魏瑋，程秀瑋

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350）

響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取茄子皮中原花青素工藝

魏瑋，程秀瑋

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350）

利用響應(yīng)面法對(duì)茄子皮中原花青素微波提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)中心組合（Box-Benhnken）試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用4因素3水平的響應(yīng)面分析法，以原花青素提取率為響應(yīng)值，進(jìn)行回歸分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，茄子皮中原花青素的最佳提取條件為料液比1∶50、乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、微波功率600W、提取時(shí)間89s，在此最佳條件下，原花青素提取率3.521%，與理論預(yù)測(cè)值基本相符。

茄子皮；原花青素；微波輔助提??；響應(yīng)面分析法

人工合成的色素大都具有鮮艷的色澤、穩(wěn)定的性質(zhì)和低廉的價(jià)格，但其在合成過程中會(huì)伴隨毒性的產(chǎn)生，因而，在食品、醫(yī)藥等行業(yè)中天然色素越來越受到人們的重視[1]。

原花青素（proantho cyanidins，PC）是一種有著特殊分子結(jié)構(gòu)的生物類黃酮，是目前國(guó)際上公認(rèn)的清除人體內(nèi)自由基最有效的天然抗氧化劑[2]。這類化合物由不同數(shù)量的黃烷醇聚合而成，在酸性溶液中加熱均可生成花青素，故將此類多酚類化合物命名為原花青素。其能夠促進(jìn)血液循環(huán)、保護(hù)視力、滋潤(rùn)皮膚、加速膽固醇的分解和排除，并且能夠減輕炎癥，作為心臟的保護(hù)劑等功效[3]。

茄子是茄科茄屬一年生草本植物，屬于茄科家族中的一員。其結(jié)出的果實(shí)可食用，顏色多為紫色或紫黑色，也有淡綠色或白色品種。茄子的營(yíng)養(yǎng)較豐富，含有蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、維生素以及鈣、磷、鐵等多種營(yíng)養(yǎng)成分。茄子皮中富含有VE和VP，對(duì)保護(hù)心血管、延緩人體衰老具有積極意義[4-6]。茄子皮中含有的原花青素可提取作為天然食用色素。微波提取技術(shù)具有速度快、時(shí)間短、安全環(huán)保、提取率高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在植物有效成分的提取工藝中[7]。本試驗(yàn)通過以Box-Behnken響應(yīng)面分析法對(duì)以茄子皮為原料進(jìn)行微波提取原花青素的工藝進(jìn)行了研究，確定了以茄子皮為原料生產(chǎn)原花青素的最佳工藝參數(shù)，為其工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論化依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

天津快圓茄：市售。

兒茶素標(biāo)準(zhǔn)品（純度98%）：美國(guó)Sigma公司；甲醇、無水乙醇、硫酸、香草醛均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

721分光光度計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；WF-2000型微波快速反應(yīng)器：上海屹堯分析儀器有限公司；HHS-11-2型智能數(shù)顯電熱恒溫水浴鍋：上海百典儀器設(shè)備有限公司；HG-9023A臺(tái)式干燥箱：上海和呈制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

配制0.1mg/mL兒茶素標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別吸取0、1.0mL、2.0mL、3.0mL、4.0mL、5.0mL置于6個(gè)10mL容量瓶中，各加入乙醇（體積分?jǐn)?shù)為70%）溶液定容至10mL，各取1mL置于試管中，分別向其中加入體積分?jǐn)?shù)3%香草醛乙醇溶液2.5mL和體積分?jǐn)?shù)30%硫酸乙醇溶液2.5mL，搖勻，于30℃水浴20min，然后在波長(zhǎng)500nm處測(cè)定吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。1.3.2茄子皮中原花青素的提取[8]

刮取新鮮茄子果皮，剔除果皮上多余果肉，將剪碎的茄子皮置于37℃干燥箱中烘干48h，經(jīng)粉碎后過60目（0.3mm）篩，備用。注意避光密封保存。精確稱取1.0g茄子皮干粉于50mL錐形瓶中，加入體積分?jǐn)?shù)為50%乙醇提取劑（pH 5.0）提取一段時(shí)間，離心，得到原花青素類物質(zhì)提取液。

1.3.3 茄子皮中原花青素含量的測(cè)定

采用硫酸-香草醛法[9]測(cè)定樣品中原花青素含量。取樣品溶液1mL按照標(biāo)準(zhǔn)曲線制作方法操作，于波長(zhǎng)500nm處測(cè)定吸光度值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出樣品中原花青素含量，即提取到的原花青素質(zhì)量占茄子皮干燥粉末質(zhì)量的百分比，原花青素提取率計(jì)算公式：

1.3.4 單因素試驗(yàn)

料液比對(duì)原花青素提取率的影響：乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%，提取溫度為60℃，微波功率為350W，微波作用時(shí)間60s的條件下提取1次，研究原花青素在料液比1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60條件下的提取率。

乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花青素提取率的影響：通過上述試驗(yàn)確定最佳料液比，此時(shí)試驗(yàn)條件為試驗(yàn)提取溫度為60℃，微波功率為350W，微波作用時(shí)間60s，提取次數(shù)為1次。研究原花青素在乙醇體積分?jǐn)?shù)為40%、50%、60%、70%、80%、90%條件下的提取率。

微波功率對(duì)原花青素提取率的影響：通過上述試驗(yàn)確定最佳料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)，此時(shí)試驗(yàn)條件為提取溫度60℃，微波作用時(shí)間60s的條件下提取1次，研究原花青素在微波功率300W、400W、500W、600W、700W、800W條件下的提取率。

提取溫度對(duì)原花青素提取率的影響：通過上述試驗(yàn)確定最佳料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波功率，此時(shí)試驗(yàn)條件為微波作用時(shí)間60s，提取次數(shù)1次。研究原花青素在提取溫度40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃條件下的提取率。

提取時(shí)間對(duì)原花青素提取率的影響：通過上述試驗(yàn)確定的最佳料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波功率及提取溫度，提取1次，研究原花青素在提取時(shí)間30s、50s、70s、90s、110s、130s條件下的提取率。

提取次數(shù)對(duì)原花青素提取率的影響：通過上述試驗(yàn)確定的最佳的料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波功率、提取溫度、提取時(shí)間，研究原花青素在提取次數(shù)1次、2次、3次、4次、5次、6次條件下的提取率。

1.3.5 響應(yīng)面分析法優(yōu)化茄子皮中原花青素的提取條件[10-15]

考慮到原花青素在70℃以上易發(fā)生降解反應(yīng)，故選擇提取溫度為70℃以保證原花青素含量。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定原花青素提取次數(shù)2次。重點(diǎn)考察料液比（A）、乙醇體積分?jǐn)?shù)（B）、微波功率（C）和提取時(shí)間（D）對(duì)茄子皮中原花青素提取效果的影響，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，以原花青素得率為試驗(yàn)指標(biāo)，采用Design-expert 8.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，推測(cè)出原花青素提取最佳工藝參數(shù)。試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面法試驗(yàn)的因素水平編碼Table 1 Factors and levels coding of response surface method test

2 結(jié)果與分析

2.1 原花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線制作

以兒茶素標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度（x）為橫坐標(biāo)，其吸光度值（y）為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。標(biāo)準(zhǔn)曲線線性回歸方程為y=2.92x+0.001 7，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.999 5，具有很好的線性關(guān)系。

圖1 原花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of proanthocyanidins

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 料液比的選擇

不同的料液比對(duì)原花青素提取率的影響結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，料液比為1∶10至1∶50時(shí)，原花青素得率數(shù)值曲線呈現(xiàn)總體上升趨勢(shì)。當(dāng)料液比為1∶50時(shí)原花青素得率得到最大值。但是，當(dāng)料液比為1∶60時(shí)，提取率下降，原因可能為單位乙醇溶液體積中的原花青素含量減少，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，被氧化的原花青素隨其溶劑體積增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。若此時(shí)加大溶劑用量，則會(huì)影響后序濃縮工藝，并造成溶劑浪費(fèi)，加大成本。因而選擇最佳料液比為1∶50。

圖2 料液比對(duì)原花青素提取效果的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction of proanthocyanidins

2.2.2 乙醇體積分?jǐn)?shù)選擇

不同的乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花青素提取率的影響結(jié)果見圖3。

圖3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)原花青素提取效果的影響Fig.3 Effect of ethanol volume fraction on the extraction of proanthocyanidins

從圖3可以看出，乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，使得原花青素得率先呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)；當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)超過70%時(shí)，原花青素得率呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，究其原因是由于一些醇溶性物質(zhì)隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大而溶出，這些物質(zhì)與原花青素競(jìng)爭(zhēng)，與乙醇-水分子相結(jié)合，因而使得原花青素得率下降。故確定最佳乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%。

2.2.3 微波功率的選擇

不同的微波功率對(duì)原花青素提取率的影響結(jié)果見圖4。

圖4 微波功率對(duì)原花青素得率的影響Fig.4 Effect of microwave power on proanthocyanidins yield

從圖4可以看出，隨著微波功率逐漸增大，原花青素得率也逐漸增加；當(dāng)微波功率超過600W時(shí)，原花青素得率有下降趨勢(shì)。這是由于低功率對(duì)細(xì)胞破壞小，使得原花青素得率較低；高功率微波使得溫度上升迅速，導(dǎo)致原花青素被氧化，得率減小。因而選擇最佳微波功率為600W。

2.2.4 提取溫度的選擇

不同的提取溫度對(duì)原花青素提取率的影響結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出，當(dāng)提取溫度升高時(shí)，原花青素得率呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)提取溫度超過70℃時(shí)，原花青素得率開始下降，這是由于隨著提取溫度的升高原花青素的有效成分易受熱被破壞，因而確定最佳提取溫度為70℃。

2.2.5 提取時(shí)間的選擇

不同的提取時(shí)間對(duì)原花青素提取率的影響結(jié)果見圖6。

從圖6可以看出，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，原花青素得率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)提取時(shí)間超過90s后，原花青素得率增長(zhǎng)不明顯?？紤]到能源消耗和經(jīng)濟(jì)成本，故而選擇最佳提取時(shí)間為90s。

2.2.6 提取次數(shù)的選擇

不同的提取時(shí)間對(duì)原花青素提取率的影響結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出，隨著提取次數(shù)的增加，原花青素得率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)提取次數(shù)超過2次以后，上升趨勢(shì)減緩，原花青素得率增加不明顯?？紤]到節(jié)約成本和時(shí)間，選擇最佳提取次數(shù)為2次。

圖7 提取次數(shù)對(duì)原花青素得率的影響Fig.7 Effect of extraction times on proanthocyanidins yield

2.3 原花青素提取工藝的優(yōu)化

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

表2 Box-Behnken響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and results

根據(jù)表2結(jié)果，對(duì)自變量編碼A、B、C、D進(jìn)行回歸分析，得到二次回歸方程：

通過Design-Expert進(jìn)行方差分析驗(yàn)證回歸模型及各參數(shù)顯著度，結(jié)果見表3。

表3 回歸方程各項(xiàng)的方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由方差分析（見表3）可知，模型P<0.01即影響呈現(xiàn)出高度顯著。失擬項(xiàng)不顯著（P>0.05），這說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示的殘差是由隨機(jī)誤差所引起的。模型決定系數(shù)R2=0.986 3，R2Adj=0.972 7，表明該模型的擬合度表現(xiàn)良好，能夠反應(yīng)試驗(yàn)的真實(shí)值。變異系數(shù)（coefficientofvariation，CV）=0.19%，說明試驗(yàn)操作可信。信噪比為26.273，遠(yuǎn)大于4，說明該模型擬合度和可信度均較高。所以該模型方程可以用來分析并預(yù)測(cè)在不同的條件下茄子皮中的原花青素提取率的變化情況。

由表3可知，對(duì)于提取率影響較大的因素為乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波功率和提取時(shí)間，料液比對(duì)原花青素提取率的影響較弱些。此外，乙醇體積分?jǐn)?shù)與微波功率、乙醇體積分?jǐn)?shù)與提取時(shí)間以及微波功率與提取時(shí)間之間的交互作用對(duì)原花青素提取率有極為顯著的影響。因而需考慮不同的乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)于微波的吸收作用有差異，從而會(huì)導(dǎo)致原花青素提取率的變化，并且需嚴(yán)格控制提取時(shí)間以免微波熱效應(yīng)過長(zhǎng)或過短而降低原花青素提取率。比較二次回歸方程中一次項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值大小為依據(jù)，得出各個(gè)參數(shù)對(duì)原花青素提取率（Y）值的影響作用關(guān)系為C＞B＞D＞A，即微波功率＞乙醇體積分?jǐn)?shù)＞提取時(shí)間＞料液比。

2.3.2 因素交互作用分析

由A、B、C、D構(gòu)成一個(gè)在二維平面上展現(xiàn)三維空間的立體模型，以表現(xiàn)響應(yīng)值Y的等溫圖。即可以直觀地反應(yīng)出各個(gè)因素對(duì)于響應(yīng)值的影響，反應(yīng)過程中各因素的相互交互關(guān)系對(duì)于響應(yīng)值的影響的響應(yīng)面及等高線見圖8～圖10。

圖8 乙醇體積分?jǐn)?shù)與微波功率的交互作用對(duì)原花青素提取率影響的響應(yīng)面及等高線Fig.8 Response surface plot and contour line of interaction between ethanol volume fraction and microwave power on proanthocyanidins extraction yield

圖9 乙醇體積分?jǐn)?shù)與提取時(shí)間的交互作用對(duì)原花青素提取率影響的響應(yīng)面及等高線Fig.9 Response surface plot and contour line of interaction between ethanol volume fraction and extraction time on proanthocyanidins extraction yield

圖10 微波功率與提取時(shí)間的交互作用對(duì)原花青素提取率影響的響應(yīng)面及等高線Fig.10 Response surface plot and contour line of interaction between microwave power and extraction time on proanthocyanidins extraction yield

由圖8～圖10可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)、微波功率和提取時(shí)間之間的交互作用對(duì)于提取率的影響極為顯著，響應(yīng)面圖曲面較陡；乙醇體積分?jǐn)?shù)與微波功率的交互作用對(duì)原花青素的提取率影響最大，表現(xiàn)為圖形曲面最為陡峭。說明微波的吸收能力交互提取溶劑體積分?jǐn)?shù)成為提取原花青素的最顯著因素。溶劑的體積分?jǐn)?shù)并非越大越好，要掌握好其與微波功率和提取時(shí)間的關(guān)系。

2.3.3 最佳提取條件的確定及驗(yàn)證

用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)一步進(jìn)行分析，以獲得該方法的最佳提取條件。經(jīng)分析得出最佳理論點(diǎn)為A= 1∶52.28、B=69.74、C=603.91、D=88.63。即料液比為1∶52.28、乙醇體積分?jǐn)?shù)為69.74%、微波功率為603.91W、提取時(shí)間為88.63s，此時(shí)得到原花青素提取率理論值最大為3.525 81%?？紤]到實(shí)際操作條件和可能性，對(duì)上述試驗(yàn)理論數(shù)值進(jìn)行四舍五入，即料液比為1∶50、乙醇體積分?jǐn)?shù)為70%、微波功率為600W、提取時(shí)間為89s，在此最佳條件下原花青素提取率為3.521%。

3 結(jié)論

通過單因素和響應(yīng)面分析，優(yōu)化了茄子皮中原花青素的微波提取工藝，確定了各因素和原花青素提取率（響應(yīng)值）的關(guān)系表達(dá)式。采用微波法具有高選擇性、省時(shí)、溶劑用量少、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)用前景。

通過響應(yīng)面分析，得到茄子皮中原花青素微波提取優(yōu)化的數(shù)學(xué)回歸模型：Y=3.51+0.010A+0.015B+0.021C-0.013D+0.012AB-2.500E×10-3AC-5.000E×10-3AD+0.033BC-0.020BD-0.017CD-0.016A2-0.051B2-0.037C2-0.040D2。在此試驗(yàn)范圍內(nèi)，該模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)茄子皮中原花青素的提取率。

最佳提取工藝參數(shù)為料液比1∶50、乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、微波功率600W、提取時(shí)間89s，在此最佳條件下原花青素提取率為3.521%。

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Optimization of microwave-assisted extraction of proanthocyanidin from eggplant peel by response surface methodology

WEI Wei,CHENG Xiuwei
（Tianjin Modern Vocational Technology College,Tianjin 300350,China）

The microwave-assisted extraction of proanthocyanidin from eggplant peel by response surface methodology was optimized.On the basis of single factor experiment,the Box-Benhnken experimental design with 4 factors and 3 levels was performed with the proanthocyanidin yield as response value.The results showed that the optimal conditions of extraction were follows:solid to solvent ratio 1∶50(g/ml),alcohol volume fraction 70%,microwave power 600 W,and extraction time 89 s.Under the optimized condition,the extraction yield of proanthocyanidin was 3.521%,which was in substantial agreement with the theoretically predicted value.

eggplant peel;proanthocyanidin;microwave-assisted extraction;response surface methodology

R284.2

A

0254-5071（2014）03-0091-06

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.03.022

2014-01-19

魏瑋（1981-），女，講師，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程。