翟碩，張海悅，于潤美，張賀（長春工業(yè)大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，吉林長春132012）

響應(yīng)面優(yōu)化雙水相提取黑豆皮花色苷工藝的研究

翟碩，張海悅*，于潤美，張賀（長春工業(yè)大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，吉林長春132012）

研究通過比較5種方法提取花色苷，發(fā)現(xiàn)乙醇/硫酸銨雙水相體系提取黑豆皮中花色苷得率最高。通過單因素試驗確定雙水相提取的最優(yōu)條件，采用響應(yīng)面法優(yōu)化了雙水相法提取黑豆皮花色苷工藝。結(jié)果表明：雙水相法提取黑豆皮花色苷最佳工藝為料液比1∶56（g/mL），硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)22%，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，pH3.0，花色苷得率為2.81 mg/g。此研究為花色苷實際生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

黑豆皮；花色苷；雙水相提??；響應(yīng)面優(yōu)化

黑豆是豆科植物大豆的黑色種子，是傳統(tǒng)的藥食同源的農(nóng)產(chǎn)品資源之一。因其種皮為黑色而得名，它呈卵圓形或球形，又稱其為腎豆[1]。俗語稱“逢黑必補”，中醫(yī)理論認(rèn)為，黑色歸腎，腎為先天之本，乃生命之源。既能補身，又能去疾，藥食咸宜[2]。黑豆皮為黑色因其含有花色苷，花色苷是黑豆中重要的生物活性，其存在于許多水果和蔬菜中，如黑豆、葡萄、藍莓、甘藍和紫薯等；是一種天然安全的水溶性色素[3]。同時，花色苷也是世界上使用最為廣泛的天然色素之一，因其安全性高，許多國家（如美國、中國和日本）允許其用于食品的著色，美國FDA將其列入無須許可證的著色劑，因此經(jīng)常被用作合成色素的替代品很好的抗氧化劑來源，能清除體內(nèi)自由基，具有養(yǎng)顏美容，增加腸胃蠕動[4]。近年來，許多研究表明花色苷具有抗氧化、提高記憶力和防治衰老等花色苷清除自由基、抗氧化的途徑，在預(yù)防心血管疾病、老年癡呆癥、高血糖，抗癌，抗炎等方面的作用生理功能[5]。

雙水相萃取技術(shù)作為一種新型的分離技術(shù)備受人們關(guān)注，雙水相萃取是一種可以利用較為簡單的設(shè)備，并在溫和條件下進行簡單操作就可獲得較高收率和純度的新型分離技術(shù)[6-7]。與一些傳統(tǒng)的分離方法相比具有操作簡單、條件溫和、成本低、易于連續(xù)操作等優(yōu)點，從而使其能廣泛應(yīng)用于食品、藥物分析和金屬分離等方面。但是在提取花色苷方面研究較少，劉興麗等[8]研究了雙水相法提取紫甘薯花色苷工藝；黃瑜等[9]研究了雙水相法提取葡萄皮渣中花色苷。目前尚未見到雙水相法提取黑豆皮中花色苷，本研究以黑豆皮為原材料，采用乙醇-硫酸銨雙水相法提取花色苷，不僅能提高花色苷的含量，更為開發(fā)花色苷功能性產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑豆皮產(chǎn)自山東；無水乙醇、硫酸銨、氯化鉀、鹽酸、醋酸鈉、冰醋酸：分析純；實驗室用水均為去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

JE502電子天平：上海浦春計量儀器有限公司；TDL-5型臺式離心機：四川蜀科儀器有限公司；UV5500PC可見分光光度計：上海元析儀器有限公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋：天津市泰思特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黑豆皮前處理

將黑豆皮經(jīng)挑選、除雜后粉碎，過60目篩。

1.3.2 花色苷的提取工藝

參照Li等[10]制作的乙醇—硫酸銨二相，準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的硫酸銨放入錐形瓶中，再加入適量的去離子水，用1 mol/LHCl溶液調(diào)至所需pH值，加入一定比例的乙醇，混勻后，靜止形成雙水相。稱取1.00 g黑豆皮粉末加入形成的雙水相中，將錐形瓶放入已設(shè)定好溫度的恒溫振蕩器中，振蕩提取一定時間后，用分液漏斗將上相和下相分離，收集上相溶液，7 000 r/min離心10 min，取上相定容至50 mL，測定得率。

1.3.3 pH示差法測定花色苷含量[11]

1）試劑的配置

pH1.0緩沖溶液：0.2 mol/L KCl-0.2 mol/L HCl-H2O按體積比50∶97∶53配置。

pH4.5緩沖溶液：稱取19.294 g醋酸鈉加入24 mL冰醋酸中，攪拌、溶解后加入蒸餾水定容至500 mL。

2）花色苷濃度的測定

參照Fuleki[12]的方法，取兩份1 mL的提取液，再分別用pH4.5和pH1.0的緩沖溶液稀釋至10 mL，搖勻，靜置60 min，用紫外-可見分光光度計分別在520 nm和700 nm下測定吸光度。

根據(jù)Fuleki的研究，結(jié)合比耳定律公式A=ε b c，得黑豆皮中花色苷含量計算公式如下：

式中：x為黑豆皮花色苷含量，mg/g；ΔA為（A520nm，pH1.0-A700nm，pH1.0）-（A520，pH4.5-A700nm，pH4.5）；V 為稀釋體積，mL；F 為稀釋倍數(shù)；M為矢車菊素-3-葡萄糖苷的相對分子質(zhì)量，449.2；ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù)，29 600；m 為樣品質(zhì)量，g。

1.3.4 單因素試驗

影響雙水相提取黑豆皮花色苷的因素有乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值、料液比、提取時間、提取溫度。

1.3.4.1 乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對花色苷得率的影響

分別設(shè)置乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%、23%、25%、27%、29%，料液比為 1∶50（g/mL），硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù) 21%，pH值3，提取溫度25℃，提取時間60 min的條件下進行雙水相提取。按照1.3.2試驗方法進行提取。

1.3.4.2 硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對花色苷得率的影響

設(shè)置乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%、20%、21%、22%、23%，料液比為 1 ∶50（g/mL），pH值為3，提取溫度25℃，提取時間60 min的條件下進行雙水相提取。按照1.3.2試驗方法進行提取。

1.3.4.3 液料比對花色苷得率的影響

設(shè)置乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%，料液比分別為 1 ∶30、1 ∶40、1 ∶50、1 ∶60、1 ∶70（g/mL），pH值為3，提取溫度25℃，提取時間60 min的條件下進行超雙水相提取。按照1.3.2試驗方法進行提取。

1.3.4.4 pH值對花色苷得率的影響

設(shè)置乙醇體積分?jǐn)?shù)為25%，硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，料液比為 1 ∶50（g/mL），pH 值分別為 2、2.5、3、3.5、4，提取溫度25℃，提取時間60 min的條件下進行雙水相提取。按照1.3.2試驗方法進行提取。

1.3.4.5 提取溫度對花色苷得率的影響

設(shè)置乙醇體積分?jǐn)?shù)為25%，硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)21%，料液比為1∶50（g/mL），pH值為3，提取溫度分別為25、35、45、55、60 ℃，提取時間 60 min 的條件下進行雙水相提取。按照1.3.2試驗方法進行提取。

1.3.4.6 提取時間對花色苷得率的影響

設(shè)置乙醇體積分?jǐn)?shù)為25%，硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)21%，料液比為 1∶50（g/mL），pH 為 3，提取溫度 25℃，提取時間分別為 20、40、60、80、100 min的條件下進行雙水相提取。按照1.3.2試驗方法進行提取。

1.3.5 響應(yīng)面試驗設(shè)計

在單因素的試驗基礎(chǔ)上，綜合考慮各單因素對石榴皮多酚得率的影響，根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計，選擇乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比和pH值為自變量，以黑豆皮花色苷得率為響應(yīng)指標(biāo)，設(shè)計四因素三水平的響應(yīng)面分析試驗。因素水平表見表1。

表1 Box-Behnken因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of response surface experiments

2 結(jié)果與分析

2.1 提取方法的選擇

不同提取方法對花色苷得率的比較見圖1。

圖1 不同提取方法花色苷得率的比較Fig.1 Comparison of anthocyanin yield ofdifferent extraction methods

試驗對4種提取方法進行比較，由圖1可知不同方法提取花色苷得率的順序為：雙水相法提?。舅嵝砸掖继崛。境曁崛。久阜ㄌ崛。舅?，可能是由于雙水相法中鹽與有機相之間的作用力使花色苷更易浸出，所以花色苷得率較高。因此后期試驗采用雙水相法提取花色苷。

2.2 單因素結(jié)果分析

2.2.1 乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對花色苷得率的影響

乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對花色苷得率的影響見圖2。

圖2 乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對花色苷得率的影響Fig.2 Effects of ethanol content on the anthocyanin yield

由圖2可知，黑豆皮花色苷得率隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸增加，當(dāng)體系中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)由21%增加到25%時花色苷得率明顯升高，25%時得率達到2.09 mg/g，可能由于有機相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，使得上相的提取能力增加，使得花色苷得率上升。當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到29%以上時趨于平穩(wěn)。分析原因可能是由于花色苷趨于全部溶出，花色苷得率趨于平穩(wěn)。但是乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高對后期冷凍干燥增加難度[13]。因此選擇乙醇濃度為25%。

2.2.2 硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對花色苷得率的影響

硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對花色苷得率的影響見圖3。

圖3 硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對花色苷得率的影響Fig.3 Effects of ammonium sulfate concentration on the anthocyanin yield

由圖3可知，黑豆皮花色苷得率隨著硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸增加，當(dāng)硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到21%時，花色苷得率最高，達到2.624 mg/g。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于21%時黑豆皮花色苷得率開始有所降低，分析原因可能是隨著硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其奪水能力越強，導(dǎo)致上相中水分子減少，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，上相極性增大，使花色苷逐漸溶出。當(dāng)體系達到飽和時，其余的花色苷轉(zhuǎn)移到下相，從而導(dǎo)致得率下降[14]。因此選擇硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%。

2.2.3 料液比對花色苷得率的影響

料液比對花色苷得率的影響見圖4。

由圖4可知，隨著料液比的增加，黑豆皮花色苷得率也存在著隨之而增加的趨勢，由圖可以看出，料液比為 1 ∶50（g/mL）時，得率最高，達到 2.376 mg/g。分析原因可能是由于高料液比，溶劑滲透并擴散到植物細(xì)胞內(nèi)，溶劑在植物細(xì)胞內(nèi)破壞疏水鍵，花色苷向溶劑中擴散的速度增大，花色苷得率增大[15]。但當(dāng)料液比超過1∶50（g/mL）后，花色苷得率逐漸降低，這可能是由于體系開始達到飽和狀態(tài)，花色苷被稀釋，不僅降低了花色苷得率，還為后期濃縮增加了難度，因此選擇料液比為 1∶50（g/mL）。

圖4 料液比對花色苷得率的影響Fig.4 Effects of solid liquid ratio on anthocyanin yield

2.2.4 pH值對花色苷得率的影響

pH值對花色苷得率的影響見圖5。

圖5 pH值對花色苷得率的影響Fig.5 Effects of pH on the anthocyanin yield

由圖5可知，pH值對提取效果影響較大，隨著pH值的升高花色苷得率逐漸升高，pH值為3時，提取效果最好，得率達到2.766 mg/g隨后隨著pH值的升高，花色苷得率開始下降。這可能是因為，花色苷在酸性條件下呈穩(wěn)定的紅色，隨著pH值的增加接近中性，花色苷的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，變?yōu)闊o色[16]。故選擇pH3.0適宜。

2.2.5 溫度對花色苷得率的影響

提取溫度對花色苷得率的影響見圖6。

由圖6可知，隨著溫度的升高，花色苷得率先上升后下降，當(dāng)溫度達到35℃時，花色苷得率最高，達到2.196 mg/g。當(dāng)溫度過低時不足以使活性物質(zhì)全部浸出[17]。而當(dāng)溫度升高到60℃時?；ㄉ盏寐曙@著下降，可能是由于此時溫度超過花色苷的耐受范圍，導(dǎo)致花色苷結(jié)構(gòu)特性被破壞，從而導(dǎo)致得率降低?？紤]到生產(chǎn)成本和經(jīng)濟效益，提取溫度選擇常溫（25℃）。

圖6 提取溫度對花色苷得率的影響Fig.6 Effects of temperature on the anthocyanin yield

圖7 提取時間對花色苷得率的影響Fig.7 Effects of extration time on the anthocyanin yield

2.2.6 提取時間對花色苷得率的影響

提取時間對花色苷得率的影響見圖7。

由圖7可知，隨著提取時間的增加，花色苷得率逐漸上升然后下降，當(dāng)時間小于60 min時，花色苷得率偏低，可能是由于時間短使花色苷提取不完全，當(dāng)提取時間達到60 min時，花色苷得率最大達到2.345 mg/g。當(dāng)提取時間大于60 min時，呈下降趨勢，可能是由于時間過長導(dǎo)致提取液中花色苷陽離子在酸性條件下轉(zhuǎn)變?yōu)闊o色查爾酮結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)被破壞[18]，所以花色苷得率下降。

2.2.7 Plackett-Burman和響應(yīng)面結(jié)果分析

Plackett-Burman試驗結(jié)果見表2。

表2 Plackett-Burman試驗結(jié)果表Table 2 Results of Plackett-Burman experiment

根據(jù)單因素的結(jié)果可知，每個因素對花色苷的得率都有顯著影響，因此通過Plackett-Burman（表2）試驗進行篩選，由表2得出，提取溫度和提取時間對雙水相提取黑豆皮花色苷影響不顯著，可能是由于提取溫度和提取時間對雙水相體系影響不大，并且考慮成本和經(jīng)濟效益，提取溫度選擇常溫（25℃）。乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比、pH對花色苷得率影響顯著，因此通過響應(yīng)面對其進行優(yōu)化。

利用Design-Expert軟件進行回歸分析，經(jīng)排除不顯著項后，得到如下回歸方程：

花色苷得率Y/（mg/g）=2.78-0.013A+0.41B+0.071C-0.11D+8.000E-003AB-0.20AC+0.024AD+0.018BC+-0.054BD-0.19CD-0.38A2-0.071B2-0.33C2-0.47D2。

對料液比、乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值響應(yīng)面優(yōu)化，試驗安排及結(jié)果如表3。模型進行方差分析見表4。

表3 響應(yīng)面試驗設(shè)計表Table 3 Experimental design and results for response surface analysis

表4 擬合二次多項式模型的方差分析Table 4 Analysis of variance of two polynomial models

對模型進行方差分析，由表4可知：P＜0.0001，表明該模型極顯著。對此回歸模型進行分析，由表4可知，一次項A不顯著，B、C、D對模型的影響為顯著，二次項A2、C2、D2極為顯著，B2對模型不顯著。該模型的相關(guān)系數(shù)為R2=0.978 7各因素與得率之間的線性關(guān)系顯著，失擬檢驗P值為0.076 1＞0.05此模型可以用作理論上黑豆皮花色苷提取試驗的預(yù)測分析。均方值的大小表示因素影響的強弱，均方值越大說明因素對提取率的影響越大。從表4可知，對響應(yīng)值（黑豆皮花色苷得率）影響因素的主次順序為：B＞D＞C＞A，即乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞pH值＞硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞料液比。

由該模型優(yōu)化得到黑豆皮花色苷的最優(yōu)工藝為：乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)21.76%、料液比1 ∶56.35（g/mL）、pH3.19?？紤]實際操作，設(shè)定乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)22%、料液比1∶56（g/mL）、pH3，按上述條件進行3組平行驗證試驗，平均花色苷得率為2.81 mg/g，與理論預(yù)測值相近，故通過該響應(yīng)面優(yōu)化后得出的回歸方程具有實際意義。

利用Design-Expert軟件進行處理，得到各個因素之間相互作用響應(yīng)面圖8～圖13。

試驗將乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)、料液比、pH值4個因素中任意兩個固定為零水平，其余兩個作為變量相互作用。據(jù)回歸方程繪制響應(yīng)面圖，圖形形狀與3D圖傾斜度都反映出各因素之間的相互關(guān)系。等高線為圓形表示兩因素交互作用不顯著，橢圓形則表示兩因素交互作用顯著；3D圖傾斜度越高，坡度越陡，說明兩因素交互作用越顯著[19]。圖8顯示，硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時，隨著料液比的增加，花色苷得率先增后減，料液比為1∶50（g/mL）時，花色苷得率最大。硫酸銨用質(zhì)量分?jǐn)?shù)與液料比交互作用對花色苷得率的影響顯著圖9顯示硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時，花色苷得率隨著pH值的增大而先增后減，當(dāng)pH值為3時，花色苷得率最大。硫酸銨用質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH值交互作用對花色苷得率的影響顯著。圖10顯示料液比一定時，隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，花色苷得率由增到減。二者交互作用對花色苷得率的影響不顯著。圖11顯示料液比與pH值影響不顯著。而圖12、圖13顯示，當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時，隨著硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值的增加，花色苷得率先呈線性增加后緩慢降低。乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)交互作用和乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH值交互作用對花色苷得率不顯著。

圖8 硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)與料液比交互影響花色苷得率的響應(yīng)面與等值線圖Fig.8 Response surface and contour plots for the effects of ammonium sulphate concentration and solid-liquid ratio on the yield of anthocyanin

圖9 硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH值交互影響花色苷得率的響應(yīng)面與等值線圖Fig.9 Response surface and contour plots for the effects of ammonium sulphate concentration and pH on the yield of anthocyanin

圖10 乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與料液比交互影響花色苷得率的響應(yīng)面與等值線圖Fig.10 Response surface and contour plots for the effects of ethanol concentration

圖11 料液比與pH值交互影響花色苷得率的響應(yīng)面與等值線圖Fig.11 Response surface and contour plots for the effects of solid-liquid ratio and pH on the yield of anthocyanin

圖12 乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)交互影響花色苷得率的響應(yīng)面與等值線圖Fig.12 Response surface and contour plots for the effects of ethanol concentration and ammonium sulphate concentration on the yield of anthocyanin

圖13 乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH值交互影響花色苷得率的響應(yīng)面圖與等值線圖Fig.13 Response surface and contour plots for the effects of ethanol concentration and pH on the yield of anthocyanin

3 結(jié)論

本文選取雙水相法提取黑豆皮花色苷。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法優(yōu)化了雙水相法提取黑豆皮花色苷的工藝，得出最佳工藝參數(shù)為：乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)22%、料液比1∶56（g/mL）、pH3在此條件下，黑豆皮花色苷得率為2.81 mg/g，經(jīng)驗證該模型合理可靠，能較好的預(yù)測黑豆皮花色苷實際得率。本試驗采用的試劑成本低、環(huán)保、安全，提取方法操作簡便且得率高。乙醇/硫酸銨雙水相體系為從黑豆皮中提取分離花色苷提供了一種新的方案，在花色苷提取領(lǐng)域提供了良好的應(yīng)用前景。

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Optimization of Anthocyanin by Aqueous Two Phase Extraction from Black Soybean Hull by Response Surface Methodology

ZHAI Shuo，ZHANG Hai-yue*，YU Run-mei，ZHANG He
（College of Chemical and Life Science，Changchun University of Technology，Changchun 132012，Jilin，China）

Comparing five methods to extract anthocyanins，it was found that the extraction rate of anthocyanins in black bean hulls was the highest by ethanol/ammonium sulfate aqueous two phase system.The optimum conditions for the extraction of aqueous two phase were determined by single factor test.The response surface methodology was used to optimize the extraction of anthocyanins from black soybean hull by aqueous two phase.The optimal parameters were optimized by response surface analysis.The liquid ratio，ammonium sulfate mass fraction，ethanol concentration，pH were 1∶56（g/mL），22%，30%，3.0 respectively.The optimal yield of anthocyanin was 2.81 mg/g.The research will provide theoretical support for the anthocyanin of practical application.

black soybean hull；anthocyanin；aqueous two phase extracting；response surface optimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.006

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目（吉教科合字[2014]第 115號）

翟碩（1993—），女（漢），碩士，研究方向：天然產(chǎn)物提取與功能食品研發(fā)。

*通信作者：張海悅（1967—），女，教授，博士，研究方向：天然產(chǎn)物提取與功能食品研發(fā)。

2017-05-04