魏玮，程秀玮

（天津现代职业技术学院，天津300350）

响应面法优化微波辅助提取茄子皮中原花青素工艺

魏玮，程秀玮

（天津现代职业技术学院，天津300350）

利用响应面法对茄子皮中原花青素微波提取工艺条件进行优化。在单因素试验基础上，根据中心组合（Box-Benhnken）试验设计原理，采用4因素3水平的响应面分析法，以原花青素提取率为响应值，进行回归分析。试验结果表明，茄子皮中原花青素的最佳提取条件为料液比1∶50、乙醇体积分数70%、微波功率600W、提取时间89s，在此最佳条件下，原花青素提取率3.521%，与理论预测值基本相符。

茄子皮；原花青素；微波辅助提取；响应面分析法

人工合成的色素大都具有鲜艳的色泽、稳定的性质和低廉的价格，但其在合成过程中会伴随毒性的产生，因而，在食品、医药等行业中天然色素越来越受到人们的重视[1]。

原花青素（proantho cyanidins，PC）是一种有着特殊分子结构的生物类黄酮，是目前国际上公认的清除人体内自由基最有效的天然抗氧化剂[2]。这类化合物由不同数量的黄烷醇聚合而成，在酸性溶液中加热均可生成花青素，故将此类多酚类化合物命名为原花青素。其能够促进血液循环、保护视力、滋润皮肤、加速胆固醇的分解和排除，并且能够减轻炎症，作为心脏的保护剂等功效[3]。

茄子是茄科茄属一年生草本植物，属于茄科家族中的一员。其结出的果实可食用，颜色多为紫色或紫黑色，也有淡绿色或白色品种。茄子的营养较丰富，含有蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素以及钙、磷、铁等多种营养成分。茄子皮中富含有VE和VP，对保护心血管、延缓人体衰老具有积极意义[4-6]。茄子皮中含有的原花青素可提取作为天然食用色素。微波提取技术具有速度快、时间短、安全环保、提取率高等特点被广泛应用在植物有效成分的提取工艺中[7]。本试验通过以Box-Behnken响应面分析法对以茄子皮为原料进行微波提取原花青素的工艺进行了研究，确定了以茄子皮为原料生产原花青素的最佳工艺参数，为其工业化生产提供了理论化依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

天津快圆茄：市售。

儿茶素标准品（纯度98%）：美国Sigma公司；甲醇、无水乙醇、硫酸、香草醛均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

721分光光度计：上海精密科学仪器有限公司；WF-2000型微波快速反应器：上海屹尧分析仪器有限公司；HHS-11-2型智能数显电热恒温水浴锅：上海百典仪器设备有限公司；HG-9023A台式干燥箱：上海和呈制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 标准曲线的建立

配制0.1mg/mL儿茶素标准溶液，分别吸取0、1.0mL、2.0mL、3.0mL、4.0mL、5.0mL置于6个10mL容量瓶中，各加入乙醇（体积分数为70%）溶液定容至10mL，各取1mL置于试管中，分别向其中加入体积分数3%香草醛乙醇溶液2.5mL和体积分数30%硫酸乙醇溶液2.5mL，摇匀，于30℃水浴20min，然后在波长500nm处测定吸光度值，绘制标准曲线。1.3.2茄子皮中原花青素的提取[8]

刮取新鲜茄子果皮，剔除果皮上多余果肉，将剪碎的茄子皮置于37℃干燥箱中烘干48h，经粉碎后过60目（0.3mm）筛，备用。注意避光密封保存。精确称取1.0g茄子皮干粉于50mL锥形瓶中，加入体积分数为50%乙醇提取剂（pH 5.0）提取一段时间，离心，得到原花青素类物质提取液。

1.3.3 茄子皮中原花青素含量的测定

采用硫酸-香草醛法[9]测定样品中原花青素含量。取样品溶液1mL按照标准曲线制作方法操作，于波长500nm处测定吸光度值，根据标准曲线计算出样品中原花青素含量，即提取到的原花青素质量占茄子皮干燥粉末质量的百分比，原花青素提取率计算公式：

1.3.4 单因素试验

料液比对原花青素提取率的影响：乙醇体积分数为50%，提取温度为60℃，微波功率为350W，微波作用时间60s的条件下提取1次，研究原花青素在料液比1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60条件下的提取率。

乙醇体积分数对原花青素提取率的影响：通过上述试验确定最佳料液比，此时试验条件为试验提取温度为60℃，微波功率为350W，微波作用时间60s，提取次数为1次。研究原花青素在乙醇体积分数为40%、50%、60%、70%、80%、90%条件下的提取率。

微波功率对原花青素提取率的影响：通过上述试验确定最佳料液比、乙醇体积分数，此时试验条件为提取温度60℃，微波作用时间60s的条件下提取1次，研究原花青素在微波功率300W、400W、500W、600W、700W、800W条件下的提取率。

提取温度对原花青素提取率的影响：通过上述试验确定最佳料液比、乙醇体积分数、微波功率，此时试验条件为微波作用时间60s，提取次数1次。研究原花青素在提取温度40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃条件下的提取率。

提取时间对原花青素提取率的影响：通过上述试验确定的最佳料液比、乙醇体积分数、微波功率及提取温度，提取1次，研究原花青素在提取时间30s、50s、70s、90s、110s、130s条件下的提取率。

提取次数对原花青素提取率的影响：通过上述试验确定的最佳的料液比、乙醇体积分数、微波功率、提取温度、提取时间，研究原花青素在提取次数1次、2次、3次、4次、5次、6次条件下的提取率。

1.3.5 响应面分析法优化茄子皮中原花青素的提取条件[10-15]

考虑到原花青素在70℃以上易发生降解反应，故选择提取温度为70℃以保证原花青素含量。在单因素试验的基础上，固定原花青素提取次数2次。重点考察料液比（A）、乙醇体积分数（B）、微波功率（C）和提取时间（D）对茄子皮中原花青素提取效果的影响，根据Box-Behnken中心组合设计方案进行试验，以原花青素得率为试验指标，采用Design-expert 8.0对试验数据进行回归分析，推测出原花青素提取最佳工艺参数。试验因素水平设计见表1。

表1 响应面法试验的因素水平编码Table 1 Factors and levels coding of response surface method test

2 结果与分析

2.1 原花青素标准曲线制作

以儿茶素标准溶液质量浓度（x）为横坐标，其吸光度值（y）为纵坐标，绘制标准曲线见图1。标准曲线线性回归方程为y=2.92x+0.001 7，线性相关系数R2=0.999 5，具有很好的线性关系。

图1 原花青素标准曲线Fig.1 Standard curve of proanthocyanidins

2.2 单因素试验

2.2.1 料液比的选择

不同的料液比对原花青素提取率的影响结果见图2。

从图2可以看出，料液比为1∶10至1∶50时，原花青素得率数值曲线呈现总体上升趋势。当料液比为1∶50时原花青素得率得到最大值。但是，当料液比为1∶60时，提取率下降，原因可能为单位乙醇溶液体积中的原花青素含量减少，容易发生氧化反应，被氧化的原花青素随其溶剂体积增大而呈现增大趋势。若此时加大溶剂用量，则会影响后序浓缩工艺，并造成溶剂浪费，加大成本。因而选择最佳料液比为1∶50。

图2 料液比对原花青素提取效果的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the extraction of proanthocyanidins

2.2.2 乙醇体积分数选择

不同的乙醇体积分数对原花青素提取率的影响结果见图3。

图3 乙醇体积分数对原花青素提取效果的影响Fig.3 Effect of ethanol volume fraction on the extraction of proanthocyanidins

从图3可以看出，乙醇体积分数的增大，使得原花青素得率先呈现出上升趋势；当乙醇体积分数超过70%时，原花青素得率呈现出下降趋势，究其原因是由于一些醇溶性物质随着乙醇体积分数的增大而溶出，这些物质与原花青素竞争，与乙醇-水分子相结合，因而使得原花青素得率下降。故确定最佳乙醇体积分数为70%。

2.2.3 微波功率的选择

不同的微波功率对原花青素提取率的影响结果见图4。

图4 微波功率对原花青素得率的影响Fig.4 Effect of microwave power on proanthocyanidins yield

从图4可以看出，随着微波功率逐渐增大，原花青素得率也逐渐增加；当微波功率超过600W时，原花青素得率有下降趋势。这是由于低功率对细胞破坏小，使得原花青素得率较低；高功率微波使得温度上升迅速，导致原花青素被氧化，得率减小。因而选择最佳微波功率为600W。

2.2.4 提取温度的选择

不同的提取温度对原花青素提取率的影响结果见图5。

从图5可以看出，当提取温度升高时，原花青素得率呈上升趋势，但当提取温度超过70℃时，原花青素得率开始下降，这是由于随着提取温度的升高原花青素的有效成分易受热被破坏，因而确定最佳提取温度为70℃。

2.2.5 提取时间的选择

不同的提取时间对原花青素提取率的影响结果见图6。

从图6可以看出，随着提取时间的延长，原花青素得率呈上升趋势。当提取时间超过90s后，原花青素得率增长不明显。考虑到能源消耗和经济成本，故而选择最佳提取时间为90s。

2.2.6 提取次数的选择

不同的提取时间对原花青素提取率的影响结果见图7。

从图7可以看出，随着提取次数的增加，原花青素得率呈上升趋势。当提取次数超过2次以后，上升趋势减缓，原花青素得率增加不明显。考虑到节约成本和时间，选择最佳提取次数为2次。

图7 提取次数对原花青素得率的影响Fig.7 Effect of extraction times on proanthocyanidins yield

2.3 原花青素提取工艺的优化

2.3.1 响应面试验结果及分析

表2 Box-Behnken响应面法试验设计及结果Table 2 Box-Behnken design and results

根据表2结果，对自变量编码A、B、C、D进行回归分析，得到二次回归方程：

通过Design-Expert进行方差分析验证回归模型及各参数显著度，结果见表3。

表3 回归方程各项的方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由方差分析（见表3）可知，模型P<0.01即影响呈现出高度显著。失拟项不显著（P>0.05），这说明试验数据显示的残差是由随机误差所引起的。模型决定系数R2=0.986 3，R2Adj=0.972 7，表明该模型的拟合度表现良好，能够反应试验的真实值。变异系数（coefficientofvariation，CV）=0.19%，说明试验操作可信。信噪比为26.273，远大于4，说明该模型拟合度和可信度均较高。所以该模型方程可以用来分析并预测在不同的条件下茄子皮中的原花青素提取率的变化情况。

由表3可知，对于提取率影响较大的因素为乙醇体积分数、微波功率和提取时间，料液比对原花青素提取率的影响较弱些。此外，乙醇体积分数与微波功率、乙醇体积分数与提取时间以及微波功率与提取时间之间的交互作用对原花青素提取率有极为显著的影响。因而需考虑不同的乙醇体积分数对于微波的吸收作用有差异，从而会导致原花青素提取率的变化，并且需严格控制提取时间以免微波热效应过长或过短而降低原花青素提取率。比较二次回归方程中一次项系数绝对值大小为依据，得出各个参数对原花青素提取率（Y）值的影响作用关系为C＞B＞D＞A，即微波功率＞乙醇体积分数＞提取时间＞料液比。

2.3.2 因素交互作用分析

由A、B、C、D构成一个在二维平面上展现三维空间的立体模型，以表现响应值Y的等温图。即可以直观地反应出各个因素对于响应值的影响，反应过程中各因素的相互交互关系对于响应值的影响的响应面及等高线见图8～图10。

图8 乙醇体积分数与微波功率的交互作用对原花青素提取率影响的响应面及等高线Fig.8 Response surface plot and contour line of interaction between ethanol volume fraction and microwave power on proanthocyanidins extraction yield

图9 乙醇体积分数与提取时间的交互作用对原花青素提取率影响的响应面及等高线Fig.9 Response surface plot and contour line of interaction between ethanol volume fraction and extraction time on proanthocyanidins extraction yield

图10 微波功率与提取时间的交互作用对原花青素提取率影响的响应面及等高线Fig.10 Response surface plot and contour line of interaction between microwave power and extraction time on proanthocyanidins extraction yield

由图8～图10可知，乙醇体积分数、微波功率和提取时间之间的交互作用对于提取率的影响极为显著，响应面图曲面较陡；乙醇体积分数与微波功率的交互作用对原花青素的提取率影响最大，表现为图形曲面最为陡峭。说明微波的吸收能力交互提取溶剂体积分数成为提取原花青素的最显著因素。溶剂的体积分数并非越大越好，要掌握好其与微波功率和提取时间的关系。

2.3.3 最佳提取条件的确定及验证

用Design-Expert软件对试验模型进一步进行分析，以获得该方法的最佳提取条件。经分析得出最佳理论点为A= 1∶52.28、B=69.74、C=603.91、D=88.63。即料液比为1∶52.28、乙醇体积分数为69.74%、微波功率为603.91W、提取时间为88.63s，此时得到原花青素提取率理论值最大为3.525 81%。考虑到实际操作条件和可能性，对上述试验理论数值进行四舍五入，即料液比为1∶50、乙醇体积分数为70%、微波功率为600W、提取时间为89s，在此最佳条件下原花青素提取率为3.521%。

3 结论

通过单因素和响应面分析，优化了茄子皮中原花青素的微波提取工艺，确定了各因素和原花青素提取率（响应值）的关系表达式。采用微波法具有高选择性、省时、溶剂用量少、低能耗的优点，具有广泛应用前景。

通过响应面分析，得到茄子皮中原花青素微波提取优化的数学回归模型：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。在此试验范围内，该模型能够较为准确地预测茄子皮中原花青素的提取率。

最佳提取工艺参数为料液比1∶50、乙醇体积分数70%、微波功率600W、提取时间89s，在此最佳条件下原花青素提取率为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

魏玮（1981-），女，讲师，硕士，研究方向为农产品加工及贮藏工程。