種純天然色素，對(duì)人體無毒無害，性質(zhì)比較穩(wěn)定，適合作為食品色素來進(jìn)行食品加工。從植物中提取色素的方法主要有浸提法、回流法、超聲法、微波法和超臨界萃取法等[4]。超聲輔助提取法是目前較為常用的提取色素的方法，本試驗(yàn)采用超聲法對(duì)紫薇花色素進(jìn)行輔助提取并運(yùn)用響應(yīng)面法對(duì)紫薇花色素的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，旨在為紫薇花色素的進(jìn)一步研究提供參考。

1材料與方法

1.1材料與試劑

材料：紫薇花，2014年9月采摘于陜西漢中陜南科技植物園，經(jīng)過漂洗烘干粉碎備用。

試劑：分析純無水乙醇，蒸餾水。

1.2儀器與設(shè)備

Cary50型紫外可見分光光度計(jì)：美國瓦里安；DOB-2003型光電分析天平：重慶實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱：北京科偉永興儀器有限公司；SHZD9（Ⅲ）循環(huán)水式多用真空泵：鄭州長城科工貿(mào)有限公司；800型離心機(jī)：上海磁極器材廠；JY92-Ⅱ型超聲細(xì)胞粉碎機(jī)：上海茸研儀器有限公司。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1確定紫薇花色素的最大吸收波長

準(zhǔn)確稱取已備好的紫薇花樣品1.000 g，用35 mL 50 %的乙醇，在超聲功率為400 W，提取溫度為50℃時(shí)，超聲提取20 min，抽濾，離心，定容。取定容好的色素提取液于1 cm的比色皿中，在波長為200.00 nm~ 800.00 nm范圍內(nèi)進(jìn)行掃描[5]，測定吸光度，篩選出紫薇花色素提取液的最大吸收波長。

1.3.2提取方法

準(zhǔn)確稱取1.000 g紫薇花樣品，經(jīng)超聲輔助溶劑提取，抽濾，離心，定容，在波長576.1 nm處測定不同濾液的吸光度A576.1[6]。

1.3.3單因素試驗(yàn)

以超聲時(shí)間、溫度、料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)作為影響紫薇花色素提取效果的因素，以色素提取液的吸光度作為紫薇花色素提取效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3.3.1溫度的選擇

在超聲功率為400 W，提取時(shí)間為20 min，乙醇體積分?jǐn)?shù)為50 %，料液比為1∶35（g/mL）的條件下，溫度依次為30、40、50、60、80℃下進(jìn)行提取，在波長為576.1 nm處測定不同提取液的吸光值A(chǔ)576.1。

1.3.3.2超聲時(shí)間的影響

在超聲功率為400 W，溫度為50℃，乙醇體積分?jǐn)?shù)為50 %，料液比為1∶35（g/mL）的條件下，依次進(jìn)行超聲輔助提取5、10、15、20、25 min，在波長為576.1 nm處測定不同提取液的吸光值A(chǔ)576.1。

1.3.3.3料液比的選擇

在超聲功率為400 W，提取時(shí)間為20 min，溫度為50℃，乙醇體積分?jǐn)?shù)為50 %，料液比分別為1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40（g/mL）的條件下進(jìn)行提取，在波長為576.1 nm處測定不同提取液的吸光值A(chǔ)576.1。

1.3.3.4乙醇體積分?jǐn)?shù)的選擇

在超聲功率為400 W，溫度為50℃，提取時(shí)間為20 min，料液比為1∶35（g/mL）的條件下，分別用20 %、30 %、40 %、50 %、60 %的乙醇溶液進(jìn)行提取，在波長為576.1 nm處測定不同提取液的吸光值A(chǔ)576.1。

1.3.4響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗(yàn)

在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合以上試驗(yàn)分析結(jié)果，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以超聲時(shí)間（X1）、溫度（X2）、料液比（X3）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X4）4個(gè)影響因素為考察對(duì)象，以紫薇花提取液的吸光度值為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)曲面試驗(yàn)，分析紫薇花色素提取的最優(yōu)提取方案，響應(yīng)面分析因素與水平表如表1所示。

2結(jié)果與分析

2.1紫薇花色素最大吸收波長的確定

以紫薇花色素吸收的波長為橫坐標(biāo)，以不同波長下的吸光度為縱坐標(biāo)，紫薇花色素提取液在不同波長下的吸光度如圖1所示，紫薇花色素的最大吸收波長為576.1 nm。

圖1紫薇花色素光譜吸收Fig.1 The absorption spectrum of pigment from Lagerstroemia indica flowers

2.2單因素試驗(yàn)

2.2.1提取溫度的選擇

按照試驗(yàn)1.3.3.1進(jìn)行試驗(yàn)，得出紫薇花色素提取液吸光度隨溫度的變化關(guān)系，如表2所示。

表2提取溫度對(duì)提取效果的影響Table 2 Effect of extraction temperature on extraction efficiency

由表2可得，紫薇花色素提取液在30℃~50℃其吸光度不斷上升，在50℃時(shí)吸光度達(dá)到最大，之后由于溫度的升高，部分色素受熱分解，其吸光度便開始下降，可見在50℃時(shí)紫薇花色素的提取效果較佳，因此，紫薇花色素提取過程中提取溫度選用50℃為宜，本試驗(yàn)把溫度40℃~60℃作為響應(yīng)面法的考察范圍。

2.2.2提取時(shí)間的選擇

按照試驗(yàn)1.3.3.2進(jìn)行試驗(yàn)，得出紫薇花色素提取液吸光度隨提取時(shí)間的變化關(guān)系，如表3所示。

表3提取時(shí)間對(duì)提取效果的影響Table 3 Effects of extraction time on extraction efficiency

由表3可看出，隨超聲時(shí)間的延長，紫薇花色素提取液的吸光度逐漸增大，在20 min時(shí)達(dá)到最大，之后由于提取時(shí)間過長，導(dǎo)致部分色素分解變質(zhì)，吸光度略有下降趨勢，但下降并不明顯。因此，從節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率等方面考慮，優(yōu)選20 min為較優(yōu)提取時(shí)間，響應(yīng)面試驗(yàn)中選取15 min~25 min為時(shí)間考察范圍。

2.2.3料液比的選取

按照試驗(yàn)1.3.3.3進(jìn)行試驗(yàn)，得出紫薇花色素提取液吸光度隨料液比的變化關(guān)系，如表4所示。

表4料液比對(duì)提取效果的影響Table 4 Effects of ratio of material to liquid on extraction effect

由表4可知，紫薇花色素提取液的吸光度隨料液比的增加而不斷上升，在1∶35（g/mL）時(shí)提取率達(dá)到最大，之后由于料液比的增加導(dǎo)致超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化作用被分散，進(jìn)而使超聲作用受到削減[6]，從而導(dǎo)致提取效率略有下降。因此，優(yōu)先選取1∶35（g/mL）為提取方案的料液比，而且還能很大程度上降低提取原料的使用量，降低了提取成本，響應(yīng)面試驗(yàn)中選取料液比為1∶30（g/mL）~1∶40（g/mL）為考察范圍。

2.2.4乙醇體積分?jǐn)?shù)的選取

按照試驗(yàn)1.3.3.4進(jìn)行試驗(yàn)，得出紫薇花色素提取液吸光度隨乙醇的體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系，如表5所示。

由表5可知，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的不斷增加，紫薇花色素提取液的吸光度不斷緩慢上升，在乙醇體積分?jǐn)?shù)為50 %時(shí)，吸光度達(dá)到最大，之后隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步升高，使得紫薇花中一些其他的物質(zhì)被游離出來，導(dǎo)致吸光度反而有所下降。因此，選用50 %的乙醇進(jìn)行提取時(shí)，不僅節(jié)約提取原料，提取效果也較好，本研究中選取乙醇體積分?jǐn)?shù)為40 %~60 %為響應(yīng)面試驗(yàn)考察范圍。

表5乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)提取效果的影響Table 5 Effects of ethanol concentration on extraction efficiency

2.3響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.3.1試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1，以超聲時(shí)間（X1）、溫度（X2）、料液比（X3）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（X4）以及紫薇花色素提取液的吸光度值（Y）進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)，其27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中，1~24為析因試驗(yàn)，25~27為零點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案和結(jié)果見表6。

表6響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 6 Test scheme and results of response surface

2.3.2模型建立與檢驗(yàn)

經(jīng)SAS軟件的RSREG程序包對(duì)表6的結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，結(jié)果見表7，回歸方程的方差分析結(jié)果見表8。

從表7可看出，模型達(dá)到極顯著水平，失擬項(xiàng)不顯著，建模成功，此模型與實(shí)際試驗(yàn)擬合度較高，不存在失擬因素。一次項(xiàng)中X1（超聲時(shí)間），X3（料液比）對(duì)紫薇花色素的提取效果的影響達(dá)到了顯著水平，各因素對(duì)紫薇花色素提取效果的影響順序?yàn)椋篨1（超聲時(shí)間）>X3（料液比）> X4（乙醇體積分?jǐn)?shù)）>X2（溫度），因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)對(duì)超聲時(shí)間和料液比進(jìn)行精確控制。二次項(xiàng)中X1X1，X3X3達(dá)到極顯著水平，X2X2，X4X4達(dá)到了顯著水平，二次項(xiàng)中各因素對(duì)紫薇花色素提取效果的影響順序?yàn)椋篨1X1>X3X3>X4X4>X2X2。交互項(xiàng)中X1X2，X3X4達(dá)到了極顯著水平，X1X3達(dá)到了顯著水平。因此，當(dāng)生產(chǎn)中一個(gè)影響因素改變時(shí)，則需對(duì)其交互作用比較顯著的另一個(gè)因素也進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以保證較好的提取效果。

表7響應(yīng)面回歸分析結(jié)果Table 7 The results of the regression analysis of response surface

表8方差分析結(jié)果Table 8 The result of analysis of variance

由表8可知，該試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵堰_(dá)到0.01極顯著統(tǒng)計(jì)水平，相關(guān)系數(shù)R2=0.866 4，說明此模型能較好與實(shí)際擬合，該方法可用來進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)。回歸方程可代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)果分析，試驗(yàn)中自變量的變化可以解釋86.64 %的因變量的變化，雖然紫薇花色素的提取效果除了受試驗(yàn)中所選取的4個(gè)因素影響外，還受其他因素影響，而且無法排除試驗(yàn)誤差，但回歸方程已達(dá)到0.01極顯著統(tǒng)計(jì)水平，故可用回歸方程對(duì)紫薇花色素的提取過程進(jìn)行分析預(yù)測，經(jīng)軟件分析所得的回歸方程為：

通過SAS軟件分析得回歸模型的預(yù)測最大響應(yīng)值Y=0.674 841，所對(duì)應(yīng)的影響因子的編碼值為X1=-0.009 975，X2=0.280 928，X3=0.288 354，X4=0.022 372。將X編碼值分別代回表1中求取對(duì)應(yīng)參數(shù)，超聲時(shí)間為19.950 12 min，溫度為52.809 28℃，料液比為1∶36.441 77（g/mL），乙醇體積分?jǐn)?shù)為50.223 72 %。為了便于實(shí)際操作，設(shè)定超聲時(shí)間為20 min，溫度為53℃，料液比為1∶36（g/mL），乙醇體積分?jǐn)?shù)為50 %，按1.3.2進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，得紫薇花色素提取液的平均吸光度為0.670 231，與理論預(yù)測值的誤差為0.7 %，說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果可靠。

3　結(jié)論

1）紫薇花色素提取液在紫外光區(qū)的最大吸收波長為576.1 nm。

2）在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助溶劑提取紫薇花色素的提取工藝，得在超聲功率為400 W，超聲時(shí)間為20 min，溫度為53℃，料液比為1∶36（g/mL），乙醇體積分?jǐn)?shù)為50 %的條件下，紫薇花色素提取液吸光度的理論預(yù)測值為0.674 841，實(shí)際驗(yàn)證值為0.670 231，與理論預(yù)測值的誤差為0.7 %，說明該工藝可行性較高。

3）紫薇花色素是一種具有廣泛應(yīng)用前景的天然色素，在食品工業(yè)中具有非常大的開發(fā)潛力。超聲輔助提取紫薇花色素提取工藝簡單，提取時(shí)間較短，提取溶劑容易得取，提取溫度較低，能夠有效的防止色素在提取過程中被破壞，而且對(duì)環(huán)境無污染，是一種綠色環(huán)保的提取工藝。

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Optimization of Pigment Extraction from Lagerstroemia indica Flowers by Response Surface Methodology

CHEN Yang，TANG Yao，CAO Wan-xin，LIU Jun-hai
（College of Chemistry and Environmental Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，Shaanxi，China）

Abstract：This thesis analyzed the extraction conditions for natural pigment from Lagerstroemia indica Flowers by using ultrasonic treatment extraction. The single factor and Box-Behnken experimental design was used to optimize the extraction process of pigment from Lagerstroemia indica Flowers. The results showed that the extracted pigment was determined by measuring the absorbance at the maximum absorption wavelength of 576.1 nm. It′s optimum conditions were shown as follows：power for 400 W，time for 20 min，temperature of 53℃，ratio of material to liquid of 1∶36（g/mL），50 % ethanol concentration，in this conditions，the predicted absorbance of pigment extracts was 0.674 841 and the actual value was 0.670 231，showing the error of 0.7 %.So the extraction results were reasonable and reliable.

Key words：Lagerstroemia indica Flowers；response surface methodology；extraction；pigment

收稿日期：2014-11-27

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.02.014

作者簡介：陳洋（1994—），女（漢），本科在讀，研究方向：天然產(chǎn)物的提取。