林 莉，袁 瑋，蘇文婷，嚴(yán)紅光

（凱里學(xué)院，貴州凱里 556011）

荸薺Eleocharis tuberosa，別名馬蹄、水栗、烏芋，是莎草科荸薺屬多年生草本植物［1］，在中國(guó)有3000多年的栽植歷史［2］，栽培面積達(dá)60萬(wàn)畝以上，廣泛分布在廣西、安徽、福建、湖北等地.荸薺營(yíng)養(yǎng)豐富，是一種受大眾歡迎的藥食兩用類(lèi)果蔬.荸薺皮約占荸薺鮮重的20%?25%［3］，在荸薺加工和食用過(guò)程中，隨著需求量的增加，荸薺皮的產(chǎn)量也在增加，對(duì)環(huán)境造成了一定的污染.

研究發(fā)現(xiàn)荸薺皮中含有水溶性的棕色素，這是一種天然的黃酮色素［4］，主要成分是黃酮類(lèi)物質(zhì)，有黃酮、黃酮醇、二氫黃酮等［5］，具有抗自由基、抗菌、抗氧化等特點(diǎn)［6?8］.用在食品添加劑中可以起到改善食品色澤及感官品質(zhì)、提高食品的食用安全性和保健的功效［9］.如果我們能充分利用廢棄的荸薺皮資源，不僅可以提高荸薺原料的利用率，還能為廢棄物的處理提供一條新的路徑［10］.

荸薺皮色素傳統(tǒng)的提取方法包括有機(jī)溶劑提取法［11］、超聲波提取法、微波法、酶反應(yīng)法等.微波［12］的強(qiáng)穿透性能夠防止物質(zhì)表面阻力的形成，熱量能較快地輻射到提取物組織內(nèi)部，也更利于促進(jìn)溶劑進(jìn)入提取物內(nèi)部，具有加熱快速、物質(zhì)均勻受熱、操作過(guò)程簡(jiǎn)單、易控制工藝條件、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)［13］.將其應(yīng)用于提取天然物質(zhì)的活性組分［14］，不僅能縮短提取時(shí)間、簡(jiǎn)化提取過(guò)程、降低試驗(yàn)?zāi)芎模€能提高提取率和提取物的純度［15］.在浸提溶劑的選擇上，本文遵循無(wú)毒無(wú)害、價(jià)格低廉、提取率高、易回收并可循環(huán)再利用的原則［16］，從經(jīng)濟(jì)效益和提取產(chǎn)品的安全性方面考慮，選用水作為浸提溶劑.采用響應(yīng)面法對(duì)荸薺皮色素提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以將復(fù)雜的未知函數(shù)關(guān)系進(jìn)行二次多元模型擬合，使得試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際情況.與正交試驗(yàn)比較，在優(yōu)化試驗(yàn)中，可以對(duì)各個(gè)因素水平進(jìn)行連續(xù)性的分析，減小對(duì)各試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差.

本文以荸薺加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄荸薺皮為原材料，采用微波輔助［17?19］水浸提的方法提取荸薺皮色素，并通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法相結(jié)合對(duì)荸薺皮色素提取條件進(jìn)行優(yōu)化，以期為荸薺皮天然資源的深度開(kāi)發(fā)和利用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料荸薺網(wǎng)購(gòu)于廣西桂林荔浦縣廣生農(nóng)業(yè)有限公司，將新鮮荸薺洗凈削皮，荸薺皮放入鼓風(fēng)干燥箱中45 ℃烘干，放入料理機(jī)中粉碎過(guò)40目篩，裝瓶密封備用.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要有101?3ASB 電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京科偉永興有限公司；九陽(yáng)料理機(jī)；T6新世紀(jì)?紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器責(zé)任有限公司；AXTD5A 醫(yī)用離心機(jī)，鹽城市安信實(shí)驗(yàn)有限公司；BD22W?C86 電磁爐，北導(dǎo)電器實(shí)業(yè)有限公司；AR224CN 電子天平，奧豪斯儀器（常州）有限公司.

2 試驗(yàn)方法

2.1 工藝流程

荸薺皮→干燥→粉碎→過(guò)篩→稱(chēng)取→浸泡→微波提取→過(guò)濾→離心→提取液→測(cè)定吸光度

2.2 荸薺皮色素的提取與測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)量荸薺皮粉末1.500 g加入到100 mL燒杯中，再加入30 mL蒸餾水浸泡10 min，在微波條件下加熱2 min，冷卻后用300目尼龍布過(guò)濾，將濾液在4000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心10 min，得到色素提取液.根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］選擇430 nm 為測(cè)定波長(zhǎng)，使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定提取液色素的吸光度.

2.3 單因素試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱(chēng)取1.500 g 的荸薺皮粉末加入到100 mL 燒杯中，再加入30 mL 蒸餾水配制提取液.用色素吸光度值作提取效果衡量指標(biāo)，在料液比為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25 g/mL，微波功率為100、200、300、400、500 W，加熱時(shí)間為1、2、3、4、5 min的條件下進(jìn)行相應(yīng)的處理，將不同水平的料液比、微波功率及微波加熱時(shí)間對(duì)荸薺皮色素提取效果的影響進(jìn)行對(duì)比分析.

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)

采用Box?Behnken 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，通過(guò)對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，研究各個(gè)影響因素對(duì)色素提取效果的影響，使用分析軟件Design ExpertV8.0.6 進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)，以料液比（A）、微波功率（B）、加熱時(shí)間（C）為自變量，提取液色素吸光度值為衡量指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)［20?21］，預(yù)測(cè)荸薺皮色素的最佳提取工藝，具體的因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1.

表1 響應(yīng)面因素水平設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 料液比對(duì)色素提取效果的影響

分別以不同水平的料液比進(jìn)行色素提取，確定響應(yīng)面試驗(yàn)中料液比的優(yōu)化選取范圍，結(jié)果如圖1.從圖1 中可以看出，在1∶5?1∶25 g/mL 時(shí)，提取效果隨料液比的變化趨勢(shì)為先升高后降低.在料液比為1∶10 g/mL 時(shí)，提取液吸光度值為0.899，達(dá)到了吸收峰值；在1∶10?1∶25 g/mL 時(shí)，隨著料液比遞減，吸光度值大幅度下降，由0.899 減小到0.557；這可能是因?yàn)?∶5 g/mL 時(shí)溶劑達(dá)到飽和，可溶性雜質(zhì)也更易溶入提取液中，從而影響提取效果.在1∶10 g/mL 時(shí)色素大部分能提取出，隨著液料比的遞減，從中浸提出的色素被溶劑稀釋?zhuān)舛戎惦S之減小.因此，料液比選擇1∶5、1∶10、1∶15 g/mL進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn).

圖1 料液比對(duì)色素提取效果的影響

3.1.2 微波功率對(duì)色素提取效果的影響

分別以不同水平的微波功率對(duì)荸薺皮進(jìn)行試驗(yàn)處理，確定響應(yīng)面試驗(yàn)中微波功率的優(yōu)化選取條件，結(jié)果如圖2.從圖2 中可以看出：隨著微波功率的遞增，吸光度值變化幅度較大.在200 W時(shí)，吸光度值為0.624，此條件下吸光度達(dá)到峰值；在100?200 W 時(shí)，吸光度逐漸增大；將微波功率從200 W 逐漸增加到500 W 時(shí)，吸光度值則逐漸下降，最后降到0.457.這可能是因?yàn)楣β瘦^低時(shí)提取液升溫速度慢，輻射溫度較低，直接影響了荸薺皮組織的破壞程度，導(dǎo)致色素不易從中溶出，從而影響提取效果；當(dāng)功率增加，在200 W 時(shí)荸薺皮被較好的破解，色素容易從荸薺皮組織中釋放，向溶劑中擴(kuò)散，提取率最高；當(dāng)微波功率再進(jìn)一步增大時(shí)，提取液升溫速度快，溫度較高，因熱不穩(wěn)定性使得色素也更易降解，且其他雜質(zhì)也容易溶出，導(dǎo)致色素提取效果不好.因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，微波功率選擇100，200，300 W進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn).

圖2 微波功率對(duì)色素提取效果的影響

3.1.3 加熱時(shí)間對(duì)色素提取效果的影響

通過(guò)進(jìn)行不同水平的微波加熱時(shí)間處理來(lái)確定響應(yīng)面試驗(yàn)中微波加熱時(shí)間的優(yōu)化條件，結(jié)果如圖3.由圖3 可知，加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都不利于荸薺皮色素的提取，在加熱1?3 min 時(shí)，隨著加熱時(shí)間加長(zhǎng)，提取液吸光度值由0.429 增大到0.530，呈逐漸增大的變化趨勢(shì)，并在加熱時(shí)間為3 min時(shí)達(dá)到峰值，總體上與前面的因素比較變化幅度不大.這可能是因?yàn)榧訜釙r(shí)間較短時(shí)，輻射能量不足，荸薺皮組織被破壞程度較低，色素不容易從荸薺皮組織中釋放出；當(dāng)加熱時(shí)間進(jìn)一步增加，水溶劑蒸發(fā)量增加，并且因局部過(guò)熱等情況，部分色素因熱不穩(wěn)定性被降解.因此，加熱時(shí)間選擇2，3，4 min進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn).

圖3 加熱時(shí)間對(duì)色素提取效果的影響

3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

將表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)過(guò)軟件Design?Expert 8.0.6進(jìn)行二次多元擬合處理，整理數(shù)據(jù)分析后，得到色素提取液吸光度與料液比、微波功率、微波加熱時(shí)間3 個(gè)因素的回歸方程為：吸光度=0.91?0.024A+0.12B+0.019C?0.013AB+2.750E?003AC?0.024BC?0.14A2?0.14B2?0.017C2.所得的回歸方程方差分析如表3所示.

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

表3 擬合二次多項(xiàng)式模型的方差分析

根據(jù)表3知，F(xiàn) ＝70.33，P＜0.0001，說(shuō)明該模型達(dá)到了極顯著水平.模型中有4項(xiàng)數(shù)值表現(xiàn)為極顯著水平，分別是一次項(xiàng)A、B 和二次項(xiàng)A2、B2，響應(yīng)值為加熱時(shí)間的回歸模型中，一次項(xiàng)C 和二次項(xiàng)C2均表現(xiàn)為顯著水平，其余各項(xiàng)對(duì)色素吸光度的影響不明顯.失擬項(xiàng)P值為0.0134（＜0.05），失擬項(xiàng)顯著，說(shuō)明模型模擬效果不好，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化模型.

在二次多項(xiàng)式擬合的方差分析基礎(chǔ)上增加B2C 后，其回歸方程為：吸光度=0.91?0.024A+0.12B+0.037C?0.013AB+2.750E?003AC?0.024BC?0.14A2?0.14B2?0.017C2?0.036B2C.優(yōu)化結(jié)果如表4 所示.

表4 回歸模型優(yōu)化結(jié)果

該回歸模型模F=311.96，P值小于0.0001；失擬項(xiàng)F=2.09，P=0.2388，P值大于0.05，失擬項(xiàng)差異不顯著，說(shuō)明優(yōu)化后的回歸模型可以很好地反映實(shí)際操作；一次項(xiàng)A、B、C 均為極顯著水平；其中，A2、B2、BC、B2C 各項(xiàng)影響極顯著（p＜0.01），AB 項(xiàng)和C2項(xiàng)表現(xiàn)為顯著（p＜0.05）；料液比與加熱時(shí)間的交互作用不明顯，交互項(xiàng)AC影響不顯著.通過(guò)方差分析結(jié)果可知，在應(yīng)用微波輔助水提取荸薺皮色素的過(guò)程中各個(gè)因素對(duì)色素提取效果的影響程度可歸納為：微波功率（B）＞加熱時(shí)間（C）＞料液比（A）.

模型中決定系數(shù)R2=0.998 1，接近于1；校正決定系數(shù)R2Adj=0.994 9，預(yù)測(cè)決定系數(shù)R2Pred=0.959 3，可知模型可行度高.變異系數(shù)（CV）可反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散程度，CV 值為1.26 %，遠(yuǎn)小于10%，反映試驗(yàn)精確可行.該模型可以較準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，用于分析與預(yù)測(cè)荸薺皮色素的提取效果，有較高的可信度.

3.2.2 響應(yīng)面曲面圖分析

以下是響應(yīng)值對(duì)各試驗(yàn)因素之間交互作用構(gòu)成的三維曲面圖，對(duì)其響應(yīng)面曲面圖以及等高線圖進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)圖中的變化趨勢(shì)可分析出最佳條件及各因素交互作用對(duì)色素提取效果的影響.在三維曲面圖上曲面的彎曲幅度越大，表明該因素間的交互作用對(duì)吸光度值的影響越大.

從圖4、5、6 中可以直觀看出，存在最大響應(yīng)值.通過(guò)分析圖4 中等高線圖及三維曲面圖的彎曲幅度變化，等高線圖呈橢圓，曲面弧度大，其反映出料液比與微波功率的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響最大；而圖5、6 中三維曲面彎曲幅度較小，加熱時(shí)間分別與微波功率及料液比之前的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響不明顯.結(jié)果表明，微波輔助提荸薺皮色素的最佳條件為：料液比為1∶9.39 g/mL，微波功率228.71 W、加熱時(shí)間3.90 min，響應(yīng)面優(yōu)化的最優(yōu)響應(yīng)值為0.941.

圖4 料液比與微波功率之間交互作用對(duì)吸光度值影響的響應(yīng)面圖

圖5 料液比與加熱時(shí)間之間交互作用對(duì)吸光度值影響的響應(yīng)面圖

圖6 微波功率與加熱時(shí)間之間交互作用對(duì)吸光度值影響的響應(yīng)面圖

3.2.3 最佳提取條件工藝參數(shù)及驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)回歸模型分析，得到微波輔助提取荸薺皮色素的最佳提取工藝條件為：料液比1∶9.39 g/mL、微波功率228.71 W、加熱時(shí)間3.90 min，此條件下吸光度預(yù)測(cè)值為0.941.從實(shí)際試驗(yàn)的可操作性考慮，將各預(yù)測(cè)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確定料液比1∶9 g/mL、微波功率200 W、加熱時(shí)間4 min為最佳工藝條件.在此工藝參數(shù)下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，結(jié)果分別為0.920、0.939、0.931，最終得吸光度平均值為0.930.作為對(duì)比，以傳統(tǒng)加熱方法浸提色素.以料液比為1∶9 g/mL，在60 ℃水浴條件下浸提4 h，進(jìn)行3次試驗(yàn)，得吸光度平均值為0.568，對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了本文方法對(duì)提取工藝優(yōu)化的有效性.結(jié)果表明各因素對(duì)響應(yīng)值的影響能通過(guò)回歸模型得到良好的反映，通過(guò)響應(yīng)面分析能較好地優(yōu)化色素提取工藝.

4 結(jié)論與討論

本文以荸薺皮為原料，優(yōu)化了微波輔助水提取荸薺皮色素的提取工藝.通過(guò)響應(yīng)面分析法得到最佳提取條件為：料液比1∶9.39 g/mL、微波功率228.71 W、微波加熱時(shí)間3.90 min，為了方便實(shí)驗(yàn)操作將上述條件合理調(diào)整為：料液比1∶9 g/mL、微波功率200 W、微波加熱時(shí)間4 min，在該工藝條件下所得實(shí)際試驗(yàn)平均值為0.930，與模型預(yù)測(cè)值0.941 相差較小.通過(guò)方差分析結(jié)果可知，各因素對(duì)色素提取率的影響程度為：微波功率（B）＞加熱時(shí)間（C）＞料液比（A）.將3 份相同的樣品以料液比為1∶9 g/mL，在60 ℃水浴條件下浸提4 h，得吸光度平均值為0.568.該提取方法與傳統(tǒng)提取方法比較，提取過(guò)程簡(jiǎn)單，減少了溶劑對(duì)環(huán)境的污染，節(jié)省能源.將微波輔助水浸提法應(yīng)用到荸薺皮色素提取中，為高效安全提取荸薺皮色素提供了新思路，為荸薺色素在可食用天然色素的開(kāi)發(fā)利用中提供科學(xué)數(shù)據(jù).