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响应面法优化微波辅助乙醇提取米团花黄色素工艺条件的研究



全 文 :工 艺 技 术
2013年第18期
Vol . 34 , No . 18 , 2013
响应面法优化微波辅助乙醇
提取米团花黄色素工艺条件的研究
葛 婧,张广文*,杨婷婷,欧仕益
(暨南大学理工学院食品科学与工程,广东广州 510632)
摘 要:在单因素实验的基础上,利用响应面法对微波辅助乙醇提取米团花黄色素条件进行优化。实验得出,乙醇浓
度为70%(V/V)、微波功率为350W、微波时间为80s,液固比为50∶1,米团花黄色素的提取率为95.23%,与预测值98.38%
拟合性较好。
关键词:米团花,黄色素,微波辅助,条件优化
Study on optimization of microwave-assisted ethanol technology of
yellow pigments from Leucosceptrum canum Smith by
the response surface method
GE Jing,ZHANG Guang-wen*,YANG Ting-ting,OU Shi-yi
(Department of Food Science and Engineering,Jinan University,Guangzhou 510632,China)
Abstract:Based on single factor tests , the optimum extraction conditions of microwave-assisted ethanol
technology of yellow pigments from Leucosceptrum canum Smith were obtained by the response surface
method. The results showed that the optimum extraction conditions were as follows:alcohol concentration 70%
(V/V),microwave power 350W,microwave time 80s,the predicted value of extraction efficiency of yellow
pigments from Leucosceptrum canum Smith was 95.23%,and it was preferably fitting with the predictive value
of 98.38%.
Key words:Leucosceptrum canum Smith;yellow pigments;microwave assisted;conditions for optimization
中图分类号:TS202.3 文献标识码:B 文 章 编 号:1002-0306(2013)18-0249-05
收稿日期:2013-03-28 * 通讯联系人
作者简介:葛婧(1987-),女,硕士,研究方向:食品添加剂。
基金项目:国家自然科学基金资助课题(21311048)。
米团花(Leucosceptrum canum Smith)是一种多
年生灌木或乔木,生长在林缘、水边和路边草地。一
些山区的居民一直以来都是会用米团花浸提色素,
并且给面制品染色[1]。米团花色素属于水溶性色素,
其耐光、耐热、耐酸性强,且对多种金属离子、食盐和
蔗糖稳定,适宜在酸性和中性介质中使用[2]。
微波辅助提取技术是近年来以传统溶剂浸提原
理为基础发展的新型萃取技术,把微波用于浸提,它
能强化浸提过程,降低生产时间、能源、溶剂的消耗
以及废物的产生,可提高产率,既降低操作费用,又
合乎环境保护的要求,是具有良好发展前景的新工
艺[3]。微波加热能在短时间内完成样品组分的萃取,
溶剂用量少,结果重现性好[4]。很早便报道了有关微
波用于天然产物成分的提取及环境样品的分析与提
取[5]。微波法提取的高效率已被证实,微波浸取柚皮
中天然食用色素的时间仅是传统方法的1/30[6]。微波
辅助提取杨梅色素得到的色素含量比普通提取法提
高了20%[7]。本文是在单因素实验的基础上,采用微
波辅助乙醇法提取米团花色素,最后利用响应面法
优化分析米团花中黄色素的最佳提取工艺。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
米团花 云南省宝山市;无水乙醇 分析纯,天
津市化学试剂一厂。
高速万能粉碎机 北京市永光明医疗仪器厂;
MP23C-BF型美的微波炉 佛山市顺德区美的微波
炉制造有限公司;EL-104型电子分析天平 梅特勒-
托利多上海仪器有限公司;MP502B型双圈牌电子
天平 上海精密科技仪器有限公司;722S型可见分
光光度计 上海舜宇恒平科学仪器有限公司;GZX-
DH500-S-Ⅱ型电热恒温干燥箱 上海跃进医疗器
械厂。
1.2 实验方法
1.2.1 样品预处理 将经过除杂的米团花至于40℃
干燥箱中干燥12h,对干燥后的米团花进行粉碎,并
过40目筛。置于避光处待用。
1.2.2 乙醇法提取米团花黄色素 准确称取2.00g米
团花粉末于250mL锥形瓶中,加入一定量60%的乙
249
DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2013.18.069
Science and Technology of Food Industry 工 艺 技 术
2013年第18期
醇,振荡摇匀。室温下,浸提一定时间后,进行抽滤,
抽滤后的滤液转入500mL的容量瓶中,用60%的乙醇
进行定容至500mL。吸取定容后的液体2mL定容于
10mL的容量瓶中并定容至10mL,于431nm处测得吸
光度值[8]。
1.2.3 提取效率计算 准确称取处理后的米团花
2.000g,加入50mL 60%乙醇溶液,浸提4h后,过滤,重
复提取4次,合并滤液,所得滤液定容于500mL容量
瓶中。取2mL用60%乙醇溶液定容于10mL的容量瓶
中,并在431nm处测定米团花黄色素溶液的吸光度,
并且把此测定值作为完全提取时的吸光度值A,然后
与被测样品的吸光度值B相比,可以计算出在该条件
下的提取率,计算公式为:
提取率(%)=吸光度值B/吸光度值A×100
式中:吸光度值A完全提取时溶液的吸光度值;
吸光度值B被测样品吸光度值(由1.2.2得到)。
1.2.4 微波辅助法提取米团花黄色素的单因素实验
1.2.4.1 微波功率对提取率的影响 乙醇浓度为
50%,液固比为50 ∶1,微波时间是30s时,考察功率
200、350、500、650、800W对米团花黄色素提取率的
影响。
1.2.4.2 微波时间对提取率的影响 乙醇浓度为
50%,液固比为50∶1,微波功率是350W时,考察微波
时间30、40、50、60、70、80、90、100、110s对米团花黄
色素提取率的影响。
1.2.4.3 液固比对提取率的影响 乙醇浓度为50%,
微波时间是30s,微波功率是350W时,考察固液比
10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、60∶1、70∶1、80∶1、90∶1、
100∶1(m/V)对米团花黄色素提取率的影响。
1.2.4.4 乙醇浓度对提取率的影响 液固比为50∶1,
微波时间是30s,微波功率是350W时,考察乙醇浓度
20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%对米团花
黄色素提取率的影响。
1.2.4.5 微波辅助乙醇法提取米团花黄色素最佳工
艺条件 在单因素实验的基础上,利用响应面分析
法对微波辅助乙醇法提取米团花花色素工艺参数进
行优化,并且进行结果分析。响应面实验的因素水平
表见表1。由于微波时间太长时,乙醇很容易挥发,所
以微波时间的零水平选择70s。
2 结果与分析
2.1 米团花黄色素完全提取时溶液的吸光度值A
使用60%的乙醇浸提法,测定米团花完全提取时
的吸光度值为0.510,以此来计算黄色素的提取率。
2.2 微波辅助法提取米团花黄色素的单因素
2.2.1 乙醇浓度对提取率的影响 如图1所示,开始
的时候随着乙醇的浓度的增加,黄色素的提取率是
缓慢上升的,在乙醇浓度达到60%的时候提取率达
到最大值,之后是随着乙醇浓度的增加而降低。产生
这种现象的原因可能是:在一定的乙醇浓度范围内,
随着乙醇浓度的增加,黄色素的溶解度增加,所以提
取率也随之升高;但是当乙醇浓度达到一定的浓度
时,由于物料的水的含量大幅度降低,而微波加热主
要是极性分子尤其是水分子吸收微波能,产生大量
热量使物料的温度升高,因此乙醇浓度越大,物料的
升温速度反而减慢,因此黄色素的提取率也随着降
低,所以最佳的提取浓度是60%。
2.2.2 微波功率对提取率的影响 如图2所示,随着
微波功率的加大,黄色素的提取率开始时缓慢升高
的,接着又是缓缓下降的,在功率为500W的时候黄
色素的提取率是最大的。产生这种现象的原因可能
是:在微波功率逐渐增大的时候,时间是固定的,则
微波炉内的温度越来越高,米团花细胞的破碎程度
也就越来越高,则米团花黄色素的提取率也越来越
高;当微波功率达到500W时,提取率值几乎达到最
大值;温度过高会造成黄色素被分解,这也有可能使
得黄色素的提取率降低。因此,黄色素的最佳提取功
率是500W。
2.2.3 微波时间对提取率的影响 如图3所示,可以
因素
水平
-1 0 1
A 乙醇浓度(%) 50 60 70
B 微波功率(W) 200 350 500
C 微波时间(s) 60 70 80
表1 响应面3因素3水平实验设计
Table 1 Experimental design of 3 factors and 3 levels in
response surface method
图1 乙醇浓度对米团花中黄色素提取率的影响
Fig.1 Effect of the ethanol concentration on extraction of
yellow pigments from Leucosceptrum canum Smith
92
90
88
86
84
82
80
78
乙醇浓度(%)
20 30 40 50 60 70 80 90 100




%)
图2 微波功率对米团花中黄色素提取率的影响
Fig.2 Effect of microwave power on extraction of
yellow pigments from Leucosceptrum canum Smith
90
89
88
87
86
85
84
83
82
微波功率(W)
200 350 500 650 800




%)
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工 艺 技 术
2013年第18期
Vol . 34 , No . 18 , 2013
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 p值
模型 302.98 9 33.66 62.06 <0.0001 ***
A 0.93 1 9.03 16.65 0.0047 **
B 163.90 1 163.90 302.15 <0.0001 ***
C 16.27 1 16.27 30.00 0.0009 **
AB 8.41 1 8.41 15.50 0.0056 **
AC 0.073 1 0.073 0.13 0.7247
BC 3.98 1 3.98 7.34 0.0303 *
A2 2.96 1 2.96 5.45 0.0523
B2 92.43 1 92.43 170.40 <0.0001 ***
C2 1.81 1 1.81 3.33 0.1107
残差 3.80 7 0.54
失拟性 3.47 3 1.16 13.95 O.0139 *
纯误差 0.33 4 0.083
总差 306.77 16
表3 回归方程方差分析
Table 3 Analysis of variance of regression equation
注:****:差异极度显著(p<0.0001);**:差异高度显著(p< 0.01);
*:差异显著(p<0.05)。
看出,随着微波时间的提高,黄色素的提取率先是小
幅度上升的,当微波时间是80s的时候提取率得到最
大值,而后会随着时间的提高而逐渐下降。产生这种
现象的原因可能是:在其他条件一致的情况下,随着
微波时间的延长,温度会逐渐升高,则黄色素的溶解
度也会相继增大,提取率就会缓慢升高;当微波时间
超过80s,随着微波时间的逐渐增加,微波温度的持
续上升,有可能温度太高,使黄色素发生分解等,导
致黄色素的提取率逐渐降低。因此,黄色素的最佳提
取时间是80s。
2.2.4 液固比对提取率的影响 如图4所示,可以看
出黄色素的提取率随着乙醇体积的增大而逐渐增
大,液固比达到50∶1时提取率取得最大值,之后随
着液固比的增大而缓慢降低。产生这种现象的原因
可能是:当乙醇的体积较少的时候,米团花不能完全
浸泡于乙醇中,或者是乙醇的量太少不能将大量的
米团花黄色素萃取出来。所以,随着乙醇体积的增
大,黄色素的提取率逐渐升高。在液固比达到一定比
例时,由于整个体积的增大,在一定时间作用下体系
的温度加热不够高,则黄色素无法充分溶出,所以提
取率反而降低。所以,提取黄色素的最佳液固比为
50∶1。
2.3 响应面分析法优化微波辅助乙醇法提取米团花
黄色素的工艺条件
由2.2.4可以看出,液固比的不同对米团花黄色
素的提取率影响很小,本实验不加以考虑其造成的
影响。单因素基础上,采用Box-Behnken Design,以乙
醇浓度(A)、微波功率(B)、微波时间(C)为自变量,
以黄色素提取率(Y)为因变量共建立17个处理组,由
Box-Behnken Design设计方案所得的结果见表2。
2.4 数学模型的建立
采用Box-Behken Design模型对黄色素提取率响
应值进行回归,建立二次回归模型:
Y=94.89+1.06A+4.53B+1.43C+1.45AB-0.14AC+
1.00BC-0.84A2-4.69B2-0.66C2 式(1)
对回归方程进行进行检验,相关系数R2=0.9876,
图3 微波时间对米团花中黄色素提取率的影响
Fig.3 Effect of microwave time on extraction of yellow pigments
from Leucosceptrum canum Smith
94
92
90
88
86
84
82
微波时间(s)
30 40 50 60 70 80 90 100 110




%)
图4 液固比对米团花中黄色素提取率的影响
Fig.4 Effect of ultrasonic liquid-solid ratio on extraction of
yellow pigments from Leucosceptrum canum Smith
90
85
80
75
液固比
10∶1 20∶1 30∶1 40∶1 50∶1 60∶1 70∶1 80∶1 90∶1 100∶1




%)
实验号 A B C 提取率(%)
1 0 0 0 94.17
2 -1 -1 0 84.75
3 -1 1 0 91.81
4 1 -1 0 84.02
5 0 1 1 96.52
6 0 -1 1 86.38
7 0 1 -1 90.72
8 0 0 0 94.89
9 0 0 0 95.25
10 1 0 1 95.25
11 0 -1 -1 84.57
12 1 0 -1 93.62
13 0 0 0 95.07
14 -1 0 -1 91.27
15 1 1 0 96.88
16 0 0 0 94.52
17 -1 0 1 93.44
表2 Box-Behnken Design设计方案及响应值
Table 2 Box-Behnken Design and the response values
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提取方法 提取条件 提取率(%)
乙醇浸提法 乙醇浓度60%,浸提温度83.3℃,浸提时间3.4h,液固比45∶1(V/m),提取1次[9] 92.85
微波辅助提取法 乙醇浓度70%,微波功率为350W,微波时间为80s,液固比50∶1(V/m),提取1次 95.23
表4 米团花黄色素两种提取方法的比较
Table 4 Comparison of two extraction methods of yellow pigments from Leucosceptrum canum Smith
图5 微波功率与乙醇浓度对米团花黄色素提取率的影响
Fig.5 Response surface plot for effect of microwave power and
ethanol concentration on extraction rate of total pigments
98




%)
96
94
92
90
88
86
86
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
B:微波功率
-1.00 -0.50
0.00 0.50
1.00
A:乙醇浓度
96




%)
95
94
93
92
91
90
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
C:微波时间
-1.00 -0.50
0.00 0.50
1.00
A:乙醇浓度
图6 微波时间与乙醇浓度对米团花黄色素提取率的影响
Fig.6 Response surface plot for effect of microwave time and
ethanol concentration on extraction rate of total pigments
98




%)
96
94
92
90
88
84
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
C:微波时间
-1.00 -0.50
0.00 0.50
1.00
B:微波功率
86
图7 微波功率与微波时间对米团花黄色素提取率的影响
Fig.7 Response surface plot for effect of microwave power,and
time on extraction rate of total pigments
模型p<0.0001,表明回归模型极度显著,拟合程度好,
有实际应用意义。对回归方程系数进行显著性检验
(表3),表明微波功率B及其二次项B2米团花浸提液中
黄色素的提取率有极显著影响;乙醇浓度A、微波时
间C、乙醇浓度和微波功率的交互项AB对米团花中
黄色素的提取率有高度显著影响;微波功率和微波
时间的交互项BC对米团花中黄色素的提取率有显著
影响;其他变量的影响均不显著(p>0.05)。依据系数
估计值A=1.06、B=4.53、C=1.43可知,因素的主效关
系为:微波功率>微波时间>乙醇浓度。在α=0.05显著
水平下剔除不显著项后,对模型(1)进行优化可得:
Y=94.89+1.06A+4.53B+1.43C+1.45AB+1.00BC-
4.69B2 式(2)
2.5 响应面分析与优化
由图5可以看出,微波功率不变,提取率随着乙
醇浓度的增大而缓慢上升,在65%左右达到最大值,
之后缓慢减小。乙醇浓度不变,黄色素的提取率随着
微波功率的增大而迅速提高,趋势比较明显。所以适
当提高微波功率,可减小乙醇浓度。由图5可以看出
微波功率与乙醇浓度交互作用显著。而由图6可以看
出,微波时间不变,提取率随着乙醇浓度的增大,一
直呈缓慢上升的趋势。乙醇浓度不变,黄色素的提取
率随着微波时间的增大也呈缓慢上升的趋势。微波
时间和乙醇浓度的交互作用不显著。由图7可以看
出,微波时间不变,提取率随着微波功率的增大急速
增大,在420W左右得到最大值,随后缓慢降低。微波
功率不变,提取率随着微波时间的增大而缓慢上升。
微波时间和微波功率的交互作用显著。所有结果都
与模型分析结果一致。
从上述回归模型中求得的最佳提取工艺条件是
A=0.91、B=0.20、C=0.95,即最佳提取条件是乙醇浓
度为69.1%(V/V)、微波功率为380W、微波时间为
79.5s,米团花黄色素提取率的理论值为98.38%。由于
以上最佳条件并没有包括在响应面优化的17组实验
中,需要进一步实验验证。为了操作方便,将以上条
件修正为乙醇浓度70%(V/V),微波功率为350W(微
波炉只有五档),微波时间为80s。验证结果表明,在
最佳提取条件下,黄色素提取率为95.23%(RSD=
3.21%)与预测值相差不大,说明该方程与实际情况
拟合很好,充分验证了所建模型的正确性,说明响应
面法适用于米团花黄色素浸提工艺进行回归分析和
参数优化。
2.6 米团花黄色素两种提取方法的比较
两种提取方法的提取条件和提取率的比较见表4。
3 结论
3.1 通过模型系数显著性检验,得到因素的主效关
系为:微波功率>微波时间>乙醇浓度。
利用模型的响应面,优化出米团花黄色素提取
工艺的最佳条件为为:液固比50∶1(V/m),乙醇浓度
70%(V/V),微波功率为350W,微波时间为80s。在此
条件下米团花黄色提取率为95.23%。
3.2 有研究过乙醇法提取米团花黄色素,提取率是
92.85%,缺点是费时,费力,提取率不是很高。相比较
(下转第261页)
252
工 艺 技 术
2013年第18期
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而言微波辅助提取比较节省时间和有机试剂,提取
率比较好。
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(上接第252页)
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正交实验确定了最佳提取工艺条件为:以60%的乙
醇溶液为溶剂,原料粒度80~100目、超声功率320W、
料液比1∶12、超声时间20min、超声2次,原花青素提取
率为10.44%,固含物得率为22.85%,产物中原花青素
的含量为44.29%。通过扫描电子显微镜观察超声波
辅助提取前后的树皮表面微观形貌分析,表明超声
波所具有的物理特性能促使植物细胞组织破壁或变
形,从而促使胞内物质溶出,提取速度快,效率高。
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