響應面法優化紅花刺槐色素的工藝研究

李秋鳳，王金亭

（聊城大學東昌學院，山東聊城 252000）

刺槐（Robinia pseudoaeaeia L.）為豆科刺槐屬（Robinia）的代表性植物，起源于美國，17世紀傳入歐洲，我國于19世紀末從歐洲引人，故名洋槐[1]。紅花刺槐[R.pseudoacacia L.f.decaisneana（Carr.）Voss.]是刺槐的種間雜種（R.pseudoaeaeia×R.viseose）安比刺槐（R.ambigua）的一個栽培變種，是近幾年的引進樹種，在我國南京、北京、大連、沈陽、上海、山東等地有栽培[2]。紅花刺槐用于園林綠化，不僅具有吸附灰塵、凈化空氣、減弱噪音、改善環境的作用，而且生長迅速、干形冠色美觀，是良好的速生觀賞喬木。宋立功等研究表明[3]：紅花刺槐鮮枝葉粗蛋白含量為21.08%，高于沙棘葉粗蛋白含量4%，且富含多種維生素、微量元素及多種氨基酸，無刺、適口性好，可以作為飼用樹種廣泛推廣。在山東地區5月開花，花色艷麗，色素含量較高。文獻檢索表明，未見有關其紅色素的研究報道。本文利用微波輔助技術提取紅色素，并對微波功率、微波時間、料液比三因子進行中心組合設計，利用響應面法（Response Surface Methodolog，RSM）優化紅色素的最佳提取工藝參數，從而為該色素的提取提供理論參考。

1 材料與儀器

TU1800紫外可見分光光度計：北京普析；722E可見分光光度計：上海光譜；AR1140電子天平：美國奧豪斯；MG08S－2B連續微波處理器：南京匯研；RE－52A旋轉蒸發儀：上海亞榮；PHS－3C酸度計：上海雷磁；FD－1B－50真空冷凍干燥機：北京博醫康；所用試劑均為分析純。

刺槐紅花：采于聊城市區，由聊城大學生科院黃勇教授鑒定。收集紅花刺槐落花，風干、去雜、粉碎、過60目篩備用。

2 實驗方法

2.1 色素的吸收光譜

稱取1.00 g紅花刺槐干花，以鹽酸乙醇（0.1 mol/L HCl∶95%乙醇=1∶99，體積比）為溶劑，常溫浸提 4 h，合并兩次濾液，離心取上清，真空濃縮，0.1 mol/L檸檬酸水溶液定容至100mL，紫外可見分光光度計在400nm～600 nm范圍內掃描，確定可見光區最大吸收波長λmax。

2.2 溶劑的選擇

分別選擇4種不同溶劑，按方法2.1實驗，用722E可見分光光度計在548 nm處測量各樣品的吸光度。

2.3 單因素試驗

稱取1.00 g紅花刺槐干花若干份，以鹽酸乙醇作提取劑，分別在不同的微波功率、微波時間、提取劑濃度、料液比等條件下做單因子平行試驗，提取2次，0.1 mol/L檸檬酸水溶液定容至100 mL，用722E可見分光光度計在548 nm處測量各樣品的吸光度。

2.4 響應面法優化試驗

根據單因素試驗結果，以微波時間（A）、微波功率（B）、料液比（C）3個因素與色素提取產量進行響應面試驗設計，優化刺槐紅色素提取工藝。通過Design Expert V8.0.6.1軟件對試驗數據進行回歸分析，預測紅色素提取的最優工藝參數。

應用改進的Fuleki方法計算色素產率，調節色素提取液的pH至3.0，稀釋適當倍數后在535 nm下測定光密度（A535）值，按下列經驗公式[4]計算紅色素的提取產量（mg/g）。

式中：A535為色素在535 nm波長處的吸光度；V為一定重量的干花提取色素時的定容體積，mL；n為比色時稀釋的倍數；98.2為花色苷色素在535 nm波長處的平均消光系數；W為干花的重量，g。

2.5 對比實驗

稱取1.00 g紅花刺槐干花6份，1份～3份按單因素最佳條件提取，5份～6份用RSM優化的工藝條件提取，反復提取5次至無色，按方法2.4計算色素產率。

3 結果與討論

3.1 最大吸收波長

刺槐紅色素的紫外可見吸收光譜結果見圖1。

圖1 刺槐紅花色素的紫外可見吸收光譜Fig.1 UV-visible absorption spectrum of RFRP

由圖1可看出，紅花刺槐紅色素在可見光區的最大吸收波長為λmax=548 nm。

3.2 溶劑選擇

實驗結果如表1所示，以鹽酸乙醇（0.1 mol/L HCl∶95%乙醇=1∶99體積比）為溶劑，提取效果最好，作為后續實驗的提取溶劑。

表1 溶劑選擇結果Table 1 Results of solvent selection

3.2 單因素試驗

3.2.1 微波時間的選擇

按鹽酸乙醇、料液比 1∶30（g/mL）、室溫、500 W 的條件，分別以 20、30、40、50、60 s的微波處理時間進行試驗測吸光值（表2）。由表2可知，在40 s時吸光度值最大，說明微波處理時間以40 s為佳。

3.2.2 微波功率的選擇

按鹽酸乙醇、料液比 1∶30（g/mL）、室溫、40 s的條件，分別采用 300、400、500、600、700 W 微波功率進行試驗測吸光值（表2）。由表2可知，在500 W時吸光度值最大，說明微波功率以500 W為佳。

表2 單因素試驗結果Table 2 Result of single factor

3.2.3 料液比的選擇

按鹽酸乙醇、室溫、40 s、500 W的條件，分別以1∶20、1∶30、1∶40 、1∶50、1∶60（g/mL）的料液比進行試驗測吸光值（表 2）。由表 2 可知，在料液比 1∶40（g/mL）時提取效果較好。

3.2.4 提取劑濃度的選擇

按料液比 1∶40、室溫、40 s、500 W 的條件，分別采用55%、60%、75%、85%、95%的鹽酸乙醇做提取劑進行試驗測吸光值（表2）。由表2可知，在提取劑為95%的鹽酸乙醇時提取效果較好，后續RSM實驗采用95%鹽酸乙醇作為提取劑。

3.3 響應面法實驗

3.3.1 響應面法實驗分析

RSM分析實驗結果見表3。

表3 響應面分析實驗及結果Table 3 Experiments and extraction yield of red pigment with Box-Behnken software

利用Design Expert軟件對表3數據進行二次多元回歸擬合，得到紅色素提取產量預測值對編碼自變量A、B和C的二次多項回歸方程為：

Y=119.00+1.10A－1.91B+4.63C－9.86A2－

17.33B2－6.47C2－11.28AB－2.12AC－0.81BC對上述回歸模型進行方差分析，見表4。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance with regression model

結果表明：模型是顯著的（P＜0.000 1），回歸模型的決定系數為0.977 4，說明該模型能夠解釋97.7%的變化，因此，可用此模型對刺槐紅色素提取產量進行分析和預測。

3.3.2 紅色素提取產量的響應面優化

利用Design Expert軟件對表3數據進行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應面及其等高線見圖2～圖3。

圖2顯示，等高線呈橢圓形，表示微波時間和微波功率兩因素交互作用顯著[5－6]。在料液比為 1∶40（g/mL）時，微波時間與功率對紅色素提取產量影響較大。微波能可有效提高色素的浸出率[7]，適當延長微波處理時間或增加微波功率，可提高紅花刺槐色素的提取產量。但微波能過大，提取溫度過高，紅色素變得不穩定，提取產量反而下降。

由圖3可知，微波處理時間和料液比的交互作用、微波功率和料液比的交互作用不顯著。在微波處理時間、微波功率相對固定時，在一定的料液比范圍內，隨著料液比的增大，紅色素的提取產量有所增加。但料液比超過一定范圍后，色素的提取產量反而下降，可能是料液比過大時，色素濃度下降，色素分子間作用力變小，其穩定性下降而容易分解，導致色素產量下降[8]。

圖2 微波功率和時間交互作用對刺槐紅花色素提取產量的影響Fig.2 Effect of interaction of the microwave power and time on the extraction yield of RFRP

圖3 A/C交互和B/C交互作用對刺槐紅花色素提取產量的影響Fig.3 Effect of interaction of the A/C and B/C on the extraction yield of RFRP

3.4 對比實驗

對比實驗結果見表5。

表5 對比試驗結果Table 5 Result of contrast test

由表5可看出，在優化條件下提取紅色素，提取產量比微波輔助提取單因素最佳條件的提取產量高3.15%。

4 結論

用響應面法對紅花刺槐紅色素的提取工藝進行了優化。建立的紅色素提取產量的二次多項數學模型具有顯著性（p＜0.000 1），決定系數為0.977 4。由模型可知：在微波處理時間為40.65s、微波功率為491.57W、料液比1∶43.53（g/mL）的條件下，紅色素最大提取產量預測值為119.934 mg/g，實際提取產量比微波輔助提取單因素最佳條件的提取產量高3.15%。

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[1]趙梁軍.刺槐新品種——無刺紅花刺槐[J].中國花卉園藝,2004(9):40-42

[2]柳晨意,黃勇.國產刺槐屬植物特性及其園林應用價值[J].安徽農業科學,2008,36(28):12169-12170

[3]宋立功,方志達,楊敏生,等.紅花刺槐的飼用特性分析[J].河北林果研究,2006,21(2):149-152

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[6]王允祥,呂鳳霞,陸兆新.杯傘發酵培養基的響應曲面法優化研究[J].南京農業大學學報,2004,27(3):89-94

[7]李巧玲,陳學武,李琳.微波強化浸取天然色素的研究[J].食品科學,2002,23(2):49-52

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