星點(diǎn)設(shè)計(jì)法優(yōu)化超聲酶法提取藍(lán)莓粉中花青素的工藝

孫倩怡,李慧萍,張晶*,魯寶君,夏玉婷

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 中藥材學(xué)院，長春 130118；2.杭州睦山農(nóng)實(shí)業(yè)投資有限公司，杭州 311604)

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星點(diǎn)設(shè)計(jì)法優(yōu)化超聲酶法提取藍(lán)莓粉中花青素的工藝

孫倩怡1,李慧萍1,張晶1*,魯寶君2,夏玉婷2

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 中藥材學(xué)院，長春 130118；2.杭州睦山農(nóng)實(shí)業(yè)投資有限公司，杭州 311604)

通過單因素實(shí)驗(yàn)和星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法優(yōu)化超聲酶法提取藍(lán)莓中花青素的工藝，以酶種類、酶用量、提取時(shí)間、提取溫度、料液比、醇濃度和pH值為因素，以花青素提取率為指標(biāo)，進(jìn)行提取工藝的單因素優(yōu)化；在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法，考察聯(lián)合提取時(shí)體系中醇濃度，提取時(shí)間，料液比對(duì)提取結(jié)果的影響，從而確定了酶-輔助超聲法提取藍(lán)莓中花青素的最佳工藝為：β-葡聚糖酶，提取時(shí)間為20 min，料液比為1∶20，往體系中補(bǔ)充無水乙醇，使得體系中的醇濃度為55%，再繼續(xù)超聲提取10 min?；ㄇ嗨靥崛÷士蛇_(dá)到19.156%，提取條件溫和，酶用量小，提取率高，可為藍(lán)莓中花青素的深度開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

藍(lán)莓；花青素；酶法-超聲輔助提取；星點(diǎn)設(shè)計(jì)

藍(lán)莓為杜鵑花科(Ericaceae)越橘屬(VacciniumSpp)植物的漿果，原產(chǎn)于北美洲[1]，其果皮中含有大量的花青素成分[2]，具有很強(qiáng)的抗氧化、保護(hù)視力、抗癌和增強(qiáng)心血管功能等生物活性[3]。在食品色素、化妝品、醫(yī)療等方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。近些年來，王靜等[4]研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)莓花青素可明顯提高小鼠的痛閡值，抑制耳廓腫脹，從而起到消炎的效果；王關(guān)林等[5]研究發(fā)現(xiàn)，花青素可抑制小鼠肉瘤S180 的生長；康雪燕[6]通過豬體外試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，花青素對(duì)豬傳染性胃腸炎病毒有一定的治療效用；不僅如此，研究發(fā)現(xiàn)花青素還可以增強(qiáng)雞的免疫力，同時(shí)促其生長[7]；由此可知花青素對(duì)動(dòng)物疾病也有著良好的預(yù)防和治療作用，在獸藥方面有著較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。但由于花青素的穩(wěn)定性差，對(duì)pH、光、溫度等極為敏感[8]，在提取過程中損失較大，使其應(yīng)用受到了很大的限制，故提高藍(lán)莓中花青素的提取率成為藍(lán)莓?dāng)U大應(yīng)用的瓶頸問題，優(yōu)化藍(lán)莓花青素提取工藝也成為藍(lán)莓生產(chǎn)行業(yè)中的研究熱點(diǎn)。本文以酶輔助超聲提取的方法提取藍(lán)莓凍干粉中的花青素，旨在為藍(lán)莓資源的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料 藍(lán)莓：由杭州睦山農(nóng)實(shí)業(yè)投資有限公司提供，由本項(xiàng)目組鑒定為杜鵑花科越橘屬漿果類植物果實(shí)。藍(lán)莓鮮果避光勻漿后，凍干成粉狀，-20 ℃避光保存，待用。

矢車菊素-3-O-葡萄糖苷(純度>98%，四川省維克奇生物科技有限公司，批號(hào)：150823)；β-葡聚糖酶(源葉生物，批號(hào)：G6831)；木瓜蛋白酶(Sigma，批號(hào)：P3250)；木聚糖酶(Sigma，批號(hào)：X3254)；其他試劑均為分析級(jí)。

1.2 主要儀器 HR2839勻漿機(jī)，珠海經(jīng)濟(jì)特區(qū)飛利浦家庭電器有限公司；T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；PL303電子分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；Telstar LyoQuest冷凍干燥機(jī)、THermo Fisher ST 16R高速冷凍離心機(jī)，昊諾斯科技(北京)有限公司；KQ5200DB型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；PB-10酸度計(jì)，德國賽多利斯公司。

1.3 酶輔助超聲提取工藝單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 精確稱取藍(lán)莓粉1.000 g于錐形瓶中，采用超聲法(200 W，40 KHz)，以酸水溶液為溶劑，分別考察加入酶的種類(木瓜蛋白酶、β-葡聚糖酶、木聚糖酶及3種酶按不同比例組合的復(fù)合酶)、提取溫度(10、20、30、40、50及60 ℃)、加酶量(3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0及10.0 mg/g)、提取時(shí)間(10、15、20、25及30 min)、料液比(1∶10、1∶15、1∶20、1∶25及1∶30)、pH值(1、2、3、4、5及6)酶解一定時(shí)間，然后往體系中加入乙醇，使體系醇濃度為(30、40、55、70及80%)，繼續(xù)超聲10 min，藍(lán)莓中花青素提取率的變化，提取液離心，過濾后定容，測(cè)定其花青素含量(方法見1.5)。

1.4 酶輔助超聲提取星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法，以藍(lán)莓中花青素的提取率為優(yōu)化指標(biāo)，采用β-葡聚糖酶，加酶量為6.0 mg/g，溫度40 ℃，考察聯(lián)合提取時(shí)體系中醇濃度，提取時(shí)間，料液比對(duì)提取結(jié)果的影響，從而確定最佳提取工藝。星點(diǎn)水平設(shè)計(jì)如表1。

1.5 花青素含量的測(cè)定

1.5.1 制備標(biāo)準(zhǔn)曲線 精密稱取失車菊素-3-O-葡萄糖苷標(biāo)準(zhǔn)品1.0 mg，用甲醇定容至5 mL。從中分別取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL于試管中，取2組，均用甲醇定容至1 mL，然后其中的一組以pH 1.0的緩沖液定容至5 mL；另外一組以pH 4.5的緩沖液定容至5 mL，將兩組梯度標(biāo)品溶液分別于530和700 nm 測(cè)定其吸光度，按公式1計(jì)算A實(shí)際，以吸光度A實(shí)際為縱坐標(biāo)，濃度(C)為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程為：y=4.7571x-0.00971，R2=0.9993，線性范圍0.02～0.12 mg/mL。

公式1：A實(shí)際=(A530-A700)pH1.0-(A530-A700)pH4.5

表1 星點(diǎn)設(shè)計(jì)因素與水平Tab 1 Factors and levels of central composite design

1.5.2 提取物中花青素含量的測(cè)定 取1.3項(xiàng)和1.4項(xiàng)的提取液1 mL，分別加入pH 1.0和pH 4.5的緩沖溶液，按1.5.1項(xiàng)測(cè)定吸光度值，按標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算總花青素濃度C，按公式2計(jì)算花青素含量：

花青素含量(mg)=C×V1×V2/V3(公式2)

C-花青素濃度(mg/mL)；V1-供試液體積(mL)；V2-提取液總體積(mL)；V3-待測(cè)液體積(mL)

花青素提取率(%)=m1/m2(公式3)

m1-花青素含量(mg)；m2-藍(lán)莓干粉含量(mg)

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn) 以pH=3的酸性水溶液為溶劑、料液比為1∶20(g∶mL)、40 ℃條件下，按照總加酶量為6.0 mg·g-1，超聲提取30 min后，加入乙醇使?jié)舛冗_(dá)55%，繼續(xù)超聲提取10 min為基本工藝，進(jìn)行單因素考察實(shí)驗(yàn)。

2.1.1 酶種類對(duì)花青素提取率的影響 在提取體系中加入不同種類的酶，考察酶種類對(duì)藍(lán)莓中花青素提取率的影響。由圖1可知，加酶后，花青素的提取率顯著提高；3 種酶中，以β-葡聚糖酶對(duì)花青素的提取率影響最大，使提取率達(dá)17.58%，較空白組提高21.2%，然后依次是木聚糖酶、木瓜蛋白酶；3種酶的不同組合均未達(dá)到β-葡聚糖酶的提取效果。

2.1.2 不同溫度對(duì)花青素提取率的影響 在基本工藝基礎(chǔ)上，考察β-葡聚糖酶在不同提取溫度條件下對(duì)花青素提取率的影響，結(jié)果如圖2所示。隨溫度的提高，提取率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)溫度為30 ℃，提取率出現(xiàn)最大值。原因在于溫度太低酶的活性不能被激活，溫度太高不僅酶活性被抑制，且花青素容易降解。故提取溫度以30 ℃為宜。

2.1.3 酶用量對(duì)花青素提取率的影響 在基本工藝基礎(chǔ)上，考察β-葡聚糖酶不同用量對(duì)花青素提取率的影響，結(jié)果如圖3所示。隨著加酶量的增大，花色素的提取率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)β-葡聚糖酶用量達(dá)到5.0 mg·g-1時(shí)，花色素的提取率達(dá)最大值。原因是β-葡聚糖酶因?yàn)楫?dāng)酶與溶液充分作用后，繼續(xù)增加酶的用量并不能使花青素釋放，故呈現(xiàn)平緩趨勢(shì)，考慮到提取率和工業(yè)化生產(chǎn)，故選用酶量為5.0 mg·g-1。

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)花青素提取率的影響 在基本工藝基礎(chǔ)上，考察加入β-葡聚糖酶后，提取時(shí)間對(duì)花青素提取率的影響，結(jié)果如圖4所示。隨提取時(shí)間的延長，花青素提取率呈先升后平緩的趨勢(shì)，20 min時(shí)出現(xiàn)最大值。因?yàn)槊附夥磻?yīng)需要一定時(shí)間，但是當(dāng)其充分反應(yīng)后，花青素的提取率便不會(huì)再增加了，故提取時(shí)間20 min為宜。

2.1.5 料液比對(duì)花青素提取率的影響 在基本工藝基礎(chǔ)上，考察不同的料液比對(duì)花青素提取率的影響。結(jié)果如圖5所示，隨料液比的升高而增大，花青素提取率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)料液比為1∶20時(shí)提取率出現(xiàn)最大值。因?yàn)殡S著溶劑量的增加，一是會(huì)降低酶的濃度，導(dǎo)致其作用效果不明顯；二是會(huì)加大其他雜質(zhì)的提取量，導(dǎo)致花青素的提取量降低，故選擇料液比為1∶20。

2.1.6 醇濃度對(duì)花青素提取率的影響 在基本工藝基礎(chǔ)上，考察醇濃度對(duì)花青素提取率的影響。結(jié)果如圖6所示，隨體系中的醇濃度的增大，花青素的提取率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在醇濃度達(dá)55%時(shí)，花青素提取率最高。因?yàn)榛ㄇ嗨貙儆邳S酮類化合物，可溶于水和乙醇等極性溶劑，當(dāng)花青素的極性和溶劑的極性越接近時(shí)，其提取率就越好，但是隨著乙醇濃度的增大，溶劑的極性相對(duì)變小，與花青素的極性差距變大，導(dǎo)致其提取率降低，故選用55%的醇濃度最佳。

2.1.7 pH值對(duì)花青素提取率的影響 在基本工藝基礎(chǔ)上，考察醇濃度對(duì)花青素提取率的影響。結(jié)果如圖7所示，隨溶劑中pH值的增大，花青素的提取率呈現(xiàn)先上升后降的趨勢(shì)，在pH值為3的時(shí)候有最大值。因?yàn)楫?dāng)pH為3的時(shí)候達(dá)到峰值，故選用pH值為3最佳。

圖2 溫度對(duì)花青素提取率的影響Fig 2 Effect of temperature on anthocyanins extraction rate

圖3 酶用量對(duì)花青素提取率的影響Fig 3 Effect of enzyme addition on anthocyanins extraction rate

圖4 提取時(shí)間對(duì)花青素提取的影響Fig 4 Effect of extraction time on anthocyanins extraction rate

圖5 料液比對(duì)花青素提取的影響Fig 5 Effect of solid to liqiud ratio on anthocyanins extraction rate

圖6 乙醇濃度對(duì)花青素提取的影響Fig 6 Effect of ethanol concentration on anthocyanins extraction rate

圖7 pH值對(duì)花青素提取的影響Fig 7 Effect of pH on anthocyanins extraction rate

2.2 星點(diǎn)設(shè)計(jì)分析 以體系的醇濃度、超聲時(shí)間、料液比為自變量，以花青素提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，星點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果如表2。

2.2.1 模型擬合及方差分析 17個(gè)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)試驗(yàn)

表2 星點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab 2 Arrangement and results of central composite design

通過不同物理參數(shù)來優(yōu)化自變量(體系醇濃度，提取時(shí)間和料液比)對(duì)藍(lán)莓粉中花青素提取率的綜合影響?；ㄇ嗨靥崛÷试诓煌瑢?shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果如表2所示，數(shù)據(jù)用Design Expert 8.0.6軟件分析，得到二項(xiàng)式方程如下：

Y=19.15+0.37X1+0.13X2+0.16X3+0.12X1X2+0.059X1X3-0.04X2X3-0.75X12-0.15X22-0.33X32

Y是花青素提取率，X1,X2,X3是體系醇濃度，提取時(shí)間，料液比。

為檢驗(yàn)該模型的顯著性及準(zhǔn)確性，進(jìn)行了方差分析(ANOVA)，如表3所示。模型的F值為30.24意味著模型的顯著性。模型的F值只有0.01%與噪音等因素有關(guān)。在此實(shí)驗(yàn)中，一次項(xiàng)A、C，二次項(xiàng)A2、C2在模型中有極顯著性，一次項(xiàng)B，二次項(xiàng)B2有顯著性。失擬項(xiàng)的F值為26.13，意味著相對(duì)于純粹的錯(cuò)誤來說，失擬項(xiàng)顯著，具有一定的意義。Adj R2=0.9427與Pred R2=0.8073不相近，表明了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀休^好的解釋性。通常是Adeq Precision大于4認(rèn)為是具有可信度的，該比例是19.450，說明此模型對(duì)藍(lán)莓中花青素的提取是可行的。

表3 方差分析Tab 3 Analysis variance

注：**表示P<0.01，表示有極顯著差異；*表示P<0.05，表示有顯著差異。

2.2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化和預(yù)測(cè) 通過二項(xiàng)式擬合模型，采用Design-Expert 8.0.6軟件做相應(yīng)響應(yīng)曲面圖，結(jié)果見圖8a、8b、8c，根據(jù)擬合的響應(yīng)曲面形狀，研究體系醇濃度、提取時(shí)間和料液比對(duì)藍(lán)莓干粉中花青素提取率的影響，從圖中可以看出，最佳的提取工藝是醇濃度55%，提取時(shí)間20 min，料液比為1∶20。

a.醇濃度與提取時(shí)間; b.醇濃度與料液比; c.提取時(shí)間與料液比(A)Alcohol concentration and extraction time; (B)Alcohol concentration and liquid ratio; (C)Extraction time and liquid ratio圖8 醇濃度、提取時(shí)間和料液比相互擬合對(duì)花青素提取率影響的三維效應(yīng)面圖Fig 8 Alcohol concentration, extraction time and liquid ratio to fit each other of the three-dimensional view of the effect of the anthocyanins extraction rate

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn) 根據(jù)最佳工藝條件進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，體系醇濃度55%，提取時(shí)間20 min，料液比1∶20。模型預(yù)計(jì)的響應(yīng)值是19.156%，實(shí)際花青素平均提取率是19.018%。將預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，計(jì)算偏差RSD值為 0.7 %，說明此數(shù)學(xué)模型可靠，具有良好的預(yù)測(cè)性。

3 討論與小結(jié)

藍(lán)莓花青素是一種水溶性色素，具有廣泛的生物活性及應(yīng)用范圍，但其穩(wěn)定性差且提取率低[9]，故增大其提取率是現(xiàn)在藍(lán)莓應(yīng)用市場的研究重點(diǎn)。針對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中選用的酶[10,17]而言，β-葡聚糖酶能水解植物細(xì)胞壁纖維素，使細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)更容易析出；木瓜蛋白酶是一種蛋白水解酶，能水解植物中細(xì)胞中的蛋白質(zhì)；木聚糖酶能水解植物細(xì)胞壁中的異質(zhì)多糖，而促使細(xì)胞壁破裂；但是由于植物細(xì)胞壁主要由纖維素和果膠構(gòu)成，故作用于細(xì)胞壁纖維素的β-葡聚糖酶提取效果更好。

對(duì)于提取方法而言，酶-輔助超聲提取技術(shù)與酶法[10-11]相比，能明顯縮短提取時(shí)間，酶法提取需要1～2 h，而酶-輔助超聲提取僅需要15～30 min；與超聲提取法[12-14]相比，能減少提取溶劑的使用量，超聲提取法需醇濃度為70～80%，酶-輔助超聲提取技術(shù)則需醇濃度為55%左右；對(duì)于內(nèi)在因素提取率而言，不論是酶法或是超聲提取法，藍(lán)莓果提取率在4%～7%之間，換算成干粉其提取率在13%～14%左右，而酶-輔助超聲得到的花青素的提取率為19.156%，比常規(guī)的酶法或超聲法提高了約20%～30%。本文通過酶-輔助超聲提取技術(shù)[13-14]對(duì)體系醇濃度、提取時(shí)間、料液比3個(gè)重要因素進(jìn)行了研究，以花青素的提取率為優(yōu)化指標(biāo)，采用星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法進(jìn)行工藝優(yōu)化[15-17]。建立酶-超聲輔助提取藍(lán)莓中花青素的最佳工藝為：添加β-葡聚糖酶，提取體系的醇濃度為55%，提取時(shí)間20 min，料液比1∶20 g·mL-1，提取率可達(dá)19.156%。酶-輔助超聲提取法提高了藍(lán)莓中花青素的提取率，且提取時(shí)間短，可操作性強(qiáng)，利于藍(lán)莓花青素在治療人和動(dòng)物疾病等方面的開發(fā)利用。

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(編輯：陳希)

Study on the Extraction of Anthocyanins from Blueberry with Ultrasonic Enzymatic Optimized by Central Composite Design-response Surface Method

SUN Qian-yi1, LI Hui-ping1, ZHANG Jing1*, LU Bao-jun2,XIA Yu-ting2

(1.CollegeofChinesemedicine,JilinAgriculturalUniversity,Changchun130118,China; 2.HangzhouMoMountainIndustrialInvestment,Hangzhou311604,China)

ZHANGJing，E-mail:zhjing0701@163.com

In this experiment, to optimize ultrasonic extraction technology process conditions of anthocyanin from blueberry by the single factor experiment and the central composite design-response surface method. Use the enzymatic types, enzyme addition,extraction time, extraction temperature, ratio of material to liquid and ethanol concentration as the optimum factor. Use the anthocyanin extraction rate as the optimum index to optimize extraction process of single factor, on the basis of single factor experiment, by the means of the central composite design, investigate the alcohol concentration, extraction time, ratio of material to liquid, get the best extraction procedure thought enzymatic-ultras onic-assisted were as follows: β-glucanase, extraction time 20 min, solid to liquid ratio 1∶10. Afterwards, ethanol (final concentration 40%) was added to the mixture for ultrasonic-assisted extracting 10 min. The results show enzymatic-ultrasonic-assisted extraction rate can reach 19.156%, this method extraction condition mild , with less enzyme, provides a reasonable reference of the future for the development of anthocyanin from blueberry.

blueberry; anthocyanin; enzymatic-ultrasonic-assisted; central composite design

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20140204063YY)；杭州市錢江學(xué)者計(jì)劃(2015年) 作者簡介： 孫倩怡，碩士研究生，從事天然產(chǎn)物化學(xué)方面研究。

張晶。E-mail：zhjing0701@163.com

10.11751/ISSN.1002-1280.2017.6.06

2016-12-05

A

1002-1280 (2017) 06-0041-08

S859.79