響應面法優化紫薇花色素的提取工藝

陳洋，唐瑤，曹婉鑫，劉軍海（陜西理工學院化學與環境科學學院，陜西漢中723001）

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響應面法優化紫薇花色素的提取工藝

陳洋，唐瑤，曹婉鑫，劉軍海
（陜西理工學院化學與環境科學學院，陜西漢中723001）

摘要：對紫薇花色素的提取工藝進行研究，在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken試驗設計對工藝進行了優化。結果表明：紫薇花色素溶液的吸收光譜在波長為576.1 nm處有明顯的吸收峰，可作為測定紫薇花色素溶液吸光度的特定波長。其優化工藝為：超聲功率為400 W，超聲時間為20 min，溫度為53℃，料液比為1∶36（g/mL），乙醇體積分數為50 %，得紫薇花色素提取液的平均吸光度為0.670231，與理論預測值0.674841的誤差為0.7%，說明采用響應面法優化結果可靠。

關鍵詞：紫薇花；響應面試驗；提取；色素

隨著食品加工業的不斷發展，食品色素成為食品加工過程中不可或缺的一部分。食品色素主要分為人工合成色素和天然色素兩大類。人工合成色素使用方便，但隨著人們健康安全意識的提高，人工合成色素的安全性受到廣大消費者的質疑，有研究表明部分人工合成色素對人體細胞具有毒性，有強烈的致癌作用[1]。天然色素無毒無害，色澤自然，色素來源廣、種類多，而且具有一定的營養價值和抗氧化、防衰老、抗癌等藥理作用，逐漸受到人們的重視[2]。

紫薇[3]（Lagerstroemia indica L.），又稱百日紅、紫蘭花，屬千屈菜科（Lythraceae）紫薇屬，其花期長、品種和花色較多、適應能力強，廣泛分布在我國南北各地。紫薇花色素是一種純天然色素，對人體無毒無害，性質比較穩定，適合作為食品色素來進行食品加工。從植物中提取色素的方法主要有浸提法、回流法、超聲法、微波法和超臨界萃取法等[4]。超聲輔助提取法是目前較為常用的提取色素的方法，本試驗采用超聲法對紫薇花色素進行輔助提取并運用響應面法對紫薇花色素的提取工藝進行優化，旨在為紫薇花色素的進一步研究提供參考。

1材料與方法

1.1材料與試劑

材料：紫薇花，2014年9月采摘于陜西漢中陜南科技植物園，經過漂洗烘干粉碎備用。

試劑：分析純無水乙醇，蒸餾水。

1.2儀器與設備

Cary50型紫外可見分光光度計：美國瓦里安；DOB-2003型光電分析天平：重慶實驗設備廠；101型電熱鼓風干燥箱：北京科偉永興儀器有限公司；SHZD9（Ⅲ）循環水式多用真空泵：鄭州長城科工貿有限公司；800型離心機：上海磁極器材廠；JY92-Ⅱ型超聲細胞粉碎機：上海茸研儀器有限公司。

1.3試驗方法

1.3.1確定紫薇花色素的最大吸收波長

準確稱取已備好的紫薇花樣品1.000 g，用35 mL 50 %的乙醇，在超聲功率為400 W，提取溫度為50℃時，超聲提取20 min，抽濾，離心，定容。取定容好的色素提取液于1 cm的比色皿中，在波長為200.00 nm~ 800.00 nm范圍內進行掃描[5]，測定吸光度，篩選出紫薇花色素提取液的最大吸收波長。

1.3.2提取方法

準確稱取1.000 g紫薇花樣品，經超聲輔助溶劑提取，抽濾，離心，定容，在波長576.1 nm處測定不同濾液的吸光度A576.1[6]。

1.3.3單因素試驗

以超聲時間、溫度、料液比、乙醇體積分數作為影響紫薇花色素提取效果的因素，以色素提取液的吸光度作為紫薇花色素提取效果的評價指標。

1.3.3.1溫度的選擇

在超聲功率為400 W，提取時間為20 min，乙醇體積分數為50 %，料液比為1∶35（g/mL）的條件下，溫度依次為30、40、50、60、80℃下進行提取，在波長為576.1 nm處測定不同提取液的吸光值A576.1。

1.3.3.2超聲時間的影響

在超聲功率為400 W，溫度為50℃，乙醇體積分數為50 %，料液比為1∶35（g/mL）的條件下，依次進行超聲輔助提取5、10、15、20、25 min，在波長為576.1 nm處測定不同提取液的吸光值A576.1。

1.3.3.3料液比的選擇

在超聲功率為400 W，提取時間為20 min，溫度為50℃，乙醇體積分數為50 %，料液比分別為1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40（g/mL）的條件下進行提取，在波長為576.1 nm處測定不同提取液的吸光值A576.1。

1.3.3.4乙醇體積分數的選擇

在超聲功率為400 W，溫度為50℃，提取時間為20 min，料液比為1∶35（g/mL）的條件下，分別用20 %、30 %、40 %、50 %、60 %的乙醇溶液進行提取，在波長為576.1 nm處測定不同提取液的吸光值A576.1。

1.3.4響應曲面優化試驗

在上述單因素試驗的基礎上，綜合以上試驗分析結果，根據Box-Behnken試驗設計原理，以超聲時間（X1）、溫度（X2）、料液比（X3）、乙醇體積分數（X4）4個影響因素為考察對象，以紫薇花提取液的吸光度值為響應值進行響應曲面試驗，分析紫薇花色素提取的最優提取方案，響應面分析因素與水平表如表1所示。

2結果與分析

2.1紫薇花色素最大吸收波長的確定

以紫薇花色素吸收的波長為橫坐標，以不同波長下的吸光度為縱坐標，紫薇花色素提取液在不同波長下的吸光度如圖1所示，紫薇花色素的最大吸收波長為576.1 nm。

圖1紫薇花色素光譜吸收Fig.1 The absorption spectrum of pigment from Lagerstroemia indica flowers

2.2單因素試驗

2.2.1提取溫度的選擇

按照試驗1.3.3.1進行試驗，得出紫薇花色素提取液吸光度隨溫度的變化關系，如表2所示。

表2提取溫度對提取效果的影響Table 2 Effect of extraction temperature on extraction efficiency

由表2可得，紫薇花色素提取液在30℃~50℃其吸光度不斷上升，在50℃時吸光度達到最大，之后由于溫度的升高，部分色素受熱分解，其吸光度便開始下降，可見在50℃時紫薇花色素的提取效果較佳，因此，紫薇花色素提取過程中提取溫度選用50℃為宜，本試驗把溫度40℃~60℃作為響應面法的考察范圍。

2.2.2提取時間的選擇

按照試驗1.3.3.2進行試驗，得出紫薇花色素提取液吸光度隨提取時間的變化關系，如表3所示。

表3提取時間對提取效果的影響Table 3 Effects of extraction time on extraction efficiency

由表3可看出，隨超聲時間的延長，紫薇花色素提取液的吸光度逐漸增大，在20 min時達到最大，之后由于提取時間過長，導致部分色素分解變質，吸光度略有下降趨勢，但下降并不明顯。因此，從節約能源，提高生產效率等方面考慮，優選20 min為較優提取時間，響應面試驗中選取15 min~25 min為時間考察范圍。

2.2.3料液比的選取

按照試驗1.3.3.3進行試驗，得出紫薇花色素提取液吸光度隨料液比的變化關系，如表4所示。

表4料液比對提取效果的影響Table 4 Effects of ratio of material to liquid on extraction effect

由表4可知，紫薇花色素提取液的吸光度隨料液比的增加而不斷上升，在1∶35（g/mL）時提取率達到最大，之后由于料液比的增加導致超聲波的機械效應和空化作用被分散，進而使超聲作用受到削減[6]，從而導致提取效率略有下降。因此，優先選取1∶35（g/mL）為提取方案的料液比，而且還能很大程度上降低提取原料的使用量，降低了提取成本，響應面試驗中選取料液比為1∶30（g/mL）~1∶40（g/mL）為考察范圍。

2.2.4乙醇體積分數的選取

按照試驗1.3.3.4進行試驗，得出紫薇花色素提取液吸光度隨乙醇的體積分數的變化關系，如表5所示。

由表5可知，隨著乙醇體積分數的不斷增加，紫薇花色素提取液的吸光度不斷緩慢上升，在乙醇體積分數為50 %時，吸光度達到最大，之后隨著乙醇體積分數的進一步升高，使得紫薇花中一些其他的物質被游離出來，導致吸光度反而有所下降。因此，選用50 %的乙醇進行提取時，不僅節約提取原料，提取效果也較好，本研究中選取乙醇體積分數為40 %~60 %為響應面試驗考察范圍。

表5乙醇體積分數對提取效果的影響Table 5 Effects of ethanol concentration on extraction efficiency

2.3響應面優化試驗

2.3.1試驗結果

根據表1，以超聲時間（X1）、溫度（X2）、料液比（X3）、乙醇體積分數（X4）以及紫薇花色素提取液的吸光度值（Y）進行四因素三水平響應面法優化試驗，其27個試驗點中，1~24為析因試驗，25~27為零點試驗，試驗方案和結果見表6。

表6響應面試驗方案及結果Table 6 Test scheme and results of response surface

2.3.2模型建立與檢驗

經SAS軟件的RSREG程序包對表6的結果進行響應面分析，結果見表7，回歸方程的方差分析結果見表8。

從表7可看出，模型達到極顯著水平，失擬項不顯著，建模成功，此模型與實際試驗擬合度較高，不存在失擬因素。一次項中X1（超聲時間），X3（料液比）對紫薇花色素的提取效果的影響達到了顯著水平，各因素對紫薇花色素提取效果的影響順序為：X1（超聲時間）>X3（料液比）> X4（乙醇體積分數）>X2（溫度），因此，在實際生產過程中應對超聲時間和料液比進行精確控制。二次項中X1X1，X3X3達到極顯著水平，X2X2，X4X4達到了顯著水平，二次項中各因素對紫薇花色素提取效果的影響順序為：X1X1>X3X3>X4X4>X2X2。交互項中X1X2，X3X4達到了極顯著水平，X1X3達到了顯著水平。因此，當生產中一個影響因素改變時，則需對其交互作用比較顯著的另一個因素也進行適當的調整，以保證較好的提取效果。

表7響應面回歸分析結果Table 7 The results of the regression analysis of response surface

表8方差分析結果Table 8 The result of analysis of variance

由表8可知，該試驗模型已達到0.01極顯著統計水平，相關系數R2=0.866 4，說明此模型能較好與實際擬合，該方法可用來進行實際試驗?；貧w方程可代替試驗真實點進行結果分析，試驗中自變量的變化可以解釋86.64 %的因變量的變化，雖然紫薇花色素的提取效果除了受試驗中所選取的4個因素影響外，還受其他因素影響，而且無法排除試驗誤差，但回歸方程已達到0.01極顯著統計水平，故可用回歸方程對紫薇花色素的提取過程進行分析預測，經軟件分析所得的回歸方程為：

通過SAS軟件分析得回歸模型的預測最大響應值Y=0.674 841，所對應的影響因子的編碼值為X1=-0.009 975，X2=0.280 928，X3=0.288 354，X4=0.022 372。將X編碼值分別代回表1中求取對應參數，超聲時間為19.950 12 min，溫度為52.809 28℃，料液比為1∶36.441 77（g/mL），乙醇體積分數為50.223 72 %。為了便于實際操作，設定超聲時間為20 min，溫度為53℃，料液比為1∶36（g/mL），乙醇體積分數為50 %，按1.3.2進行3次平行試驗，得紫薇花色素提取液的平均吸光度為0.670 231，與理論預測值的誤差為0.7 %，說明采用響應面法優化結果可靠。

3　結論

1）紫薇花色素提取液在紫外光區的最大吸收波長為576.1 nm。

2）在單因素試驗的基礎上，經響應面法優化超聲輔助溶劑提取紫薇花色素的提取工藝，得在超聲功率為400 W，超聲時間為20 min，溫度為53℃，料液比為1∶36（g/mL），乙醇體積分數為50 %的條件下，紫薇花色素提取液吸光度的理論預測值為0.674 841，實際驗證值為0.670 231，與理論預測值的誤差為0.7 %，說明該工藝可行性較高。

3）紫薇花色素是一種具有廣泛應用前景的天然色素，在食品工業中具有非常大的開發潛力。超聲輔助提取紫薇花色素提取工藝簡單，提取時間較短，提取溶劑容易得取，提取溫度較低，能夠有效的防止色素在提取過程中被破壞，而且對環境無污染，是一種綠色環保的提取工藝。

參考文獻：

[1]宋寧寧.食品中合成色素的安全性及其檢測方法研究現狀[J].食品與藥品,2013,15(6):440-442

[2]苗璇.食用天然色素研究應用現狀及其發展前景展望[J].化工管理,2013(10):5-8

[3]田苗.我國紫薇新品種DUS測試指南及已知品種數據庫的研究[D].北京:北京林業大學,2008

[4]陳洪,梁利華,謝建英.大葉紫薇花色素提取及穩定性研究[J].食品科技,2008(8):201-204

[5]余凡,雷迎,任堅忍,等.紫薇花色素的提取與性能研究[J].食品工業科技,2012,33(17):231-234

[6]晏麗,王立志,麻明友.響應面法優化紫薇花色素提取工藝[J].食品科學,2013,34(22):59-63

Optimization of Pigment Extraction from Lagerstroemia indica Flowers by Response Surface Methodology

CHEN Yang，TANG Yao，CAO Wan-xin，LIU Jun-hai
（College of Chemistry and Environmental Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，Shaanxi，China）

Abstract：This thesis analyzed the extraction conditions for natural pigment from Lagerstroemia indica Flowers by using ultrasonic treatment extraction. The single factor and Box-Behnken experimental design was used to optimize the extraction process of pigment from Lagerstroemia indica Flowers. The results showed that the extracted pigment was determined by measuring the absorbance at the maximum absorption wavelength of 576.1 nm. It′s optimum conditions were shown as follows：power for 400 W，time for 20 min，temperature of 53℃，ratio of material to liquid of 1∶36（g/mL），50 % ethanol concentration，in this conditions，the predicted absorbance of pigment extracts was 0.674 841 and the actual value was 0.670 231，showing the error of 0.7 %.So the extraction results were reasonable and reliable.

Key words：Lagerstroemia indica Flowers；response surface methodology；extraction；pigment

收稿日期：2014-11-27

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.02.014

作者簡介：陳洋（1994—），女（漢），本科在讀，研究方向：天然產物的提取。