響應面法優化紫甘薯花青素的提取工藝

呂躍東，王勇，張文革，何璐，謝程程，宮立晶

（1.遼寧科技大學，遼寧鞍山 114044；2.鞍山師范學院附屬衛校，遼寧鞍山 114001）

紫甘薯是最新研發的一類甘薯品種，優良特異，是旋花科一年生的草本植物，其塊根均呈現出紫紅色，其中不但含有普通甘薯所具備的各種營養成分，還富含天然紅色素，即花青素類色素，該色素不但是一種天然的食用色素，而且還具有營養保健、清除自由基及天然抗氧化等生理活性功能[1]，還具有較好的降血壓、降血脂及抗癌效果[2]，進而顯示出了它的獨具特色，引起了國內外的廣泛關注。紫甘薯花青素在食品、醫藥等方面均有較大的發展前景。

目前，國內關于花青素提取方面報道最多的是溶劑提取法，因花青素在酸性條件下穩定性較好，所以通常采用鹽酸水溶液、鹽酸化乙醇[3-4]、甲酸、乙酸、硫酸及檸檬酸等[5-6]作為提取劑來提取花青素。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

紫甘薯：市售；無水乙醇（AR）、鹽酸（AR）；TA2003N電子天平、LD4-2A型離心機、HH-8數顯恒溫水浴鍋、WFZUV-2000紫外可見分光光度計。

1.2 方法

1.2.1 材料預處理

將新鮮紫甘薯洗干凈，切成約1 cm2的小塊后冷凍干燥，粉碎，4℃避光保存。

1.2.2 紫甘薯花青素的提取工藝

稱取已粉碎的紫甘薯粉，按比例加入濃度一定的乙醇溶液（含1%鹽酸），在設定溫度下提取2 h，3 500 r/min離心10 min，取上清液，即花青素粗提液，備用。

1.2.3 紫甘薯花青素提取的單因素試驗

分別以不同的乙醇濃度、pH、料液比和提取溫度為單因素，考察各因素對紫甘薯花青素提取效果的影響。

1.2.4 響應面法優化提取工藝

綜合考慮單因素試驗結果，選取提取溫度、乙醇濃度、料液比和pH 4個因素為自變量，采用Design-Expert 8.0.4軟件對試驗數據進行回歸分析，預測其最優提取工藝。響應面試驗設計因子水平見表1。

表1 響應面試驗設計因子水平表Table 1 Factors and levels of RSD（Response surface design）

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 乙醇濃度對花青素提取效果的影響

乙醇濃度對花青素提取效果的影響，結果見圖1。

提取液乙醇濃度較低時，花青素溶液的吸光值會隨著乙醇濃度的增大而升高。當濃度大于80%時，花青素溶液的吸光度反而隨著乙醇濃度的增加逐漸減少。乙醇濃度為80%時，花青素溶液的吸光度達到最高點，表明80%的乙醇濃度提取的花青素含量最高。因此，80%的乙醇溶液作為提取劑較為理想。

2.1.2 pH對花青素提取效果的影響

pH對花青素提取效果的影響，如圖2所示。

當提取液的pH為1.0時，花青素的提取率達到最高。當pH大于1.0時，花青素溶液的吸光值隨著pH值的增大而減小。因此，提取液pH為1.0時的提取效果最好。

2.1.3 提取溫度對花青素提取效果的影響

提取溫度對花青素提取效果的影響，結果見圖3。

當溫度小于70℃時，溫度的升高有利于花青素的提取，但當溫度大于70℃時，溫度不斷的升高，花青素溶液的吸光度反而下降，可能由于溫度過高會導致花青素的降解。由圖3可知，在70℃時花青素溶液的吸光度達到最高點，表明70℃下提取的花青素含量最高。因此，70℃為最佳提取溫度。

2.1.4 料液比對花青素提取效果的影響

料液比對花青素提取效果的影響，結果見圖4。

花青素的提取率隨著提取劑比重的加大而有所提高，但是，當料液比大于1∶15（g/mL）時，隨提取劑比重的加大反而會造成提取效果的顯著下降。由圖可知，在料液比為1∶15（g/mL）時花青素溶液的吸光度達到最高點，表明在料液比為1∶15（g/mL）時提取的花青素含量最高。因此，確定最佳料液比為1∶15（g/mL）。

2.2 響應面法優化提取工藝結果分析

響應面法設計方案及結果和回歸模型的方差分析見表2和表3。應用Design－Expert 8.0.4軟件對試驗數據進行回歸分析，得到二次多元回歸模型為：

由表3可知，模型的P＜0.01，表明模型的顯著性極高，R2=95.75，Adj R2=91.50，說明模型擬合良好。且由表 3 還可以看出，一次項 X4，二次項 X12、X22、X32、X42，交互項X1X4、X3X4顯著，表明乙醇濃度、提取液pH與乙醇濃度及料液比與提取溫度的交互作用對紫甘薯花青素的提取率有顯著的影響。影響紫甘薯花青素提取率的4個因素的主次因素依次為：乙醇濃度（X4）＞提取液 pH（X1）＞料液比（X2）＞提取溫度（X3）。

表2 響應面試驗設計方案及結果Table 2 Design and results of RSD tests

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance for items of regression equation

利用RSM圖可以更直觀的看出最佳點，及參數間的交互作用，如圖5～圖10，并得到提取紫甘薯花青素的最佳工藝為：提取液pH0.94，料液比1∶14.88，提取溫度69.58℃，乙醇濃度78.31%，在此工藝條件下，花青素的吸光度為0.699。考慮到實際操作的方便，將提取工藝參數修正為：提取液pH1.0，料液比1∶15，提取溫度70℃，乙醇濃度80%。在此條件下實際測得的吸光度為0.694，與理論預測值相比，其相對誤差僅為0.005。由此證明試驗模式合理，結果理想。

3 結論

本試驗選取酸化乙醇水溶液作為提取劑，通過單因素和響應面試驗設計考察提取劑pH、提取劑乙醇濃度、料液比及提取溫度等因素對花青素提取效果的影響，并確定提取紫甘薯花青素的最佳工藝參數為：提取溫度70℃，提取劑乙醇濃度80%，提取液pH1.0料液比1∶15。在此條件下實際測得紫甘薯花青素溶液的吸光度為0.694，與理論預測值相比，其相對誤差僅為0.005。由此證明試驗模式合理，結果理想。

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[1]唐傳核,彭志英.天然花色苷類色素演技現狀及展望[J].食品添加劑,2000(1):26-28

[2]方忠祥,倪元穎.花青素生理功能研究進展[J].廣州食品工業科技[M].2001,17(3):60-62

[3]Nishama K,Muroi T.Anthocyanin isolation from purple sweet potato,JP:823919[P].1996-01-30

[4]Odake K,Terahara N,Saito N,et al.Chemical structures of two anthocyanins from purple sweet potato,Ipomoea batatas[J].Phytochemistry,1992,31(6):2127-2130

[5]杜連啟,李潤豐,程浩.紫甘薯色素的提取工藝及其穩定性研究[J].中國調味品,2006(6):46-50

[6]李洪民.甘薯花青素的乙醇提取研究[J].中國甘薯,1994(7):219-221