響應(yīng)面優(yōu)化微波輔助提取荸薺皮色素的工藝研究

林 莉，袁 瑋，蘇文婷，嚴(yán)紅光

（凱里學(xué)院，貴州凱里 556011）

荸薺Eleocharis tuberosa，別名馬蹄、水栗、烏芋，是莎草科荸薺屬多年生草本植物［1］，在中國有3000多年的栽植歷史［2］，栽培面積達(dá)60萬畝以上，廣泛分布在廣西、安徽、福建、湖北等地.荸薺營養(yǎng)豐富，是一種受大眾歡迎的藥食兩用類果蔬.荸薺皮約占荸薺鮮重的20%?25%［3］，在荸薺加工和食用過程中，隨著需求量的增加，荸薺皮的產(chǎn)量也在增加，對環(huán)境造成了一定的污染.

研究發(fā)現(xiàn)荸薺皮中含有水溶性的棕色素，這是一種天然的黃酮色素［4］，主要成分是黃酮類物質(zhì)，有黃酮、黃酮醇、二氫黃酮等［5］，具有抗自由基、抗菌、抗氧化等特點(diǎn)［6?8］.用在食品添加劑中可以起到改善食品色澤及感官品質(zhì)、提高食品的食用安全性和保健的功效［9］.如果我們能充分利用廢棄的荸薺皮資源，不僅可以提高荸薺原料的利用率，還能為廢棄物的處理提供一條新的路徑［10］.

荸薺皮色素傳統(tǒng)的提取方法包括有機(jī)溶劑提取法［11］、超聲波提取法、微波法、酶反應(yīng)法等.微波［12］的強(qiáng)穿透性能夠防止物質(zhì)表面阻力的形成，熱量能較快地輻射到提取物組織內(nèi)部，也更利于促進(jìn)溶劑進(jìn)入提取物內(nèi)部，具有加熱快速、物質(zhì)均勻受熱、操作過程簡單、易控制工藝條件、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)［13］.將其應(yīng)用于提取天然物質(zhì)的活性組分［14］，不僅能縮短提取時(shí)間、簡化提取過程、降低試驗(yàn)?zāi)芎模€能提高提取率和提取物的純度［15］.在浸提溶劑的選擇上，本文遵循無毒無害、價(jià)格低廉、提取率高、易回收并可循環(huán)再利用的原則［16］，從經(jīng)濟(jì)效益和提取產(chǎn)品的安全性方面考慮，選用水作為浸提溶劑.采用響應(yīng)面法對荸薺皮色素提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以將復(fù)雜的未知函數(shù)關(guān)系進(jìn)行二次多元模型擬合，使得試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際情況.與正交試驗(yàn)比較，在優(yōu)化試驗(yàn)中，可以對各個(gè)因素水平進(jìn)行連續(xù)性的分析，減小對各試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差.

本文以荸薺加工過程中產(chǎn)生的廢棄荸薺皮為原材料，采用微波輔助［17?19］水浸提的方法提取荸薺皮色素，并通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法相結(jié)合對荸薺皮色素提取條件進(jìn)行優(yōu)化，以期為荸薺皮天然資源的深度開發(fā)和利用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料荸薺網(wǎng)購于廣西桂林荔浦縣廣生農(nóng)業(yè)有限公司，將新鮮荸薺洗凈削皮，荸薺皮放入鼓風(fēng)干燥箱中45 ℃烘干，放入料理機(jī)中粉碎過40目篩，裝瓶密封備用.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要有101?3ASB 電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京科偉永興有限公司；九陽料理機(jī)；T6新世紀(jì)?紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器責(zé)任有限公司；AXTD5A 醫(yī)用離心機(jī)，鹽城市安信實(shí)驗(yàn)有限公司；BD22W?C86 電磁爐，北導(dǎo)電器實(shí)業(yè)有限公司；AR224CN 電子天平，奧豪斯儀器（常州）有限公司.

2 試驗(yàn)方法

2.1 工藝流程

荸薺皮→干燥→粉碎→過篩→稱取→浸泡→微波提取→過濾→離心→提取液→測定吸光度

2.2 荸薺皮色素的提取與測定

準(zhǔn)確稱量荸薺皮粉末1.500 g加入到100 mL燒杯中，再加入30 mL蒸餾水浸泡10 min，在微波條件下加熱2 min，冷卻后用300目尼龍布過濾，將濾液在4000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心10 min，得到色素提取液.根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］選擇430 nm 為測定波長，使用紫外可見分光光度計(jì)測定提取液色素的吸光度.

2.3 單因素試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取1.500 g 的荸薺皮粉末加入到100 mL 燒杯中，再加入30 mL 蒸餾水配制提取液.用色素吸光度值作提取效果衡量指標(biāo)，在料液比為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25 g/mL，微波功率為100、200、300、400、500 W，加熱時(shí)間為1、2、3、4、5 min的條件下進(jìn)行相應(yīng)的處理，將不同水平的料液比、微波功率及微波加熱時(shí)間對荸薺皮色素提取效果的影響進(jìn)行對比分析.

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)

采用Box?Behnken 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，通過對單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，研究各個(gè)影響因素對色素提取效果的影響，使用分析軟件Design ExpertV8.0.6 進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)，以料液比（A）、微波功率（B）、加熱時(shí)間（C）為自變量，提取液色素吸光度值為衡量指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)［20?21］，預(yù)測荸薺皮色素的最佳提取工藝，具體的因素水平設(shè)計(jì)見表1.

表1 響應(yīng)面因素水平設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 料液比對色素提取效果的影響

分別以不同水平的料液比進(jìn)行色素提取，確定響應(yīng)面試驗(yàn)中料液比的優(yōu)化選取范圍，結(jié)果如圖1.從圖1 中可以看出，在1∶5?1∶25 g/mL 時(shí)，提取效果隨料液比的變化趨勢為先升高后降低.在料液比為1∶10 g/mL 時(shí)，提取液吸光度值為0.899，達(dá)到了吸收峰值；在1∶10?1∶25 g/mL 時(shí)，隨著料液比遞減，吸光度值大幅度下降，由0.899 減小到0.557；這可能是因?yàn)?∶5 g/mL 時(shí)溶劑達(dá)到飽和，可溶性雜質(zhì)也更易溶入提取液中，從而影響提取效果.在1∶10 g/mL 時(shí)色素大部分能提取出，隨著液料比的遞減，從中浸提出的色素被溶劑稀釋，吸光度值隨之減小.因此，料液比選擇1∶5、1∶10、1∶15 g/mL進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn).

圖1 料液比對色素提取效果的影響

3.1.2 微波功率對色素提取效果的影響

分別以不同水平的微波功率對荸薺皮進(jìn)行試驗(yàn)處理，確定響應(yīng)面試驗(yàn)中微波功率的優(yōu)化選取條件，結(jié)果如圖2.從圖2 中可以看出：隨著微波功率的遞增，吸光度值變化幅度較大.在200 W時(shí)，吸光度值為0.624，此條件下吸光度達(dá)到峰值；在100?200 W 時(shí)，吸光度逐漸增大；將微波功率從200 W 逐漸增加到500 W 時(shí)，吸光度值則逐漸下降，最后降到0.457.這可能是因?yàn)楣β瘦^低時(shí)提取液升溫速度慢，輻射溫度較低，直接影響了荸薺皮組織的破壞程度，導(dǎo)致色素不易從中溶出，從而影響提取效果；當(dāng)功率增加，在200 W 時(shí)荸薺皮被較好的破解，色素容易從荸薺皮組織中釋放，向溶劑中擴(kuò)散，提取率最高；當(dāng)微波功率再進(jìn)一步增大時(shí)，提取液升溫速度快，溫度較高，因熱不穩(wěn)定性使得色素也更易降解，且其他雜質(zhì)也容易溶出，導(dǎo)致色素提取效果不好.因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，微波功率選擇100，200，300 W進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn).

圖2 微波功率對色素提取效果的影響

3.1.3 加熱時(shí)間對色素提取效果的影響

通過進(jìn)行不同水平的微波加熱時(shí)間處理來確定響應(yīng)面試驗(yàn)中微波加熱時(shí)間的優(yōu)化條件，結(jié)果如圖3.由圖3 可知，加熱時(shí)間過長或過短都不利于荸薺皮色素的提取，在加熱1?3 min 時(shí)，隨著加熱時(shí)間加長，提取液吸光度值由0.429 增大到0.530，呈逐漸增大的變化趨勢，并在加熱時(shí)間為3 min時(shí)達(dá)到峰值，總體上與前面的因素比較變化幅度不大.這可能是因?yàn)榧訜釙r(shí)間較短時(shí)，輻射能量不足，荸薺皮組織被破壞程度較低，色素不容易從荸薺皮組織中釋放出；當(dāng)加熱時(shí)間進(jìn)一步增加，水溶劑蒸發(fā)量增加，并且因局部過熱等情況，部分色素因熱不穩(wěn)定性被降解.因此，加熱時(shí)間選擇2，3，4 min進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn).

圖3 加熱時(shí)間對色素提取效果的影響

3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

將表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)過軟件Design?Expert 8.0.6進(jìn)行二次多元擬合處理，整理數(shù)據(jù)分析后，得到色素提取液吸光度與料液比、微波功率、微波加熱時(shí)間3 個(gè)因素的回歸方程為：吸光度=0.91?0.024A+0.12B+0.019C?0.013AB+2.750E?003AC?0.024BC?0.14A2?0.14B2?0.017C2.所得的回歸方程方差分析如表3所示.

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

表3 擬合二次多項(xiàng)式模型的方差分析

根據(jù)表3知，F(xiàn) ＝70.33，P＜0.0001，說明該模型達(dá)到了極顯著水平.模型中有4項(xiàng)數(shù)值表現(xiàn)為極顯著水平，分別是一次項(xiàng)A、B 和二次項(xiàng)A2、B2，響應(yīng)值為加熱時(shí)間的回歸模型中，一次項(xiàng)C 和二次項(xiàng)C2均表現(xiàn)為顯著水平，其余各項(xiàng)對色素吸光度的影響不明顯.失擬項(xiàng)P值為0.0134（＜0.05），失擬項(xiàng)顯著，說明模型模擬效果不好，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化模型.

在二次多項(xiàng)式擬合的方差分析基礎(chǔ)上增加B2C 后，其回歸方程為：吸光度=0.91?0.024A+0.12B+0.037C?0.013AB+2.750E?003AC?0.024BC?0.14A2?0.14B2?0.017C2?0.036B2C.優(yōu)化結(jié)果如表4 所示.

表4 回歸模型優(yōu)化結(jié)果

該回歸模型模F=311.96，P值小于0.0001；失擬項(xiàng)F=2.09，P=0.2388，P值大于0.05，失擬項(xiàng)差異不顯著，說明優(yōu)化后的回歸模型可以很好地反映實(shí)際操作；一次項(xiàng)A、B、C 均為極顯著水平；其中，A2、B2、BC、B2C 各項(xiàng)影響極顯著（p＜0.01），AB 項(xiàng)和C2項(xiàng)表現(xiàn)為顯著（p＜0.05）；料液比與加熱時(shí)間的交互作用不明顯，交互項(xiàng)AC影響不顯著.通過方差分析結(jié)果可知，在應(yīng)用微波輔助水提取荸薺皮色素的過程中各個(gè)因素對色素提取效果的影響程度可歸納為：微波功率（B）＞加熱時(shí)間（C）＞料液比（A）.

模型中決定系數(shù)R2=0.998 1，接近于1；校正決定系數(shù)R2Adj=0.994 9，預(yù)測決定系數(shù)R2Pred=0.959 3，可知模型可行度高.變異系數(shù)（CV）可反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散程度，CV 值為1.26 %，遠(yuǎn)小于10%，反映試驗(yàn)精確可行.該模型可以較準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，用于分析與預(yù)測荸薺皮色素的提取效果，有較高的可信度.

3.2.2 響應(yīng)面曲面圖分析

以下是響應(yīng)值對各試驗(yàn)因素之間交互作用構(gòu)成的三維曲面圖，對其響應(yīng)面曲面圖以及等高線圖進(jìn)行對比分析，通過圖中的變化趨勢可分析出最佳條件及各因素交互作用對色素提取效果的影響.在三維曲面圖上曲面的彎曲幅度越大，表明該因素間的交互作用對吸光度值的影響越大.

從圖4、5、6 中可以直觀看出，存在最大響應(yīng)值.通過分析圖4 中等高線圖及三維曲面圖的彎曲幅度變化，等高線圖呈橢圓，曲面弧度大，其反映出料液比與微波功率的交互作用對響應(yīng)值的影響最大；而圖5、6 中三維曲面彎曲幅度較小，加熱時(shí)間分別與微波功率及料液比之前的交互作用對響應(yīng)值的影響不明顯.結(jié)果表明，微波輔助提荸薺皮色素的最佳條件為：料液比為1∶9.39 g/mL，微波功率228.71 W、加熱時(shí)間3.90 min，響應(yīng)面優(yōu)化的最優(yōu)響應(yīng)值為0.941.

圖4 料液比與微波功率之間交互作用對吸光度值影響的響應(yīng)面圖

圖5 料液比與加熱時(shí)間之間交互作用對吸光度值影響的響應(yīng)面圖

圖6 微波功率與加熱時(shí)間之間交互作用對吸光度值影響的響應(yīng)面圖

3.2.3 最佳提取條件工藝參數(shù)及驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)回歸模型分析，得到微波輔助提取荸薺皮色素的最佳提取工藝條件為：料液比1∶9.39 g/mL、微波功率228.71 W、加熱時(shí)間3.90 min，此條件下吸光度預(yù)測值為0.941.從實(shí)際試驗(yàn)的可操作性考慮，將各預(yù)測參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確定料液比1∶9 g/mL、微波功率200 W、加熱時(shí)間4 min為最佳工藝條件.在此工藝參數(shù)下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，結(jié)果分別為0.920、0.939、0.931，最終得吸光度平均值為0.930.作為對比，以傳統(tǒng)加熱方法浸提色素.以料液比為1∶9 g/mL，在60 ℃水浴條件下浸提4 h，進(jìn)行3次試驗(yàn)，得吸光度平均值為0.568，對比結(jié)果驗(yàn)證了本文方法對提取工藝優(yōu)化的有效性.結(jié)果表明各因素對響應(yīng)值的影響能通過回歸模型得到良好的反映，通過響應(yīng)面分析能較好地優(yōu)化色素提取工藝.

4 結(jié)論與討論

本文以荸薺皮為原料，優(yōu)化了微波輔助水提取荸薺皮色素的提取工藝.通過響應(yīng)面分析法得到最佳提取條件為：料液比1∶9.39 g/mL、微波功率228.71 W、微波加熱時(shí)間3.90 min，為了方便實(shí)驗(yàn)操作將上述條件合理調(diào)整為：料液比1∶9 g/mL、微波功率200 W、微波加熱時(shí)間4 min，在該工藝條件下所得實(shí)際試驗(yàn)平均值為0.930，與模型預(yù)測值0.941 相差較小.通過方差分析結(jié)果可知，各因素對色素提取率的影響程度為：微波功率（B）＞加熱時(shí)間（C）＞料液比（A）.將3 份相同的樣品以料液比為1∶9 g/mL，在60 ℃水浴條件下浸提4 h，得吸光度平均值為0.568.該提取方法與傳統(tǒng)提取方法比較，提取過程簡單，減少了溶劑對環(huán)境的污染，節(jié)省能源.將微波輔助水浸提法應(yīng)用到荸薺皮色素提取中，為高效安全提取荸薺皮色素提供了新思路，為荸薺色素在可食用天然色素的開發(fā)利用中提供科學(xué)數(shù)據(jù).