響應面分析法優化茄子皮中原花青素的提取工藝

魏 瑋，程秀瑋

（天津現代職業技術學院，天津300350）

響應面分析法優化茄子皮中原花青素的提取工藝

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的提取工藝條件進行優化。在單因素實驗基礎上，根據中心組合（Box-Benhnken）實驗設計原理，采用四因素三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。實驗結果表明，茄子皮中原花青素的最佳提取條件為：料液比為1∶50、乙醇濃度為71%、提取溫度為71℃、提取時間為88s，原花青素提取率為3.860%，與理論預測值基本相符。

茄子皮，原花青素，響應面分析法

食品安全問題隨著人們生活水平的提高而越來越受到關注。食品中使用的色素大都通過人工合成且具有鮮艷的色澤、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（Proanthocyanidins）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目的黃烷醇聚合而成，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。它能夠促進血液循環、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，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，因此，本文通過Box-Behnken響應面分析法對以茄子皮中原花青素的提取工藝進行了優化，為其今后的開發利用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

天津快圓茄 市售；兒茶素標準品 Sigma，純度98%；甲醇、無水乙醇、硫酸、香草醛 均為分析純。

721型分光光度計 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型臺式干燥箱 上海和呈制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.4 單因素實驗

1.2.4.1 料液比對原花青素提取率的影響 設置實驗條件為乙醇濃度為50%，提取溫度60℃，微波功率350W，微波作用時間60s，提取1次，研究料液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60）對原花青素提取率的影響。

1.2.4.2 乙醇濃度對原花青素提取率的影響 通過上述實驗確定的最佳料液比，設置實驗條件為提取溫度60℃，微波功率350W，微波作用時間60s，提取1次。研究乙醇濃度（40%、50%、60%、70%、80%、90%）對原花青素提取率的影響。

1.2.4.3 提取溫度對原花青素提取率的影響 通過上述實驗確定最佳料液比、乙醇濃度，設置實驗條件為微波功率350W，微波作用時間60s，提取次數1次。研究提取溫度（40、50、60、70、80、90℃）對原花青素提取率的影響。

1.2.4.4 提取時間對原花青素提取率的影響 通過上述實驗確定最佳料液比、乙醇濃度、提取溫度，設置實驗條件為微波功率350W，提取次數1次。研究提取時間（30、50、70、90、110、130s）對原花青素提取率的影響。

1.2.4.5 提取次數對原花青素提取率的影響 通過上述實驗確定的最佳的料液比、乙醇濃度、提取溫度、提取時間，設置實驗條件為微波功率350W。研究提取次數（1、2、3、4、5、6次）對原花青素提取率的影響。

1.2.4.6 微波功率對原花青素提取率的影響 通過上述實驗確定的最佳料液比、乙醇濃度和提取溫度、提取時間和提取次數，研究微波功率（300、400、500、600、700、800W）對原花青素提取率的影響。

1.2.5 響應面分析法優化茄子皮中原花青素的提取

1.2.1 標準曲線的建立 配制0.1mg/m L兒茶素標準溶液，分別吸取0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0m L置于6個10m L容量瓶中，各加入乙醇溶液定容至10m L，各取1m L置于試管中，分別向其中加入2.5m L 3%香草醛乙醇溶液和2.5m L 30%硫酸乙醇溶液，搖勻，于30℃水浴20m in，然后在500nm處測定吸光度，并繪制標準曲線。線性回歸方程為y=2.3964x-0.4303，R2=0.9998，具有很好的線性關系。

1.2.2 茄子皮中原花青素的提取[7]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50m L錐形瓶中，加入pH 5.0的50%乙醇提取劑提取一段時間，離心，得到原花青素類物質提取液。

1.2.3 茄子皮中原花青素含量的測定 采用硫酸-香草醛法[8]測定樣品中原花青素含量。取樣品溶液1m L按照標準曲線制作方法操作，于500nm處測定吸光度，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。條件[9-12]在單因素實驗的基礎上，固定原花青素提取次數2次、微波功率600W。重點考察料液比（A）、乙醇濃度（B）、提取溫度（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實驗，以原花青素提取率為實驗指標，采用Design-expert 8.0對實驗數據進行回歸分析，推測出原花青素提取最佳工藝參數。實驗因素水平設計見表1。

表1 響應面法實驗的因素水平編碼Table 1 The factors and levels coding of response surface method test

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 料液比的選擇 從圖1中可以看出，料液比為1∶10至1∶50時，原花青素提取率的數值曲線呈現總體上升趨勢。當料液比為1∶50時原花青素提取率得到最大值。但是，當料液比為1∶60時，曲線下降，原因可能為單位乙醇溶液體積內的原花青素含量降低，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1 料液比對原花青素提取效果的影響Fig.1 Effectof solid-liquid ratio on the extraction of proanthocyanidins

2.1.2 乙醇濃度選擇 從圖2可以看出，乙醇濃度的增大，使得原花青素提取率先呈現出上升趨勢；當乙醇濃度超過70%時，原花青素提取率呈現出下降趨勢，究其原因是由于一些醇溶性物質隨著乙醇濃度的增大而溶出，這些物質與原花青素競爭與乙醇-水分子相結合，因而使得原花青素提取率下降。故確定最佳乙醇濃度為70%。

2.1.3 提取溫度的選擇 從圖3可以看出，當提取溫度升高時，原花青素提取率呈上升趨勢，但當提取溫

度超過70℃時，原花青素提取率開始下降，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℃。

圖2 乙醇濃度對原花青素提取效果的影響Fig.2 Effect of ethanol concentration on the extraction of proanthocyanidins

圖3 提取溫度對原花青素提取效果的影響Fig.3 Effectof extraction temperature on the extraction of proanthocyanidins

2.1.4 提取時間的選擇 從圖4可以看出，隨著提取時間的延長，原花青素提取率呈上升趨勢。當提取時間超過90s后，原花青素提取率增長不明顯。考慮到能源消耗和經濟成本，故而選擇最佳提取時間為90s。

圖4 提取時間對原花青素提取效果的影響Fig.4 Effect of extraction time on the extraction of proanthocyanidins

2.1.5 提取次數的選擇 從圖5可以看出，隨著提取次數的增加，原花青素提取率呈上升趨勢。當提取次數超過2次以后，上升趨勢減緩，原花青素提取率增加不明顯。考慮到節約成本和時間，選擇最佳提取次數為2次。

圖5 提取次數對原花青素提取效果的影響Fig.5 Effectof extraction times on the extraction of proanthocyanidins

2.1.6 微波功率的選擇 從圖6可以看出，隨著微波功率逐漸增大，原花青素提取率也逐漸增加；當微波功率超過600W時，原花青素提取率有下降趨勢。這是由于低功率對細胞破壞小，使得原花青素提取率較低；高功率微波使得溫度上升迅速，導致原花青素被氧化，提取率減小。因而選擇最佳微波功率為600W。

圖6 微波功率對原花青素提取效果的影響Fig.6 Effectofmicrowave power on the extraction of proanthocyanidins

2.2 原花青素提取工藝的優化

2.2.1 響應面實驗結果及分析 根據實驗數據（表2），對各因素進行回歸擬合，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因素顯著性，結果見表3。

由方差分析（表3）可知，模型極顯著（p＜0.01）。失擬項不顯著（p＞0.05），這說明實驗數據顯示的殘差是由隨機誤差所引起來的。R2=0.9534，R2Adj=0.9069說明該模型與實驗擬合良好，自變量與響應值之間線性關系顯著。CV值越低，實驗的可靠性越高，本實驗CV=4.22%，說明實驗操作可信。信噪比為16.168，遠大于4，說明該模型擬合度和可信度均較高。由此可見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。從表3中p值可知，B、D、BD、A2、B2、C2和D2對Y值影響高度顯著，CD對Y值影響顯著。依據F值大小比較，得出各個因素對原花

青素的提取率Y值的影響作用關系為：B＞D＞A＞C，即乙醇濃度＞提取時間＞料液比＞提取溫度。

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

2.2.2 因素交互作用分析 由圖7可知，提取時間與乙醇濃度交互作用顯著，乙醇濃度值小時，原花青素的提取率隨提取時間的延長而減少；乙醇濃度值增大時，提取率隨提取時間的延長呈現出先增大而后減小的趨勢。乙醇濃度70%，提取時間90s時接近最優點。

圖7 提取時間與乙醇濃度的交互作用對原花青素提取率的影響Fig.7 Response surface plots of extracting time and ethanol concentration on the yield of proanthocyanidins

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

注：R2=0.9534，CV=4.22%；p<0.05說明模型或考察因素顯著影響，p<0.01則影響高度顯著。

由圖8可知，提取時間和提取溫度對原花青素的提取率的交互作用較為明顯，提取時間90s、提取溫度70℃時接近最優點。

圖8 提取時間和提取溫度交互作用對原花青素提取率的影響Fig.8 Response surface plots of extracting time and temperature on the yield of proanthocyanidins

比較以上2圖可知，交互作用對于提取率的影響次序是提取時間與乙醇濃度的交互作用大于提取時間與提取溫度的交互作用，表現為圖7比圖8的響應面曲面更陡峭。即BD的交互作用大于CD的交互作用，與方差分析結果一致。

2.2.3 最佳提取條件的確定及驗證 用Design-Expert軟件對實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∶49.72、B=71.09、C=70.90、D=88.04。即料液比為1∶49.72、乙醇濃度為71.09%、提取溫度為70.90℃、提取時間為88.04s，此時得到理論值最大為3.86906%。為方便實際操作，選取實驗因素為料液比為1∶50、乙醇濃度為71%、提取溫度為71℃、提取時間為88s，在此條件下原花青素提取率為3.860%，與最大理論值非常接近。故而綜合考慮后，該條件（料液比為1∶50、乙醇濃度為71%、提取溫度為71℃、提取時間為88s）確定為最佳提取條件。

3 結論

通過單因素實驗和響應面實驗設計對茄子皮中原花青素的提取工藝條件進行優化，得到各因素對茄子皮中原花青素提取率影響作用關系為B＞D＞A＞C，即乙醇濃度＞提取時間＞料液比＞提取溫度。其最佳工藝參數為：料液比為1∶50、乙醇濃度為71%、提取溫度為71℃、提取時間為88s，在此條件下原花青素提取率為3.860%，與響應面模型所預測的提取率3.86906%十分接近，表明響應面分析法優化茄子皮中原花青素的提取條件準確可靠，具有較好的應用價值。

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Optimization of extraction technique of proanthocyanidin fromeggplant peel by response surface methodology

WEIW ei，CHENG Xiu-wei
（Tianjin Modern Professional Technology College，Tianjin 300350，China）

This paper dealed with the optimization of the process conditions for the extraction technique ofproanthocyanidin from eggplant peel using response surface methodology （RSM）. Experimental factors andtheir levels were determined by one-factor tests. Subsequently，the Box-Benhnken experimental design with 4factors and 3 levels was performed，and the factors influencing the extracted technology were estimated bymeans of regression analysis. Response surface and contour were finally graphed with the extraction yield ofproanthocyanidin from eggplant peel as the response value. The results showed that the optimal conditions ofextraction were obtained as follows：solid to solvent ratio at 1∶50（g/mL），concentration of alcohol 71%，temperature71℃，time 88s. Under these conditions，the experimental yield of proanthocyanidin was 3.860% ，which was insubstantial agreement with the theoretically predicted values.

eggplant peel；proanthocyanidin；response surface methodology

TS255.1

：B

：1002-0306（2014）16-0260-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.16.049

2013－11－07

魏瑋（1981-），女，碩士研究生，講師，研究方向：農產品加工及貯藏工程。