正交實驗結合遺傳算法提取辣椒紅色素

邵萍萍

(江蘇工程職業技術學院，江蘇 南通 226007)

辣椒紅色素是存在于成熟紅辣椒果皮中的一類色素，屬類胡蘿卜色素中的復烯酮類，其不僅著色力強，還很安全，屬于A類著色劑[1-3]。近年來，由于具有抗氧化性、調節免疫系統活性等性質，辣椒紅色素受到廣泛青睞，在食品、藥品中廣泛應用。因此，提取辣椒紅色素對于更好發揮其作用具有重要意義。索氏提取由于具有原料利用率高、提取較完全等優點被廣泛用于辣椒紅色素的提取[4]。

辣椒紅色素的提取是一個復雜的過程，諸多因素會影響其提取率，正交實驗常被用于提取工藝的優化，然而結果可能會不太準確。遺傳算法(genetic algorithm，GA)是一種利用生物學原理的隨機搜索算法，在非線性系統研究中具有極大優勢[5-6]。已有研究表明遺傳算法在生物活性物質提取方面具有很大潛力，而遺傳算法在辣椒紅色素的提取工藝優化方面卻鮮有報道，故本研究試圖利用正交實驗結合遺傳算法提取辣椒紅色素，確定最優提取條件，為制備高濃度辣椒紅色素奠定了理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

干紅辣椒：購于江蘇省南通市某菜市場；無水乙醇(分析純)：國藥集團化學試劑有限公司。

電熱恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；BGZ-240電熱鼓風干燥箱 上海東星實驗設備廠；RE-5203旋轉蒸發器 上海青浦滬西儀器廠；W-100 高速萬能粉碎機 北京中興偉業儀器有限公司；UV-1700紫外可見分光光度計 日本島津公司。

1.2 辣椒預處理

辣椒去籽后置于表面皿中，在干燥箱中于60 ℃烘干2 h取出，降至室溫后用粉碎機粉碎，過40目篩，立即裝進密封袋以防吸水，儲存待用[7]。

1.3 辣椒紅色素標準曲線繪制

辣椒紅色素標準溶液(辣椒紅標準品辣椒紅色素的含量為 90%)的配制：分別稱取0.005，0.01，0.015，0.02，0.025，0.03 g辣椒紅標準品，用乙醇稀釋至25 mL。取0.1 mL上述溶液于比色管中，并用乙醇定容到25 mL。在514 nm處測量各溶液的吸光度值(無水乙醇為空白對照)，繪制標準曲線，見圖1。該標準曲線中質量濃度與吸光度的關系式為：y=0.02+0.1598x(r2=0.99813)。

圖1 標準曲線Fig.1 The standard curve

1.4 辣椒紅色素提取率計算

運用下式計算辣椒紅色素提取率。

式中：η為辣椒紅色素的提取率(%)；C為辣椒紅色素的質量濃度，μg/mL(根據1.3中標準曲線計算得出)；V為提取溶液的總體積，mL；M為提取時所用的干辣椒質量，μg。

1.5 索氏提取

將一定質量的辣椒粉加一定量乙醇于索氏提取器中在一定溫度下提取一定時間，取接收瓶的提取液[8]。

1.6 吸光度的測定

將上述提取液準確稀釋合適的倍數(100～200倍之間)，用紫外分光光度計測量提取液稀釋液在波長514 nm 下的吸光度值，取3次結果的平均值作為最后的吸光度值。

1.7 正交實驗設計

采用3因素3水平的 L9(34) 正交實驗法進行提取，考察料液比、提取時間、提取溫度對提取效率的影響[9]，因素水平表見表1。

表1 實驗因素與水平Table 1 The experimental factors and levels

1.8 遺傳算法

遺傳算法是一個反復迭代的過程，遵循優勝劣汰的原則，類似于生物學中的遺傳法則，適應度高的個體可以較大程度地遺傳給下一代，遺傳的同時也會發生變異[10-11]。最終，在龐大的后代群體中得到若干個最優解。辣椒紅色素提取條件優化的遺傳算法的基本流程圖見圖2。

圖2 遺傳算法過程Fig.2 The genetic algorithm process

在Matlab軟件中，以辣椒紅色素提取率為目標函數。具體參數：初始種群數為40，交叉概率和變異概率分別為0.7和0.02，進化代數為100，隨機運行10次，其余為默認值[12]。

2 結果與分析

2.1 正交實驗結果

單因素預實驗結果表明隨著料液比的增大，提取率先增大后減??；隨著提取時間的延長，提取率先增大后趨于平穩；隨著提取溫度的升高，提取率先增大后減小。根據單因素預實驗結果，進行了正交實驗，正交實驗結果見表2。

表2 L9(34)正交實驗結果Table 2 The results of orthogonal test L9(34)

由表2可知，料液比、提取時間、提取溫度這3個因素中對辣椒紅色素提取率影響的主次關系是提取時間>料液比>提取溫度(B>A>C)。方差分析結果見表3，3個因素均進入模型，極差R可表示各因素對提取率的影響程度，R值越大，影響越顯著[13]，該結果同樣表明上述主次關系，提取時間對辣椒紅色素提取率具有統計學意義(P<0.05)[14]。綜合正交實驗結果，考慮料液比為1∶20，提取時間為4 h，提取溫度為60 ℃為最佳組合。

表3 正交實驗方差結果Table 3 The variance analysis results of orthogonal experiment

2.2 遺傳算法優化結果

以正交實驗結果為基礎，利用遺傳算法優化辣椒紅色素最優提取條件。隨機搜索結果見表4，所得歷代的適應度見圖3。

表4 搜索結果及分析(n=10)Table 4 The search results and analysis (n=10)

圖3 遺傳算法尋優過程Fig.3 The optimizing computation process of genetic algorithm

在進化約50代后，平均適應度和最優適應度均基本保持穩定，維持在10.35%左右，搜索結果較好。經過100 代選擇、交叉和變異操作，10次隨機搜索結果的變異范圍均較小，且RSD<5%，說明模型穩定可靠，10次隨機搜索結果高度相近。由表4可知遺傳算法最優搜索結果為：料液比1∶19.9912，提取時間4.3193 h，提取溫度57.9273 ℃，提取率可達0.8394%；遺傳算法平均搜索結果為：料液比1∶20.0253，提取時間4.3092 h，提取溫度58.2617 ℃，提取率可達0.8310%。為了保持高提取率和方便實際應用，取最佳提取工藝為：料液比1∶20，提取時間4.3 h，提取溫度58 ℃。

2.3 驗證實驗

結合正交實驗、遺傳算法模型結果可知，辣椒紅色素最優提取工藝為料液比1∶20，提取時間4.3 h，提取溫度58 ℃。在該條件下進行3次重復實驗，取計算得出的提取率的平均值作為最終提取率，結果為0.84%，變異系數為1.96%，結果可信度較高，該最優條件具有可行性[15]。

3 結論

采用正交實驗和遺傳算法共同優化了辣椒紅色素的提取條件。結果為料液比1∶20，提取時間4.3 h，提取溫度58 ℃。正交實驗基礎上的遺傳算法經過多次世代進化可在最大范圍內尋求最優解，獲得最優的、最接近客觀實際的提取工藝參數。實驗結果證明正交實驗結合遺傳算法可用于辣椒紅色素提取工藝的優化，為提高辣椒紅色素提取效率提供了新的思路。