响应面法优化核桃青皮色素提取工艺

王雪梅 赵蝴蝶 马鑫 张东东 洪国英 易帆

(1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050；2.金轮针布（白银）有限公司，甘肃 白银 730900）

随着近代科学的发展，合成染料由于色谱齐全、色泽鲜艳、价格便宜等诸多优点得到广泛应用，逐渐替代了天然染料成为纺织品染色的主要着色物质[1-2]。然而合成染料在生产过程中给环境带来严重的污染，且一些合成染料对人体有一定的危害。由于天然染料更安全和更环保，染色产品色调独特别致以及部分天然染料兼具保健的功能，使得其被认为是合成染料的良好替代品[3-4]。核桃青皮色素作为众多植物色素中的一种，其得色率高，色素提取容易，成本低廉、性质稳定[5-6]。被染商品色泽靓丽且含有抑菌和抗癌成分，使其在着色领域的应用不断被挖掘，因而核桃青皮色素的提取和性能等方面的探索，也日益成为学者们研究的方向[7-8]。

为了进一步优化核桃青皮色素的提取工艺，本文根据核桃青皮的性能特点，利用响应面法优化试验得到了核桃青皮最优提取工艺[9-10]。供相关的企业参考，以便他们更为合理地进行生产，提高产品质量和经济效益。

1 试验

1.1 材料与仪器

材料：将处理干净的天然核桃青皮经自然晾干后置入粉碎机中，再过80目筛网，得到核桃青皮粉末，冷藏保存。

仪器：电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）、HH-4型数显恒温水浴锅（温州市大荣纺织仪器有限公司）、高速中药粉碎机（浙江省永康市铂欧五金制品有限公司）、电子天平PTX-FA2015（福州华志科学仪器有限公司）、实验室水纯化系统（上海芷昂仪器有限公司）、CT-6020数显防水笔式pH计（常州德社精密仪器有限公司）、玻璃棒、烧杯、量筒等。

试验试剂：无水乙醇（分析纯、东莞润庆化工有限公司）、去离子水（自制）

1.2 色素提取

1.2.1 色素提取单因素试验

以色素提取率为评价指标，分别考察不同浸提温度、料液比、乙醇浓度条件下进行核桃青皮色素提取单因素试验。单因素试验安排如表1所示。

表1 单因素试验安排表

称取2g核桃青皮粉末放置在120 mL的烧杯中，按照表1设计的料液比配置浸提液，搅拌均匀后保鲜膜密封，置入适宜温度水浴锅中充分浸提75 min，过滤后收集滤液并将残渣置入烘箱中烘干，待其恒重后称重，计算色素提取率。

将过滤后的残渣放入烘箱中烘干，待其恒重时称重，然后取提取前后固体质量的差值即为提取色素的质量，即提取色素的质量=核桃青皮粉末质量-残渣质量。

（1）浸提温度对色素提取率的影响

如图1所示，色素提取率在浸提温度为60℃时达到最大值，此后再增加浸提温度，色素提取率反而开始减小，因此，选取50℃、60℃和70℃为响应面优化试验色素浸提温度的3个水平值。

图1 浸提温度对色素提取率的影响

（2）料液比对色素提取率的影响

如图2所示，料液比从1:10增加到1:25时，色素提取率逐渐增大并达到最大值，之后再增加料液比，色素提取率反而开始减小，因此，选取1:20、1:25和1:30为响应面优化试验料液比的3个水平值。

图2 料液比对色素提取率的影响

（3）乙醇浓度对色素提取率的影响

如图3所示，色素提取率在乙醇浓度为30%时达到最大值，此后再增加乙醇浓度色素提取率反而开始减小，因此，选取20%、30%和40%为响应面优化试验乙醇浓度的3个水平值。

图3 乙醇浓度对色素提取率的影响

1.2.2 色素提取响应面优化试验

依据单因素试验结果，选取A（浸提温度，℃）、B（料液比，g/mL）、C（乙醇浓度，%）3个因素综合软件Design-Expert12中的Box-Benhnken试验原理，设计如表2所示的三因素三水平响应面优化试验：

表2 色素提取响应面优化试验因素水平表

2 结果与讨论

2.1 色素提取响应面优化试验结果

以核桃青皮色素提取率为指标，以浸提温度、料液比、乙醇浓度为响应因子的三因素三水平的响应面优化试验的结果如表3所示。

表3 色素提取响应面优化试验结果

2.2 色素提取响应面拟合模型分析

对表3的试验数据进行回归拟合分析，得到核桃青皮色素提取率与各因素影响的二次方程：

模型的方差分析结果如表4。由表4可知，该模型的F值为12.99，P值小于0.05，说明相应项显著，P值小于0.01，说明相应项极显著，本试验模型的P=0.014，说明该模型是显著的，能够正确反映核桃青皮色素提取率与浸提温度、料液比、乙醇浓度的关系，可用于乙醇溶液浸提法核桃青皮色素的提取及预测。又由表4可见，除AB、AC项（P>0.05）外，A、B、C、BC、A2、B2、C2项为显著或极显著。各因素对色素提取率影响程度依次为：乙醇浓度>浸提温度>料液比。

表4 色素提取方差分析结果表

2.3 多因素交互分析

各因素交互作用响应面图如图4~6所示。由图4可知，色素提取率在浸提温度处于较低水平时（50~62℃）随料液比的增大呈递增趋势，而在浸提温度处于较高水平（62~70℃）时则呈现递减趋势。由图5可知，色素提取率在浸提温度处于较低水平（50~57℃）时随乙醇浓度增加呈递增趋势，而在浸提温度处于较高水平（57~70℃）时则呈递减趋势。由图6可知，色素提取率在料液比处于较低水平（1:25之前）时随乙醇浓度的增加呈递增趋势，而在料液比处于较高水平（即1:25之后）则呈现递减趋势。综合分析可得：料液比-乙醇浓度交互作用最强烈，浸提温度-料液比交互作用次之，浸提温度-乙醇浓度交互作用最弱。

图4 浸提温度-料液比响应面交互作用图

图5 浸提温度-乙醇浓度响应面交互作用图

图6 料液比-乙醇浓度响应面交互作用图

2.4 色素提取响应面优化结果

响应面软件优化的色素提取工艺结果如表5所示。得到优化的核桃青皮色素提取工艺为：浸提温度62.304℃，料液比1:25.341，乙醇浓度33.280%，预测的色素提取率为39.9998%，为便于实际操作，我们将数据修整为：浸提温度62℃，料液比1:25，乙醇浓度33%，此条件下验证试验测得色素提取率为41.70%，与软件预测值相对误差仅4.077%，说明所拟合方程和模型可靠度较高，利用响应面法分析得出的最优工艺参数可靠。

表5 色素提取响应面优化结果

3 结论

（1）采用乙醇溶液浸提法提取核桃青皮色素，得到优化的色素提取工艺参数为：浸提温度62℃，料液比1:25，乙醇浓度33%，固定的浸提时间为75 min；

（2）各因素的主次顺序为：乙醇浓度>浸提温度>料液比；

（3）该法简便易行，低耗环保，且获得了较高的色素提取率。