紫紅肉火龍果果皮色素提取工藝的響應面法優化

摘要：在單因素試驗基礎上，選擇提取時間、乙醇體積分數、料液比、pH為影響因素，以紫紅肉火龍果[Hylocereus polyrhizus （Weber） Britton Rose]果皮色素提取液吸光度為響應值，應用中心組合（Box-Behnken）試驗設計建立數學模型，進行響應面分析，以優化提取工藝。結果表明，紫紅肉火龍果果皮色素提取的最佳工藝條件為提取時間51 min、乙醇體積分數32%、料液比1∶45（m/V，g∶mL）、pH 5.3。

關鍵詞：紫紅肉火龍果[Hylocereus polyrhizus （Weber） Britton Rose]；色素；響應面分析

中圖分類號：TQ914.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）02-0418-05

火龍果又稱仙蜜果、紅龍果、吉祥果等，為仙人掌科量天尺屬植物，原產于墨西哥、中美洲等熱帶沙漠地區，隨后在亞洲地區如越南、馬來西亞、菲律賓和中國的臺灣等地發展成商業化種植。目前在中國廣東、廣西、海南、福建等地區也有一定規模的種植[1，2]。火龍果按果皮以及果肉顏色的不同可以分為紅皮白肉、紅皮紅肉、黃皮白肉3類[3，4]，紅皮白肉火龍果的果皮以及紅皮紅肉火龍果的果皮和果肉均含有豐富的天然色素。因合成色素不但沒有營養，而且大多數對人體有害，甚至還有致癌作用，因此開發利用火龍果果皮的天然色素具有非常重要的意義。除此以外，研究發現火龍果所含的天然色素——甜菜紅（Betalanins）具有抗氧化、減少和清除自由基的作用，并可抑制黑色素瘤細胞、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、酵母菌以及霉菌的生長[5-8]，如能將火龍果色素所具有的功能應用于食品和醫藥行業中也具有極其重要的意義。

本研究以紫紅肉火龍果[Hylocereus polyrhizus （Weber） Britton Rose]果皮為材料，應用響應面法優化紫紅肉火龍果色素的提取條件，為開發火龍果色素提供依據，同時也可以使廢棄的火龍果果皮這一豐富的資源得到充分利用。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑 紫紅肉火龍果[Hylocereus polyrhizus （Weber） Britton Rose]購于廣東省陽江市。無水乙醇、鹽酸、丙酮均為分析純。

1.1.2 儀器與設備 U3010型紫外-可見分光光度計購自日本Hitachi公司，恒溫搖床購自上海福瑪實驗設備有限公司，循環水式多用真空泵購自鄭州長城科工貿有限公司，PHS-3C型pH計購自上海精密科學儀器有限公司，LGJ-25型冷凍干燥機購自北京四環科學儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程 火龍果→清洗、晾干→果皮、果肉分離→果皮打漿→冷凍干燥→溶劑提取→抽濾→得到色素提取液。

1.2.2 操作要點 將火龍果洗干凈，去除果皮青色以及黃色的鱗片，晾干果表面的水分，將果肉和果皮分離，將果皮打漿，冷凍干燥。精確稱取1.0 g干燥的火龍果果皮加入設定體積的溶劑，在室溫下用搖床提取預定的時間，抽濾，濾液即為火龍果果皮色素提取液。將提取的火龍果色素提取液定容至100 mL，稀釋2.5倍后，在400～700 nm波長范圍內進行掃描，以確定色素的最大吸收波長，在最大吸收峰的波長下測定色素的吸光度，以吸光度表征提取液中色素的含量。

1.2.3 溶劑的篩選試驗 精確稱取1.0 g冷凍干燥后的火龍果果皮，分別用50 mL 0.1 mol/L HCl、10%丙酮、去離子水和10%乙醇進行提取，選擇提取效果最優的溶劑進行后續試驗。

1.2.4 單因素試驗 為探索各提取因素對紫紅肉火龍果果皮色素提取率的影響，精確稱取1.0 g冷凍干燥后的火龍果果皮，以料液比、乙醇體積分數、pH和提取時間為考察因素，以火龍果果皮色素提取液吸光度為指標，將提取的火龍果色素提取液定容至100 mL，稀釋2.5倍，倒入光徑1 cm的比色皿中，在最大吸收峰的波長下測定色素的吸光度，以吸光度表征溶液中色素的含量，進行單因素試驗，一式三份取均值，單因素試驗因素與水平見表1。

1.2.5 響應面法因素與水平的選取 根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理[9]，綜合單因素試驗結果，選取提取時間、pH、乙醇體積分數和料液比對火龍果果皮色素提取液吸光度影響顯著的4個因素，每個因素取3個水平，并以-1、0、1分別代表因素的水平，在單因素試驗的基礎上采用四因素三水平的響應面法進行試驗，響應面法因素與水平見表2。

1.2.6 統計處理 所有的試驗3次重復，其結果以x±SD的形式表示。

2 結果與分析

2.1 檢測波長的確定

由圖1可知，火龍果果皮色素在536 nm處有最大吸收峰，與報道的大致相同[10-14]，因此確定536 nm為檢測波長。

2.2 提取溶劑的選擇

準確稱取1.0 g冷凍干燥后的火龍果果皮，分別取相同體積的不同溶劑進行提取。由圖2可知，10%乙醇的提取效果最好，因此選擇10%乙醇作為后續提取溶劑。

2.3 單因素試驗結果

2.3.1 料液比對提取火龍果果皮色素的影響 如圖3所示，隨著溶劑用量的增加，火龍果色素提取液的吸光度增加，但溶劑用量達到一定程度時，火龍果果皮中的色素接近全部溶出，再增加溶劑用量不僅不能增加提取量，反而會增加生產成本，因此確定料液比為1∶40。

2.3.2 pH對提取火龍果果皮色素的影響 如圖4所示，隨著pH的增加吸光度先增加后降低，在pH 5時吸光度最高，因此選擇pH 5為最適的pH。

2.3.3 乙醇體積分數對提取火龍果果皮色素的影響 如圖5所示，隨著乙醇體積分數的增加，吸光度先增加，乙醇體積分數為30%時吸光度最高，當乙醇體積分數再增加時吸光度降低，因此確定乙醇體積分數為30%。

2.3.4 提取時間對提取火龍果果皮色素的影響 由圖6可知，隨著提取時間的增長吸光度先增加，但50 min后吸光度反而下降，提取時間過短則提取不完全，提取時間過長則耗時，因此確定50 min為最佳的提取時間。

2.4 提取條件的響應面法優化分析

2.4.1 響應面設計與分析 如表3所示，選用中心復合模型，做四因素三水平共29個試驗點（5個中心點）的響應面分析試驗（3個平行樣）。這29個試驗點分為兩類：其一是析因點，組變量取值在各因素所構成的三維頂點，共24個析因點；其二是零點，為區域的中心點，零點試驗5次重復，用以估計試驗誤差[15]。以火龍果果皮色素提取液吸光度為響應值。采用Design Expert 8.0.7軟件對試驗數據進行回歸分析，由此可求出影響因素的一次效應、二次效應及其交互效應的關聯方程[16]，并作出響應面圖。多元回歸擬合分析得到火龍果果皮色素提取液吸光度與各因素變量的四元二次方程模型為y=0.526 80+7.166 67×10-3x1+0.012 667x2+0.025 583x3+8.250 00×10-3x4-1.500 00×10-3x1x2+5.000 00×10-4x1x3

-2.000 00×10-3x1x4-5.500 000×10-3x2x3+2.000 00×10-3x2x4-9.250 00×10-3x3x4-0.028 775x12-0.020 275x22-0.030 150x32-6.150 00×10-3x42。

對模型進行方差分析，結果見表4。由表4可知，模型回歸關系極顯著（P﹤0.000 1），x1、x2、x3、x4、x12、x22、x32在該模型中為顯著或極顯著變量。R2=0.931 8，表明93.18%的數據可用這個方程解釋。回歸方程各項的方差分析結果還表明方程的失擬項不顯著（P>0.05），表明該方程對試驗擬合情況好、誤差小。

2.4.2 響應面曲面分析 響應面法的圖形是響應值（y）與對應的各因素（x1、x2、x3、x4）所構成的一個三維空間在二維平面上的等高圖。將兩個因素固定在零水平，對另外的兩個因素進行分析，由此可直觀地反應各因素對響應值的影響，還可以找到提取過程中的相互作用[17]。響應面圖如圖7，由圖7可知，乙醇體積分數和pH對提取色素的影響效果顯著，表現為曲線較陡，料液比和提取時間次之，相應表現為曲線較為緩和。

根據所得到的模型，可預測在穩定狀態下的優化工藝條件為提取時間51 min、乙醇體積分數31.65%、料液比1∶44.5、pH 5.29，在此條件下，火龍果果皮色素提取液的吸光度理論值可達到0.535。

為了驗證試驗結果是否與真實情況相一致，從方便操作角度考慮，對模型預測結果進行修正，將最佳的工藝條件修正為提取時間51 min、乙醇體積分數32%、料液比1∶45、pH 5.3。在此條件下進行3次平行試驗，火龍果果皮色素吸光度為0.535，與預測值非常一致。該結果說明優化結果可靠。

3 結論

通過單因素試驗、Box-Behnken中心組合試驗設計及響應面分析對火龍果果皮色素提取工藝進行優化，得出了火龍果果皮色素提取各因素變量的二次方程模型，該模型具有統計學意義，對試驗擬合較好，并獲得優化工藝條件為提取時間51 min、乙醇體積分數32%、料液比1∶45、pH 5.3。

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