响应面法优化桑葚果渣花青素的提取工艺.pdf

第33卷第3期2023年9月信阳农林学院学报Journal of Xinyang Agriculture and Forestry UniversityVol.33 No.3Sep.2023响应面法优化桑葚果渣花青素的提取工艺戴文娜1，梁好，赵丹丹1，苏超1（1.芜湖职业技术学院芜湖市生命健康工程技术研究中心，安徽芜湖2 41 0 0 3；2.芜湖市产品质量监督检验所，安徽芜湖2 41 0 0 7）摘要：利用超声辅助法提取桑葚果渣中的花青素，分别对料液比、超声时间、乙醇浓度和超声温度4个单因素对提取率影响进行探究。通过响应面分析优化了花青素的提取工艺，研究结果发现4个因素对提取率影响大小的排序为：乙醇浓度超声温度 料液比 超声时间。结合实际可操作性，得出花青素最优的提取工艺为料液比1：1 5、超声时间30 min、乙醇浓度60%、超声温度6 0，在该提取条件下花青素的提取率为0.542%，与预测值0.56 3%相接近。研究结果为进一步提高桑甚果渣中花青素的提取率提供了一定的参考价值。关键词：桑甚果渣；提取率；超声辅助法；响应面分析中图分类号：TS209桑葚又可称为桑果,在我国种植的桑葚种类主要为黑桑、白桑、鲁桑以及广东桑等种类。桑葚的营养价值丰富，其中不仅含有大量人体的必需氨基酸还存在大量的功能性成分,如黄酮、白藜芦醇和花青素2-3。特别是花青素，其主要的生理作用为抗氧化、消炎以及保护视神经4。花青素的提取方法有溶剂提取法、微波辅助提取法、超声辅助提取法、酶辅助提取法以及低共熔溶剂提取法5-7，而超声辅助提取法因为方法简单、提取成本低且提取率高受到广泛的应用。因此，越来越多的研究者致力于该提取方法的工艺优化。如陈俊朴8 利用超声辅助法提取紫大薯中的花青素，通过响应面对条件进行优化后，最终花青素提取量达93.6 2mg/100g；李玲 运用超声辅助法提取火龙果果皮中的花青素，提取量为1 59.1 4mg/100g。本试验以桑甚果渣为原材料，运用超声辅助提取法，分别探究了料液比、超声时间、乙醇浓度和超声温度4个因素对提取率的影响，通过响应面分析优化提取工艺，为提高桑葚果渣中花青素的提取率提供数据。1材料与仪器1.1材料与试剂新鲜桑葚，购买于京东平台；矢车菊3一O一葡萄糖苷，标准品；无水乙醇、碳酸氢二钠、柠檬酸（分析纯）购买于天津市科密欧化学试剂有限公司。1.2仪器与设备电热恒温鼓风干燥箱（GZX一92 40 A，上海三发科学仪器有限公司）；超声波清洗机（型号：KQ3200DB，昆山市超声仪器有限公司）；电子分析天平（型号：HZK一FA110S，华志电子科技有限公司）；TD4台式低速离心机（湖南凯达仪器有限公司）；紫外分光光度计（型号：UU759CRT，上海佑科仪器仪表有限公司）。2试验方法2.1桑葚果渣预处理取新鲜的桑甚在研钵内进行研磨，用纱布将汁水充分挤出，随后将桑甚置于50 的烘箱中充分干燥，干燥结束后研磨成粉，过0.1 8 mm的筛网，装入密封袋，放在4冰箱中冷藏保存备用。2.2提取工艺流程收稿日期：2 0 2 2-1 2 1 6基金项目：芜湖职业技术学院自然科学研究一般项目（wzyzr202225）；安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2020A0917)。作者简介：戴文娜（1 996 一），女，安徽芜湖人，助教，研究方向：食品营养与检测。文献标识码：A文章编号：2 0 9 5-8 9 7 8(2 0 2 3)0 3-0 1 2 3-0 6:123第33卷第3期桑葚果渣粉加人乙醇超声波提取离心（40 0 0 r/min，1 5m i n）提取液稀释（稀释2 0 倍）样品测定（最大吸收波长52 0 nm101）2.3桑葚果渣花青素的测定2.3.1矢车菊3一0 一葡萄糖苷标准曲线的绘制称取1 0 mg标准品，用缓冲液溶解并定容至50 mL容量瓶中，即获得0.2 mg/mL的标准矢车菊3一0 一葡萄糖苷母液。分别取0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL的标准矢车菊3一O一葡萄糖苷母液，加入1 0 mL缓冲液稀释。用缓冲液作空白对照，用分光光度计在52 0nm的波长处测量吸光度，以吸光度作为纵坐标，色素浓度作为横坐标，绘制标准曲线。花青素在浓度为0.020.1 m g/m L时，回归方程为y=15.809x十0.0 0 8 6，R=0.9992，线性关系良好。2.3.2花青素得率的计算CXVXNY一X100%mX1000式中：Y为花青素得率，%；C为由标准曲线计算得到的花青素质量浓度，mg/mL；V为上清液体积，mL;N为提取液稀释倍数;m为桑甚果渣质量，g。2.4单因素试验2.4.1料液比对花青素提取率的影响称取桑甚果渣1 g，分别加入5、1 0、1 5、2 0、2 5mL浓度为6 0%的乙醇溶液，在6 0 下超声30 min。以40 0 0 r/min离心1 5min，取1 mL上清液用缓冲液定容至2 0 mL，在52 0nm测定待测样的吸光值。2.4.2超声时间对花青素提取率的影响称取桑果渣1 g，加人浓度为6 0%的乙醇溶液1 5mL，在6 0 下分别超声1 0、2 0、30、40、50 min。其余步骤同2.5.1。2.4.3乙醇浓度对花青素提取率的影响称取桑葚果渣1 g，分别加人浓度为40%、50%、6 0%、7 0%、8 0%的乙醇溶液1 5mL，在6 0 下分别超声30 min。其余步骤同2.5.1。2.4.4超声温度对花青素提取率的影响称取桑葚果渣1 g，加人浓度为6 0%的乙醇溶液1 5mL，分别在40、50、6 0、7 0、8 0 下超声30 min。其余步骤同2.5.1。2.5叫响应面试验设计根据单因素的试验结果，设计了四因素三水平的响应面试验，对花青素的提取工艺进行优化，试验因素水平表如表1 所示。水平A:料液比-11:1001:1511:202.6数据处理实验数据均平行测定3次，运用Origin8.5软件进行数据分析及作图，运用Design一ExpertV.8.0.6处理和分析响应面实验数据。3结果与分析3.1单因素实验结果3.1.1料液比对桑甚果渣中花青素提取率的影响由图1 可知，随着料液比的不断上升，花青素的提取率并不是一直增加，而是呈现出先上升后下降的趋势。当料液比达到1：1 5时，花青素的提取率达到最大值0.50 7士0.0 1 3%。其原因主要为：当乙醇用量逐渐增多时，提高了桑葚果肉细胞壁里花青素的内外浓度差，因此对花青素的溶出起到促进的作用。当花青素溶出量达到最大值时，虽然乙醇用量仍然在增加，但是提取率并不会因此增加;并且因为溶剂用量增多,对花青素有一定稀释作用,反而会出现花青素提取率下降的情况。3.2超声时间对桑葚果渣中花青素提取率的影响如图2 所示，当超声时间在30 min内，随着超声时间的增加，花青素的提取效率也在提高，并且超声时124信阳农林学院学报表1 响应面试验因素与水平表B:超声时间/minC:乙醇浓度/%2050306040702023年9 月D:超声温度/506070戴文娜，等：响应面法优化桑葚果渣花青素的提取工艺间为30 min时，果渣中花青素的提取率达到最大值0.50 9士0.0 1 6%。但是，超声时间继续增加，花青素的提取率反而在下降。这是由于超声波本身携带能量，超声时间过长会破坏花青素的结构，从而造成部分花青素分解。因此，桑甚果渣中花青素提取最适宜的超声时长为30 min。0.670.670.50.50.3图1 料液比对花青素提取率的影响3.3乙醇浓度对桑葚果渣中花青素提取率的影响如图3所示，不同的乙醇浓度对花青素的提取率有较大的影响。当乙醇浓度小于6 0%时，提取率随着浓度的增加而提高。虽然适量的水进人桑葚细胞中可以促进有效成分的提取，但是过多的自由水同样会导致更多杂质的溶解，这些杂质会影响花青素的提取，这是低浓度乙醇环境下花青素提取率不高的主要原因。而当乙醇浓度大于6 0%时，提取率反而与浓度呈反比关系，这是由于过高的乙醇浓度会破坏花青素结构，降低了花青素的提取率。综上所述，桑甚果渣中花青素提取最佳的乙醇浓度为6 0%，最大提取率可达0.537 士0.013%。0.670.3-1:51:101:15料液比1:201:2510图2 超声时间对花青素提取率的影响0.6720超声时间(min)3040500.5%/率滩群0.40.5%/率准群0.40.3-图3乙醇浓度对花青素提取率的影响3.4超声温度对桑葚果渣中花青素提取率的影响如图4所示，随着超声温度逐渐上升，桑甚果渣中花青素提取率先增加后减少。当超声温度为6 0 时，提取率最大为0.51 9 士0.0 1 4%。温度升高可以促进花青素的溶解，但是温度过高会破坏花青素的结构造成提取率下降，因此提取的最适温度为6 0。4P响应面结果分析4.1响应面试验结果及方差分析依据4个单因素结果，以料液比、超声时间、乙醇浓度和超声温度为自变量，以花青素的提取率为响应值进行四水平三因素的响应面试验。响应面的试验结果如表2 所示。表2 响应面试验设计及结果表编号A料液比112-1304-10.3工40H5060乙醇浓度(%)B提取时间/min1.000708040图4超声温度对花青素提取率的影响C乙醇浓度/%D超声温度/00-10001050超声温度()Y提取率/%0.4210.3960.5630.446125607080第33卷第3期4一15167891011121314151617181920212223242526272829运用Design一Expert对响应面结果进行分析，回归方程的方差结果如表3所示，且回归方程为：Y(提取率)=0.55+6.41 7 1 0-3A+5.91710-3B+0.04C0.016D-8.510-3AB+0.021AC0.012AD7.75X10-3BC-0.014BD+0.017CD-0.054A-0.069B-0.069C9.51710-3D方差来源显著性模型0.089A4.941E-004B4.201E-004C0.019D3.072E-003AB2.890E-004AC1.806E-003AD5.760E-004BC2.402E-004BD7.840E-004CD1.156E-003A20.019B20.031C20.030D25.875E004总残差2.642E-003失拟项1.571E-003纯误差1.071E-003总回归0.091R=0.9711Rdj=0.9421注：上表中*表示差异极显著（P0.01)，*表示差异显著（P0.05)。126信阳农林学院学报0100100000000一1000一11000-10010一111-100-100100000010101-1110表3回归方程方差结果分析表平方和自由度141111111111111114104282023年9月续表00.44610.47400.44700000000001-101101-1010000-10一1-1-110-11110一11001000-1均方F值6.332E-00333.554.941E-0042.624.201E-0042.230.019101.733.072E-00316.282.890E-0041.531.806E-0039.575.760E0043.052.402E-0041.277.840E-0041.156E-0030.0190.0310.0305.875E-0041.887E-0041.571E0032.677E-0040.5510.5220.5590.3590.5560.4750.3680.4990.4800.3870.4560.4360.4760.4800.4760.5030.3990.5080.4990.4530.4380.3980.518P值0.00010.12800.15790.00010.00120.23630.00790.10250.27824.156.130.0267101.680.0001161.940.0001161.35超声温度(D)料液比(A)超声时间(B)。4.2响应面分析响应面图和等高线图是可以更加形象地反映出各因素之间的交互作用对花青素提取率的影响，下面对通过回归方差分析出的交互作用影响显著的自变量进行响应面分析。图5（a)和图5(b)分别表示料液比与乙醇浓度的响应面图和等高线图，响应面图为一个开口朝下且光滑的曲面，说明在本次试验的提取条件下可以得出花青素提取率的最大值。等高线呈现椭圆形，表明料液比和乙醇浓度的交互作用较显著。同时，根据图5（a)可以发现，自变量C方向上的曲线坡度明显要比自变量A方向上的更陡，这说明乙醇浓度对提取率的影响要大于料液比对提取率的影响。0.6.550.50.450.40.3570.0065.0060.00C:乙醇浓度55.0050.0010.00(a)图5料液比与乙醇浓度的响应面和等高线图图6（a)和图6(b)分别表示超声温度与乙醇浓度的响应面图和等高线图。由图可知，当超声温度和乙醇浓度不断上升，花青素的提取率不断提高，当达到最大值后，虽然超声温度以及乙醇浓度仍然在增加，但是提取率在降低。图6(b)的等高线呈椭圆性，说明超声温度与乙醇浓度的交互作用是显著的。此外，图6(a)可以发现，自变量C方向上的曲线坡度明显要比自变量D方向上的更陡，这说明乙醇浓度对提取率影响要大于超声温度对提取率影响，与4.1 中的分析结果一致。0.70.60.50.40.370.0065.0060.00D:超声温度通过Box一Behnken试验得出的结果和回归方程，可以得到超声辅助提取桑葚果渣中花青素的最佳工艺条件为：料液比1：1 5.93，超声时间31.0 6 min，乙醇浓度6 2.0 9%，超声温度51.51，在该条件下预测的花青素提取率为0.56 3%。考虑到实际实验的可操作性，将最佳的工艺条件修正为：料液比1：1 5，超声时间为30 min，乙醇浓度6 0%，超声温度50。在此提取条件下，通过3次重复试验得出最终花青素的提取率为0.542%，与预测值相接近，这表明此次优化得出的花青素提取工艺条件是可行的。:127:70.00-65:00-60.0055:00-20:0018.0016.0014.0012.00A:料液比70.0065.0060.0055.0055.0050.0050:00(a)图6 超声温度与乙醇浓度的响应面和等高线图提取率50:0010.0070.0065.00-60.00-55.00-50.00C:乙醇浓度50.0012.00$5.0014A:料液比(b)提取率65.00C:乙醇浓度(b)180018:0020:0070.00第3 3 卷第3 期5结论以桑葚果渣为提取原料、乙醇为提取剂，利用超声辅助法提取原料中的花青素，分别探究了料液比、超声时间、乙醇浓度和超声温度四个提取条件对提取率的影响，并且通过响应面法对提取工艺进行优化。通过实验和模型分析可以得出：4个提取条件对花青素提取率的影响大小顺序为乙醇浓度 超声温度 料液比超声时间；结合实际得出最佳提取工艺为料液比1：1 5，超声时间30 min，乙醇浓度6 0%，超声温度50，在该条件下花青素的实际提取率为0.542%，与预测值0.56 3%相接近，且与吴春燕等1 2 1 在黑米花青素提取的研究结论基本一致，说明此提取工艺具有可操作性。参考文献：1许艳，张余，陈志宏，等.果桑的研究与加工利用J.食品研究与开发，2 0 1 7，38（1 6）：2 0 9一2 1 3.2韩松林，赵东升.桑椹的营养价值和发酵酒生产技术J.食品安全导刊，2 0 2 1（3）：1 35一1 36.3杨新，卢红梅，杨双全，等.桑甚及桑甚果酒的研究进展J.食品与发酵工业，2 0 1 9，45（4）：2 57 一2 6 2.4张新灿，郭浩然，张静，等.桑甚干和桑葚酒中花青素稳定性分析J.食品研究与开发，2 0 2 2，1 2（1）：1 一1 0.5Musso,Y.S.,Salgado,et al.Smart gelatin films prepared using red cabbage(Brassica oleracea L.)extracts as solventJJ.FoodHydrocolloids,2019,89(17):674-681.6徐唐芸，黄达敏，鲁东昊，等.基于低共熔溶剂提取紫薯中花青素研究J.农产品加工，2 0 2 1，（1 9）：2 5一2 87栾琳琳.桑甚果渣花青素的提取及稳定性研究D.贵阳：贵州大学，2 0 2 0.8陈俊朴，周璐彤，云颖，等.响应面法优化紫大薯花青素超声辅助提取工艺J.食品研究与开发，2 0 2 2，43（7）：6 8 一7 3.9李玲，郭丽萍.超声辅助提取火龙果果皮花色苷及稳定性研究J.食品工业科技，2 0 1 7，38（6）：2 98 一30 3.10吴春燕，蔡敏，黄莹莹，等.响应面法优化酶一超声波辅助提取黑米花青素工艺及其抗氧活性研究.粮食与油脂，2 0 2 2,35（5）：1 2 1 一1 2 5.11Roobha J J,Saravanakumar M,Aravindhan K M,et al.The effect of light,temperature,pH on stability of anthocyanin pigments in Musaacuminata bractJ.research in plant biology,2011,1(5):5-12.1 2 吴春燕，蔡敏，翁艳英，等.响应面法优化黑米花青素的提取工艺及其稳定性研究J.山西化工，2 0 2 3，43(3）：1 41 8.DAI Wenna,LIANG Hao,ZHAO Dandan,SU Chao(1.Life and Health Engineering Research Center of Wuhu,Wuhu Vocational and Technical College,Wuhu 241oo0,China;2.Wuhu Institute of Product Quality Supervision,Wuhu 241007,China)Abstract:The anthocyanins in mulberry pomace were extracted by ultrasound-assisted method.The effects of four factors onthe extraction rate were investigated:solid-liquid ratio,ultrasonic time,ethanol concentration and ultrasonic temperature.The extraction process of anthocyanin pairs was optimized by response surface analysis.The results show that the order of theinfluence of four factors on the extraction rate were ethanol concentration ultrasonic temperature solid-liquid ratio ul-trasonic time.Combined with the actual operability,the optimal extraction process of anthocyanins was a solid-liquid ratio of1:15,an ultrasonic time of 30 min,an ethanol concentration of 60%,and an ultrasonic temperature of 60 C.Under these ex-traction conditions,the extraction rate of anthocyanins was 0.542%,which was close to the predicted value of 0.563%.Theresearch results provide a certain reference value for further improving the extraction rate of anthocyanins.Keywords:mulberry pomace;extraction rate;ultrasound-assisted;response surface methodology信阳农林学院学报Optimization of the Extraction Process ofAnthocyanins from Mulberry Pomace by RSM2023年9 月(编辑：严佩峰）128