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Optimization of the extraction technology of camphor pericarp anthocyanins by response surface method

香樟果皮花色苷提取工艺优化及抗氧化研究



全 文 :广 西 植 物 Guihaia Aug.2015,35(4):603-608           http://journal.gxzw.gxib.cn 
DOI:10.11931/guihaia.gxzw201409030
昝丽霞.香樟果皮花色苷提取工艺优化及抗氧化研究[J].广西植物,2015,35(4):603-608
ZanLX.Optimizationoftheextractiontechnologyofcamphorpericarpanthocyaninsbyresponsesurfacemethod[J].Guihaia,2015,35(4):603-608
香樟果皮花色苷提取工艺优化及抗氧化研究
昝丽霞
(陕西理工学院 生物科学与工程学院,陕西 汉中723000)
摘 要:为了优化香樟果皮花色苷的最佳提取工艺条件,用乙醇作为提取溶剂,选取提取时间、提取温度、提
取剂浓度、料液比、pH五因素,采用BoxGBehnken建立三因素三水平模型,用响应面法优化各因素及其相互作
用的最佳组合,用DesignGExpert8.0设计回归正交实验;同时用水杨酸比色法和DPPH法,测定了香樟果皮
花色苷的抗氧化能力,并比较了不同放置时间对香樟果花色苷稳定性的影响.结果表明:香樟果花色苷最佳
提取工艺的回归方程为Y=58.64+2.27A+12.78B+10.18C-14.01A2-11.00B2-7.56C2,R2=0.9796,模
型拟合程度良好,在该试验范围内,模型能够准确反映花色苷的提取结果;最佳工艺参数分别为pH1.0、料液
比1∶15、乙醇浓度78.59%、提取温度77.14℃、提取时间42.48min,在此条件下香樟果花色苷的得率为
67.99mg􀅰100gG1;在一定浓度范围内,香樟果皮花色苷清除羟自由基率和总抗氧化能力均与浓度成正线性
相关,回归方程分别为y=0.3388x+13.485(R2=0.9856),y=0.0275x+0.0221,(R2=0.9966).利用响应面
法确定的最佳工艺条件合理,可用于香樟果皮花色苷的提取,同时香樟果花色苷具有良好的抗氧化活性,为天
然色素的开发利用提供一定指导意义.
关键词:香樟果皮;花色苷;提取;响应面法;抗氧化
中图分类号:Q946  文献标识码:A  文章编号:1000G3142(2015)04G0603G06
Optimizationoftheextractiontechnologyofcamphor
pericarpanthocyaninsbyresponsesurfacemethod
ZANLiGXia
(CollegeofBiologicalScience&Engineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,China)
Abstract:Theextractiontechnologyofcamphorpericarpanthocyaninswasoptimizedpreferably.Thealcoholwas
usedastheextractingsolvent.Extractingtimeandtemperature,solventconcentrations,proportionofmaterialand
solutionandpH werediscussed.ThemodelofthreefactorsandthreelevelswasestablishedthroughboxG
Behnken.ThedesignofexperimentwasmadebyDesignGExpert8.0softwareandoptimizationofvariousfactorsand
theirinteractionefectswereanalyzedbyresponsesurfacemethod.Theabilityofantioxidantwasdeterminedwith
colorimetricmethodusingsalicylicacidandDPPHmethod,andcomparisonoftimetoinfluencethestabilityofthe
anthocyanins.TheregressionequationofthebestextractionofanthocyaninswasY=58.64+2.27A+12.78B+
10.18C-14.01A2-11.00B2-7.56C2,R2=0.9796,andthefittingdegreeofmodelwasgood.Withintherangeof
thetest,themodelreflectedtheextractionresults.TheresultsshowedthatthebestextractionparameterswerepH
1.0,materialGsolventratio1g∶15mL,ethanolcontent78.59%,extractiontemperature77.14℃,extractiontime
42.48min.Onthisextractioncondition,thecontentofthecamphorpericarpanthocyaninswas67.99mg􀅰100gG1.In
acertainconcentration,theabilityofscavenginghydroxylfreeradicalandthetotalantioxidantcapabilitywereal
收稿日期:2014G12G15  修回日期:2015G03G31
基金项目:陕西省科研计划项目(KJT06119G04);陕西理工学院科研项目(SLGKY14G17).
作者简介:昝丽霞 (1977G),女,陕西韩城市人,硕士,副教授,主要从事药用植物资源开发利用研究,(EGmail)zanlx@126.com.
positivelinearcorrelationwiththeconcentrationofanthocyanins.Theregressionequationrespectivelywerey=
0.3388x+13.485(R2=0.9856),y=0.0275x+0.0221,(R2=0.9966).TodeterminetheoptimumtechnologicalconG
ditionsbyusingtheresponsesurfacemethodwerereasonable,itwouldprovidecertainguidingsignificanceforthedeG
velopmentandntilizationofnaturalpigment.
Keywords:camphorpericarp;anthocyanins;extraction;responsesurfacemethod;antioxidant
  香樟(Cinnamomuncamphora)也称樟树,为樟
属常绿乔木植物.樟树因果皮中富含丰富的花色
素,果实呈现紫黑色,在植物体中花色素常与糖结合
形成苷类化合物,称为花色苷(Anthocyanin)(辛秀
兰等,2008).花色苷是一类以黄酮母核为基础的化
合物,具有促进视红素再合成、清除人体自由基、抗
肿瘤、抗炎症、提高免疫力、抗癌,抑制脂质过氧化和
血小板凝集等多种生理活性功能(李颖畅等,
2009).同时花色苷有很强的抗氧化活性,具有花色
苷作为一种天然色素,具有较好的着色力,在功能性
食品和医药保健品领域得到了广泛的应用.近年
来,国内学者对各类食用、药用植物花色苷进行了广
泛研究(李颖畅等,2013;赵昶灵等,2008),但从所查
阅文献来看,在香樟花色苷的研究方面较少涉及.
该研究采用响应面法对香樟果皮花色苷的提取工艺
进行优化,以期获得最优的工艺参数,为香樟果皮中
花色苷的开发利用提供理论依据.
1 材料与方法
1.1材料与仪器
无水乙醇、浓盐酸、氯化钾、醋酸钠、水杨酸、无
水乙酸钠、硫酸亚铁、H2O2均为分析纯.DPPH(批
号STBD4145V,美国SIGMA公司).香樟果采自
陕西省汉中市,由陕西理工学院王勇博士鉴定.
FA2104型电子天平(上海恒平仪器有限公司),
PHSJG4F型酸度计(上海雷磁有限公司),FA2104
型电子天平(上海恒平有限公司),101G2AB型干燥
箱(天津泰斯特仪器公司),LCG800型低速离心机
(安徽中科中佳仪器有限公司),UG3900H紫外可见
分光光度计(日本HITACHI公司).
1.2实验方法
1.2.1花色苷含量的测定 精密称取2g香樟果皮,
昝丽霞(2013)的方法,选择pH为1.0和4.5两个值
对花色苷进行测定,溶液pH=1.0,花色苷λmax=
510nm处有最大吸收,而当溶液pH =4.5时,花色
苷会转变为无色查尔酮,在λmax处无吸收.用
A700用来消除样品溶液浑浊的影响,通过示差法测
量计算总花色苷的吸光度:
A=(Aλmax-A700)pH1.0-(Aλmax-A700)pH4.5
花色苷总含量的计算公式:
C(mg/g)=[(A×V ×n×M)/(ε×m)]×100
式中,A-示差法得到花色苷的吸光度;V-提
取液总体积(mL);n-稀释倍数;M -样品质量
(g);ε-(矢车菊色素G3G葡萄糖苷)摩尔消光系数
26900;m-(矢车菊色素G3G葡萄糖苷)摩尔分子质
量449.2.
1.2.2花色苷提取工艺优化 通过选取提取时间、料
液比、提取剂浓度、pH、提取温度等5个因素,用
BoxGBehnken建立三因素三水平模型(表1)(王文
君等,2011).用DesignGExpert8.0软件设计实验,
得到方差分析表和响应面分析网(孟宪军等,2010).
表1 因素水平表
Table1 Tableoffactorsandlevels
水平
Level
因 素Factor
A提取时间
Extractingtime
(min)
B提取温度
Extracting
temperature
(℃)
C乙醇浓度
Alcohol
concentration
(%)
G1


20
40
60
60
70
80
60
70
80
1.2.3清除羟自由基能力测定 精密量取2mL6
mol􀅰mLG1FeSO4溶液,2mL花色苷提取液(0.2、
0.4、0.5、0.6、0.8mg􀅰mLG1),2mL6mol􀅰mLG1
H2O2溶液,依次加入试管中,摇匀,静置10min,再
加入2mL6mol􀅰mLG1水杨酸溶液,摇匀,静置30
min后,于最大波长为510nm处测定样品的吸光度
A样品;再用蒸馏水取代水杨酸溶液,用相同方法测
定出对照样品的吸光度A对照;最后用蒸馏水取代花
色苷提取液,用相同方法测定空白样品吸光度A空白
(李南薇,2012).按下式计算􀅰OH自由基清除率,
比较花色苷提取液对DPPH 的清除效果.
􀅰OH自由基清除率%=[1-(A样品-A对照)/A空白]
×100%
1.2.4总抗氧化能力测定 取2.0mL不同浓度的花
色苷溶液(2、4、6、8、10mg􀅰mLG1),加入2.0mL
406 广 西 植 物                  35卷
DPPH(2×10G4mol􀅰LG1)溶液,混匀,25℃避光静
置30min后,用95%乙醇调零,于517nm 处测定
样品溶液的吸光度A样品;同法测定2.0mLDPPH
溶液与2.0mL95%乙醇的吸光值作为A空白.计算
DPPH自由基清除率(曾维才等,2013).
DPPH自由基清除率(%)=(1-A样品/A空白)×100%
2 结果与分析
2.1单因素实验
2.1.1提取温度对提取结果的影响 设定提取时间
40min、料液比1∶20、70%乙醇为提取溶剂、pH1.5
的条件,提取温度为30、40、50、60、70、80℃时,考察
花色苷的提取结果.根据pH示差法测得吸光度并
计算花色苷总含量.由图1可知,提取温度作为提
取因素之一,对花色苷的提取有明显影响.随着温
度从30~70℃的上升,花色苷提取量逐渐增加,在
70℃时提取结果最佳,当温度继续升高,提取率开
始下降.原因是因为花色苷的稳定性较差,遇高温
后结构发生变化,致使吸光度值降低.因此,选择
60、70、80℃作为响应面中花色苷提取温度.
2.1.2提取时间对提取结果的影响 设定提取温度
70℃,料液比1∶20,70%乙醇,pH=1.5的条件,
当提取时间分别为20、40、60、80、100、120min时,
考察花色苷提取结果的变化.图2显示,在20~40
min内,花色苷的提取量逐渐增大,达到最高,之后
随着提取时间的延长,提取量逐渐下降.这可能是
由于花色苷的稳定性差,长时间的高温提取逐渐破
坏了花色苷的结构,因此,选择20~60min作为提
取时间的3个水平.
2.1.3乙醇体积分数对提取结果的影响 设定提取
温度70℃、提取时间40min、料液比1∶20,pH=
1.5的条件,考察乙醇体积分数分别为30%、40%、
50%、60%、70%、80%、90%时,对提取结果的影响.
由图3可知,乙醇浓度对提取效果的影响显著,70%
乙醇提取效果最佳;乙醇浓度为80%提取效果下
降,和60%乙醇相比花色苷提取量略低.这可能是
因为当乙醇浓度相对较低时,糖类、果胶和其它一些
水溶性杂质的溶出性较好,从而干扰影响了花色苷
的溶出,致使提取效果较差;而当乙醇浓度相对较高
时,提取溶剂的极性降低,则不利于花色苷的溶出.
2.1.4料液比对花色苷提取的影响 设定提取时间
40min、提取温度70℃、70%乙醇、pH1.5条件下,
图1 提取温度对结果的影响
Fig.1 Temperatureefectsontheextractioneficiency
图2 提取时间对结果的影响
Fig.2 Timeefectsontheextractioneficiency
当料液比分别为10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶
1、35∶1、40∶1(g∶mL)时,测量总花色苷的提取
结果.由图4可知,料液比为1∶15、1∶20、1∶25
(g∶mL)时花色苷的提取结果差异不显著,而之后
随着料液比增大,提取效率呈下降趋势.从经济节
能的角度来看,提取剂用量过大会造成溶剂的浪费,
因此料液比适宜为1g∶15mL.
2.1.5pH对花色苷提取的影响 设定提取时间40
min、提取温度70℃、料液比1∶20、70%乙醇条件
下,pH分别为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0时,考
察花色苷的提取结果.由图5可知,pH1.0时提取
效果最佳,随着pH增大,提取结果逐渐下降.这可
能是因为随着pH 值上升,花色苷水溶液的动态平
衡从花色烊离子向查尔酮形式转化,由红色转变为
无色.因此,提取液的适宜pH选为1.0.
2.2响应面分析
根据单因素试验结果,选择三因素提取时间、提
5064期         昝丽霞等:香樟果皮花色苷提取工艺优化及抗氧化研究
图3 乙醇体积分数对结果的影响
Fig.3 Extractedalcoholconcentrationseffectsonabsorbency
图4 料液比对结果的影响
Fig.4 LiquidGsolidratioefectsontheextractioneffeciency
图5 pH对提取结果的影响
Fig.5 EfectsofpHonextractionefeciency
取温度、乙醇浓度为自变量(X),总花色苷提取量为
响应值(Y),根据中心组合原理,对总花色苷提取工
艺进行响应面分析.结果见表2.
2.2.1二次回归方程模型及方差分析 使用软件对
表3中的数据结果展开二次多项回归拟合,得到回
表2 响应面设计及结果
Table2 Responsesurfaceexperimentdesignandresult
实验号
TestNo. A B C
吸光度Y
Absorbance
提取量
Extraction
quantity
(mg􀅰gG1)









10
11
12
13
14
15
16
17


G1



G1


G1


G1







G1




G1



G1

G1








G1



G1
G1


G1


0.06389
0.07644
0.04967
0.03022
0.06011
0.07024
0.01689
0.07023
0.01800
0.05922
0.05160
0.02467
0.01733
0.07021
0.02422
0.07024
0.07023
0.53
0.64
0.41
0.31
0.50
0.59
0.20
0.59
0.22
0.50
0.43
0.25
0.21
0.59
0.23
0.59
0.59
归方程:Y=58.64+2.27A+12.78B+10.18C-
14.01A2-11.00B2-7.56C2.
模型P<0.001,说明回归模型极其显著;复相
关系数R2=0.9796,说明模型拟合程度良好,误差
小.自变量(提取温度、乙醇浓度及提取时间)与响
应值(花色苷提取量)之间具有显著的线性关系,可
用于实验的理论预测.
从表3看出,模型的一次项中B(温度)和C(乙
醇体积分数)(P<0.0001)对提取结果的线性效应
影响极其明显,A 因素(时间)不显著;而交互项的
影响均不显著,说明其他影响因素对总皂苷的提取
影响不属于简单的线性关系.
2.2.2响应面分析 把其中一因素设置在零水平,求
另两因素的交互关系,使用 DesignGExpert8.0软
件,由回归方程得到其响应曲面(图6G8).
由图6可知,乙醇浓度为70%、提取时间40
min、提取温度70℃时提取量达最大;由图7可知,
提取温度70℃、提取时间40min、乙醇浓度70%时
提取量达最大;由图8可知,提取时间40min、乙醇
浓度70%、提取温度70℃时提取量达最大.
2.2.3花色苷对羟自由基的清除作用 图9表明,随
着花色苷浓度的增加,对􀅰OH 自由基的清除效果
增强,通过对数据进行统计分析得花色苷浓度与清
除率的回归方程为y=0.3388x+13.485,R2=
0.9856.因此,香樟果花色苷具有良好的清除􀅰OH
606 广 西 植 物                  35卷
表3 二次回归模型的显著性验证及方差分析表
Table3 Analysisofvarianceintworegressionmodels
方差来源
Sourceof
variation
平方和
Quadratic
sum
自由度
Free
degree
均方
Mean
square
F值
Fvalue
大于F值
的概率P
Probability
ofgreater
thanF
value
Model
A
B
C
AA
BB
CC
AB
AC
BC
残差
Residenterror
拟合不足
Fittingproblem
纯误差
Pureerror
总回归
Totalregression
4086.46
41.36
1307.39
934.85
826.62
509.15
240.58
16.65
0.31
38.75
102.01
102.01
4.800E-0.04
4188.4













16
454.04
41.36
1307.39
934.85
826.62
509.15
240.58
16.65
0.31
38.75
14.57
34
1.200E-0.04
31.16
2.84
89.72
64.15
56.72
34.94
16.51
1.14
0.021
2.66
2.83E+0.05
<0.0001
0.1359
<0.0001
<0.0001
0.0001
0.0006
0.0048
0.3206
0.8885
0.147
<0.0001
图6 温度和时间交互影响花色苷提取的响应曲面
Fig.6 Responsesurfacediagramofefectbetween
extractiontemperatureandtime
的作用,随着多糖浓度的增加,对􀅰OH的清除能力
也在逐渐增大.
2.2.4花色苷的抗氧化能力 由图10可知,香樟果
花色苷具有清除DPPH自由基的作用,对数据进行
统计分析得花色苷质量浓度与清除率的回归方程为
y=0.0275x+0.0221,R2=0.9966.
2.2.5花色苷的稳定性研究 在自然光下香樟果花
色苷放置不同时间,考察其对稳定性的影响.
图7 乙醇浓度和时间交互影响花色苷提取的响应曲面
Fig.7 Responsesurfacediagramofefectbetween
alcoholconcentrationandextractiontime
图8 温度和乙醇浓度交互影响花色苷提取的响应曲面
Fig.8 Responsesurfacediagramofefectsbetween
extractiontemperatureandalcoholconcentration
图9 花色苷清除羟基自由基能力
Fig.9 Hydroxylradicalscavengingabilityofanthocyanins
图11表明,自然光下放置时间对香樟果花色苷
稳定性有显著影响.在36h内花色苷的降解较为
缓慢,之后随自然光照时间的延长,吸光度出现明显
的下降.因此,在操作过程中避免提取液的放置,保
证试验结果的准确性.
7064期         昝丽霞等:香樟果皮花色苷提取工艺优化及抗氧化研究
图10 花色苷对 DPPH􀅰的清除作用
Fig.10 DPPHscavengingabilityofanthocyanins
图11 自然光下时间对花色苷稳定性的影响
Fig.11 Efectsoftimeontheanthocyanins
stabilityinthenaturallight
3 结论
花色苷是极具潜力的功能性天然色素,从清除
羟自由基和DPPH 试验来看,在一定浓度范围内,
随着浓度的增大,清除羟自由基和DPPH的能力均
表现为线性增强,说明香樟果皮花色苷具有良好的
抗氧化作用.但由于自身结构的原因,表现出较明
显的不稳定性,易受pH、温度、糖及黄酮类物质等
多种因素的影响,储存过程中出现降解,色素损失严
重.试验中香樟果皮花色苷的光稳定性较差,光照
对香樟果花色苷具有较强烈的降解作用,因此对于
花色苷应避光储存.pH环境对花色苷的稳定性也
有较显著的影响,在酸性条件下花色苷的吸光度值
较大,较灵敏.
香樟果花色苷最佳提取工艺的回归方程为Y=
58.64+2.27A+12.78B+10.18C-14.01A2-11.00
B2-7.56C2,在试验范围内,该模型能准确反映花
色苷的提取结果.
通过DesignGExpert8.0软件对回归方程进行
计算分析,得出香樟果皮花色苷的最佳提取工艺条
件为提取时间42.48min,提取温度77.14℃,提取
剂浓度78.59%,此条件下香樟果花色苷得率为
67.99mg􀅰100gG1.
采用试验所得最优条件进行验证后,与理论值
比较得到相对误差为9.1%.因此,可以认为采用响
应面法,通过二次回归组合设计优化得到的花色苷
最佳提取条件参数可靠,有一定的实用价值.
参考文献:
LiYC(李颖畅),WangYL(王亚丽).2013.Researchprogressof
thepolyphenolsfromblueberryleavesanditsapplicationinfood
(蓝莓叶多酚研究进展及其在食品中的应用)[J].Food&
FermTechnol(食品与发酵科技),49(6):100-103
LiYC(李颖畅),QiFY(齐凤元),FengYB(冯彦博).2009.
Effcetsofmetalionsontheblueberryanthocyanins(金属离子对
蓝莓花色苷的影响)[J].Food& Mach(食品与机械),29(4):
52-54
LiNW(李 南 薇),YangZL(杨 振 立).2012.Extractionand
antioxidantactivityofpolysaccharidesfrompapayaleaf(木瓜叶
多糖的提取及抗氧化活性研究)[J].FoodSci&Technol(食
品科技),37(11):177-179
MengXJ(孟宪军),WangGQ(王冠群),SongDQ(宋德群),et
al.2010.Optimizationoftheextractiontechnologyofblueberry
anthocyaninsbyresponsesurfacemethod(响应面法优化蓝莓花
色苷提取工艺的研究)[J].Sci&TechnolFoodInd(食品工
业科技),31(7):226-229
ShiG(石 光).2008.Researchofextraction,purificationan
stabilityonanthocyanininblueberry(蓝莓花色苷的提取、纯
化、稳 定 性 研 究)[D].Dlian(大 连):DalianPolytechnic
University(大连工业大学)
WangWJ(王文君),LiZS(李宗圣),DengZT(邓镇涛),etal.
2011.Comparisionextractionofproanthocyanidinsfrom purple
sweetpotatosbythreekindofextractionmethod(三种方法对比
研究紫番薯原花青素的最佳提取工艺)[J].JNatSciHeiG
longjiangUniv(黑龙江大学自然科学学报),28(1):90-95
WangCC(王朝臣).2009.ResearchofextractingtechnologyofanG
thocyaniningrape(葡萄花色苷提取技术的研究)[J].Agric
TechnolEquip(农业技术与装备),25(2):8-10
XinXL(辛秀兰),WangYH(王彦辉).Apreparationmethodof
naturalredpigmentofraspberry(一种树莓天然红色素的制备
方法)[P].CN101253987B,2008G09G03
ZhaoCL(赵昶灵),WangY(王颖),DuanCL(段承俐),etal.
2008.AnthocyaninessenceofthePurplepigmentandpositive
correlationoftheanthocyanincontentandthetotalginsenoside
contentoftheroottuberofPanaxnotoginseng(三七块根紫色
素的花色苷本质及其含量和总皂苷含量的正相关性)[J].
Guihaia(广西植物),28(5):661-670
ZanLX(昝丽霞).2013.Studyontheextractiontechnologyand
stabilityofanthocyaninfromcayraticajeponicae(乌蔹莓花色苷
的提取工艺及稳定性研究)[J].SciTechnolFoodInd(食品工
业科技),34(10):251-253
ZengWC(曾维才),ShiB(石 碧).2013.CommonmethodsofanG
tioxidantactivityevaluationfornaturalproducts:areview(天然
产物抗氧化活性的常见评价方法)[J].ChemIndEngProgr
(化工进展),32(6):1205-1212
806 广 西 植 物                  35卷