响应面法优化仙人掌果色素提取工艺研究

赵旭东，夏良跃，蒋变玲

（宿州学院生物与食品工程学院，安徽宿州 234000）

仙人掌为多年生常绿肉质灌木状植物[1]。其果实中含有丰富天然色素及多糖、黄酮、蛋白质、维生素和果胶等[2]。研究表明，仙人掌果具有抗氧化、降“三高”等功效，可提高人体免疫力[3]。

但由于天然色素提取效率低、成本较高，目前多数食品加工仍采用合成色素。仙人掌果中的色素含量多，如果能够加工利用，所带来的经济效益将会十分可观[4]。如何高效提取仙人掌果色素，就显得尤为重要。

通过响应面法优化试验研究醇法提取仙人掌果色素最佳工艺，较为高效地提取仙人掌果色素，可以进一步为仙人掌果色素的研究提供帮助。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

电热恒温水浴锅，冠森生物科技有限公司产品；pH 计，南京卓玛机电有限公司产品；紫外可见分光光度计，青岛聚创环保基团有限公司产品。

1.2 材料与试剂

新鲜的绿皮红心仙人掌果，购自海南三亚；70%乙醇；盐酸。

1.3 试验方法

1.3.1 提取仙人掌果红色素

（1）试验流程。第1 步：选取新鲜无腐烂变质的仙人掌果去除表面毛刺，洗净后晾干备用。第2 步：去皮去籽。第3 步：放入研钵中捣碎，得到果浆。第4 步：将处理后的果肉倒入100 mL 锥形瓶中，加入70%乙醇，并在恒温水浴中加热。第5 步：待提取液冷却之后，以转速3 000 r/min 离心，得到上清液。第6 步：取上清液，使用70%乙醇定容至25 mL，于波长530 nm 处测定其吸光度[5-6]。

1.3.2 单因素试验

（1）料液比的选定。将处理后的果浆分别装入5 个100 mL 的锥形瓶中，固定pH 值为5，温度50 ℃，时间60 min，分别考查不同料液比（1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30）对仙人掌果色素提取的影响。

（2）提取温度的选定。固定料液比为1∶20，pH 值为5，提取时间60 min，分别考查不同温度（20，30，40，50，60 ℃）对仙人掌果色素提取的影响。

（3）pH 值的选定。固定料液比为1∶20，温度50 ℃，时间60 min，分别考查不同pH 值（2，3，4，5，6）对仙人掌果色素提取的影响。

（4）提取时间的选定。固定料液比为1∶20，pH 值为5，50 ℃条件下分别考查不同提取时间（30，40，50，60，70 min）对仙人掌果色素提取的影响。

1.3.3 响应面优化试验

在单因素试验基础上，选取对仙人掌果色素提取量影响较大的3 个因素进行响应面优化试验。

响应面试验设计见表1。

表1 响应面试验设计

1.3.4 数据处理

使用Excel 2010 和Design Expert 8.0 等对所得数据进行整理和分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 料液比的选定

料液比对仙人掌果色素提取的影响见图1。

图1 料液比对仙人掌果色素提取的影响

由图1 可知，料液比为1∶10 和1∶15 时，随着加入的乙醇的体积增加，吸光度先上升，可能是由于乙醇体积在适当范围内增大，加强了色素的提取能力。料液比为1∶15 时，吸光度达到最大，此时的提取能力最强，而随着溶剂体积的继续增大，吸光度逐渐下降，可能是由于仙人掌果浆远少于乙醇，降低其溶出能力[7]。因此选取料液比1∶10，1∶15，1∶20 进行响应面法优化。

2.1.2 提取温度的选定

提取温度对仙人掌果色素提取的影响见图2。

图2 提取温度对仙人掌果色素提取的影响

由图2 可知，随着温度的上升，吸光度逐渐增大。可能是由于温度的升高，加强了色素的溶出能力，当温度达到40 ℃时，此时吸光度最大，提取能力最强。温度继续上升，吸光度逐渐下降，由于随着温度的不断升高，过高的温度造成了色素的分解[8]。故选取温度为30，40，50 ℃进行响应面法优化。

2.1.3 pH 值的选定

pH 值对仙人掌果色素提取的影响见图3。

图3 pH 值对仙人掌果色素提取的影响

由图3 可知，随着pH 值的增大，吸光度不断增大，当pH 值高于4，吸光度开始下降，可能是由于pH 值增大，破坏了仙人掌果色素的天然结构[11]。因此选取pH 值为3，4，5 进行响应面法优化。

2.1.4 提取时间的选定

提取时间对仙人掌果色素提取的影响见图4。

图4 提取时间对仙人掌果色素提取的影响

由图4 可知，60 min 以内，随着提取时间的延长，吸光度逐渐上升，可能是适当时间内，提取时间的延长使得反应更加充分。提取时间高于60 min，吸光度迅速下降，过长的提取时间使天然色素被氧化[2]。相比较于其他因素，提取时间的长短对色素提取量的影响不明显，故选取60 min 用于后续试验。

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 响应面试验结果

以单因素试验结果为基本依据，以吸光度为响应值，进行响应面优化试验。

响应面试验设计及结果见表2。

表2 响应面试验设计及结果

对表2 中的试验数据进行拟合，得方程：

2.2.2 方差分析

仙人掌果色素提取响应面方差分析见表3。

表3 仙人掌果色素提取响应面方差分析

由表3 可知，试验设计模型p＜0.01，差异极显著，表明吸光度与3 个变量之间有良好的一致性，且失拟项p=0.050 2＞0.05，不显著，说明该方程具有实际意义，能够对实际情况进行充分反映。由F 值可知，对试验指标影响从大到小依次为提取温度、料液比、pH 值。

2.2.3 响应面分析

pH 值和提取温度对仙人掌果色素提取影响见图5，料液比和pH 值对仙人掌果色素提取影响见图6，料液比和提取温度对仙人掌果色素提取影响见图7。

图5 pH 值和提取温度对仙人掌果色素提取影响

图6 料液比和pH 值对仙人掌果色素提取影响

图7 料液比和提取温度对仙人掌果色素提取影响

响应面曲面图中曲线坡度如果变化越大，则表明该因素对色素提取的影响越大，曲线坡度变化较小，那么该因素的影响就较小[9]，由图5～图7 可知，提取温度的响应面坡度变化较为明显，表明响应值对温度的变化更加敏锐，而料液比和pH 值的响应面坡度变化相比较与提取温度不明显，说明影响较小。

2.2.4 验证试验

利用Design Expert 8.0 软件进行分析，得出仙人掌果提取最佳工艺为提取温度40.72 ℃，pH 值4.08，料液比1∶15.34，在此条件下得出的吸光度预测值为0.896 616，为方便试验，优化数据为提取温度40 ℃，pH 值4，料液比1∶15。在此条件下重复试验3 次，分别得到吸光度为0.887，0.901，0.895，得平均值为0.894，所得试验数据与理论值相近，故试验结果可靠。

3 结论

通过以上试验可知，醇法提取仙人掌果色素的最优提取工艺为料液比1∶15，pH 值4，温度40 ℃条件下提取60 min。此时的仙人掌果色素的提取量最大，明显优化了仙人掌色素的提取工艺，避免了不必要的浪费，提高了经济效益，且操作简单便捷，为使用天然色素的开发提供理论依据。