一种响应面法优化提取多穗柯棕色素的方法

摘要

本发明公开了一种响应面法优化提取多穗柯棕色素的方法，利用design expert软件根据Box-Behnken设计原则进行优化，得到了多穗柯棕色素提取工艺的最佳提取条件:多穗柯叶与质量浓度为0.7～0.9 %的氢氧化钠溶液按照53～58 mL的氢氧化钠溶液/g多穗柯的液固比混合，于58～62 ℃的温度下超声波提取1.5～2.0 h，提取次数为2次，合并2次所得的多穗柯棕色素提取液。本发明方法简单，工艺稳定，操作容易，降低了提取温度，节约了能源；缩短了提取时间，提高了生产效率；促进了生产和食品的安全，提高了天然色素资源的利用率，具有较好的经济效益和社会效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多穗柯棕色素提取方法，特别是涉及一种响应面法优化提取 多穗柯棕色素的方法。

背景技术

随着许多合成色素被证明对人体有害，其使用已逐渐受到限制，所以充分利 用资源丰富的天然食用色素已是大势所趋。目前国外的食品着色剂大多以天然色 素为主，合成色素为辅；我国的天然食用色素研究起步较晚，目前尚处于天然色 素与合成色素并存的状况，但我国已把开发天然食用色素作为发展食品添加剂的 一个重要方向。天然色素来源于天然的动植物，不仅安全性高，而且色调柔和， 再现了大自然的色彩，提高了消费者对食品颜色的信赖度。此外，天然色素还具 有较高的营养价值和药用价值。所以对天然色素的研究和应用具有广阔的前景和 发展潜力。

多穗柯Lithocarpus ploystachyus Rehd，又名甜茶，系壳斗科栎属常绿乔 木。以野生状态分布于我国长江以南各省，资源非常丰富。多穗柯作为一种药食 同源性植物，其棕色素的含量很高。多穗柯棕色素的着色能力强，溶解性很大， 有较大的pH值适用范围，对光、热具有较高的稳定性，无毒，无副作用，是一 种很好的天然食用色素资源，具有很高的利用价值，为食品工艺提供一种价廉物 美的棕色素天然资源。

响应面法是通过构造一个具有明确表达式的多项式来表达函数，将体系的响 应量作为一个或多个因素的函数，运用图形技术将这种函数关系显示出来，通过 回归分析得到响应量和影响因素的回归关系，从而求得最佳提取工艺的一种数学 方法。与正交法相比，用少量的试验组就可以得出结果，并且所得到的最佳条件 不是设定的值而是在设定条件的范围之内。

本发明以多穗柯叶为原料，用超声波辅助碱提法提取多穗柯棕色素，并通过 响应面法优化了提取多穗柯棕色素的碱溶液浓度、温度、时间及液固比等工艺条 件，为多穗柯棕色素的工业化生产提供了科学依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种响应面法优化提取多穗柯棕色素的方法，对碱浓 度、提取温度、提取时间以及液固比这些影响多穗柯棕色素提取的因素进行优化， 从而提高多穗柯棕色素的提取率，提高天然色素的质量和资源利用率，促进食品 安全。

本发明的技术方案是：

一种响应面法优化提取多穗柯棕色素的方法，利用响应面法优化提取工艺， 用29组试验对多穗柯棕色素提取条件:氢氧化钠溶液的浓度、提取温度、提取时 间以及液固比这些影响多穗柯棕色素提取的4个因素进行优化，获得最佳提取工 艺，以多穗柯叶粉末为原料，加入氢氧化钠碱溶液，浸渍后，超声波辅助提取， 酸中和，过滤，醇溶，再过滤，合并滤液，浓缩，干燥得多穗柯棕色素粉末状产 品，包括以下步骤：

(1)原料预处理：将多穗柯叶置于40℃的烘箱中干燥，控制含水率≤8％， 用粉碎机粉碎，过60～100目筛,备用；

(2)浸渍：将粉碎的多穗柯投入提取罐中，以液固比53～58∶1加入碱溶 液，浸渍0.5～1h；

(3)提取：浸渍后于58～62℃的温度下超声波提取，控制时间1.5～2.0h， 提取次数为2次，合并2次所得的多穗柯棕色素提取液；

(4)结晶：将多穗柯棕色素提取液加入结晶罐中，用酸中和结晶，过滤得 多穗柯棕色素水溶液；

(5)醇溶：将过滤渣加入洗脱剂，溶出多穗柯棕色素，过滤得洗脱多穗柯 棕色素醇溶液；

(6)浓缩、干燥：将多穗柯棕色素水溶液和洗脱多穗柯棕色素醇溶液合并， 然后按常规方法浓缩，喷雾干燥得到多穗柯棕色素粉状产品。

以上所述的氢氧化钠碱溶液的质量浓度为0.7～0.9％。

以上所述的超声波控制频率为38～42kHz。

以上所述的酸中和的方法是将多穗柯棕色素提取液加入结晶罐中，用质量浓 度为36％的浓盐酸中和结晶。

以上所述的洗脱剂是采用70～90％的乙醇溶液。

以上所述的浓缩、干燥的方法是采用旋转蒸发器浓缩，采用冷冻干燥器或喷 雾干燥器干燥。

本发明突出的有益效果和特点在于：

1、本发明采用的Box-Behnken(BBD)中心组合设计模型是响应面法，用四 个变化因子，只用三个水平，与正交法相比，用少量的试验组就可以得出结果， 并且所得到的最佳条件不是设定的值而是在设定条件的范围之内。通过采取响应 面法分析多穗柯棕色素提取的最优条件，通过对氢氧化钠溶液的浓度、提取温度、 提取时间以及液固比对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响进行优化，得到最佳 的优化条件为：氢氧化钠溶液的浓度为0.81％，提取温度为60℃，提取时间为 1.81小时，液固比为54.67：1，多穗柯棕色素提取液的理论吸光度值为0.795。 提取的多穗柯棕色素的吸光度为0.689～0.795,得率为原料质量的13～15％，比 已有技术得率高，为多穗柯棕色素工业化生产提供一个科学依据。

2、本发明采用超声波辅助提取技术，利用超声波的空化作用加速植物有效 成分的溶出，另外超声波的次级效应，如机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效 应等也能加速欲提取成分的扩散释放并充分与溶剂混合，利于提取完全。

3、本发明采用碱法技术提取多穗柯棕色素，与已有提取技术相比，工艺稳 定，方法简单，操作容易，能耗低，提取时间短，提取率高，产品质量高，产品 和生产安全

4、本发明方法简单，操作容易，降低了提取温度，节约了能源；缩短了提 取时间，提高了生产效率；促进了食品安全，提高了天然色素资原的利用率，具 有工业化生产的实际意义，具有较好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1：为碱液浓度与提取温度对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应 面三维图；

图2：为碱液浓度与提取温度对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应 面二维图；

图3：为碱液浓度与提取时间对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应 面三维图；

图4：为碱液浓度与提取时间对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应 面二维图；

图5：为碱液浓度与液固比对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应面 三维图；

图6：为碱液浓度与液固比对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应面 二维图；

图7：为提取温度与提取时间对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应 面三维图；

图8：为提取温度与提取时间对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应 面二维图；

图9：为提取温度与液固比对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应面 三维图；

图10：为提取温度与液固比对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应 面二维图；

图11：为提取时间与液固比对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应 面三维图；

图12：为提取时间与液固比对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响的响应 面二维图；

图13：为碱液浓度对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响图；

图14：为提取温度对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响图；

图15：为提取时间对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响图；

图16：为液固比对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施 例。所列举的实施例仅是本发明的具体方法，本领域的普通技术人员能从本发明 公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

实施例1

一种响应面法优化提取多穗柯棕色素的方法，工艺操作步骤如下：

(1)原料预处理：将多穗柯新鲜叶置于40℃的烘箱中干燥，控制含水率 7.5％，用粉碎机粉碎，过100目筛，备用；

(2)浸渍：将粉碎的多穗柯叶投入提取罐中，按液固比54.67∶1加入质量 浓度为0.81％的氢氧化钠溶液，浸渍1h；

(3)提取：浸渍后于60℃的温度下用频率为40kHz的超声波提取，控制 时间1.81h，过滤，滤渣用液固比54.67∶1加入质量浓度为0.81％的氢氧化钠 溶液重复提取1次，过滤，合并2次所得的多穗柯棕色素提取液；

(4)结晶：将多穗柯棕色素提取液加入结晶罐中，用质量浓度为36％的盐 酸中和结晶，过滤得多穗柯棕色素水溶液；

(5)醇溶：将结晶过滤渣加入80％的乙醇溶液，溶出多穗柯棕色素，过滤 得多穗柯棕色素醇溶液；

(6)浓缩、干燥：将多穗柯棕色素水溶液和多穗柯棕色素醇溶液分别用旋 转蒸发器浓缩，然后用冷冻干燥器干燥得到多穗柯棕色素粉状产品。

经检测，本实施例所提取的多穗柯棕色素得率为15.40％，吸光度为0.795。

实施例2

一种响应面法优化提取多穗柯棕色素的方法，工艺操作步骤如下：

(1)原料预处理：将多穗柯叶置于40℃的烘箱中干燥，控制含水率8％， 粉碎机粉碎，过60目筛，备用；

(2)浸渍：将粉碎的多穗柯叶投入提取罐中，按液固比53∶1加入质量浓 度为0.7％的氢氧化钠溶液，浸渍0.5h；

(3)提取：浸渍后于58℃的温度下用频率为38kHz的超声波提取，控制 时间2.0h，过滤，滤渣用液固比53∶1加入质量浓度为0.7％的氢氧化钠溶液 重复提取1次，过滤，合并2次所得的多穗柯棕色素提取液；

(4)结晶：将多穗柯棕色素提取液加入结晶罐中，用浓度为36％的盐酸中 和结晶，取多穗柯棕色素水溶液；

(5)醇溶：将过滤渣加入70％的乙醇溶液，溶出多穗柯棕色素，过滤得多 穗柯棕色素醇溶液；

(6)浓缩、干燥：将多穗柯棕色素水溶液和多穗柯棕色素醇溶液合并，用 旋转蒸发器浓缩，用喷雾干燥机干燥得到多穗柯棕色素粉状产品。

经检测，本实施例所提取的多穗柯棕色素得率为15.10％，吸光度为0.780。

实施例3

一种响应面法优化提取多穗柯棕色素的方法，工艺操作步骤如下：

(1)原料预处理：将多穗柯叶置于40℃的烘箱中干燥，控制含水率7.8％， 粉碎机粉碎，过80目筛，备用；

(2)浸渍：将粉碎的多穗柯叶投入提取罐中，按液固比58∶1加入质量浓 度为0.9％的氢氧化钠溶液，浸渍0.8h；

(3)提取：浸渍后于62℃的温度下用频率为40kHz的超声波提取，控制 时间2.0h，过滤，滤渣用液固比58∶1加入质量浓度为0.9％的氢氧化钠溶液 重复提取1次，，合并2次所得的多穗柯棕色素提取液；

(4)结晶：将多穗柯棕色素提取液加入结晶罐中，用浓度为36％的盐酸中 和结晶，取多穗柯棕色素水溶液；

(5)醇溶：将过滤渣加入80％的乙醇溶液，溶出多穗柯棕色素，过滤得多 穗柯棕色素醇溶液；

(6)浓缩、干燥：将多穗柯棕色素水溶液和多穗柯棕色素醇溶液合并，用 旋转蒸发器浓缩，采用冷冻干燥器干燥得到多穗柯棕色素粉状产品。

经检测，本实施例所提取的多穗柯棕色素得率为15.00％，吸光度为0.774。

实施例4

(1)原料预处理：将多穗柯新鲜叶置于40℃的烘箱中干燥，控制含水率 7.5％，粉碎机粉碎，过60目筛，备用；

(2)浸渍：将粉碎的多穗柯叶投入提取罐中，按液固比53∶1加入质量浓 度为0.7％的氢氧化钠溶液，浸渍0.5h；

(3)提取：浸渍后于58℃的温度下用频率为42kHz的超声波提取，控制 时间1.5h，过滤，滤渣用液固比53∶1加入质量浓度为0.7％的氢氧化钠溶液 重复提取1次，合并2次所得的多穗柯棕色素提取液；

(4)结晶：将多穗柯棕色素提取液加入结晶罐中，用浓度为36％的盐酸中 和结晶，取多穗柯棕色素水溶液；

(5)醇溶：将过滤渣加入80％的乙醇溶液，溶出多穗柯棕色素，过滤得多 穗柯棕色素醇溶液；

(6)浓缩、干燥：将多穗柯棕色素水溶液和多穗柯棕色素醇溶液分别用旋 转蒸发器浓缩，采用冷冻干燥器干燥得到多穗柯棕色素粉状产品。

经检测，本实施例所提取的多穗柯棕色素得率为14.80％，吸光度为0.764。

多穗柯棕色素提取条件的确定

一种响应面法优化提取多穗柯棕色素的方法，利用design expert软件根据 Box-Behnken设计提取多穗柯棕色素的碱溶液浓度、温度、时间以及碱溶液与原 料多穗柯的液固比工艺条件，用超声波辅助的碱法提取多穗柯棕色素，包括以下 步骤：

一、样品准备

(1)将多穗柯新鲜叶置于40℃的烘箱中干燥，控制含水率≤8％，粉碎机粉 碎，过少于100目筛，备用。

(2)多穗柯色素的吸光度测定方法：

将0.25g待测定多穗柯样品，用碱溶液定容至50ml，再用同样浓度的碱 溶液稀释20倍，然后于紫外分光光度计上按常规方式测定吸光度。

二、试验设计与统计分析

1、单因素试验

改变氢氧化钠溶液的浓度、提取温度、提取时间以及液固比进行单因素试验， 利用紫外分光光度计在410nm处进行光谱扫描，每次处理三次重复。

(1)、氢氧化钠溶液的浓度变化对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响：

在提取温度50℃，提取时间2小时，液固比40：1的条件下，将氢氧化钠 溶液的浓度设定为0.1％、0.3％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％的六个变化值。 结果如图13所示。

当氢氧化钠溶液的浓度为1.0％时，吸光度值为0.613，随着氢氧化钠溶液 的浓度增加，吸光度值维持在一个较稳定的状态。因此，氢氧化钠溶液浓度取 1.0％较适宜。

(2)提取温度的变化对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响：

在氢氧化钠溶液的浓度为1.0％，提取时间2小时，液固比40：1的条件下， 将提取温度设定为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃的五个变化值。结果如 图14所示。

当提取温度为50℃时，多穗柯棕色素提取液的吸光度值为0.623，随着温 度的增加，吸光度值反而下降。因此，提取温度取50℃较适宜。

(3)提取时间的变化对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响：

在氢氧化钠溶液的浓度为1.0％，提取温度为50℃，液固比40：1的条件 下，将提取时间设定为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h的六个变化值。

结果如图15所示。

当提取时间为2h时，多穗柯棕色素提取液的吸光度值为0.600，随着提取 时间的增加，吸光度值反而下降。因此，提取时间取2h较适宜。

(4)液固比的变化对多穗柯棕色素提取液吸光度值的影响：

在氢氧化钠溶液的浓度为1.0％，提取温度为50℃，提取时间为2小时的 条件下，将液固比设定为10：1、20：1、30：1、40：1、50：1、60：1、70：1、 80：1的八个变化值。结果如图16所示。

当液固比为60：1时，多穗柯棕色素提取液的吸光度值为0.703，随着液固 比的增加，吸光度值维持在一个较稳定的状态。因此，液固比取60：1较适宜。

2、响应面法优化提取多穗柯棕色素的方法

(1)响应面法优化设计

根据单因素试验结果，选取对多穗柯棕色素提取影响较为显著的氢氧化钠溶 液的浓度、提取温度、提取时间及液固比这四个因素，利用design expert软件 根据Box-Behnken设计原则设计试验，每个因素设三个水平，设定结果见表1。

表1：试验因素与水平设定

按照响应面设计的因素和水平表，以碱液浓度(A)、提取温度(B)、提取时 间(C)及液固比(D)为自变量，以吸光度值为响应值(y)，试验方案及结果见 表2。

表2：Box-Behnken试验设计与结果

(2)模型的建立和统计分析

根据所得数据进行二次多元回归分析，得到响应变量(碱液浓度A、提取温 度B、提取时间C及液固比D)与响应值(吸光度值y)之间的多元二次回归方 程。

y＝0.73-0.024A+0.066B-0.0035C-0.081D-0.0015AB+0.02AC+0.037AD-0.028 BC+0.042BD+0.06CD-0.069A²-0.025B²-0.092C²-0.072D²

对二次多元回归方程各项进行方差分析及显著性检验结果见表3。结果表 明，该回归模型极显著(P＜0.01)，回归模型的决定系数为R²＝0.9430，失拟项 P＝0.1127＞0.05，失拟性检验结果不显著。说明该模型与数据拟合程度较高，实 验误差小，可以用该模型分析和预测超声法提取多穗柯棕色素的结果。

表3：回归模型方差分析表

(3)试验结果分析与优化

利用Design Expert软件根据回归方程进行绘图分析，得到回归方程的响应 面三维图及响应面二维图，如图1至图12所示。

由Design Expert软件得到超声波辅助提取多穗柯棕色素的最佳提取条件为：氢 氧化钠溶液的浓度为0.81％，提取温度为60℃，提取时间为1.81小时，液固比 为54.67：1，在此条件下多穗柯棕色素提取液的理论吸光度值为0.795。