響應面優化超聲波輔助提取桑葚花色苷工藝的研究

程秀瑋，魏 瑋

（天津現代職業技術學院 生物化工系，天津 300350）

花色苷（anthocyanin）是一類廣泛存在于植物的根、莖、葉、花、果實等器官的細胞液中的天然的水溶性色素。花色苷是由花色素苷配基（苷元）與各種糖通過糖苷鍵結合而成的一類黃酮多酚類化合物，使植物胞呈現出紅色、藍色或紫色等顏色[1-3]。

花色苷作為一種天然色素，安全、無毒，資源豐富，且對人體具有許多保健功能，如清除體內自由基、抗炎、抗癌、抑制脂質過氧化和預防糖尿病、保護視力等。因此，花色苷現已被廣泛應用于食品、保健品、化妝品、醫藥等行業。

桑葚有很高的營養價值，成熟的桑椹果營養豐富，含有豐富的活性蛋白、維生素、氨基酸、胡蘿卜素、礦物質、白藜蘆醇、花青素等成份，其營養是葡萄的4倍、蘋果的5～6倍，具有提高人體免疫力、延緩衰老、促進造血細胞生長、防止動脈硬化、促進新陳代謝等多種功能[4]。由于桑葚成熟的季節性很強，且外無果皮，水分含量少，不耐碰撞，易霉變，桑葚果實不易儲藏、運輸。因此，開發桑葚果實深加工技術不僅可解決桑葚的貯存、保鮮問題，還可增加桑葚果實的綜合利用，增加產品附加值，擴大產品消費領域。

超聲波提取技術利用其空化效應、機械振動作用、熱效應等破壞植物細胞壁，使有效成分迅速溶解到溶劑里，提高了有效成分的提取得率，縮短了提取時間，減少了高溫對提取成分的影響[5-7]。本文對超聲波輔助提取桑葚花色苷的工藝進行響應面優化，選擇出最佳提取條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桑葚：市購；鹽酸、無水乙醇、Na2HPO4、NaH2PO4、氯化鉀等均為國產分析純：天津科密歐試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

UV-1600紫外可見分光光度計：北京瑞利分析儀器有限公司；AB204-S型電子分析天平：瑞士METTLER TOLEDO公司；KQ-250DB超聲波發生器：昆山市超聲儀器有限公司；HH2電熱恒溫水浴鍋：常州智博瑞儀器制造有限公司、DT5A低速臺式離心機：金山市科析儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 桑葚花色苷提取

新鮮桑葚→洗凈→研磨成漿→加入一定量酸化乙醇溶液（體積分數85%乙醇，含0.4%HCl）→超聲波抽提（20 min，50 ℃，430 W）→離心（3 000 r/min、10 min）→取上層清液為待測原液。

1.3.2 桑葚花色苷含量測定方法

花青苷含量測定采用pH示差法[8-10]。依據pH示差法的原理取0.025 mol/L（pH 1.0）的氯化鉀緩沖液和0.4 mol/L（pH 4.5）的乙酸鈉緩沖液各5 mL分別加入1 mL的待測樣品，混勻，室溫下避光平衡30 min，用蒸餾水作空白，在矢車菊素-3-葡萄糖苷最大吸收波長510 nm和700 nm（校正渾濁度）下，測定吸光度值，稀釋樣品的吸光度值以及原始樣品中花青苷含量按如下公式計算：

式中：TAcy為桑葚花色苷含量，mg/g；V為提取液總體積，mL；n為稀釋倍數；M為矢車菊素-3-葡萄糖苷的分子質量，449.2；ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的消光系數，26900；A為樣品的吸光度值；m為原料的質量，g。

1.3.3 單因素試驗

稱取果漿3.0 g，采用酸性乙醇作為浸提溶劑，以桑葚花色苷含量為考察指標，依次對其進行超聲時間、料液比、超聲溫度及超聲功率的單因素試驗。

1.3.4 響應面優化試驗

在單因素試驗基礎上，根據Box-Benhnken 的中心組合試驗設計原理，采用響應面法進行3因素3水平的中心組合試驗設計，對超聲波提取桑葚花色苷的條件進行優化。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 超聲時間對桑葚花色苷提取的影響

圖1 超聲時間對花色苷含量的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on anthocyanin content

稱取3.0 g果漿，按料液比1∶15加入體積分數85%乙醇（含0.4%HCl）浸提溶劑，在40 ℃下，以300 W功率超聲條件分別提取10 min、15 min、20 min、25 min、30 min后，抽濾、離心（3 000 r/min、10 min）取1 mL上清液，測定其吸光度值A，計算花色苷含量，結果如圖1所示。由圖1可知，超聲提取時間從10 min增加到20 min，桑葚花色苷含量逐漸增大[11]，并于20 min達到最大值；繼續增加超聲波提取時間至30 min，花色苷提取率逐漸降低，因此，超聲時間宜控制在20 min。

2.1.2 料液比對桑葚花色苷提取的影響

稱取3.0 g果漿，分別按料液比1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30（g∶mL）加入體積分數85%乙醇（含0.4% HCl）浸提溶劑，在40 ℃下，以300 W功率超聲波提取20 min后，抽濾、離心（3 000 r/min、10 min），取1 mL上清液，測定其吸光度值A，計算花色苷含量，結果如圖2所示。由圖2可知，隨著料液比的增加，花色苷含量呈現出單一性增長的變化趨勢，但料液比從1∶10（g∶mL）增加到1∶20（g∶mL），花色苷含量變化非常大，而從1∶20（g∶mL）繼續增大到1∶30（g∶mL），含量雖然增加，但變化非常小。因此，考慮料液比過大，反應體系較濃稠，不利于花色苷的溶出以及試驗材料的成本問題，料液比為1∶20（g∶mL）較適宜。

圖2 料液比對花色苷含量的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on anthocyanin content

2.1.3 超聲溫度對桑葚花色苷提取的影響

圖3 超聲溫度對花色苷含量的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperatue on anthocyanin content

稱取3.0 g果漿，按料液比1∶20（g∶mL）加入體積分數85%乙醇（含0.4%HCl）浸提溶劑，分別在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下，以300 W功率超聲波提取20 min后，抽濾、離心（3 000 r/min、10 min），取1 mL上清液，測定吸光度值A，計算花色苷含量，結果如圖3所示。由圖3可知，當超聲溫度從20 ℃升高到50 ℃，桑葚花色苷含量逐漸增大，并于50 ℃達到最大值；繼續升高溫度，含量反而下降，可能是由于色素在高溫條件下逐步降解的緣故，因此，溫度宜控制在50 ℃。

2.1.4 超聲功率對桑葚花色苷提取的影響

稱取3.0 g果漿，按料液比1∶20（g∶mL）加入體積分數85%乙醇（含0.4%HCl）浸提溶劑，在50 ℃下，分別以250 W、300 W、350 W、400 W、450 W、500 W功率超聲波提取20 min后，抽濾、離心（3 000 r/min、10min），取1 mL上清液，測定吸光度值A，計算花色苷含量，結果如圖4所示。由圖4可知，當超聲功率從250 W增大到400 W，桑葚花色苷的含量逐漸增大，并且在超聲功率為400 W時，含量達最大值，此后繼續增大超聲功率，含量開始出現下降的變化趨勢，這可能是由于功率過大，反應體系內局部產生熱量過高[12]，引起花色苷降解，降低了提取效果。因此，適宜的超聲功率應控制在350～450 W范圍內。

圖4 超聲功率對花色苷含量的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on anthocyanin content

2.2 以桑葚花色苷含量為響應值的響應面試驗結果分析

2.2.1 響應面優化設計方案

綜合單因素試驗結果分析，超聲功率、超聲溫度和超聲時間對花色苷提取的影響均表現為隨著超聲功率、超聲溫度和超聲時間的增長，花色苷含量出現不同程度的先增長后下降的變化趨勢；而料液比對花色苷提取的影響則表現為隨著料液比在一定范圍內的增大，花色苷的含量則只呈現出單一性增長的變化趨勢，故不將料液比作為優化設計考察因素。

因此，根據Box-Behnken 的中心組合試驗設計原理[13-14]，在單因素試驗結果基礎上，選取超聲波功率、超聲溫度和超聲時間對花色苷含量影響顯著的3個因素，以桑葚花色苷含量（Y）為考察指標，采用3因素3水平的響應面分析方法[15]，因素與水平見表1。

表2中1～12為析因試驗，13～17為中心試驗。17個試驗點分為析因點和零點，其中析因點為自變量取值在各因素所構成的三維頂點，共有12個析因點；零點為區域的中心點，零點試驗重復5次，用以估計試驗誤差。

表1 響應面試驗因素水平Table 1 Factors and levels of response surface analysis experiment

表2 花色苷提取工藝優化響應面分析試驗設計及結果Table 2 Experimental design for response surface analysis and corresponding experimental data

2.2.2 回歸方程和方差分析

采用Design Expert 7.0 軟件對表2試驗數據進行多元回歸擬合分析得到花色苷含量與各因素變量的多元二次方程模型為：Y=5.76-0.036A+0.028B+0.046C+0.030AB+0.097AC-0.020BC-0.28A2-0.12B2-0.039C2

從表3二次響應面回歸模型的方差分析結果可知，模型的P＜0.000 1，說明對桑葚花色苷超聲波提取建立的回歸模型是極顯著的；失擬項P=0.161 6＞0.05不顯著，模型在整個回歸區域的擬合度很好；變異系數（coefficient of variation，CV）=0.61%，較低，表明該模型精確度高，試驗可信；模型決定系數R2=0.984 1，校正系數R2Adj=0.963 6，表示模型的擬合度良好，預測值與實際值之間具有高度相關性，試驗誤差較小；信噪比=19.113＞4，表明該模型擬合度與可信度均較高。因此可用該回歸方程代替試驗真實點對試驗結果進行分析和預測。

將二次回歸方程中一次項系數絕對值大小作為各參數對花色苷含量影響的比較依據，得出3因素對花色苷含量影響的大小依次為：C＞A＞B，即超聲功率、超聲時間和超聲溫度。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

2.2.3 響應面曲面分析

圖5 各因素交互作用對花色苷含量影響的響應面及等高線Fig.5 Response surface plots and contour line of interaction among each factors on the yield of melberry anthocyanin

為進一步探究A、B、C的交互作用對響應值Y的影響，采用Design-Expert軟件繪制了三維響應曲面圖（見圖5），從圖5可看出AC交互作用對桑葚花色苷提取影響極顯著，而且隨著超聲功率的增加和超聲時間的延長，花色苷含量呈現先上升后下降的趨勢，AB、BC交互作用對含量的影響作用較小。

利用Design Expert 軟件分析，當花色苷含量即響應值（Y）為最大值時，與其相對應的桑椹花色苷的最佳提取條件為：超聲時間20.24 min，超聲溫度50.34 ℃，超聲功率431.60 W，理論最佳花色苷含量為5.770 7 mg/g。

2.3 驗證實驗

為了驗證響應面分析結果的可行性，采用響應面法優化的工藝條件，進行了超聲波輔助提取桑葚花色苷的驗證試驗。考慮到操作的便利性，將提取條件修正為：提取時間20 min，提取溫度50 ℃，超聲功率430 W。平行3次，花色苷的實際平均含量為5.768 1 mg/g，與預測值基本相符，說明響應面法對超聲波提取桑葚花色苷條件的優化是可行的。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，將響應面分析方法應用于超聲波輔助提取桑葚花色苷的條件優化。回歸分析結果表明，超聲溫度對超聲波提取花色苷得率的影響最顯著。回歸分析和驗證試驗結果表明，此方法合理可行。得到超聲波提取花色苷的最佳條件為：超聲時間20 min，超聲溫度50 ℃，超聲功率430 W，花色苷的實際含量為5.768 1 mg/g。

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