响应面法优化万寿菊中类胡萝卜素的提取工艺

张 瑞，邢 军，张 娟，朱晓莹

（1.新疆师范大学生命科学学院，新疆乌鲁木齐 8300541；

2.新疆大学生命科学与技术学院，新疆乌鲁木齐 8300462）

响应面法优化万寿菊中类胡萝卜素的提取工艺

张 瑞1，邢 军2，张 娟1，朱晓莹1

（1.新疆师范大学生命科学学院，新疆乌鲁木齐 8300541；

2.新疆大学生命科学与技术学院，新疆乌鲁木齐 8300462）

采用响应面法对万寿菊中类胡萝卜素提取工艺进行优化。在单因素实验基础上，选择乙酸乙酯为浸提溶剂，固液比、提取时间、提取温度为自变量，以类胡萝卜素特定波长下吸光度值作为响应值，利用Box-Benhnken中心组合方法进行三因素三水平的实验设计，并做响应面分析，建立数学回归模型。结果表明：曲面回归方程拟合性好，类胡萝卜素适宜提取工艺条件为浸提时间4.5h，提取温度45℃，固液比为1∶25（g/mL），最优条件下测得万寿菊中类胡萝卜素提取液的吸光度平均值为0.824，说明该工艺稳定、可行。

万寿菊，类胡萝卜素，溶剂浸提法，响应面分析法

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

万寿菊干花 2011年9月采于乌市南山，晾干，粉碎过40目筛，黑暗条件下贮于干燥器中备用；乙酸乙酯 分析纯，新疆乌鲁木齐市托普化玻仪器有限公司；蒸馏水 实验室自行制备。

UV-2800型紫外可见分光光度计 上海龙尼柯仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱、HWS28型电热恒温水浴锅 上海-恒科学仪器有限公司；BS223S型电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 类胡萝卜素提取工艺流程 万寿菊干花瓣→剪

碎研磨→过筛→乙酸乙酯浸提→过滤→滤液→浓缩→类胡萝卜素提取液

1.2.2 类胡萝卜素测定波长 用比色法测定万寿菊中类胡萝卜素的含量[15-16]。在最大吸收波长445nm下（叶黄素和叶黄素酯的最大吸收波长均为445nm左右），使用UV-2800型紫外可见分光光度计，以乙酸乙酯为参比液，用1cm比色皿测定浸提液的吸光值。所有处理都进行3次重复，数据取平均值。

（2）加强产品质量大数据建设的顶层设计和规划。产品质量大数据发展存在问题的重要原因是顶层设计和规划不到位、不完善。加快产品质量大数据建设，要系统规划，统筹协调，按照量力而行、适度超前的原则，科学规划产品质量大数据、云计算、人工智能的技术路线和发展路径，适时出台产品质量大数据建设规划。要加快制度的“废改立”，破除产品质量大数据深度利用、综合利用的政策藩篱，形成目标协同、层次明确、衔接严密的大数据发展政策体系。要坚持问题导向、突出应用，科学规划产品质量大数据建设的重点任务、时间节点，优化数据中心布局，促进大数据与实体经济的深度融合，充分发挥质量大数据的作用。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 浸提时间的选择 准确称量五份1.000g剪碎的万寿菊干花瓣粉，置于5个三角瓶中。各加入30m L乙酸乙酯，置于45℃的水浴锅中分别浸提3、3.5、4、4.5、5h。过滤，收集滤液，测其吸光值。

1.2.3.2 浸提固液比的选择 准确称量五份1.000g剪碎的万寿菊干花瓣，置于5个三角瓶中。依次加入15、20、25、30、35m L乙酸乙酯，置于45℃的水浴锅中浸提4.5h。过滤，收集滤液，测其吸光值。

1.2.3.3 浸提温度的选择 准确称量五份1.000g剪碎的万寿菊干花瓣，置于5个三角瓶中。各加入30m L乙酸乙酯，分别置于30、35、40、45、50℃的水浴锅中浸提4.5h。过滤，收集滤液，测其吸光值。

1.2.4 响应面法对类胡萝卜素提取工艺的优化设计

正交设计仅能从实验预先设定的几个水平中优选组合得到的最佳工艺条件，并非真实意义的最佳条件，只能说是理想条件，所以无法给出整个区域上因素的最佳组合的最优值[14]。响应面分析法是一种寻找多因素系统中最佳条件的数学统计方法。由于采用了合理的实验设计，能以最经济的方式，用很少的实验数量和时间对实验进行全面研究，能在整个考察区域上确定各个因素的最佳组合及最优响应值。所以实验将通过单因素实验设计筛选的对类胡萝卜素提取的主要因素进一步采用响应面法进行优化，得到最佳提取条件，以提高类胡萝卜素的产量，并为将来的类胡萝卜素的广泛应用提供科学依据。

在单因素考察基础上，利用响应面法确定影响水平，根据Box-Benhnken的中心组合实验设计，固定浸提溶剂，采用三因素三水平进行实验，确定类胡萝卜素提取的最佳条件。实验设计如下：

表1 响应面实验因素水平Table 1 The level of response surface experimental factors

2 结果与分析

2.1 提取时间对类胡萝卜素提取率的影响分析由图1可知，浸提时间在3～3.5h时，类胡萝卜素的提取率为小幅上升，3.5～4h则下降明显，4h后又持续上升，并在4.5h后上升趋势减缓，因时间越长乙酸乙酯挥发量越大，故选取时间在4～5h为响应面时间的三水平。

图1 时间对类胡萝卜素提取的影响Fig.1 Effectof time on the extraction of carotenoids

2.2 固液比对类胡萝卜素提取率的影响分析

图2 固液比对类胡萝卜素提取的影响Fig.2 Effectof solid-liquid ratio on the extraction of carotenoids

由图2可知，固液比在1∶15到1∶20之间时，类胡萝卜素的提取率呈上升趋势，但在1∶20到1∶25时又下降，而在1∶25后继续呈现上升趋势，并在1∶30时达到最大并大致保持稳定，故选取固液比分别为1∶25、1∶30、1∶35为响应面固液比的三水平。

2.3 提取温度对类胡萝卜素提取率的影响分析

图3 提取温度对类胡萝卜素提取的影响Fig.3 Effectof temperature on the extraction of carotenoids

由图3可知，温度在30～45℃之间时，类胡萝卜素的提取率呈上升趋势，其中30～35℃上升趋势较缓，35～45℃时上升趋势基本呈直线，但在45～50℃时有较缓的下降趋势，故选取温度分别为40、45、50℃为响应面温度的三水平。

2.4 响应面法优化实验结果

表2 中心复合旋转实验的结果Table 2 Central composite design arrangementand experimental results

对表2数据进行ANOVA分析，结果见表3。

采用Box-Behnken实验设计对类胡萝卜素提取条件进行3因素3水平的响应面分析实验，运用design expert软件对实验点的响应值进行回归分析。以万寿菊类胡萝卜素提取液的吸光值为响应值，经回归拟合后，确定函数表达式。实验结果见表2。

该实验回归方程为：

该方程回归显著，模型的复相关系数的平方即R2=0.9495，说明回归方程的拟合程度良好，失拟较小，可以用该方程代替真实实验点进行分析。由表3中的p值可知，方程中A、C、AB对吸光值的影响达显著水平，而方程中A2、B2对吸光值的影响达极显著水平。表明实验因子对响应值不是简单的线性关系，二次项对响应值也有很大的关系，这和模型回归中的线性和平方项影响显著项对应。失拟项的p=0.6539，没有显著性影响，说明数据中没有异常点，不需要引入更高次数的项，模型适当。

2.5 响应面直观分析

图4 提取时间和温度对万寿菊类胡萝卜素提取的响应面分析Fig.4 Extraction time and temperature ofmarigold carotenoids extracted from response surface analysis

由图4分析可知，响应面的坡度很陡，可以得出时间和温度的交互影响对类胡萝卜素的提取有显著影响，通过等高线的疏密可以判断在交互影响中时间对响应值的影响大于温度。

图5 提取时间和固液比对万寿菊类胡萝卜素提取的响应面分析Fig.5 Extraction time and ratio of solvent tomaterial extracted by themarigold carotenoids response surface analysis

由图5分析可知，响应面的坡度较缓，可以得出提取时间和料液比的交互影响对类胡萝卜素提取的影响不够显著。

表3 回归方程方差分析Table 3 Regression analysis of variance

图6 提取温度和固液比对万寿菊类胡萝卜素提取的响应面分析Fig.6 Extraction temperature and ratio of solvent tomaterial extracted by themarigold carotenoids response surface analysis

由图6分析可知，响应面的坡度较缓，可以得出提取温度和料液比的交互影响对类胡萝卜素提取的影响不够显著。

通过软件分析，得到万寿菊中类胡萝卜素的提取工艺最佳条件为浸提时间为4.53h，提取温度为43.84℃，固液比为1∶25（g/m L）。为检验响应曲面法所得结果的可靠性，考虑到实际采用浸提时间为4.5h，提取温度为45℃，固液比为1∶25（g/m L）进行提取测定，实际测得万寿菊中类胡萝卜素提取液的吸光度平均值为0.824，与理论预测值0.772相比，其相对误差较小，因此，基于响应面分析法所得的万寿菊中类胡萝卜素的提取条件参数准确可靠，具有实用价值。

3 结论

实验证明响应面分析法是优化提取条件非常有效的工具，Box-Behnken实验设计能建立各影响因素的二次多项数学模型，并利用统计学方法对该模型进行了显著性检验，优化了内在因素水平，找出最佳值。研究经响应面方法优化，得出万寿菊中类胡萝卜素最佳提取条件为：浸提时间为4.5h，提取温度为45℃，固液比为1∶25（g/m L）。在优化条件下经3次重复实验验证，得实测万寿菊中类胡萝卜素提取液的吸光度平均值为0.824，预测值与验证实验平均值接近。

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Optim ization of carotenoids extracting technology in Marigold by response surface methodology

ZHANG Rui1，XING Jun2，ZHANG Juan1，ZHU Xiao-ying1
（1.College of Life Science，Xinjiang Normal University，Urumqi830054，China；
2.Life Science and Technology College，Xinjiang University，Urumqi830046，China）

Response surface methodology was app lied to op tim ize the extraction cond itions of carotenoids in Marigold.On the basis of sing le-factor test，the mathematical reg ression model was estab lished about dependent variab le（absorbance values in a specific waveleng th of carotenoids，using ethylacetate as solvent）and independentvariab les（ratio of solvent to material，extraction time and temperature）through Box-Benhnken center com posite design and response surface analysis.The result showed that reg ression equation fit well w ith experimental data，the op timum extraction cond itions of capsanthin were extraction time of 4.5h，extraction temperature of 45℃，material/liquid ratio of 1∶25（g/m L）.Measured under op timal cond itions，the average absorbance was 0.824 about carotenoids from Marigold extract.The op tim ized technology was stab le and viab le．

Marigold；carotenoids；solventextraction；response surface methodology

TS202.3

B

1002-0306（2012）22-0319-04

2012－06－12

张瑞（1974－），女，硕士，副教授，研究方向：食品科学。

自治区科技支疆项目计划（201191256）。