響應面法優(yōu)化仙人掌果色素提取工藝研究

趙旭東，夏良躍，蔣變玲

（宿州學院生物與食品工程學院，安徽宿州 234000）

仙人掌為多年生常綠肉質(zhì)灌木狀植物[1]。其果實中含有豐富天然色素及多糖、黃酮、蛋白質(zhì)、維生素和果膠等[2]。研究表明，仙人掌果具有抗氧化、降“三高”等功效，可提高人體免疫力[3]。

但由于天然色素提取效率低、成本較高，目前多數(shù)食品加工仍采用合成色素。仙人掌果中的色素含量多，如果能夠加工利用，所帶來的經(jīng)濟效益將會十分可觀[4]。如何高效提取仙人掌果色素，就顯得尤為重要。

通過響應面法優(yōu)化試驗研究醇法提取仙人掌果色素最佳工藝，較為高效地提取仙人掌果色素，可以進一步為仙人掌果色素的研究提供幫助。

1 材料與方法

1.1 儀器與設備

電熱恒溫水浴鍋，冠森生物科技有限公司產(chǎn)品；pH 計，南京卓瑪機電有限公司產(chǎn)品；紫外可見分光光度計，青島聚創(chuàng)環(huán)保基團有限公司產(chǎn)品。

1.2 材料與試劑

新鮮的綠皮紅心仙人掌果，購自海南三亞；70%乙醇；鹽酸。

1.3 試驗方法

1.3.1 提取仙人掌果紅色素

（1）試驗流程。第1 步：選取新鮮無腐爛變質(zhì)的仙人掌果去除表面毛刺，洗凈后晾干備用。第2 步：去皮去籽。第3 步：放入研缽中搗碎，得到果漿。第4 步：將處理后的果肉倒入100 mL 錐形瓶中，加入70%乙醇，并在恒溫水浴中加熱。第5 步：待提取液冷卻之后，以轉速3 000 r/min 離心，得到上清液。第6 步：取上清液，使用70%乙醇定容至25 mL，于波長530 nm 處測定其吸光度[5-6]。

1.3.2 單因素試驗

（1）料液比的選定。將處理后的果漿分別裝入5 個100 mL 的錐形瓶中，固定pH 值為5，溫度50 ℃，時間60 min，分別考查不同料液比（1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30）對仙人掌果色素提取的影響。

（2）提取溫度的選定。固定料液比為1∶20，pH 值為5，提取時間60 min，分別考查不同溫度（20，30，40，50，60 ℃）對仙人掌果色素提取的影響。

（3）pH 值的選定。固定料液比為1∶20，溫度50 ℃，時間60 min，分別考查不同pH 值（2，3，4，5，6）對仙人掌果色素提取的影響。

（4）提取時間的選定。固定料液比為1∶20，pH 值為5，50 ℃條件下分別考查不同提取時間（30，40，50，60，70 min）對仙人掌果色素提取的影響。

1.3.3 響應面優(yōu)化試驗

在單因素試驗基礎上，選取對仙人掌果色素提取量影響較大的3 個因素進行響應面優(yōu)化試驗。

響應面試驗設計見表1。

表1 響應面試驗設計

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010 和Design Expert 8.0 等對所得數(shù)據(jù)進行整理和分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 料液比的選定

料液比對仙人掌果色素提取的影響見圖1。

圖1 料液比對仙人掌果色素提取的影響

由圖1 可知，料液比為1∶10 和1∶15 時，隨著加入的乙醇的體積增加，吸光度先上升，可能是由于乙醇體積在適當范圍內(nèi)增大，加強了色素的提取能力。料液比為1∶15 時，吸光度達到最大，此時的提取能力最強，而隨著溶劑體積的繼續(xù)增大，吸光度逐漸下降，可能是由于仙人掌果漿遠少于乙醇，降低其溶出能力[7]。因此選取料液比1∶10，1∶15，1∶20 進行響應面法優(yōu)化。

2.1.2 提取溫度的選定

提取溫度對仙人掌果色素提取的影響見圖2。

圖2 提取溫度對仙人掌果色素提取的影響

由圖2 可知，隨著溫度的上升，吸光度逐漸增大。可能是由于溫度的升高，加強了色素的溶出能力，當溫度達到40 ℃時，此時吸光度最大，提取能力最強。溫度繼續(xù)上升，吸光度逐漸下降，由于隨著溫度的不斷升高，過高的溫度造成了色素的分解[8]。故選取溫度為30，40，50 ℃進行響應面法優(yōu)化。

2.1.3 pH 值的選定

pH 值對仙人掌果色素提取的影響見圖3。

圖3 pH 值對仙人掌果色素提取的影響

由圖3 可知，隨著pH 值的增大，吸光度不斷增大，當pH 值高于4，吸光度開始下降，可能是由于pH 值增大，破壞了仙人掌果色素的天然結構[11]。因此選取pH 值為3，4，5 進行響應面法優(yōu)化。

2.1.4 提取時間的選定

提取時間對仙人掌果色素提取的影響見圖4。

圖4 提取時間對仙人掌果色素提取的影響

由圖4 可知，60 min 以內(nèi)，隨著提取時間的延長，吸光度逐漸上升，可能是適當時間內(nèi)，提取時間的延長使得反應更加充分。提取時間高于60 min，吸光度迅速下降，過長的提取時間使天然色素被氧化[2]。相比較于其他因素，提取時間的長短對色素提取量的影響不明顯，故選取60 min 用于后續(xù)試驗。

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 響應面試驗結果

以單因素試驗結果為基本依據(jù)，以吸光度為響應值，進行響應面優(yōu)化試驗。

響應面試驗設計及結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果

對表2 中的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得方程：

2.2.2 方差分析

仙人掌果色素提取響應面方差分析見表3。

表3 仙人掌果色素提取響應面方差分析

由表3 可知，試驗設計模型p＜0.01，差異極顯著，表明吸光度與3 個變量之間有良好的一致性，且失擬項p=0.050 2＞0.05，不顯著，說明該方程具有實際意義，能夠對實際情況進行充分反映。由F 值可知，對試驗指標影響從大到小依次為提取溫度、料液比、pH 值。

2.2.3 響應面分析

pH 值和提取溫度對仙人掌果色素提取影響見圖5，料液比和pH 值對仙人掌果色素提取影響見圖6，料液比和提取溫度對仙人掌果色素提取影響見圖7。

圖5 pH 值和提取溫度對仙人掌果色素提取影響

圖6 料液比和pH 值對仙人掌果色素提取影響

圖7 料液比和提取溫度對仙人掌果色素提取影響

響應面曲面圖中曲線坡度如果變化越大，則表明該因素對色素提取的影響越大，曲線坡度變化較小，那么該因素的影響就較小[9]，由圖5～圖7 可知，提取溫度的響應面坡度變化較為明顯，表明響應值對溫度的變化更加敏銳，而料液比和pH 值的響應面坡度變化相比較與提取溫度不明顯，說明影響較小。

2.2.4 驗證試驗

利用Design Expert 8.0 軟件進行分析，得出仙人掌果提取最佳工藝為提取溫度40.72 ℃，pH 值4.08，料液比1∶15.34，在此條件下得出的吸光度預測值為0.896 616，為方便試驗，優(yōu)化數(shù)據(jù)為提取溫度40 ℃，pH 值4，料液比1∶15。在此條件下重復試驗3 次，分別得到吸光度為0.887，0.901，0.895，得平均值為0.894，所得試驗數(shù)據(jù)與理論值相近，故試驗結果可靠。

3 結論

通過以上試驗可知，醇法提取仙人掌果色素的最優(yōu)提取工藝為料液比1∶15，pH 值4，溫度40 ℃條件下提取60 min。此時的仙人掌果色素的提取量最大，明顯優(yōu)化了仙人掌色素的提取工藝，避免了不必要的浪費，提高了經(jīng)濟效益，且操作簡單便捷，為使用天然色素的開發(fā)提供理論依據(jù)。