全 文 ：新饲料 NEW FEED
技术
山丹 花
[1](Lilium pumilum) 是
百 合 科 草 本 植 物， 株 秆 高
30~40cm，茎上生叶，细长纤弱，具
有除烦热、润肺、止咳、安神、治虚
劳咳嗽、吐血、心悸、失眠等药理作用。
在甘肃省岷县地区，人们长期服用山
丹花，多用于日常的面食加工着色，
对人体没有任何不良作用，山丹花其
花瓣为桔红色，晒干后不退色。山丹
花色素艳丽，呈桔红色，这是合成色
素经过拼配形成的。现今对山丹花的
研究较少，试验价值很高。本试验采
用超声法 [2~4] 测定色素总含量，拟在
单因素试验 [5~7] 基础上，利用响应面
分析法优化超声法提取山丹花色素的
工艺条件 [8]，旨在为山丹花色素的开
发利用提供进一步参考。
1 材料和方法
1.1 试验条件材料、试剂和仪器
1.1.1 试验材料 山丹花。
1.1.2 试验试剂 无水乙醇 (AR 北京化
工厂 )。
1.1.3 试验仪器 KQ-700DE 数控超声
波清洗器 ( 昆山市超声仪器有限公司 )、
DGG-9240A 电热恒温干燥箱 ( 北京鸿
达天矩试验设备有限公司 )、FA2104N
响应面法优化超声辅助山
丹花色素提取工艺的研究
文 / 吉林农业科技学院 谭 雪 李 帅
摘 要 本试验对山丹花色素提取的最佳工艺条件进行了研究。在单因素
试验的基础上分析了提取剂浓度、料液比、提取温度、提取时间、超声提取
时间、超声功率 6 个因素对色素得率的影响，并在单因素试验的基础上根据
中心组合 (Box-Behnken) 试验设计原理，采用四因素三水平的响应面分析法进
行响应面试验，对各个因素显著性和交互作用进行分析。结果表明，提取温
度为 62℃、乙醇浓度为 92%、超声功率为 324W，超声时间为 21min，在此条
件下色素得率为 15.67%。
关键词 山丹花色素 ；提取 ；响应面分析法
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电子天平 ( 上海菁海仪器有限公司 )、
KA-1000 离心机 ( 上海安亭科学仪器
厂 )、HH-4 数字恒温水浴锅 ( 国华电
器有限公司 )。
1.2 试验方法
1.2.1 样品预处理 将山丹花放置 60℃
的恒温干燥箱内，干燥至恒重，粉碎，
过 80 目筛。
1.2.2 试验方法 山丹花色素提取的工
艺流程如下。
原料→清洗→破碎→超声提取→
抽滤→离心 (4,000rpm，15min) →蒸
发浓缩→乙醇洗脱→洗脱液→旋转蒸
发除去乙醇→色素
1.3 色素含量的测定
式中 ：M 样品质量 (g) ；M1 空瓶
质量 (g) ；M2 样品瓶质量 (g)。
1.4 单因素试验
1.4.1 乙醇浓度对山丹花色素提取的
影响 料液比 ：18 ∶ 1，提取时间 ：
40min，提取温度 ：60℃，超声功率 ：
300W，超声时间 ：20min，比较不同
乙醇浓度对山丹花色素得率的影响。
1.4.2 料液比对山丹花色素提取的影响
乙醇浓度 ：95%，提取时间 ：40min，
提取温度 ：60℃，超声功率 ：300W，
超声时间 ：20min，比较不同料液比对
山丹花色素得率的影响。
1.4.3 提 取 温 度 对 山 丹 花 色 素 提 取
的影响 乙醇浓度 ：95%，料液比 ：
18 ∶ 1，提取时间：40min，超声功率：
300W，超声时间 ：20min，比较不同
提取温度对 山丹花色素得率的影响。
1.4.4 浸 提 时 间 对 山 丹 花 色 素 提 取
的影响 乙醇浓度 ：95%，料液比 ：
18 ∶ 1，提取温度 ：60℃，超声功率 ：
300W，超声时间 ：20min，比较不同
浸提时间对山丹花色素得率的影响。
1.4.5 超 声 提 取 功 率 对 山 丹 花 色 素
的影响 乙醇浓度 ：95%，料液比 ：
18 ∶ 1，提取温度 ：60℃，浸提时间 ：
40min，超声时间 ：20min，比较不同
超声功率对山丹花色素得率的影响。
1.4.6 超 声 提 取 时 间 对 山 丹 花 色 素
的影响 乙醇浓度 ：95%，料液比 ：
18 ∶ 1，提取温度 ：60℃，浸提时间 ：
40min，超声功率 ：300W，比较不同
表 1 响应面试验因素水平表
因素
水平
-1 0 1
A超声提取时间(min) 10 20 30
B超声提取功率(W) 200 300 400
C提取温度(℃) 50 60 70
D乙醇浓度(%) 85 90 95
图 1 超声时间对山丹花色素得率的影响
图 2 超声功率对山丹花色素得率的影响
图 3 提取温度对山丹花色素得率的影响
山
丹
花
色
素
得
率
（
%
）
山
丹
花
色
素
得
率
（
%
）
山
丹
花
色
素
得
率
（
%
）
超声时间（min）
超声功率（W）
温度（℃）
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超声时间对山丹花色素得率的影响。
1.5 响应面试验设计
本试验拟在单因素试验基础上，
利用响应面分析法对山丹花色素提取
工艺条件进行了优化。综合单因素试
验结果，选取对山丹花色素影响较大
的因素，利用 Design-Expert 7.0 软件
设计进行多元回归分析，确定山丹花
色素提取的最佳工艺流程。试验方案
及结果见表 1。
2 结果与分析
2.1 超声时间对山丹花色素得率的影响
由图 1 可知，随着超声时间的
增加，色素得率增加，当提取时间为
20min 时，得率达到最大值，20min
后逐渐下降，可能因为时间较长使部
分色素分解，因此选择 20min 进行响
应面试验。
2.2 超声时间对山丹花色素得率的
影响
由图 2 可知，随着超声功率的增
加，色素的得率逐渐增高，当超声功
率达到 300W 时，得率达到最高值，
但当超声功率超过 300W 时，色素的
得率先增加后减少。在较大超声功率
下部分色素被分解，因此最佳超声功
率为 300W。
2.3 温度对山丹花色素得率的影响
由图 3 可知，当提取温度为 60℃
时，得率达到最大值，但当提取温度
超过 60℃时，得率下降，并未呈现递
增趋势原因可能是，当温度越来越高
时，色素稳定性下降，考虑可能存在
部分色素分解。因此最佳提取温度为
60℃。
2.4 乙醇浓度对山丹花色素得率的影响
由图 4 可知，随着乙醇浓度的增
加，色素提取率增加，当乙醇浓度为
90% 时，色素得率达到最大值，浓度
超过 90% 时，使色素稳定性下降，考
虑可能部分色素被分解。因此最佳乙
醇浓度为 90%。
2.5 提取时间对山丹花色素得率的影响
由图 5 可知，随着乙醇浸提时间
的增加，色素提取率增加，当时间浓
度为 30min 时，色素得率达到最大值。
超过 30min 时，色素不稳定，考虑部
分色素可能被分解，因此最佳浸提时
间为 30min。
2.6 料液比对山丹花色素得率的影响
由图 6 可知，随着料液比的增
加，色素提取率略增加，当料液比为
1 ∶ 18 时，色素得率最大，当料液比
大于 1 ∶ 18 时，由于过大的料液比会
图 4 乙醇浓度对山丹花色素得率的影响
图 5 提取时间对山丹花色素得率的影响
图 6 料液比对山丹花色素得率的影响
山
丹
花
色
素
得
率
（
%
）
山
丹
花
色
素
得
率
（
%
）
山
丹
花
色
素
得
率
（
%
）
乙醇浓度（%）
提取时间（min）
料液比
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造成溶剂和能源的浪费，从提取效果和
经济两方面综合考虑，确定最佳料液比
为 1 ∶ 18。
3 响应面法优化山丹花色素
提取工艺参数
3.1 响应面三维模型
见图 7。
3.2 响应面法优化山丹花中色素提取
的工艺参数
3.2.1 利用回归方程的建立与分析 本
试验共有 29 个试验点，其中 1~24 为
分析试验，25~29 为中心试验，用来估
计试验误差。试验方案及结果见表 2。
利用 Design-Expert 7.0 软件设计
多元回归分析，可建立如下二次方程 ：
Y=15.40+0.96A+0.81B+0.76C+
0.70D-0.72AB+0.92AC+0.25BC-
0.43BD-1.19A2-1.31B2-1.02C2-
1.00D2， 其 中 二 次 多 项 式 的 系
数 R2=95.08% . R2A d j =90.17%。
R2Perd=71.68%。R2Adj 值 与 R2Perd
值在一致性上是合理的，所以此模型可
以用来指导设计相应面。
对二次回归方程进行方差分析，
结果见表 3。从表 3 可知，回归模型达
到极显著水平 (P ＜ 0.01)，而误差项不
显著，说明回归方程与实际情况吻合较
好，试验误差小。因此可用回归方程代
替试验真实点对试验结果进行分析。回
归系数 R2=0.9508 ＞ 0.9，表明该模型
相关度好。回归模型各项方差分析还表
明，一次项、二次项、交互项都有较显
著影响，所以相应值的变化相当复杂，
各个具体试验因素对相应值的影响不是
简单的线性关系，而是呈二次抛物面关
系。回归模型中作用显著项是 A、B、
C、D、AB、AC、AD、A2、B2、C2、
D2。从各变量显著性检验 P 值的大小
可以看出，影响山丹花色素提取效果的
表 2 响应面试验设计及结果
试验号 A B C D 得率(%)
1 -1 1 0 0 13.86
2 0 1 1 0 14.82
3 0 0 0 0 15.40
4 1 -1 0 0 13.78
5 1 0 1 0 14.98
6 0 1 -1 0 12.65
7 1 0 0 1 14.26
8 0 0 1 -1 13.97
9 0 -1 -1 0 11.77
10 0 0 0 0 15.40
11 0 0 -1 1 13.78
12 0 0 -1 -1 12.07
13 0 1 0 1 14.42
14 0 -1 0 -1 19.54
15 1 0 0 -1 14.15
16 -1 0 0 1 12.72
17 0 -1 0 1 13.90
18 0 0 1 1 14.51
19 1 1 0 0 14.42
20 -1 0 1 0 12.66
21 0 0 0 0 15.40
22 0 1 0 -1 12.77
23 1 0 -1 0 12.79
24 -1 0 0 -1 11.64
25 0 0 0 0 15.40
26 -1 -1 0 0 10.35
27 0 0 0 0 15.40
28 0 -1 1 0 12.92
29 -1 0 -1 0 11.63
表 3 响应面试验方差分析
方差来源 平方和 自由度 均方和 F值 P值 显著性
A 11.06 1 11.06 52.11 ＜0.0001 **
B 7.81 1 7.81 36.80 ＜0.0001 **
C 7.01 1 7.01 33.02 ＜0.0001 **
D 5.95 1 5.95 28.04 ＜0.0001 **
残差 2.97 14 0.21
失拟项 2.97 10 0.30
纯误差 0.00 4 0.00
注：*：在α=0.05 水平上显著；** ：在α=0.01 水平上极显著。
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参考文献：
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各因素按大小排列顺序依次为 ：乙醇
浓度、提取温度、超声功率、超声时间。
3.2.2 响应面积等高线分析结果 为了
考察交互项对山丹花中色素的影响，
在两个因素条件固定不变的情况下，
考察交互项对山丹花中色素提取效果
的影响，对模型进行降维分析。经响
应面 7.0 软件分析，两因素交互作用
由大到小为超声时间和超声功率、超
声功率和乙醇浓度、提取温度和乙醇
浓度、超声时间和提取温度。
3.2.3 浸提法提取山丹花色素的优化
与验证结果 为进一步确定工艺最
佳 点， 用 Design-Expert 7.0 软 件
进行数值优化分析，以获得最优的
浸提条件。经分析，最适条件值分
别为超声时间 20.88min、超声功率
323.683W、乙醇浓度 91.89%、提取
温度 61.90℃，在此条件下山丹花色素
得率为 15.758%。考虑到实际工作的
便利，将浸提工艺修正为 ：超声时间
21min、超声功率 324W、乙醇浓度
92%、提取温度 62℃。采用修正后的
工艺参数进行 3 次平行验证试验，试
验结果测得山丹花色素得率 15.76%，
与模型预测值相差不大。证明该模型
具有一定的可靠性。
4 结论
采用浸提次数对山丹花中色素进
行提取，通过单因素试验和响应面分
析对浸提工艺进行优化，对超声时间、
超声功率、乙醇浓度、提取温度进行
方差分析。结果表明，A、B、C、D
对山丹花色素得率有显著影响。模型
拟合程度高，试验误差小。
利用响应面方法结合实际可操
作性得出最佳工艺条件为超声时间为
21min，超声功率为 324W，浸提温度
为 62℃，乙醇浓度为 92%，该条件下
色素得率为 15.76%，达最大值，回归
模型预测色素得率与实际试验平均值
相差较小，表明将响应面实际引用到
山丹花色素中可行，结果可靠。■
图 7 各两因素交互作用时对山丹花色素得率影响的响应面图
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