響應面法優化微波輔助提取茄子皮中原花青素工藝

魏瑋，程秀瑋

（天津現代職業技術學院，天津300350）

響應面法優化微波輔助提取茄子皮中原花青素工藝

魏瑋，程秀瑋

（天津現代職業技術學院，天津300350）

利用響應面法對茄子皮中原花青素微波提取工藝條件進行優化。在單因素試驗基礎上，根據中心組合（Box-Benhnken）試驗設計原理，采用4因素3水平的響應面分析法，以原花青素提取率為響應值，進行回歸分析。試驗結果表明，茄子皮中原花青素的最佳提取條件為料液比1∶50、乙醇體積分數70%、微波功率600W、提取時間89s，在此最佳條件下，原花青素提取率3.521%，與理論預測值基本相符。

茄子皮；原花青素；微波輔助提取；響應面分析法

人工合成的色素大都具有鮮艷的色澤、穩定的性質和低廉的價格，但其在合成過程中會伴隨毒性的產生，因而，在食品、醫藥等行業中天然色素越來越受到人們的重視[1]。

原花青素（proantho cyanidins，PC）是一種有著特殊分子結構的生物類黃酮，是目前國際上公認的清除人體內自由基最有效的天然抗氧化劑[2]。這類化合物由不同數量的黃烷醇聚合而成，在酸性溶液中加熱均可生成花青素，故將此類多酚類化合物命名為原花青素。其能夠促進血液循環、保護視力、滋潤皮膚、加速膽固醇的分解和排除，并且能夠減輕炎癥，作為心臟的保護劑等功效[3]。

茄子是茄科茄屬一年生草本植物，屬于茄科家族中的一員。其結出的果實可食用，顏色多為紫色或紫黑色，也有淡綠色或白色品種。茄子的營養較豐富，含有蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素以及鈣、磷、鐵等多種營養成分。茄子皮中富含有VE和VP，對保護心血管、延緩人體衰老具有積極意義[4-6]。茄子皮中含有的原花青素可提取作為天然食用色素。微波提取技術具有速度快、時間短、安全環保、提取率高等特點被廣泛應用在植物有效成分的提取工藝中[7]。本試驗通過以Box-Behnken響應面分析法對以茄子皮為原料進行微波提取原花青素的工藝進行了研究，確定了以茄子皮為原料生產原花青素的最佳工藝參數，為其工業化生產提供了理論化依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

天津快圓茄：市售。

兒茶素標準品（純度98%）：美國Sigma公司；甲醇、無水乙醇、硫酸、香草醛均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

721分光光度計：上海精密科學儀器有限公司；WF-2000型微波快速反應器：上海屹堯分析儀器有限公司；HHS-11-2型智能數顯電熱恒溫水浴鍋：上海百典儀器設備有限公司；HG-9023A臺式干燥箱：上海和呈制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 標準曲線的建立

配制0.1mg/mL兒茶素標準溶液，分別吸取0、1.0mL、2.0mL、3.0mL、4.0mL、5.0mL置于6個10mL容量瓶中，各加入乙醇（體積分數為70%）溶液定容至10mL，各取1mL置于試管中，分別向其中加入體積分數3%香草醛乙醇溶液2.5mL和體積分數30%硫酸乙醇溶液2.5mL，搖勻，于30℃水浴20min，然后在波長500nm處測定吸光度值，繪制標準曲線。1.3.2茄子皮中原花青素的提取[8]

刮取新鮮茄子果皮，剔除果皮上多余果肉，將剪碎的茄子皮置于37℃干燥箱中烘干48h，經粉碎后過60目（0.3mm）篩，備用。注意避光密封保存。精確稱取1.0g茄子皮干粉于50mL錐形瓶中，加入體積分數為50%乙醇提取劑（pH 5.0）提取一段時間，離心，得到原花青素類物質提取液。

1.3.3 茄子皮中原花青素含量的測定

采用硫酸-香草醛法[9]測定樣品中原花青素含量。取樣品溶液1mL按照標準曲線制作方法操作，于波長500nm處測定吸光度值，根據標準曲線計算出樣品中原花青素含量，即提取到的原花青素質量占茄子皮干燥粉末質量的百分比，原花青素提取率計算公式：

1.3.4 單因素試驗

料液比對原花青素提取率的影響：乙醇體積分數為50%，提取溫度為60℃，微波功率為350W，微波作用時間60s的條件下提取1次，研究原花青素在料液比1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60條件下的提取率。

乙醇體積分數對原花青素提取率的影響：通過上述試驗確定最佳料液比，此時試驗條件為試驗提取溫度為60℃，微波功率為350W，微波作用時間60s，提取次數為1次。研究原花青素在乙醇體積分數為40%、50%、60%、70%、80%、90%條件下的提取率。

微波功率對原花青素提取率的影響：通過上述試驗確定最佳料液比、乙醇體積分數，此時試驗條件為提取溫度60℃，微波作用時間60s的條件下提取1次，研究原花青素在微波功率300W、400W、500W、600W、700W、800W條件下的提取率。

提取溫度對原花青素提取率的影響：通過上述試驗確定最佳料液比、乙醇體積分數、微波功率，此時試驗條件為微波作用時間60s，提取次數1次。研究原花青素在提取溫度40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃條件下的提取率。

提取時間對原花青素提取率的影響：通過上述試驗確定的最佳料液比、乙醇體積分數、微波功率及提取溫度，提取1次，研究原花青素在提取時間30s、50s、70s、90s、110s、130s條件下的提取率。

提取次數對原花青素提取率的影響：通過上述試驗確定的最佳的料液比、乙醇體積分數、微波功率、提取溫度、提取時間，研究原花青素在提取次數1次、2次、3次、4次、5次、6次條件下的提取率。

1.3.5 響應面分析法優化茄子皮中原花青素的提取條件[10-15]

考慮到原花青素在70℃以上易發生降解反應，故選擇提取溫度為70℃以保證原花青素含量。在單因素試驗的基礎上，固定原花青素提取次數2次。重點考察料液比（A）、乙醇體積分數（B）、微波功率（C）和提取時間（D）對茄子皮中原花青素提取效果的影響，根據Box-Behnken中心組合設計方案進行試驗，以原花青素得率為試驗指標，采用Design-expert 8.0對試驗數據進行回歸分析，推測出原花青素提取最佳工藝參數。試驗因素水平設計見表1。

表1 響應面法試驗的因素水平編碼Table 1 Factors and levels coding of response surface method test

2 結果與分析

2.1 原花青素標準曲線制作

以兒茶素標準溶液質量濃度（x）為橫坐標，其吸光度值（y）為縱坐標，繪制標準曲線見圖1。標準曲線線性回歸方程為y=2.92x+0.001 7，線性相關系數R2=0.999 5，具有很好的線性關系。

圖1 原花青素標準曲線Fig.1 Standard curve of proanthocyanidins

2.2 單因素試驗

2.2.1 料液比的選擇

不同的料液比對原花青素提取率的影響結果見圖2。

從圖2可以看出，料液比為1∶10至1∶50時，原花青素得率數值曲線呈現總體上升趨勢。當料液比為1∶50時原花青素得率得到最大值。但是，當料液比為1∶60時，提取率下降，原因可能為單位乙醇溶液體積中的原花青素含量減少，容易發生氧化反應，被氧化的原花青素隨其溶劑體積增大而呈現增大趨勢。若此時加大溶劑用量，則會影響后序濃縮工藝，并造成溶劑浪費，加大成本。因而選擇最佳料液比為1∶50。

圖2 料液比對原花青素提取效果的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction of proanthocyanidins

2.2.2 乙醇體積分數選擇

不同的乙醇體積分數對原花青素提取率的影響結果見圖3。

圖3 乙醇體積分數對原花青素提取效果的影響Fig.3 Effect of ethanol volume fraction on the extraction of proanthocyanidins

從圖3可以看出，乙醇體積分數的增大，使得原花青素得率先呈現出上升趨勢；當乙醇體積分數超過70%時，原花青素得率呈現出下降趨勢，究其原因是由于一些醇溶性物質隨著乙醇體積分數的增大而溶出，這些物質與原花青素競爭，與乙醇-水分子相結合，因而使得原花青素得率下降。故確定最佳乙醇體積分數為70%。

2.2.3 微波功率的選擇

不同的微波功率對原花青素提取率的影響結果見圖4。

圖4 微波功率對原花青素得率的影響Fig.4 Effect of microwave power on proanthocyanidins yield

從圖4可以看出，隨著微波功率逐漸增大，原花青素得率也逐漸增加；當微波功率超過600W時，原花青素得率有下降趨勢。這是由于低功率對細胞破壞小，使得原花青素得率較低；高功率微波使得溫度上升迅速，導致原花青素被氧化，得率減小。因而選擇最佳微波功率為600W。

2.2.4 提取溫度的選擇

不同的提取溫度對原花青素提取率的影響結果見圖5。

從圖5可以看出，當提取溫度升高時，原花青素得率呈上升趨勢，但當提取溫度超過70℃時，原花青素得率開始下降，這是由于隨著提取溫度的升高原花青素的有效成分易受熱被破壞，因而確定最佳提取溫度為70℃。

2.2.5 提取時間的選擇

不同的提取時間對原花青素提取率的影響結果見圖6。

從圖6可以看出，隨著提取時間的延長，原花青素得率呈上升趨勢。當提取時間超過90s后，原花青素得率增長不明顯。考慮到能源消耗和經濟成本，故而選擇最佳提取時間為90s。

2.2.6 提取次數的選擇

不同的提取時間對原花青素提取率的影響結果見圖7。

從圖7可以看出，隨著提取次數的增加，原花青素得率呈上升趨勢。當提取次數超過2次以后，上升趨勢減緩，原花青素得率增加不明顯。考慮到節約成本和時間，選擇最佳提取次數為2次。

圖7 提取次數對原花青素得率的影響Fig.7 Effect of extraction times on proanthocyanidins yield

2.3 原花青素提取工藝的優化

2.3.1 響應面試驗結果及分析

表2 Box-Behnken響應面法試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken design and results

根據表2結果，對自變量編碼A、B、C、D進行回歸分析，得到二次回歸方程：

通過Design-Expert進行方差分析驗證回歸模型及各參數顯著度，結果見表3。

表3 回歸方程各項的方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由方差分析（見表3）可知，模型P<0.01即影響呈現出高度顯著。失擬項不顯著（P>0.05），這說明試驗數據顯示的殘差是由隨機誤差所引起的。模型決定系數R2=0.986 3，R2Adj=0.972 7，表明該模型的擬合度表現良好，能夠反應試驗的真實值。變異系數（coefficientofvariation，CV）=0.19%，說明試驗操作可信。信噪比為26.273，遠大于4，說明該模型擬合度和可信度均較高。所以該模型方程可以用來分析并預測在不同的條件下茄子皮中的原花青素提取率的變化情況。

由表3可知，對于提取率影響較大的因素為乙醇體積分數、微波功率和提取時間，料液比對原花青素提取率的影響較弱些。此外，乙醇體積分數與微波功率、乙醇體積分數與提取時間以及微波功率與提取時間之間的交互作用對原花青素提取率有極為顯著的影響。因而需考慮不同的乙醇體積分數對于微波的吸收作用有差異，從而會導致原花青素提取率的變化，并且需嚴格控制提取時間以免微波熱效應過長或過短而降低原花青素提取率。比較二次回歸方程中一次項系數絕對值大小為依據，得出各個參數對原花青素提取率（Y）值的影響作用關系為C＞B＞D＞A，即微波功率＞乙醇體積分數＞提取時間＞料液比。

2.3.2 因素交互作用分析

由A、B、C、D構成一個在二維平面上展現三維空間的立體模型，以表現響應值Y的等溫圖。即可以直觀地反應出各個因素對于響應值的影響，反應過程中各因素的相互交互關系對于響應值的影響的響應面及等高線見圖8～圖10。

圖8 乙醇體積分數與微波功率的交互作用對原花青素提取率影響的響應面及等高線Fig.8 Response surface plot and contour line of interaction between ethanol volume fraction and microwave power on proanthocyanidins extraction yield

圖9 乙醇體積分數與提取時間的交互作用對原花青素提取率影響的響應面及等高線Fig.9 Response surface plot and contour line of interaction between ethanol volume fraction and extraction time on proanthocyanidins extraction yield

圖10 微波功率與提取時間的交互作用對原花青素提取率影響的響應面及等高線Fig.10 Response surface plot and contour line of interaction between microwave power and extraction time on proanthocyanidins extraction yield

由圖8～圖10可知，乙醇體積分數、微波功率和提取時間之間的交互作用對于提取率的影響極為顯著，響應面圖曲面較陡；乙醇體積分數與微波功率的交互作用對原花青素的提取率影響最大，表現為圖形曲面最為陡峭。說明微波的吸收能力交互提取溶劑體積分數成為提取原花青素的最顯著因素。溶劑的體積分數并非越大越好，要掌握好其與微波功率和提取時間的關系。

2.3.3 最佳提取條件的確定及驗證

用Design-Expert軟件對試驗模型進一步進行分析，以獲得該方法的最佳提取條件。經分析得出最佳理論點為A= 1∶52.28、B=69.74、C=603.91、D=88.63。即料液比為1∶52.28、乙醇體積分數為69.74%、微波功率為603.91W、提取時間為88.63s，此時得到原花青素提取率理論值最大為3.525 81%。考慮到實際操作條件和可能性，對上述試驗理論數值進行四舍五入，即料液比為1∶50、乙醇體積分數為70%、微波功率為600W、提取時間為89s，在此最佳條件下原花青素提取率為3.521%。

3 結論

通過單因素和響應面分析，優化了茄子皮中原花青素的微波提取工藝，確定了各因素和原花青素提取率（響應值）的關系表達式。采用微波法具有高選擇性、省時、溶劑用量少、低能耗的優點，具有廣泛應用前景。

通過響應面分析，得到茄子皮中原花青素微波提取優化的數學回歸模型：Y=3.51+0.010A+0.015B+0.021C-0.013D+0.012AB-2.500E×10-3AC-5.000E×10-3AD+0.033BC-0.020BD-0.017CD-0.016A2-0.051B2-0.037C2-0.040D2。在此試驗范圍內，該模型能夠較為準確地預測茄子皮中原花青素的提取率。

最佳提取工藝參數為料液比1∶50、乙醇體積分數70%、微波功率600W、提取時間89s，在此最佳條件下原花青素提取率為3.521%。

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Optimization of microwave-assisted extraction of proanthocyanidin from eggplant peel by response surface methodology

WEI Wei,CHENG Xiuwei
（Tianjin Modern Vocational Technology College,Tianjin 300350,China）

The microwave-assisted extraction of proanthocyanidin from eggplant peel by response surface methodology was optimized.On the basis of single factor experiment,the Box-Benhnken experimental design with 4 factors and 3 levels was performed with the proanthocyanidin yield as response value.The results showed that the optimal conditions of extraction were follows:solid to solvent ratio 1∶50(g/ml),alcohol volume fraction 70%,microwave power 600 W,and extraction time 89 s.Under the optimized condition,the extraction yield of proanthocyanidin was 3.521%,which was in substantial agreement with the theoretically predicted value.

eggplant peel;proanthocyanidin;microwave-assisted extraction;response surface methodology

R284.2

A

0254-5071（2014）03-0091-06

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.03.022

2014-01-19

魏瑋（1981-），女，講師，碩士，研究方向為農產品加工及貯藏工程。