響應面法優化提取金櫻子棕工藝

李樂 ，李菲，馬雙，袁瑩，李全宏*

1. 重慶化工職業學院環境與質量檢測學院（重慶 401228）；2. 中國農業大學食品科學與營養工程學院，國家果蔬加工工程技術研究中心，農業部果蔬加工重點開發實驗室（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、穩定性好、使用方便等優點，曾被廣泛應用。但人們研究發現，合成色素多含苯環、氧雜蒽等結構，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生毒害作用[1-2]，有的甚至誘發染色體變異。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]，試驗以金櫻子粉為原料提取金櫻子棕色素，采用響應面法優化其提取條件，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，賽多利斯科學儀器有限公司；多功能粉碎機，浙江瑞安市永歷制藥機械有限公司；UV-3150紫外-可見光分光光度計，日本島津公司；臺式離心機，天津廣豐科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料預處理

將金櫻子果實烘干、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]，其在紫外可見區沒有明顯特征吸收，選取了可見光區的小吸收峰450 nm處進行測量。

1.2.3 浸提溶劑的選擇

準確稱取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，分別用相應的提取溶劑作參比，于450 nm處進行測定，根據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

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，進行單因素試驗，確定響應面分析法各個因素的控制范圍。

1.2.5 響應面法優化試驗

在單因素試驗的基礎上，選用響應面試驗設計法進一步優化提取條件。運用Design-Expert 8.0.6軟件建立三因素三水平Box-Benhnken中心組合試驗，試驗因素與水平取值見表1。

表1 響應面分析因素與水平編碼表

2 結果與分析

2.1 浸提溶劑的選擇

圖1為浸提劑乙醇體積分數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數的增加，色素提取液的吸光度呈現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 不同乙醇體積分數提取的金櫻子棕色素溶液的吸光度

2.2 單因素結果分析

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℃時達到最高，其后隨著溫度升高吸光度逐漸下降。這可能是因為隨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，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 響應面設計試驗與分析

2.3.1 響應面設計試驗回歸方程和方差分析

利用Design Expert 8.0.6軟件對表2數據進行多元回歸擬合，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。方差分析結果表明，失擬項p= 0.068 4＞0.05，說明失擬項不顯著，試驗模型預測值與實際值擬合度較好，而模型p＜0.000 1，表明該模型可信度較高，試驗方法可行，且回歸方程的復相關系數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系，試驗模型誤差小、擬合度較高。決定系數R2Adj=0.959 3，F=42.90說明試驗模型可信度較高，該模型可用于分析金櫻子棕色素提取工藝，并能準確分析色素吸光度的變化。AB、AC、BC項p均大于0.05，表現為不顯著，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弱依次為提取溫度＞料液比＞提取時間。

表2 Box-Benhnken試驗設計方案及結果

表3 二次回歸模型方差分析

2.3.2 響應面分析

響應曲面越陡峭，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下降。

圖5 各因素及其交互作用對提取影響的響應面圖

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

3 結論

以金櫻子為研究對象，對金櫻子棕色素進行提取。通過單因素試驗可知提取溫度對色素提取有顯著影響作用。通過響應面分析模型對金櫻子棕色素提取條件進行了優化分析，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提供了一定的理論依據。