全 文 ：蓝靛果色素提取中混料设计优化酶配比的研究
刘德江1，2，刘 娟1* ，申 健2 (1．佳木斯大学药学院，黑龙江佳木斯 154007;2．佳木斯大学生命科学学院，黑龙江佳木斯 154007)
摘要 ［目的］寻求蓝靛果色素提取中果胶酶、纤维素酶、木瓜蛋白酶的最佳配比。［方法］采用混料设计研究了 3种酶不同比例对蓝靛
果色素提取液吸光度值的影响，建立酶配比与吸光度值之间的回归模型，考查了 3 种酶组分的互作效应，通过模型优化得到了最优配
比。［结果］3种酶的最优配比为果胶酶 46． 6%、纤维素酶 17． 6%、木瓜蛋白酶 36． 0%。［结论］该研究为蓝靛果资源的综合利用提供了
理论依据。
关键词 蓝靛果色素;混料设计;优化
中图分类号 S37 文献标识码 A 文章编号 0517 －6611(2011)19 －11933 －03
Study on the Enzyme Matching Ratio Optimization by the Mixture Design in the Extraction of Lonicera edulis Pigment
LIU De-jiang et al (College of Pharmacy，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007)
Abstract ［Objective］The research aimed to find the optimum proportions of pectinase，cellulose enzyme and papain in the extraction of
Lonicera edulis pigment． ［Method］The influences of different proportions of three enzymes on the absorbance value of Lonicera edulis pigment
extraction fluid were studied by the mixture design． The regression model between the enzyme matching ratio and the absorbance value was es-
tablished，and the interaction effects of three enzymes were studied． By the model optimization，the optimum matching ratio was obtained．
［Result］The optimum matching ratios of three enzymes were the pectinase 46． 6%，cellulose enzyme 17． 6% and papain 36． 0% ． ［Conclu-
sion］The research provided the theory basis for the comprehensive utilization of Lonicera edulis resource．
Key words Lonicera edulis;Mixture design;Optimization
作者简介 刘德江(1980 －) ，男，黑龙江克东人，实验师，在读硕士，从
事寒地植物资源、生态、栽培及其提取物的应用研究，E-
mail:liudejiang2004@ 163． com。* 通讯作者，教授，硕士生
导师，从事生药学研究，E-mail:liujuan1949@ 163． com。
收稿日期 2011-03-31
近些年来，由于合成色素具有色泽鲜艳、着色力强、稳定
性好、无臭无味、易于溶解和调色、成本低等优点［1］，几乎取
代了天然色素在食品中的应用。然而，研究发现，合成色素
不仅不能提高食品的营养价值，有的甚至对人体有毒害作
用［2］。因此，以农作物和果蔬类为原料而制得的天然食用色
素越来越受到人们的青睐。蓝靛果色素就是以野生蓝靛果
果实为材料提取的一种纯天然、无污染的优质天然食用色
素，不仅具有食用价值，而且由于其含有大量的花色苷等活
性成分，具有一定的保健作用［3］，被国内外公认为替代合成
食用红色素资源最为丰富的、理想的天然食用色素。花色苷
不存在安全性问题，具有养颜、降脂、抗氧化和抗衰老等重要
的生理功能，可应用于食品、保健品、药品、化妆品和生物制
品等领域［4 －5］。酶用于天然植物有效成分的提取是近几年
一项生物技术［6］。选用适合的酶可以较温和地将植物组织
分解，加速有效成分的释放，提高产物提取率［7］。笔者利用
果胶酶、纤维素酶和木瓜蛋白酶法提取蓝靛果色素，为蓝靛
果资源的综合利用提供理论依据。
1 材料与方法
1． 1 试验材料与试剂 蓝靛果果实于 2009年 6月 20日采
摘于伊春市五营林业局(48°0634． 8″ N，129°1338． 8″ E) ，坡
向为阳坡，海拔 302 m。果实呈暗蓝色，有白粉，椭圆或长圆
形。采摘去杂后，冰箱冻藏备用。提取溶剂为乙醇，分析纯;
果胶酶、纤维素酶和木瓜蛋白酶均为试剂纯。
1． 2 仪器与设备 BS －110S型电子天平(北京赛多利斯仪
器有限公司) ;SHH －W21 －600S指针式恒温水浴锅(上海跃
进医疗器械厂) ;22PC 型可见分光光度计(上海棱光技术有
限公司) ;TU －1201 紫外可见光分光光度计(北京通用仪器
设备公司) ;L － 550 型台式低速离心机(长沙湘仪实验室仪
器有限公司)。
1． 3 方法
1． 3． 1 3种酶用量的确定。分别精确称取 5个不同质量(5、
7、9、11和 13 mg)的果胶酶、纤维素酶和木瓜蛋白酶，各与 1 g
蓝靛果匀浆相混合。果胶酶在 pH为 3． 5 及温度为 50 ℃条
件下酶解 60 min;纤维素酶在 pH为 5． 0及最适温度为 45 ℃
条件下酶解 60 min;木瓜蛋白酶在 pH 4． 5 及最适温度为 40
℃条件下酶解 60 min。再以料液比 1∶15 分别加入 60%乙醇
溶液浸提 3 h后，3 500 r /min离心 10 min，取上清液 1 ml，并
稀释至 10 ml，分别于 520 nm处测其吸光度值 A。
1． 3． 2 Simplex Centroid试验设计。根据混料试验设计原理，
利用 Design-Expert 7． 0软件中的单纯型重心设计，以蓝靛果
提取液 520 nm处吸光度值为响应值，选择果胶酶 X1、纤维素
酶 X2、木瓜蛋白酶 X3 3 个因素进行 Simplex Centroid 试验。
试验设计因素取值见表 1。
2 结果与分析
2． 1 3种酶用量对蓝靛果色素提取的影响 由图 1可知，3
种酶对蓝靛果色素的提取都有一定的作用，其中果胶酶和纤
维素酶的作用效果高于木瓜蛋白酶，且 3种酶都表现出高剂
量的酶没有提高提取液色素吸光度值的趋势。
2． 2 3种酶混合比例的确定 对试验数据(表 1)进行多项
式拟合回归，以吸光度(Y)为因变量，果胶酶(X1)、纤维素酶
(X2)和木瓜蛋白酶(X3)为自变量，建立回归方程:Y =
0． 50X1 + 0． 45X2 + 0． 39X3 + 0． 15X1X2。回归方程可信度分析
见表2。其中，R2 = 0． 976 3 ，表明 97． 63%的试验数据可用该
模型进行解释，说明方程可靠性较高。CV值越低 ，显示试验
稳定性越好。该试验的 CV值为 2． 012 284%，较低，说明试
验操作可信。综上所述，该回归方程为混合酶添加比例提供
了一个良好的模型。
采用 Design-Expert软件对试验结果进行方差分析，结果
见表 3。“Pr ＞ F”项表示大于 F 值的概率。由表 3 可知，
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2011，39(19):11933 － 11935 责任编辑 宋平 责任校对 卢瑶
DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2011.19.045
图 1 3种酶用量对蓝靛果色素提取液吸光度值的影响
Fig． 1 Effect of dosage of three enzymes on the OD value of
Lonicera edulis ’pigment
X1X2 对 Y值的影响显著(“Pr ＞ F”值 ＜0． 05) ，表明试验因子
对响应值不是简单的线性关系。Design-Expert 7． 0软件分析
得到最大响应值(Y)时，X1、X2 和 X3 对应的编码值分别为
0． 756、0． 194 和 0． 050，与之对应的混合酶比例为:果胶酶
46． 4%、纤维素酶 17． 6%、木瓜蛋白酶 36． 0%。
表 1 Simplex Centroid试验结果
Table 1 Results of Simplex Centroid design
试验号
No．
因素 Factors
果胶酶(X1)
Pectase
纤维素酶(X2)
Cellulase
木瓜蛋白酶(X3)
Papain
吸光度值(Y)
Light
absorbance
1 1． 00 0 0 0． 497
2 0． 10 0． 90 0 0． 449
3 0． 10 0 0． 90 0． 387
4 0． 55 0． 45 0 0． 516
5 0． 55 0 0． 45 0． 457
6 0． 10 0． 45 0． 45 0． 432
7 0． 40 0． 30 0． 30 0． 463
表 2 回归方程可信度分析
Table 2 Creditability analysis of regression equations
项目 Item 数值 Value 项目 Item 数值 Value
Std． Dev． 0． 009 202 R-Squared 0． 976 271
Mean 0． 457 286 Adj R-Squared 0． 952 543
CV∥% 2． 012 284 Pred R-Squared 0． 808 724
PRESS 0． 002 048 Adeq Precision 17． 243 410
表 3 回归方程的方差分析结果
Table 3 Variance analysis of regression equation
方差来源
Variance
sources
平方和
Squire
sum
自由度
Degree
of freedom
均方
Mean
square
F值
F value Prob ＞ F
显著性
Signifi-
cance
Model 0． 010 451 3 0． 003 484 41． 14 0． 006 2 ＊＊
Linear Lixture 0． 009 370 2 0． 004 685 55． 33 0． 004 3 ＊＊
X1 X2 0． 001 082 1 0． 001 082 12． 77 0． 037 4 *
Residual 0． 000 254 3 0． 000 084 7 － － －
Cor Total 0． 010 705 6 － － － －
注:“* ”在 0． 05水平显著;“＊＊”在 0． 01水平显著。
Note:“* ”was outstanding at 0． 05 level;“＊＊”was outstanding at 0． 01 level．
根据回归方程绘制的 Y = f(X1，X2，X3)响应面和等高线
分析图如图 2 所示。响应面可以直接反映出各因子对响应
值的影响大小，等高线图可以直接看出最优条件下各因子的
取值范围。
3 结论与讨论
试验采用混料设计方案，以蓝靛果色素提取液吸光度值
为指标，进行 3种酶混合配比的优化，探讨混合酶组合优化
的新方法。通过各指标回归模型的建立，各组分间交互作用
的分析，结合混料设计分析软件的优化功能，获得了 3 种酶
的最优配比为果胶酶46． 4%、纤维素酶17． 6%、木瓜蛋白酶
图 2 Y = f(X1，X2，X3)的等高线与响应面分析图
Fig． 2 Response surface and contour plots of Y = f(X1，X2，X3)
36． 0%。表明混料设计可有效地应用于蓝靛果色素提取中
混合酶配比的优化。这种方法不仅减少了试验次数，也提高
设计的准确性，从而得到较佳的配比，起到事半功倍的作用。
参考文献
［1］陈运中．天然色素的生产及应用［M］．北京:中国轻工业出版社，2006:2．
［2］吴坤，孙秀发．营养与食品卫生学［M］． 5 版．北京:人民卫生出版社，
2003:293．
［3］BAGCHI D，SEN C K，BAGCHI M，et al． Antiangiogenic，antioxidant，and
anti-carcinogenic propertiesof a novel anthocyanin-rich berry extract formu-
la［J］． Biochemistry，2004，69(1):75 －80．
［4］GALLI R L，BIELINSKI D F，SZPRENGIEL A，et al． Blueberry supplemen-
ted diet reverses age-related decline in hippocampal HSP70 neuroprotec-
tion［J］． Neurobiology of Aging，2006，27:344 －350．
［5］MATSUNAGA N，TSURUMA K，SHIMAZAWA M，et al． Inhibitory actions
of bilberry anthocyanidins on angiogenesis［J］． Phytother Res，2010，24
(1):42 －47．
43911 安徽农业科学 2011 年
［6］刘钟栋．食品添加剂原理与应用技术［M］．北京:中国轻工业出版社，
2000:120．
［7］曾顺德，漆巨容，张迎君．天然食用色素的提取、纯化及应用［J］．食品
研究与开发，2004，29(6):
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
79 －81．
(上接第 11932 页)
图 2 不同特征参数情况下鸭嘴式吊篮运动轨迹
Fig． 2 The trajectory of the duckbill-type basket at the different
parameters
(3)当特征参数 λ = 1 时，鸭嘴式吊篮的运动轨迹为摆
线，摆线上没有环扣出现，且在最下部时吊篮运动方向基本
处于垂直方向。摆线的最低点处存在 1个拐点，即吊篮运动
轨迹上存在 1个零速投苗点，拐点处的水平分速度为零，有
利于打出垂直的孔穴，保证了秧苗的直立度。
2 基于 ADAMS的吊篮 －鸭嘴式栽植器建模与仿真分析
2． 1 吊篮 －鸭嘴式栽植器建模 在 ADAMS软件中建立仿
真模型(图 3)。给出 4个轮胎，用来模拟移栽机运动，水平行
走速度为 200 mm/s。考虑到投苗手的工作强度，以 30株 /min
的速度用于仿真计算，即1株 /2s，而1个栽植器上有3个吊篮，
因此，栽植器的转动角速度为 60° /s，仿真时间为 6 s。
图 3 栽植器仿真模型
Fig． 3 The simulation model of transplant unit
2． 2 运动轨迹模拟与分析 图 4、5为吊篮沿 X轴(前进方
向)方向运动的位移和速度。由图 4 可以看出，吊篮在整个
过程中沿 X轴方向(前进方向)的速度最小值为 0 mm/s，该
点是吊篮运动的特殊点，恰好是吊篮鸭嘴打穴后张开放苗
点，其相对地面速度很小，与特征参数 λ = 1 时的情况相符;
由图 5可以看出，在 4． 0 ～ 4． 8 s时间段内，吊篮水平位移没
有发生变化，基本没有发生运动，这恰好是在吊篮鸭嘴口入
土到打开过程，使秧苗随吊篮运动的速度降至最小，保证了
秧苗的直立度。
在 X － Y平面内将 Y轴的坐标点作为纵轴，X 轴的坐标
点作为横轴生成平滑曲线图，即吊篮运动轨迹。由图 6可以
看出，移栽机在行走过程中，吊篮在 X-Y平面内划出 1 条近
似摆线，实现了零速投苗，即符合特征参数 λ =1时的情况。
图 4 吊篮沿 X轴方向速度变化
Fig． 4 The change of velocity of basket along the X axis
图 5 吊篮沿 X轴方向位移变化
Fig． 5 The change of displacement of basket along the X axis
图 6 吊篮运动轨迹
Fig． 6 The trajectory of basket
3 结论
(1)针对移栽机在栽植过程中存在难立苗问题，根据栽
植器的运动方程，推导出特征参数 λ的值，即 0 ＜ λ ＜ 1，λ = 1
和 λ ＞1，提出 λ =1时，可以保证秧苗的直立度。
(2)通过运动模拟，绘制了吊篮沿 X轴方向的速度图和
位移图，以及吊篮运动轨迹曲线图，并对其进行了分析，验证
了 λ =1时的情况，符合零速投苗。
参考文献
［1］何扬清，尹文庆，章士秀． 3种旱地移栽机栽植器的性能分析［J］．安徽
农业科学，2006，34(24):6722 －6723，6725．
［2］韩喜秋．影响江苏省油菜籽生产成本的因素分析［J］．安徽农业科学，
2009，37(11):5134 －5136．
［3］耿端阳，董越波．鸭嘴 －偏心轮式钵苗栽植器的设计［J］．农机化研究，
2009(12):100 －103，116．
［4］武科，毕新胜，陈永成．吊篮式移栽机栽植器的研究［J］．农机化研究，
2010(6):73 －75，79．
［5］孙裕晶，马成林，周德义．组合振动导苗筒式移栽机研究［J］．农业机械
学报，2005，36(6):141 －142．
5391139 卷 19 期 刘德江等 蓝靛果色素提取中混料设计优化酶配比的研究