响应面法优化提取金樱子棕工艺

李乐 ，李菲，马双，袁莹，李全宏*

1. 重庆化工职业学院环境与质量检测学院（重庆 401228）；2. 中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家果蔬加工工程技术研究中心，农业部果蔬加工重点开发实验室（北京 100083）

食用色素按来源分为天然食用色素和合成色素。合成色素具有成本低廉、稳定性好、使用方便等优点，曾被广泛应用。但人们研究发现，合成色素多含苯环、氧杂蒽等结构，人体代谢后可生成具有致癌作用的R-萘胺，长期摄入会对人体产生毒害作用[1-2]，有的甚至诱发染色体变异。天然色素中的棕色素使用量非常大，是很多食品、医药、化工用品的着色剂。金樱子棕（Rosa laevigataMichx brown）为天然的食用棕色色素[3]，是非常难得的天然棕色素来源之一。它来源于蔷薇科蔷薇属的野生常绿蔓性灌木植物金樱子[4-5]，目前对金樱子棕的提取工艺鲜有研究[6]，试验以金樱子粉为原料提取金樱子棕色素，采用响应面法优化其提取条件，分析料液比、提取温度、提取时间对金樱子棕得率的影响，以期得到提取金樱子棕色素的最佳工艺条件，为金樱子棕色素的开发利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 主要仪器与试剂

金樱子，市售；无水乙醇、石油醚，均为分析纯，所用水均为去离子水。

BSA224S电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司；多功能粉碎机，浙江瑞安市永历制药机械有限公司；UV-3150紫外-可见光分光光度计，日本岛津公司；台式离心机，天津广丰科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 材料预处理

将金樱子果实烘干、粉碎，过30目筛，用石油醚脱脂，干燥备用。

1.2.2 测定波长的确定

金樱子棕自身为黄棕色，是多种色素的混合物，显色主要成分为酚类色素，包括黄花素类（Anthoxanlhins）[7]，其在紫外可见区没有明显特征吸收，选取了可见光区的小吸收峰450 nm处进行测量。

1.2.3 浸提溶剂的选择

准确称取5 g金樱子样品7份于100 mL锥形瓶中，分别加入蒸馏水、20%乙醇、30%乙醇、40%乙醇、50%乙醇、60%乙醇、70%乙醇，用保鲜膜密封，室温下震荡浸提4 h。过滤，取滤液10 mL，稀释定容至50 mL，分别用相应的提取溶剂作参比，于450 nm处进行测定，根据吸光度的大小确定最佳提取溶剂。

1.2.4 金樱子棕提取的单因素试验

分别以不同温度（20，30，40，50和60℃）、不同时间（1，2，3，4和5 h）、不同料液比（1∶10，1∶20，1∶30，1∶40和1∶50（g/mL））为自变量，以金樱子棕提取时测得的吸光度为参考量，通过控制变量法，进行单因素试验，确定响应面分析法各个因素的控制范围。

1.2.5 响应面法优化试验

在单因素试验的基础上，选用响应面试验设计法进一步优化提取条件。运用Design-Expert 8.0.6软件建立三因素三水平Box-Benhnken中心组合试验，试验因素与水平取值见表1。

表1 响应面分析因素与水平编码表

2 结果与分析

2.1 浸提溶剂的选择

图1为浸提剂乙醇体积分数对金樱子棕色素提取吸光度的影响，可以看出随着乙醇体积分数的增加，色素提取液的吸光度呈现逐渐增大再降低的趋势，40%乙醇对金樱子棕色素的提取效果最好，因此，选择40%乙醇作为浸提溶剂。

图1 不同乙醇体积分数提取的金樱子棕色素溶液的吸光度

2.2 单因素结果分析

2.2.1 温度对浸提效果的影响

由图2可知，随着提取温度的升高，金樱子棕色素的吸光度值逐步增大，在40℃时达到最高，其后随着温度升高吸光度逐渐下降。这可能是因为随着提取液温度的升高，加速金樱子棕色素的氧化，或者温度过高，乙醇挥发量增大，影响浸提效果。因此，选择40℃作为金樱子棕提取温度。

2.2.2 浸提时间对浸提效果的影响

从图3可以看出，浸提时间在一定范围内，随着时间的延长，金樱子棕色素的提取率不断提高。但时间过长提取率有降低的趋势，这可能是金樱子棕色素在氧气、光线、热条件下，稳定性受到影响。因此，选择4 h为浸提时间。

2.2.3 料液比对浸提效果的影响

由图4可知，金樱子棕色素浸提的吸光度随料液比出现先增大后减小的趋势，在料液比1∶30 g/mL时色素提取的吸光度达到最大。因此，选择1∶30 g/mL为提取的料液比1∶30 g/mL。

图2 不同浸提温度提取的金樱子棕色素溶液的吸光度

图3 不同浸提时间提取的金樱子棕色素溶液的吸光度

图4 不同料液比提取的金樱子棕色素溶液的吸光度

2.3 响应面设计试验与分析

2.3.1 响应面设计试验回归方程和方差分析

利用Design Expert 8.0.6软件对表2数据进行多元回归拟合，得到金樱子棕色素提取率。

对提取时间（A）、提取温度（B）、料液比（C）的拟合二次回归方程：Y=0.43-2.5A10-4+7.5B10-3+ 3.5C10-3-2.75AB10-3+1.25AC10-3-2.75BC10-3-0.022A2-0.018B2-0.033C2。方差分析结果表明，失拟项p= 0.068 4＞0.05，说明失拟项不显著，试验模型预测值与实际值拟合度较好，而模型p＜0.000 1，表明该模型可信度较高，试验方法可行，且回归方程的复相关系数R2=0.982 2＞0.9，说明提取时间、提取温度、液料比存在良好的线性关系，试验模型误差小、拟合度较高。决定系数R2Adj=0.959 3，F=42.90说明试验模型可信度较高，该模型可用于分析金樱子棕色素提取工艺，并能准确分析色素吸光度的变化。AB、AC、BC项p均大于0.05，表现为不显著，这表明提取温度、提取时间、料液比三者无交互作用。

方差分析见表3。从F值可知，三个因素对金樱子棕色素提取率影响强弱依次为提取温度＞料液比＞提取时间。

表2 Box-Benhnken试验设计方案及结果

表3 二次回归模型方差分析

2.3.2 响应面分析

响应曲面越陡峭，说明该因素对提取效果的影响越大，交互作用越显著，越平缓，则影响越小，交互作用越不明显。椭圆形等高线表示两因素间的交互作用显著，圆形等高线表示交互作用不显著[8-10]。从图5可以看出，料液比在零水平时，提取温度从30～45℃，提取时间从3～4 h，金樱子棕色素提取率逐渐增大；提取时间在零水平时，随着增加料液比的增加，金樱子棕色素的提取缓慢升高而后出现下降。

图5 各因素及其交互作用对提取影响的响应面图

通过Box-Behnken分析，预测的最佳试验条件为：提取温度42.07℃，提取时间3.98 h，料液比1∶30.43（g/mL）。此条件下预测的吸光度为0.429。为了提取试验的可行性，对预测条件进行了修正：提取温度42℃，提取时间4 h，料液比1∶30（g/mL）。通过试验检验最优预测条件下的提取效果，色素提取吸光度测定值为0.431，与预测值相接近，相差0.002。说明该模型切实可行。

3 结论

以金樱子为研究对象，对金樱子棕色素进行提取。通过单因素试验可知提取温度对色素提取有显著影响作用。通过响应面分析模型对金樱子棕色素提取条件进行了优化分析，建立了提取金樱子棕色素的三因素三水平模型，得到了最优的提取条件为提取温度42℃，提取时间4 h，料液比1∶30（g/mL）。该研究为金樱子资源充分利用和天然色素种类的开发提供了一定的理论依据。