林 莉，袁 玮，苏文婷，严红光

（凯里学院，贵州凯里 556011）

荸荠Eleocharis tuberosa，别名马蹄、水栗、乌芋，是莎草科荸荠属多年生草本植物［1］，在中国有3000多年的栽植历史［2］，栽培面积达60万亩以上，广泛分布在广西、安徽、福建、湖北等地.荸荠营养丰富，是一种受大众欢迎的药食两用类果蔬.荸荠皮约占荸荠鲜重的20%−25%［3］，在荸荠加工和食用过程中，随着需求量的增加，荸荠皮的产量也在增加，对环境造成了一定的污染.

研究发现荸荠皮中含有水溶性的棕色素，这是一种天然的黄酮色素［4］，主要成分是黄酮类物质，有黄酮、黄酮醇、二氢黄酮等［5］，具有抗自由基、抗菌、抗氧化等特点［6−8］.用在食品添加剂中可以起到改善食品色泽及感官品质、提高食品的食用安全性和保健的功效［9］.如果我们能充分利用废弃的荸荠皮资源，不仅可以提高荸荠原料的利用率，还能为废弃物的处理提供一条新的路径［10］.

荸荠皮色素传统的提取方法包括有机溶剂提取法［11］、超声波提取法、微波法、酶反应法等.微波［12］的强穿透性能够防止物质表面阻力的形成，热量能较快地辐射到提取物组织内部，也更利于促进溶剂进入提取物内部，具有加热快速、物质均匀受热、操作过程简单、易控制工艺条件、节省能源等优点［13］.将其应用于提取天然物质的活性组分［14］，不仅能缩短提取时间、简化提取过程、降低试验能耗，还能提高提取率和提取物的纯度［15］.在浸提溶剂的选择上，本文遵循无毒无害、价格低廉、提取率高、易回收并可循环再利用的原则［16］，从经济效益和提取产品的安全性方面考虑，选用水作为浸提溶剂.采用响应面法对荸荠皮色素提取工艺进行优化，可以将复杂的未知函数关系进行二次多元模型拟合，使得试验结果更符合实际情况.与正交试验比较，在优化试验中，可以对各个因素水平进行连续性的分析，减小对各试验点进行试验所产生的随机误差.

本文以荸荠加工过程中产生的废弃荸荠皮为原材料，采用微波辅助［17−19］水浸提的方法提取荸荠皮色素，并通过单因素试验和响应面法相结合对荸荠皮色素提取条件进行优化，以期为荸荠皮天然资源的深度开发和利用提供理论依据.

1 试验材料与设备

1.1 试验材料

试验材料荸荠网购于广西桂林荔浦县广生农业有限公司，将新鲜荸荠洗净削皮，荸荠皮放入鼓风干燥箱中45 ℃烘干，放入料理机中粉碎过40目筛，装瓶密封备用.

1.2 试验设备

试验设备主要有101−3ASB 电热鼓风干燥箱，北京科伟永兴有限公司；九阳料理机；T6新世纪−紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器责任有限公司；AXTD5A 医用离心机，盐城市安信实验有限公司；BD22W−C86 电磁炉，北导电器实业有限公司；AR224CN 电子天平，奥豪斯仪器（常州）有限公司.

2 试验方法

2.1 工艺流程

荸荠皮→干燥→粉碎→过筛→称取→浸泡→微波提取→过滤→离心→提取液→测定吸光度

2.2 荸荠皮色素的提取与测定

准确称量荸荠皮粉末1.500 g加入到100 mL烧杯中，再加入30 mL蒸馏水浸泡10 min，在微波条件下加热2 min，冷却后用300目尼龙布过滤，将滤液在4000 r/min的转速下离心10 min，得到色素提取液.根据参考文献［2］选择430 nm 为测定波长，使用紫外可见分光光度计测定提取液色素的吸光度.

2.3 单因素试验

准确称取1.500 g 的荸荠皮粉末加入到100 mL 烧杯中，再加入30 mL 蒸馏水配制提取液.用色素吸光度值作提取效果衡量指标，在料液比为1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25 g/mL，微波功率为100、200、300、400、500 W，加热时间为1、2、3、4、5 min的条件下进行相应的处理，将不同水平的料液比、微波功率及微波加热时间对荸荠皮色素提取效果的影响进行对比分析.

2.4 响应面试验

采用Box−Behnken 中心组合试验设计原理，通过对单因素试验结果进行综合分析，研究各个影响因素对色素提取效果的影响，使用分析软件Design ExpertV8.0.6 进行响应面设计，以料液比（A）、微波功率（B）、加热时间（C）为自变量，提取液色素吸光度值为衡量指标，进行三因素三水平的响应面试验［20−21］，预测荸荠皮色素的最佳提取工艺，具体的因素水平设计见表1.

表1 响应面因素水平设计

3 结果与分析

3.1 单因素试验结果

3.1.1 料液比对色素提取效果的影响

分别以不同水平的料液比进行色素提取，确定响应面试验中料液比的优化选取范围，结果如图1.从图1 中可以看出，在1∶5−1∶25 g/mL 时，提取效果随料液比的变化趋势为先升高后降低.在料液比为1∶10 g/mL 时，提取液吸光度值为0.899，达到了吸收峰值；在1∶10−1∶25 g/mL 时，随着料液比递减，吸光度值大幅度下降，由0.899 减小到0.557；这可能是因为1∶5 g/mL 时溶剂达到饱和，可溶性杂质也更易溶入提取液中，从而影响提取效果.在1∶10 g/mL 时色素大部分能提取出，随着液料比的递减，从中浸提出的色素被溶剂稀释，吸光度值随之减小.因此，料液比选择1∶5、1∶10、1∶15 g/mL进行优化试验.

图1 料液比对色素提取效果的影响

3.1.2 微波功率对色素提取效果的影响

分别以不同水平的微波功率对荸荠皮进行试验处理，确定响应面试验中微波功率的优化选取条件，结果如图2.从图2 中可以看出：随着微波功率的递增，吸光度值变化幅度较大.在200 W时，吸光度值为0.624，此条件下吸光度达到峰值；在100−200 W 时，吸光度逐渐增大；将微波功率从200 W 逐渐增加到500 W 时，吸光度值则逐渐下降，最后降到0.457.这可能是因为功率较低时提取液升温速度慢，辐射温度较低，直接影响了荸荠皮组织的破坏程度，导致色素不易从中溶出，从而影响提取效果；当功率增加，在200 W 时荸荠皮被较好的破解，色素容易从荸荠皮组织中释放，向溶剂中扩散，提取率最高；当微波功率再进一步增大时，提取液升温速度快，温度较高，因热不稳定性使得色素也更易降解，且其他杂质也容易溶出，导致色素提取效果不好.因此，根据试验结果，微波功率选择100，200，300 W进行优化试验.

图2 微波功率对色素提取效果的影响

3.1.3 加热时间对色素提取效果的影响

通过进行不同水平的微波加热时间处理来确定响应面试验中微波加热时间的优化条件，结果如图3.由图3 可知，加热时间过长或过短都不利于荸荠皮色素的提取，在加热1−3 min 时，随着加热时间加长，提取液吸光度值由0.429 增大到0.530，呈逐渐增大的变化趋势，并在加热时间为3 min时达到峰值，总体上与前面的因素比较变化幅度不大.这可能是因为加热时间较短时，辐射能量不足，荸荠皮组织被破坏程度较低，色素不容易从荸荠皮组织中释放出；当加热时间进一步增加，水溶剂蒸发量增加，并且因局部过热等情况，部分色素因热不稳定性被降解.因此，加热时间选择2，3，4 min进行优化试验.

图3 加热时间对色素提取效果的影响

3.2 响应面试验结果及分析

3.2.1 响应面试验结果分析

将表2的试验数据结果经过软件Design−Expert 8.0.6进行二次多元拟合处理，整理数据分析后，得到色素提取液吸光度与料液比、微波功率、微波加热时间3 个因素的回归方程为：吸光度=0.91−0.024A+0.12B+0.019C−0.013AB+2.750E−003AC−0.024BC−0.14A2−0.14B2−0.017C2.所得的回归方程方差分析如表3所示.

表2 响应面试验结果

表3 拟合二次多项式模型的方差分析

根据表3知，F ＝70.33，P＜0.0001，说明该模型达到了极显著水平.模型中有4项数值表现为极显著水平，分别是一次项A、B 和二次项A2、B2，响应值为加热时间的回归模型中，一次项C 和二次项C2均表现为显著水平，其余各项对色素吸光度的影响不明显.失拟项P值为0.0134（＜0.05），失拟项显著，说明模型模拟效果不好，因此需要进一步优化模型.

在二次多项式拟合的方差分析基础上增加B2C 后，其回归方程为：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.优化结果如表4 所示.

表4 回归模型优化结果

该回归模型模F=311.96，P值小于0.0001；失拟项F=2.09，P=0.2388，P值大于0.05，失拟项差异不显著，说明优化后的回归模型可以很好地反映实际操作；一次项A、B、C 均为极显著水平；其中，A2、B2、BC、B2C 各项影响极显著（p＜0.01），AB 项和C2项表现为显著（p＜0.05）；料液比与加热时间的交互作用不明显，交互项AC影响不显著.通过方差分析结果可知，在应用微波辅助水提取荸荠皮色素的过程中各个因素对色素提取效果的影响程度可归纳为：微波功率（B）＞加热时间（C）＞料液比（A）.

模型中决定系数R2=0.998 1，接近于1；校正决定系数R2Adj=0.994 9，预测决定系数R2Pred=0.959 3，可知模型可行度高.变异系数（CV）可反映试验数据离散程度，CV 值为1.26 %，远小于10%，反映试验精确可行.该模型可以较准确地反映实际情况，用于分析与预测荸荠皮色素的提取效果，有较高的可信度.

3.2.2 响应面曲面图分析

以下是响应值对各试验因素之间交互作用构成的三维曲面图，对其响应面曲面图以及等高线图进行对比分析，通过图中的变化趋势可分析出最佳条件及各因素交互作用对色素提取效果的影响.在三维曲面图上曲面的弯曲幅度越大，表明该因素间的交互作用对吸光度值的影响越大.

从图4、5、6 中可以直观看出，存在最大响应值.通过分析图4 中等高线图及三维曲面图的弯曲幅度变化，等高线图呈椭圆，曲面弧度大，其反映出料液比与微波功率的交互作用对响应值的影响最大；而图5、6 中三维曲面弯曲幅度较小，加热时间分别与微波功率及料液比之前的交互作用对响应值的影响不明显.结果表明，微波辅助提荸荠皮色素的最佳条件为：料液比为1∶9.39 g/mL，微波功率228.71 W、加热时间3.90 min，响应面优化的最优响应值为0.941.

图4 料液比与微波功率之间交互作用对吸光度值影响的响应面图

图5 料液比与加热时间之间交互作用对吸光度值影响的响应面图

图6 微波功率与加热时间之间交互作用对吸光度值影响的响应面图

3.2.3 最佳提取条件工艺参数及验证试验

经回归模型分析，得到微波辅助提取荸荠皮色素的最佳提取工艺条件为：料液比1∶9.39 g/mL、微波功率228.71 W、加热时间3.90 min，此条件下吸光度预测值为0.941.从实际试验的可操作性考虑，将各预测参数进行适当的调整，确定料液比1∶9 g/mL、微波功率200 W、加热时间4 min为最佳工艺条件.在此工艺参数下进行3次平行试验，结果分别为0.920、0.939、0.931，最终得吸光度平均值为0.930.作为对比，以传统加热方法浸提色素.以料液比为1∶9 g/mL，在60 ℃水浴条件下浸提4 h，进行3次试验，得吸光度平均值为0.568，对比结果验证了本文方法对提取工艺优化的有效性.结果表明各因素对响应值的影响能通过回归模型得到良好的反映，通过响应面分析能较好地优化色素提取工艺.

4 结论与讨论

本文以荸荠皮为原料，优化了微波辅助水提取荸荠皮色素的提取工艺.通过响应面分析法得到最佳提取条件为：料液比1∶9.39 g/mL、微波功率228.71 W、微波加热时间3.90 min，为了方便实验操作将上述条件合理调整为：料液比1∶9 g/mL、微波功率200 W、微波加热时间4 min，在该工艺条件下所得实际试验平均值为0.930，与模型预测值0.941 相差较小.通过方差分析结果可知，各因素对色素提取率的影响程度为：微波功率（B）＞加热时间（C）＞料液比（A）.将3 份相同的样品以料液比为1∶9 g/mL，在60 ℃水浴条件下浸提4 h，得吸光度平均值为0.568.该提取方法与传统提取方法比较，提取过程简单，减少了溶剂对环境的污染，节省能源.将微波辅助水浸提法应用到荸荠皮色素提取中，为高效安全提取荸荠皮色素提供了新思路，为荸荠色素在可食用天然色素的开发利用中提供科学数据.