響應曲面法優(yōu)化超聲葉黃素的制備工藝

張應鵬，許建國，楊云裳，李春雷

(蘭州理工大學石油化工學院，甘肅蘭州730050)

響應曲面法優(yōu)化超聲葉黃素的制備工藝

張應鵬，許建國，楊云裳，李春雷

(蘭州理工大學石油化工學院，甘肅蘭州730050)

以葉黃素酯為原料，在超聲條件下系統(tǒng)地考察了由葉黃素酯制備葉黃素的條件。在單因素實驗的基礎上，用響應曲面法對葉黃素的制備工藝進行優(yōu)化，以液固比、超聲皂化溫度以及皂化時間為因素，分析了各因子與葉黃素得率的關系。確定最佳皂化反應條件是:皂化時間138min、超聲皂化溫度48℃、液固比15mL/g。在此條件下葉黃素得率達到75.8mg·g-1。

葉黃素，皂化，響應曲面法，超聲波

1 材料與方法

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗表

1.1 材料與儀器

葉黃素酯浸膏 由發(fā)酵壓制的萬壽菊花棒狀顆粒提取得到，由甘肅省豐蕾天然色素有限公司提供;石油醚、氯仿、四氫呋喃、無水乙醇 均為國產(chǎn)分析純。

KQ-100DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲波儀器有限公司;TU-1810紫外可見分光光度計北京普析通用儀器有限責任公司;RE-52A真空旋轉蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;FA1004電子分析天平 上海恒平科學儀器有限公司;真空干燥箱。

1.2 葉黃素的制備

稱取適量葉黃素酯于50mL圓底燒瓶中，加入一定量的KOH-MeOH溶液(皂化液)，在40℃下超聲皂化2h。皂化完畢后處理如下:過濾、5%鹽酸調pH至7、濃縮至干、真空干燥即得產(chǎn)品，測定葉黃素含量。

1.3 葉黃素含量測定方法

本實驗中均采用 AOAC法測定葉黃素的含量［9］，吸收波長為474nm。

1.4 響應曲面分析因素水平的選取

根據(jù)中心復合設計(central composite design，CCD)設計原理［10］，對葉黃素酯制備葉黃素各主要影響因子液固比、超聲皂化溫度以及皂化時間三個影響因素，采用三因素三水平的響應曲面分析方法。共16個實驗點，其中14個為析因點，2個為零點，零點實驗進行了2次，以估計誤差。

表1 由葉黃素酯制備葉黃素的因素水平表

2 結果與分析

2.1 響應曲面法優(yōu)化葉黃素的制備工藝

2.1.1 回歸模型的建立 對皂化反應時間(x1)、超聲皂化溫度(x2)、液固比(x3)設計3因素3水平響應面分析實驗，實驗方案設計與結果見表2。利用STATISTICA 6.0軟件對表2數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到葉黃素得率預測值(y)對編碼自變量x1、 x2和x3的二次多項回歸方程:

表2 葉黃素制備實驗的設計與結果

2.1.2 回歸模型的檢驗 表3為回歸模型的方差分析結果。回歸方差分析顯著性檢驗表明該模型回歸顯著。模型的復相關系數(shù)R2=0.968，說明該模型與實際實驗擬合較好。方程中自變量均為顯著影響因素。自變量與響應值之間線性關系顯著，可以用于葉黃素制備的理論預測。

表3 回歸模型方差分析表

從表4回歸方程系數(shù)顯著性檢驗可知，模型一次項x1、x2、x3不顯著;二次項均處于顯著水平，不顯著;交互項均不顯著，表明各影響因素對葉黃素得率的影響不是簡單的線性關系。

2.2 響應面分析

利用STATISTICA 6.0軟件對表2數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應面圖見圖1～圖3。

圖1 皂化時間和超聲皂化溫度對葉黃素得率影響的響應曲面

圖2 液固比和超聲皂化溫度對葉黃素得率影響的響應曲面

圖3 液固比和皂化時間對葉黃素得率影響的響應曲面

比較3組圖可知，液固比和超聲皂化溫度對葉黃素得率之間的交互作用顯著。相比較而言，其他的因素間交互作用較小。超聲皂化溫度和液固比的一次相系數(shù)較大，有著較大的F值和很小的P值，說明二者是葉黃素酯制備葉黃素的限制因素，較小的波動會引起葉黃素得率的變化。

對皂化反應時間(x1)、超聲皂化溫度(x2)、液固比(x3)作如下變換:Zi=(Xi-X0)/X，式中，Zi為自變量的編碼值，Xi為自變量的真實值，X0為實驗中心點處自變量的真實值，X為自變量的變化步長，葉黃素得率為響應值(Y)。不同實驗條件下所測定的葉黃素得率，利用SAS6.0軟件實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，并對回歸分析結果采用回歸方差分析及顯著性檢驗。結果表明，該模型回歸顯著，決定系數(shù)R2= 0.968，說明該模型與實驗擬合較好，自變量與響應值之間線性關系顯著，可用于實驗的理論預測。

為進一步確定最佳點，在模型濃度范圍內選擇出發(fā)點，按照模型使用快速上升法進行優(yōu)化，可得葉黃素制備的最佳方案為x1=137.9min，x2=48.4℃，x3=14.7mL/g，葉黃素得率可達75.9mg·g-1。

2.3 驗證實驗

為檢驗響應曲面法所得結果的可靠性，采用上述優(yōu)化提取條件進行葉黃素的制備，考慮到實際操作的便利，將提取工藝參數(shù)修正為皂化時間138min、超聲皂化溫度48℃、液固比15mL/g。在此條件下提取3次，實際測得的平均葉黃素得率可達75.8mg·g-1，與理論預測值75.9mg·g-1相比，其相對誤差約為0.13%。因此，基于響應曲面法所得的優(yōu)化工藝參數(shù)準確可靠，具有實用價值。

3 結論

基于實驗設計軟件STATISTICA 6.0，在單因素實驗的基礎上，通過二次回歸設計得到了葉黃素得率與皂化反應時間(x1)、超聲皂化溫度(x2)、液固比(x3)關系的回歸模型，經(jīng)檢驗證明該模型是合理可靠的，能夠較好地預測葉黃素的超聲提取率。利用模型的響應面，對影響葉黃素得率的關鍵因素及其相互作用進行探討，得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為皂化時間138min、超聲皂化溫度48℃、液固比15mL/g。在此條件下葉黃素得率達到75.8mg·g-1。

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Optimization of the ultrasonically assisted production of lutein by response surface method

ZHANG Ying-peng，XU Jian-guo，YANG Yun-shang，LI Chun-lei
(School of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Lutein was achieved using lutein esters by saponification technology were systemically investigated under ultrasonically conditions.Based on the single factor experiments，the affecting factors such as the water/solid ratio (mL/g)，reaction temperature and reaction time were optimized with response surface method(RSM).The impacts of factors on the yield of lutein were analyzed.The results showed that the optimal saponification parameter was the reaction at the water/solid ratio of 15(mL/g)，48℃and 138min.Under the optimum conditions，the yield of lutein can reach 75.8mg·g-1.

lutein;saponification;response surface method;ultrasound

TS201.1

B

1002-0306(2011)03-0250-03

葉黃素，又名“植物黃體素”，是一種廣泛存在于蔬菜、花卉、水果與某些藻類生物中的天然色素，是一種重要的類胡蘿卜素［1］。含葉黃素最豐富的植物是萬壽菊花。早在上世紀80年代中期，西方醫(yī)學研究人員就發(fā)現(xiàn)植物所含天然葉黃素是一種性能優(yōu)異的抗氧化劑［2］。將一定量葉黃素添加到食品中，可防止人體因器官衰老而引起的一系列疾病，并具有預防和延緩老年性黃斑退化引起的視力衰退與失明癥，是目前國際上功能性食品成分研究中的一個熱點［3-6］。目前提取天然葉黃素的方法有:有機溶劑萃取、CO2超臨界萃取、生物技術萃取、微波萃取［7］等。這些傳統(tǒng)方法提取效率低，主要原因是由于一部分葉黃素存在于植物細胞壁內，提取過程中不易溶出，故得率低，耗時長。本研究在傳統(tǒng)溶劑提取的基礎上，采用超聲波處理，利用超聲波的空化作用、熱效應、機械作用加速細胞壁的破碎［8］，促使細胞內葉黃素的溶出，以提高含量，縮短提取時間。影響超聲波破壁作用的主要因素有:超聲頻率、超聲強度、超聲輔助提取時間、溶劑選擇、超聲溫度等。本實驗研究了用響應曲面法優(yōu)化超聲波輔助葉黃素酯制備葉黃素的工藝，借助實驗設計軟件STATISTICA 6.0，采 用 中 心復合設計(central composite design，CCD)對各主要影響因子液固比、超聲皂化溫度以及皂化時間之間的單一和交互作用等進行了較深入的研究，得出超聲波作用下，葉黃素制備的最佳工藝參數(shù)。

2010-01-08

張應鵬(1970-)，博士，副教授，研究方向:生物有機化學。

蘭州市科技攻關項目(0805ZTB007)。