響應面分析法優化西瓜番茄紅素提取工藝條件

李杰，羅建成，李慧星，王瑩

（南陽理工學院生物與化學工程學院，河南南陽473004）

響應面分析法優化西瓜番茄紅素提取工藝條件

李杰，羅建成，李慧星，王瑩

（南陽理工學院生物與化學工程學院，河南南陽473004）

為確定西瓜番茄紅素最佳提取工藝條件，綜合運用單因素試驗、析因試驗、最陡爬坡試驗及響應面分析試驗對西瓜番茄紅素提取工藝條件進行了深入研究。結果表明，提取溫度和料液比是影響西瓜番茄紅素得率的顯著性因子，西瓜番茄紅素最佳提取工藝條件為：提取溫度45℃，料液比1∶18（g/mL），提取時間75 min，提取次數3次。此條件下，西瓜番茄紅素得率可達2.7409mg/g。

西瓜番茄紅素；提取工藝；響應面

番茄紅素（lycopene）是一種脂溶性的類胡蘿卜素，主要存在于番茄、西瓜、紅色葡萄柚、南瓜、木瓜和粉紅色番石榴等常見的水果及蔬菜中[1]。番茄紅素有較強的抗氧化性，具有防治肺癌、子宮癌、乳腺癌、前列腺癌等作用，還具有提高免疫力、預防心腦血管疾病、延緩衰老等功效，因此番茄紅素也被稱為“植物黃金”[2-4]；另一方面番茄紅素也是集營養與著色雙重作用于一身的工業添加劑，廣泛應用于食品添加劑、醫藥和化妝品等領域[5]。響應面法（RSM）是以數學模型為工具，描述響應值與考察因素之間相互關系的一種數據分析處理方法。由于采用科學合理的試驗設計，響應面分析法能夠以最經濟的方式對考察因素進行全面分析和研究，并快速有效地確定多因素系統的最佳條件，廣泛應用于生物化工等過程的優化[6-8]。本文在單因素試驗、析因試驗、最陡爬坡試驗的基礎上，結合響應面分析法對西瓜番茄紅素提取工藝條件進行了深入研究，以期為西瓜中番茄紅素的開發利用提供理論依據。

1 材料

1.1 原料

西瓜：購自萬德隆超市，去除瓜皮后取瓤、除籽，將除籽后的瓤切成小塊，分別置于研缽中研磨，研磨均勻后抽濾除汁，抽濾后的果肉置于潔凈的燒杯中，加入適量甲醇避光靜置2 h后，進行抽濾脫水，將抽濾脫水后的果肉攤平，置于40℃條件下，烘干備用。

1.2 試劑

乙酸乙酯：無錫市亞太聯合化工有限公司；石油醚：南京化學試劑股份有限公司；丙酮、正己烷：國藥集團化學試劑有限公司；氯仿：科密歐化學試劑有限公司；無水乙醇：天津市北辰方正試劑廠，所用試劑均為分析純。

1.3 主要儀器及設備

DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；YP10KN電子天平：上海精密科學儀器有限公司；UV7502PC紫外可見分光光度計：上海欣茂儀器有限公司；SHZ-82水浴恒溫振蕩器：常州國華電器有限公司；TGL-16C高速臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；SHB-III型循環水式多用真空泵：鄭州長城科工貿有限公司。

2 方法

2.1 西瓜番茄紅素提取工藝路線

西瓜果肉粉→丙酮浸提→離心→上清液→過濾→濾液低溫干燥→西瓜番茄紅素

2.2 最大吸收波長的確定

用電子天平稱取2.0 g經預處理的西瓜果肉粉，加入30 mL丙酮，置于45℃恒溫水浴鍋中震蕩浸提60 min，離心機離心，取上清液過濾即得浸提液，將浸提液適當稀釋，用分光光度計測定浸提液在不同波長下的吸光度。

2.3 標準曲線的繪制

由于番茄紅素標準品價格昂貴，且見光易分解，而蘇丹紅I與番茄紅素有類似的特征吸收峰，故用蘇丹紅I代替番茄紅素標準品繪制標準曲線[9]。精密稱取蘇丹紅I 1.000 0 g（因純的番茄紅素標準品極不穩定，同時其最大吸收波長接近于蘇丹紅I，且蘇丹紅I比較穩定，因此可用它來代替番茄紅素制作標準曲線），用無水乙醇溶解后，定溶至1 000 mL。用移液管移取不同量的蘇丹紅I色素溶液，分別配置成濃度為1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 μg/mL的標準溶液。在501 nm下測定其吸光度值，繪制標準曲線。

2.4 單因素試驗

對西瓜番茄紅素得率有影響的因素有提取劑種類、提取溫度、料液比、提取時間、提取次數等，分別進行單因素試驗以考察其對西瓜番茄紅素得率的影響。

2.5 析因試驗設計[10]

在單因素試驗基礎上，選用N＝16的析因試驗設計，對提取溫度χ1、料液比χ2、提取時間χ3和提取次數χ4進行考察，每個因素取-1和1兩個水平，以西瓜番茄紅素得率Y測為試驗指標，試驗設計見表1。

表1 析因試驗設計Table 1 The factorial experiment design

2.6 最陡爬坡試驗設計[11]

選取對試驗指標影響顯著的因素χ1和χ2進行最陡爬坡試驗，因素χ1和χ2對試驗指標有正效應，需增大；因素χ3和χ4對試驗指標雖有正效應，但影響不顯著，可將χ3和χ4固定在1水平，試驗設計見表2。

表2 最陡爬坡試驗設計Table 2 The steepest ascent experiment design

2.7 響應面分析試驗設計

根據最陡爬坡試驗結果，采用Box-Behnken中心組合試驗設計原理[12]，對提取溫度和料液比進行中心組合試驗設計，因子編碼值分別為X1、X2（其中X1=（χ1-46）/3，X2=（χ2-19）/3），響應值為西瓜番茄紅素得率Y測。試驗設計見表3。

表3 響應面分析試驗設計Table 3 The response surface experimental design

2.8 西瓜番茄紅素得率計算公式

式中：Y測為西瓜番茄紅素的得率，mg/g；V為西瓜番茄紅素浸提液的體積，mL；C為西瓜番茄紅素浸提液稀釋后的濃度，μg/mL；N為稀釋倍數；M為浸提所用西瓜果肉原料質量，g。

3 結果與討論

3.1 最大吸收波長的確定

不同波長下西瓜番茄紅素浸提液的吸光值見圖1。

圖1 不同波長下西瓜番茄紅素浸提液的吸光值Fig.1 The absorbance of watermelon lycopene leach liquor on different wavelength

由圖1可知，西瓜番茄紅素浸提液在442、472、501nm各有一個吸收峰，但由于在442nm及472nm時，浸提液中番茄紅素的類似物β-胡蘿卜素也有較強吸收峰，對測定結果干擾較大，而在501 nm時β-胡蘿卜素的吸收很小，可消除對番茄紅素測定結果的干擾[13]，故選擇501 nm作為西瓜番茄紅素提取的檢測波長。

3.2 西瓜番茄紅素對照品蘇丹紅I標準曲線的繪制

對照品蘇丹紅I標準曲線見圖2。

圖2 對照品蘇丹紅I標準曲線Fig.2 Standard curve of tony red I reference substance

圖2為對西瓜番茄紅素對照品蘇丹紅I標準曲線，線性回歸方程為Y=0.083 7X-0.005 4，R=0.999 7。

3.3 單因素試驗結果

3.3.1 不同提取劑對西瓜番茄紅素得率的影響

不同提取劑對西瓜番茄紅素得率的影響見圖3。

圖3 不同提取劑對西瓜番茄紅素得率的影響Fig.3 The effect of different extracting solvent on the yield of watermelon lycopene

由圖3可知，使用乙酸乙酯、石油醚、正己烷作為提取劑時，西瓜番茄紅素提取效果較好，其次是丙酮、氯仿，用無水乙醇作為提取劑時，提取效果較差。由于使用乙酸乙酯、石油醚、正己烷作為提取劑，在浸提過程中有不同程度的結團現象，使用丙酮作為提取劑未出現結團現象，故選擇丙酮作為提取劑。

3.3.2 提取溫度對西瓜番茄紅素得率的影響

提取溫度對西瓜番茄紅素得率的影響見圖4。

圖4 提取溫度對西瓜番茄紅素得率的影響Fig.4 The effect of extracting temperature on the yield of watermelon lycopene

由圖4可知，溫度低于40℃時，隨著溫度升高，分子運動逐漸劇烈，西瓜番茄紅素的擴散速率增大，在丙酮中的溶解度增大，西瓜番茄紅素得率逐漸增大，但高于40℃時，由于西瓜番茄紅素受熱不穩定，當溫度過高達到55℃時，丙酮揮發很快，損失較大，得率急劇下降。

3.3.3 料液比對西瓜番茄紅素得率的影響

料液比對西瓜番茄紅素得率的影響見圖5。

由圖5可知，隨料液比增大，可能經預處理的西瓜粉原料在提取劑中分布更均勻，西瓜番茄紅素得率逐漸增大，但當提取劑用量大于30 mL后，提取劑對溶質而言，分布空間已足夠大，故隨提取劑用量增大，對西瓜番茄紅素得率影響不大。

圖5 料液比對西瓜番茄紅素得率的影響Fig.5 The effect of solid-liquid ratio on the yield of watermelon lycopene

3.3.4 提取時間對西瓜番茄紅素得率的影響

提取時間對西瓜番茄紅素得率的影響見圖6。

圖6 提取時間對西瓜番茄紅素得率的影響Fig.6 The effect of extracting time on the yield of watermelon lycopene

由圖6可知，隨著提取時間的延長，西瓜番茄紅素得率逐漸增大，但高于75 min后，可能西瓜番茄紅素提取傳質逐漸達到平衡，也可能由于提取時間過長，提取劑揮發，西瓜番茄紅素得率降低。

3.3.5 提取次數對西瓜番茄紅素得率的影響

提取次數對西瓜番茄紅素得率的影響見圖7。

圖7 提取次數對西瓜番茄紅素得率的影響Fig.7 The effect of extracting times on the yield of watermelon lycopene

由圖7可知，隨提取次數的增加西瓜番茄紅素的得率逐漸升高，提取1次與提取2次的得率相差較大，提取2次與提取3次的得率相差不大。

3.4 析因試驗結果

析因試驗結果見表4。

表4 析因試驗結果Table 4 The results of factorial experiments

析因試驗結果見表4，析因試驗分析結果見表5。

表5 析因試驗結果分析Table 5 The results of factorial experiment analysis

由表5可知，因素χ1、χ2、χ3、χ4對西瓜番茄紅素得率均具有正效應，其中因素χ1和χ2影響顯著，因素χ3和χ4影響不顯著。由于析因試驗只能分析各因素對試驗指標影響的顯著性，不能確定最佳點所在的區域，利用響應面分析法進行回歸擬合，只有在最佳點附近才能充分近似真實情形，因此，需要根據各因素對試驗指標影響的差異情況，進行最陡爬坡試驗確定最佳點[14]。析因試驗結果分析見表5。

3.5 最陡爬坡試驗結果

最陡爬坡試驗結果見表6。

從表6可知，隨著爬坡試驗的進行，在3號試驗處達最高點，該點對應的試驗條件為提取溫度46℃，料液比為1∶19（g/mL），提取時間75 min，提取次數3次，此時西瓜番茄紅素的得率接近最佳點，可以選擇這一點作為響應面分析試驗設計的中心點。

表6 最陡爬坡試驗結果Table 6 The results of steepest ascent experiments

3.6 響應面分析試驗結果

響應面分析試驗結果見表7，回歸分析結果見表8，方差分析結果見表9。

表7 響應面分析試驗結果Table 7 The results of response surface methodology experiments

表8 回歸分析結果Table 8 The results of regression analysis

表9 方差分析結果Table 9 The results of variance analysis

對表7的試驗結果進行回歸分析，得到以西瓜番茄紅素得率Y為因變量，以X1、X2為自變量的回歸方程如下：

由表9回歸方程的方差分析結果可知，Pr= 0.000 249＜0.05，所以方程的回歸顯著，失擬不顯著，可利用回歸方程擬合試驗數據，對試驗數據進行分析。

根據回歸方程，利用MATLAB軟件繪制X1、X2對西瓜番茄紅素得率Y的響應曲面圖及等高線圖，見圖8。

圖8 響應面分析立體圖（X1，X2）和對應等高線圖Fig.8 Response surface and corresponding contour plot（X1，X2）

由表8、圖8可知：提取溫度和料液比與西瓜番茄紅素得率有顯著的相關性，料液比對西瓜番茄紅素得率的影響更為顯著，提取溫度和料液比的交互作用對西瓜番茄紅素得率的影響不顯著。

為了獲得西瓜番茄紅素最佳的提取條件，將回歸方程分別對自變量X1及X2求一階偏導并令其等0，得二元一次方程組，求解方程組，得出回歸模型的極值點為：X1=－0.225 0，X2=－0.243 6，對應的實際值為提取溫度45.325℃，料液比為1∶18.269 2，此時西瓜番茄紅素最大得率為Y=2.713 3 mg/g。

驗證試驗：結合實際操作情況，將西瓜番茄紅素提取最佳條件適當修正為：提取溫度45℃，料液比1∶18（g/mL），提取時間75 min，提取次數3次；根據修正的條件進行3次提取試驗，結果取平均值，西瓜番茄紅素得率為2.740 9 mg/g，與理論預測值相差不大。

4 結論

通過試驗證明，析因試驗可確定對西瓜番茄紅素提取影響顯著的因素，最陡爬坡試驗可充分逼近最大響應區域，對響應面分析試驗結果進行分析，可建立顯著因素與西瓜番茄紅素得率關系的回歸方程，通過對回歸方程進行方差分析及顯著性檢驗，利用回歸方程可模擬真實的試驗過程，可對最優提取條件進行預測，通過對理論預測最優條件適當修正，可確定實際操作情況下西瓜番茄紅素提取的最佳工藝條件。

通過綜合運用單因素試驗、析因試驗、最陡爬坡試驗及響應面分析試驗，確定利用丙酮提取西瓜番茄紅素最佳工藝條件為：提取溫度45℃，液料比1∶18（g/ mL），提取時間75 min，提取次數3次。在此條件下，西瓜番茄紅素得率可達2.740 9 mg/g，此工藝條件在實際應用中有一定的參考價值。

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Optimization of the Extraction Process Conditions of Watermelon Lycopene by Response Surface Methodology

LI Jie，LUO Jian-cheng，LI Hui-xing，WANG Ying
（College of Biological and Chemical Engineering of Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004，Henan，China）

The extraction process conditions of watermelon lycopene were deeply studied through single factor experiment，factorial experiment，the steepest ascent experiment and response surface analysis experiment in order to determine the optimum extraction process conditions of watermelon lycopene.The results showed that the extraction temperature and solid-liquid ratio were significant factors which have effect on the yield of watermelon lycopene.The optimum extraction process conditions of watermelon lycopene were：extraction temperature 45℃，solid-liquid ratio 1∶18（g/mL），extraction time 75 minutes，extraction times 3.The yield of watermelon lycopene could reach 2.740 9 mg/g under these conditions.

watermelon lycopene；extraction process；response surface methodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.10.012

2016-08-19

李杰（1978—），男（漢），講師，碩士，主要從事植物中天然生物活性成分的分離和應用研究。