響應面設計的紫甘藍花色苷色素提取技術研究

盧 珊

(鄭州電力高等專科學校，鄭州 450000)

花色苷是花青素與糖以糖苷鍵結合而成的化合物[1]，廣泛存在于植物界中，花卉中以及水果所呈現的大部分紅色、藍色和紫色都是由花色苷和花青素產生的[2-3]。花色苷因其漂亮的外觀廣泛應用于食品工業中，如軟飲料、果醬以及乳制品等[4]。除了艷麗的顏色，花色苷對人體的健康也起到不可替代的作用。研究表明，花色苷可降低心血管疾病、糖尿病、關節炎、癌癥以及與年齡有關的神經退行性激素下降的風險[5-7]。然而，花色苷由于化學性質極不穩定，導致其從采集到提取過程中大量損失[8]。因此，花色苷的來源及提取工藝是影響其提取量的重要因素。

紫甘藍有一個復雜的酰基化花色苷模式，以青苷為唯一的苷元[9-10]。酰化作用使其色素具有比葡萄花色苷更強的熱穩定性和光穩定性[11]。另外，從農產品層面上講，紫甘藍在集約化農業中，在很短的時間內可以產生大量收益[12]。因此，本研究選用紫甘藍為花色苷的提取原料，通過響應面設計選定最佳工藝，提高花色苷的提取量，為后續花色苷的相關研究奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

紫甘藍：市售；酸性乙醇提取劑：50%乙醇∶檸檬酸為80 mL/4 g。

美的MJ-LZ25 Easy121榨汁機；HY-727SPC紫外-可見分光光度計 無錫英之誠高速分析儀器有限責任公司。

1.2 最大吸收波長的測定

將紫甘藍洗凈、切碎，用榨汁機打成勻漿。用分析天平準確稱取5 g紫甘藍勻漿于錐形瓶中，加入40 mL酸性乙醇提取劑(50%乙醇∶檸檬酸為80 mL/4 g)，混勻，在300 W功率下微波提取5 min。室溫3500 r/min離心10 min后取10 mL上清液，定容至50 mL。在325～800 nm下進行全波長掃描，確定其最大吸收峰[13-14]，最終確定其最大吸收波長為520 nm。根據查閱的文獻可知，花色苷的含量越高，在其特定波長下的吸光值越高，因此，本研究用A520 nm下的吸光值代表紫甘藍花色苷的提取量。

1.3 花色苷提取的單因素試驗

1.3.1 微波功率對花色苷提取量的影響

分別取5 g勻漿5份于錐形瓶中，并分別加入40 mL酸性乙醇提取劑，混勻。設置100，200，300，400，500 W 5個功率梯度[15]，微波提取5 min。室溫條件下3500 r/min離心10 min后取10 mL上清液，定容至50 mL，用紫外分光光度計在其最大吸收波長處測定吸光值。在不同微波功率條件下作圖，分析不同微波功率對花色苷提取量的影響。

1.3.2 提取時間對花色苷提取量的影響

分別取5 g勻漿5份于錐形瓶中，并分別加入40 mL酸性乙醇提取劑，混勻，在300 W功率下分別微波提取3，6，9，12，15 min。隨后，室溫3500 r/min離心10 min后取10 mL上清液，定容至50 mL，用紫外分光光度計在其最大吸收波長處測定吸光值。在不同提取時間條件下作圖，分析不同微波提取時間對花色苷提取量的影響。

1.3.3 料液比對花色苷提取量的影響

分別取5 g勻漿5份于錐形瓶中，按照料液比分別為1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50加入配制好的酸性乙醇提取劑[16]。300 W功率下微波提取5 min。隨后，室溫3500 r/min離心10 min后取10 mL上清液，定容至50 mL，用紫外分光光度計在其最大吸收波長處測定吸光值。對不同料液比作圖，分析不同料液比對花色苷提取量的影響。

1.4 花色苷提取的響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，對不同的微波功率(W)、提取時間(min)和料液比進行響應面優化試驗，用軟件分析后得到最佳的紫甘藍花色苷色素提取工藝[17]，共17個處理組。響應面試驗設計見表1。

表1 響應面試驗因素水平表Table 1 The factors and levels of response surface experiment

2 結果與分析

2.1 微波功率對花色苷提取量的影響

由圖1可知，在100～300 W的范圍內，隨著微波功率的升高，吸光值急劇增大，直到400 W逐漸趨于平緩，而400 W之后吸光值反而下降，說明微波功率過高可能會對花色苷具有一定的破壞性，導致其提取量下降。因此，最終選用400 W作為最佳微波提取功率。

圖1 微波功率對花色苷提取量的影響Fig.1 The effect of microwave power on the extraction yield of anthocyanin

2.2 提取時間對花色苷提取量的影響

由圖2可知，隨著微波提取時間的延長，吸光值也逐漸增大，到9 min時達到最大值，隨后吸光度不再增長反而略有下降。通過試驗中的觀察，微波處理12，15 min之后的溶液會出現絮狀物，很可能是微波時間過長導致紫甘藍中其他物質溶出，從而影響了提取量。因此，最終選用9 min為最佳的提取時間。

圖2 提取時間對花色苷提取量的影響Fig.2 The effect of extraction time on the extraction yield of anthocyanin

2.3 料液比對花色苷提取量的影響

由圖3可知，料液比對花色苷提取量的影響極大，當料液比為1∶20時可以得到最佳的提取量。溶劑比例過高不僅不會提高提取量，反而使提取效果大大下降，而且會造成浪費，提高生產成本。因此，最終選用1∶20為最佳料液比。

圖3 料液比對花色苷提取量的影響Fig.3 The effect of solid-liquid ratio on the extraction yield of anthocyanin

2.4 響應面試驗測定結果

表2 響應面分析試驗結果Table 2 The experimental results of response surface analysis

表3 方差分析表Table 3 The analysis of variance of regression equation

續 表

由回歸分析結果得到提取率預測值對應微波處理功率、提取時間和料液比3個因素的二次多項回歸方程為：Y=0.37-0.014A-0.029B-0.030C+0.010AB+8.750E-3AC-0.024BC+0.032A2+0.026B2+0.032C2。分析可知，在回歸模型顯著性檢驗結果中，B、C、A2、B2、C2項的影響極顯著，A、BC項的影響高度顯著，AB、AC項的影響顯著。診斷分析表明，各因素的 F值可以反映出對試驗響應值的重要性，F值越大，表明該因素對響應值的影響越大，對花色苷提取率的影響因素由大到小依次為C(料液比)>B(提取時間)>A(微波功率)，說明各因素對紫甘藍花色苷的提取率的影響并非簡單的線性關系。決定系數R2=0.9897，說明該方程可以擬合98.97%的花色苷提取率，即花色苷提取率的變化有98.97%來自于所選的微波功率、提取時間以及料液比這3個因素。變異系數CV(%)=1.65，>0.05，說明預測值與實際值擬合度較好。RAdj2=0.9765，RPred2=0.9688 ，說明模型的擬合度和可信度較高，可以用該數學模型來模擬微波功率、提取時間以及料液比3個因素對紫甘藍中花色苷提取率的影響，以此選出最佳的提取工藝。

2.5 雙因素對紫甘藍花色苷提取量的影響

根據回歸模型做出的交互作用響應面見圖4～圖6。微波功率與提取時間對花色苷提取量的影響見圖4。

圖4 微波功率和提取時間對花色苷提取量的響應面Fig.4 The response surface of microwave power and extraction time on anthocyanin extraction amount

由圖4可知，在提取時間恒定時，提取量隨著微波功率的增加而逐漸增大，達到最大值后，隨著微波功率的增加反而呈現下降的趨勢。同樣，在微波功率恒定時，提取量隨著提取時間的延長呈現先上升后下降的趨勢。

微波功率和料液比兩因素交互對紫甘藍花色苷的影響見圖5。

圖5 微波功率和料液比對花色苷提取量的響應面Fig.5 The response surface of microwave power and solid-liquid ratio on anthocyanin extraction amount

由圖5可知，當微波功率恒定時，提取量隨著料液比的降低呈現先上升后下降的趨勢，同樣，在料液比保持恒定的情況下，提取量隨著微波功率的增加而逐漸增加，達到某一峰值后急劇下降。

提取時間和料液比兩因素交互對紫甘藍花色苷提取量的影響見圖6。

圖6 提取時間和料液比對花色苷提取量的響應面Fig.6 The response surface of extraction time and solidliquid ratio to anthocyanin extraction amount

由圖6可知，在提取時間恒定時，提取量隨著料液比的降低而逐漸增大，而在料液比恒定時，提取量隨著提取時間的延長而逐漸增大最終趨于平緩。

以上3個響應面圖均能直觀反映出3個因素中的2個因素對響應值的影響，且第3個因素均保持在編碼的零水平上。根據二次多項式回歸方程的預測值，紫甘藍花色苷的最佳提取條件為：微波功率315.21 W，提取時間6.15 min，料液比1∶10.45。根據實際操作情況進行調整，最終的反應條件為：微波功率315 W，提取時間6 min，料液比1∶10。

2.6 回歸模型驗證試驗

在響應面試驗的優化條件下，進行了花色苷提取的驗證試驗，并重復3次取平均值。最終得到的吸光值為0.494±0.006，接近于預測值的0.506，說明模型可靠。

3 結論

本研究通過單因素試驗分別從微波功率、提取時間和料液比3個因素中確定影響紫甘藍花色苷提取量的最佳范圍，隨后采用響應面設計，對提取工藝進一步優化，最終得到最佳的提取工藝條件為：微波功率315 W，提取時間6 min，料液比1∶10。根據回歸模型的驗證試驗，得到花色苷的吸光值為0.494±0.006，接近于預測值的0.506。