正交實(shí)驗(yàn)結(jié)合遺傳算法提取辣椒紅色素

邵萍萍

(江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007)

辣椒紅色素是存在于成熟紅辣椒果皮中的一類色素，屬類胡蘿卜色素中的復(fù)烯酮類，其不僅著色力強(qiáng)，還很安全，屬于A類著色劑[1-3]。近年來，由于具有抗氧化性、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)活性等性質(zhì)，辣椒紅色素受到廣泛青睞，在食品、藥品中廣泛應(yīng)用。因此，提取辣椒紅色素對(duì)于更好發(fā)揮其作用具有重要意義。索氏提取由于具有原料利用率高、提取較完全等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于辣椒紅色素的提取[4]。

辣椒紅色素的提取是一個(gè)復(fù)雜的過程，諸多因素會(huì)影響其提取率，正交實(shí)驗(yàn)常被用于提取工藝的優(yōu)化，然而結(jié)果可能會(huì)不太準(zhǔn)確。遺傳算法(genetic algorithm，GA)是一種利用生物學(xué)原理的隨機(jī)搜索算法，在非線性系統(tǒng)研究中具有極大優(yōu)勢(shì)[5-6]。已有研究表明遺傳算法在生物活性物質(zhì)提取方面具有很大潛力，而遺傳算法在辣椒紅色素的提取工藝優(yōu)化方面卻鮮有報(bào)道，故本研究試圖利用正交實(shí)驗(yàn)結(jié)合遺傳算法提取辣椒紅色素，確定最優(yōu)提取條件，為制備高濃度辣椒紅色素奠定了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

干紅辣椒：購于江蘇省南通市某菜市場(chǎng)；無水乙醇(分析純)：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

電熱恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；BGZ-240電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海東星實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠；RE-5203旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海青浦滬西儀器廠；W-100 高速萬能粉碎機(jī) 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；UV-1700紫外可見分光光度計(jì) 日本島津公司。

1.2 辣椒預(yù)處理

辣椒去籽后置于表面皿中，在干燥箱中于60 ℃烘干2 h取出，降至室溫后用粉碎機(jī)粉碎，過40目篩，立即裝進(jìn)密封袋以防吸水，儲(chǔ)存待用[7]。

1.3 辣椒紅色素標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

辣椒紅色素標(biāo)準(zhǔn)溶液(辣椒紅標(biāo)準(zhǔn)品辣椒紅色素的含量為 90%)的配制：分別稱取0.005，0.01，0.015，0.02，0.025，0.03 g辣椒紅標(biāo)準(zhǔn)品，用乙醇稀釋至25 mL。取0.1 mL上述溶液于比色管中，并用乙醇定容到25 mL。在514 nm處測(cè)量各溶液的吸光度值(無水乙醇為空白對(duì)照)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖1。該標(biāo)準(zhǔn)曲線中質(zhì)量濃度與吸光度的關(guān)系式為：y=0.02+0.1598x(r2=0.99813)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve

1.4 辣椒紅色素提取率計(jì)算

運(yùn)用下式計(jì)算辣椒紅色素提取率。

式中：η為辣椒紅色素的提取率(%)；C為辣椒紅色素的質(zhì)量濃度，μg/mL(根據(jù)1.3中標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得出)；V為提取溶液的總體積，mL；M為提取時(shí)所用的干辣椒質(zhì)量，μg。

1.5 索氏提取

將一定質(zhì)量的辣椒粉加一定量乙醇于索氏提取器中在一定溫度下提取一定時(shí)間，取接收瓶的提取液[8]。

1.6 吸光度的測(cè)定

將上述提取液準(zhǔn)確稀釋合適的倍數(shù)(100～200倍之間)，用紫外分光光度計(jì)測(cè)量提取液稀釋液在波長(zhǎng)514 nm 下的吸光度值，取3次結(jié)果的平均值作為最后的吸光度值。

1.7 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用3因素3水平的 L9(34) 正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行提取，考察料液比、提取時(shí)間、提取溫度對(duì)提取效率的影響[9]，因素水平表見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平Table 1 The experimental factors and levels

1.8 遺傳算法

遺傳算法是一個(gè)反復(fù)迭代的過程，遵循優(yōu)勝劣汰的原則，類似于生物學(xué)中的遺傳法則，適應(yīng)度高的個(gè)體可以較大程度地遺傳給下一代，遺傳的同時(shí)也會(huì)發(fā)生變異[10-11]。最終，在龐大的后代群體中得到若干個(gè)最優(yōu)解。辣椒紅色素提取條件優(yōu)化的遺傳算法的基本流程圖見圖2。

圖2 遺傳算法過程Fig.2 The genetic algorithm process

在Matlab軟件中，以辣椒紅色素提取率為目標(biāo)函數(shù)。具體參數(shù)：初始種群數(shù)為40，交叉概率和變異概率分別為0.7和0.02，進(jìn)化代數(shù)為100，隨機(jī)運(yùn)行10次，其余為默認(rèn)值[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單因素預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著料液比的增大，提取率先增大后減小；隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，提取率先增大后趨于平穩(wěn)；隨著提取溫度的升高，提取率先增大后減小。根據(jù)單因素預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of orthogonal test L9(34)

由表2可知，料液比、提取時(shí)間、提取溫度這3個(gè)因素中對(duì)辣椒紅色素提取率影響的主次關(guān)系是提取時(shí)間>料液比>提取溫度(B>A>C)。方差分析結(jié)果見表3，3個(gè)因素均進(jìn)入模型，極差R可表示各因素對(duì)提取率的影響程度，R值越大，影響越顯著[13]，該結(jié)果同樣表明上述主次關(guān)系，提取時(shí)間對(duì)辣椒紅色素提取率具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)[14]。綜合正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮料液比為1∶20，提取時(shí)間為4 h，提取溫度為60 ℃為最佳組合。

表3 正交實(shí)驗(yàn)方差結(jié)果Table 3 The variance analysis results of orthogonal experiment

2.2 遺傳算法優(yōu)化結(jié)果

以正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，利用遺傳算法優(yōu)化辣椒紅色素最優(yōu)提取條件。隨機(jī)搜索結(jié)果見表4，所得歷代的適應(yīng)度見圖3。

表4 搜索結(jié)果及分析(n=10)Table 4 The search results and analysis (n=10)

圖3 遺傳算法尋優(yōu)過程Fig.3 The optimizing computation process of genetic algorithm

在進(jìn)化約50代后，平均適應(yīng)度和最優(yōu)適應(yīng)度均基本保持穩(wěn)定，維持在10.35%左右，搜索結(jié)果較好。經(jīng)過100 代選擇、交叉和變異操作，10次隨機(jī)搜索結(jié)果的變異范圍均較小，且RSD<5%，說明模型穩(wěn)定可靠，10次隨機(jī)搜索結(jié)果高度相近。由表4可知遺傳算法最優(yōu)搜索結(jié)果為：料液比1∶19.9912，提取時(shí)間4.3193 h，提取溫度57.9273 ℃，提取率可達(dá)0.8394%；遺傳算法平均搜索結(jié)果為：料液比1∶20.0253，提取時(shí)間4.3092 h，提取溫度58.2617 ℃，提取率可達(dá)0.8310%。為了保持高提取率和方便實(shí)際應(yīng)用，取最佳提取工藝為：料液比1∶20，提取時(shí)間4.3 h，提取溫度58 ℃。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)、遺傳算法模型結(jié)果可知，辣椒紅色素最優(yōu)提取工藝為料液比1∶20，提取時(shí)間4.3 h，提取溫度58 ℃。在該條件下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取計(jì)算得出的提取率的平均值作為最終提取率，結(jié)果為0.84%，變異系數(shù)為1.96%，結(jié)果可信度較高，該最優(yōu)條件具有可行性[15]。

3 結(jié)論

采用正交實(shí)驗(yàn)和遺傳算法共同優(yōu)化了辣椒紅色素的提取條件。結(jié)果為料液比1∶20，提取時(shí)間4.3 h，提取溫度58 ℃。正交實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的遺傳算法經(jīng)過多次世代進(jìn)化可在最大范圍內(nèi)尋求最優(yōu)解，獲得最優(yōu)的、最接近客觀實(shí)際的提取工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明正交實(shí)驗(yàn)結(jié)合遺傳算法可用于辣椒紅色素提取工藝的優(yōu)化，為提高辣椒紅色素提取效率提供了新的思路。