紫红肉火龙果果皮色素提取工艺的响应面法优化

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇紫红肉火龙果果皮色素提取工艺的响应面法优化范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：在单因素试验基础上，选择提取时间、乙醇体积分数、料液比、pH为影响因素，以紫红肉火龙果[Hylocereus polyrhizus （Weber） Britton & Rose]果皮色素提取液吸光度为响应值，应用中心组合（Box-Behnken）试验设计建立数学模型，进行响应面分析，以优化提取工艺。结果表明，紫红肉火龙果果皮色素提取的最佳工艺条件为提取时间51 min、乙醇体积分数32%、料液比1∶45（m/V，g∶mL）、pH 5.3。

关键词：紫红肉火龙果[Hylocereus polyrhizus （Weber） Britton & Rose]；色素；响应面分析

中图分类号：TQ914.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）02-0418-05

火龙果又称仙蜜果、红龙果、吉祥果等，为仙人掌科量天尺属植物，原产于墨西哥、中美洲等热带沙漠地区，随后在亚洲地区如越南、马来西亚、菲律宾和中国的台湾等地发展成商业化种植。目前在中国广东、广西、海南、福建等地区也有一定规模的种植[1，2]。火龙果按果皮以及果肉颜色的不同可以分为红皮白肉、红皮红肉、黄皮白肉3类[3，4]，红皮白肉火龙果的果皮以及红皮红肉火龙果的果皮和果肉均含有丰富的天然色素。因合成色素不但没有营养，而且大多数对人体有害，甚至还有致癌作用，因此开发利用火龙果果皮的天然色素具有非常重要的意义。除此以外，研究发现火龙果所含的天然色素――甜菜红（Betalanins）具有抗氧化、减少和清除自由基的作用，并可抑制黑色素瘤细胞、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、酵母菌以及霉菌的生长[5-8]，如能将火龙果色素所具有的功能应用于食品和医药行业中也具有极其重要的意义。

本研究以紫红肉火龙果[Hylocereus polyrhizus （Weber） Britton & Rose]果皮为材料，应用响应面法优化紫红肉火龙果色素的提取条件，为开发火龙果色素提供依据，同时也可以使废弃的火龙果果皮这一丰富的资源得到充分利用。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料与试剂 紫红肉火龙果[Hylocereus polyrhizus （Weber） Britton & Rose]购于广东省阳江市。无水乙醇、盐酸、丙酮均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备 U3010型紫外-可见分光光度计购自日本Hitachi公司，恒温摇床购自上海福玛实验设备有限公司，循环水式多用真空泵购自郑州长城科工贸有限公司，PHS-3C型pH计购自上海精密科学仪器有限公司，LGJ-25型冷冻干燥机购自北京四环科学仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程 火龙果清洗、晾干果皮、果肉分离果皮打浆冷冻干燥溶剂提取抽滤得到色素提取液。

1.2.2 操作要点 将火龙果洗干净，去除果皮青色以及黄色的鳞片，晾干果表面的水分，将果肉和果皮分离，将果皮打浆，冷冻干燥。精确称取1.0 g干燥的火龙果果皮加入设定体积的溶剂，在室温下用摇床提取预定的时间，抽滤，滤液即为火龙果果皮色素提取液。将提取的火龙果色素提取液定容至100 mL，稀释2.5倍后，在400～700 nm波长范围内进行扫描，以确定色素的最大吸收波长，在最大吸收峰的波长下测定色素的吸光度，以吸光度表征提取液中色素的含量。

1.2.3 溶剂的筛选试验 精确称取1.0 g冷冻干燥后的火龙果果皮，分别用50 mL 0.1 mol/L HCl、10%丙酮、去离子水和10%乙醇进行提取，选择提取效果最优的溶剂进行后续试验。

1.2.4 单因素试验 为探索各提取因素对紫红肉火龙果果皮色素提取率的影响，精确称取1.0 g冷冻干燥后的火龙果果皮，以料液比、乙醇体积分数、pH和提取时间为考察因素，以火龙果果皮色素提取液吸光度为指标，将提取的火龙果色素提取液定容至100 mL，稀释2.5倍，倒入光径1 cm的比色皿中，在最大吸收峰的波长下测定色素的吸光度，以吸光度表征溶液中色素的含量，进行单因素试验，一式三份取均值，单因素试验因素与水平见表1。

1.2.5 响应面法因素与水平的选取 根据Box-Behnken中心组合试验设计原理[9]，综合单因素试验结果，选取提取时间、pH、乙醇体积分数和料液比对火龙果果皮色素提取液吸光度影响显著的4个因素，每个因素取3个水平，并以-1、0、1分别代表因素的水平，在单因素试验的基础上采用四因素三水平的响应面法进行试验，响应面法因素与水平见表2。

1.2.6 统计处理 所有的试验3次重复，其结果以x±SD的形式表示。

2 结果与分析

2.1 检测波长的确定

由图1可知，火龙果果皮色素在536 nm处有最大吸收峰，与报道的大致相同[10-14]，因此确定536 nm为检测波长。

2.2 提取溶剂的选择

准确称取1.0 g冷冻干燥后的火龙果果皮，分别取相同体积的不同溶剂进行提取。由图2可知，10%乙醇的提取效果最好，因此选择10%乙醇作为后续提取溶剂。

2.3 单因素试验结果

2.3.1 料液比对提取火龙果果皮色素的影响 如图3所示，随着溶剂用量的增加，火龙果色素提取液的吸光度增加，但溶剂用量达到一定程度时，火龙果果皮中的色素接近全部溶出，再增加溶剂用量不仅不能增加提取量，反而会增加生产成本，因此确定料液比为1∶40。

2.3.2 pH对提取火龙果果皮色素的影响 如图4所示，随着pH的增加吸光度先增加后降低，在pH 5时吸光度最高，因此选择pH 5为最适的pH。

2.3.3 乙醇体积分数对提取火龙果果皮色素的影响 如图5所示，随着乙醇体积分数的增加，吸光度先增加，乙醇体积分数为30%时吸光度最高，当乙醇体积分数再增加时吸光度降低，因此确定乙醇体积分数为30%。

2.3.4 提取时间对提取火龙果果皮色素的影响 由图6可知，随着提取时间的增长吸光度先增加，但50 min后吸光度反而下降，提取时间过短则提取不完全，提取时间过长则耗时，因此确定50 min为最佳的提取时间。

2.4 提取条件的响应面法优化分析

2.4.1 响应面设计与分析 如表3所示，选用中心复合模型，做四因素三水平共29个试验点（5个中心点）的响应面分析试验（3个平行样）。这29个试验点分为两类：其一是析因点，组变量取值在各因素所构成的三维顶点，共24个析因点；其二是零点，为区域的中心点，零点试验5次重复，用以估计试验误差[15]。以火龙果果皮色素提取液吸光度为响应值。采用Design Expert 8.0.7软件对试验数据进行回归分析，由此可求出影响因素的一次效应、二次效应及其交互效应的关联方程[16]，并作出响应面图。多元回归拟合分析得到火龙果果皮色素提取液吸光度与各因素变量的四元二次方程模型为y=0.526 80+7.166 67×10-3x1+0.012 667x2+0.025 583x3+8.250 00×10-3x4-1.500 00×10-3x1x2+5.000 00×10-4x1x3

-2.000 00×10-3x1x4-5.500 000×10-3x2x3+2.000 00×10-3x2x4-9.250 00×10-3x3x4-0.028 775x12-0.020 275x22-0.030 150x32-6.150 00×10-3x42。

对模型进行方差分析，结果见表4。由表4可知，模型回归关系极显著（P0.000 1），x1、x2、x3、x4、x12、x22、x32在该模型中为显著或极显著变量。R2=0.931 8，表明93.18%的数据可用这个方程解释。回归方程各项的方差分析结果还表明方程的失拟项不显著（P>0.05），表明该方程对试验拟合情况好、误差小。

2.4.2 响应面曲面分析 响应面法的图形是响应值（y）与对应的各因素（x1、x2、x3、x4）所构成的一个三维空间在二维平面上的等高图。将两个因素固定在零水平，对另外的两个因素进行分析，由此可直观地反应各因素对响应值的影响，还可以找到提取过程中的相互作用[17]。响应面图如图7，由图7可知，乙醇体积分数和pH对提取色素的影响效果显著，表现为曲线较陡，料液比和提取时间次之，相应表现为曲线较为缓和。

根据所得到的模型，可预测在稳定状态下的优化工艺条件为提取时间51 min、乙醇体积分数31.65%、料液比1∶44.5、pH 5.29，在此条件下，火龙果果皮色素提取液的吸光度理论值可达到0.535。

为了验证试验结果是否与真实情况相一致，从方便操作角度考虑，对模型预测结果进行修正，将最佳的工艺条件修正为提取时间51 min、乙醇体积分数32%、料液比1∶45、pH 5.3。在此条件下进行3次平行试验，火龙果果皮色素吸光度为0.535，与预测值非常一致。该结果说明优化结果可靠。

3 结论

通过单因素试验、Box-Behnken中心组合试验设计及响应面分析对火龙果果皮色素提取工艺进行优化，得出了火龙果果皮色素提取各因素变量的二次方程模型，该模型具有统计学意义，对试验拟合较好，并获得优化工艺条件为提取时间51 min、乙醇体积分数32%、料液比1∶45、pH 5.3。

参考文献：

[1] 张福平.火龙果的营养保健功效及开发利用[J].食品研究与开发，2002，23（3）：49-50.

[2] 纵 伟，刘艳芳，白新鹏. 火龙果的营养保健成分及加工[J]. 中国食物与营养，2007（10）：46-48.

[3] HOA T T，CLARK C J，WADDELL B C，et al. Postharvest quality of Dragon fruit （Hylocereus undatus） following disinfesting hot air treatments[J]. Postharvest Biology and Technology，2006，41（1）：62-69.

[4] NERD A，SITRIT Y，KAUSHIK R A，et al. High summer temperatures inhibit flowering in vine pitaya crops（Hylocereus spp.）[J]. Scientia Horticulturae，2002，96（1-4）：343-350.

[5] ESCRIBANO J，PEDRE？O M A，GARC？A-CARMONA F，et al. Characterization of the antiradical activity of betalains from Beta vulgaris L. roots[J]. Phytochemical Analysis，1998，9（3）：124-127.

[6] PEDRE？O M A，ESCRIBANO J. Correlation between antiradical activity and stability of betanine from Beta vulgaris L. roots under different pH，temperature and light conditions[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，2001，81（7）：627-631.

[7] TENORE G C， NOVELLINO E， BASILE A. Nutraceutical potential and antioxidant benefits of red pitaya （Hylocereus polyrhizus） extracts[J]. Journal of Functional Foods，2012，4（1）：129-136.

[8] WU L，HSU H，CHEN Y，et al. Antioxidant and antiproliferative activities of red pitaya[J]. Food Chemistry，2006，95（2）：319-327.

[9] MURALIDHAR R V，CHIRUMAMILA R R，MARCHANT R，et al. A response surface approach for the comparison of lipase production by Candida cylindracea using two different carbon sources[J]. Biochemical Engineering Journal，2001，9（1）：17-23.

[10] STINTZING F C，CARLE R. Functional properties of anthocyanins and betalains in plants，food，and in human nutrition[J]. Trends in Food Science & Technology，2004，15（1）：19-38.

[11] 李昌辉，余贤东，万小荣，等. 火龙果果皮红色素的微波提取工艺[J]. 中国农学通报，2008，24（4）：139-143.

[12] 刘小玲，许时婴，王 璋.火龙果色素的基本性质及结构鉴定[J].无锡轻工大学学报，2003，22（3）：62-66.

[13] 王新广，罗先群，刘 波. 火龙果果皮色素的提取及稳定性研究[J]. 资源开发与市场，2006（1）：3-5.

[14] 张伟锋，何生根. 台湾祥龙火龙果果皮色素的提取方法[J]. 中国农学通报，2006，22（6）：83-86.

[15] 陈 健，孙爱东，高雪娟，等. 响应面分析法优化超声波提取槟榔原花青素工艺[J].食品科学，2011，32（4）：82-86.

[16] KALIL S J，MAUGERI F，RODRIGUES M I. Response surface analysis and simulation as a tool for bioprocess design and optimization[J].Process Biochemistry，2000，35（6）：539-550.

[17] 董发明，白喜婷. 响应面法优化超声提取杜仲雄花中黄酮类化合物的工艺参数[J].食品科学，2008，29（8）：227-231.