羅璇，周敏，李莉

(武漢設(shè)計工程學(xué)院 食品與生物科技學(xué)院，武漢 430205)

茄子為一年生草本植物，種植地區(qū)廣泛，是人們喜愛的蔬菜之一[1]。茄子皮中含有豐富的花色苷，可作為天然食用色素[2]，茄子皮色素具有很強(qiáng)的抗氧化活性和生物穩(wěn)定性，可增強(qiáng)人體免疫機(jī)能，降低血脂[3,4]，然而茄子皮因口感粗糙，常作為食品副產(chǎn)物被丟棄，且對環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，從茄子皮中提取茄子皮色素具有經(jīng)濟(jì)和生態(tài)雙重效益。目前關(guān)于茄子皮色素的研究主要是在響應(yīng)面微波輔助提取工藝[5]、紫茄皮中花色苷含量的測定及色素穩(wěn)定性方面[6]，還沒有關(guān)于ANN模擬和預(yù)測提取茄子皮色素綜合評價的相關(guān)報道。而對于非線性系統(tǒng)有較強(qiáng)處理能力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則因其獨特的魯棒性、自學(xué)習(xí)性、自我糾錯能力及強(qiáng)大的運(yùn)算能力適合對提取過程的建模及仿真[7]。本研究擬以廢棄的紫茄皮為原料，采用蒸餾水提取茄子皮色素，結(jié)合ANN建模，熵值法求權(quán)重，優(yōu)化色素綜合評價值提取工藝，為茄子皮天然色素的開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫長茄：市售；丙酮、鹽酸、無水乙醇、檸檬酸-磷酸氫二鈉、乙酸乙酯、氯仿、氫氧化鈉：均為分析純。

UV2000紫外可見分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司；722可見分光光度計 天津市普瑞斯儀器有限公司；B-220 電熱恒溫水浴鍋 上海亞榮生化儀器廠；TG16-WS離心機(jī) 長沙湘智離心機(jī)儀器公司；RE52-CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、DHG-9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；DFY-300高速粉碎機(jī) 溫嶺市林大機(jī)械有限公司；SHZ-D-Ш循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；FA2004B電子天平 上海越平科技儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 茄子皮色素的提取

將紫長茄洗凈，均勻削皮，烘箱60 ℃烘24 h，粉碎，過60目篩，棕色瓶4 ℃冷藏保存。稱取1.00 g 茄子皮粉末于燒杯中，加入一定量的蒸餾水，在50 ℃溫度下浸置提取1 h，并記錄體積，取一半體積抽濾液放入鼓風(fēng)干燥箱干燥，得到的固體即為茄子皮紫色素的粗提物，計算茄子皮紫色素含量、色價和得率。

1.2.2 色素吸收光譜測定

用紫外分光光度計對蒸餾水浸提的茄子皮紫色素進(jìn)行光譜掃描，測其吸收光譜，確定最佳波長。后續(xù)試驗均采用最佳波長來測吸光度。

1.2.3 茄子皮紫色素含量

取提取液2 mL定容至10 mL，測定最大吸收波長下的吸光度，計算茄子皮粉中花色苷含量[8]。

式中：A為花色苷溶液在最大吸收波長(380 nm)下的吸光度；V為花色苷溶液定容體積，mL；N為稀釋倍數(shù)；98.2為花色苷色素在最大吸收波長處的平均消光系數(shù)；M為紫茄皮粉質(zhì)量，g。

1.2.4 茄子皮紫色素得率

精確稱量制得的茄子皮紫色素粗提物質(zhì)量，根據(jù)下式計算茄子皮紫色素粗提物得率P。

式中：m為提取所得的茄子皮紫色素粗提物質(zhì)量，g；M為提取所用茄子皮粉末質(zhì)量，g。

1.2.5 茄子皮紫色素色價

取1 mL的茄子皮色素提取液，用 pH為3.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液配制成1%的色素溶液，在380 nm波長下，用pH為3.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液作參比，于1 cm比色皿中測茄子皮粗提物吸光度，色價計算如下：

式中：A為茄子皮色素溶液在380 nm下的吸光度；n為稀釋倍數(shù)。

1.2.6 熵值法求權(quán)重

對于茄子皮色素提取的效能評價，茄子皮紫色素(花色苷)含量、得率和色價是3個重要的評價指標(biāo)，用熵值法將三者的權(quán)重分析出來，得到提取茄子皮紫色素綜合評價公式。

1.2.7 正交試驗

課題組前期單因素試驗表明，利用溶劑進(jìn)行茄子皮紫色素提取時，溶劑種類、料液比、提取時間、提取溫度、提取劑pH 對茄子皮色素的綜合評價值均有不同程度的影響。單因素試驗結(jié)果表明最佳提取工藝條件為：提取劑為蒸餾水，料液比為1∶50(g/mL)，提取時間為1 h，提取溫度為50 ℃，提取劑pH為3。將料液比、提取時間、提取溫度、提取劑pH分別記為A，B，C，D 4個因素，對提取茄子皮紫色素的工藝條件進(jìn)行4因素3水平的正交試驗。

1.2.8 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取茄子皮色素模型的建立

本文選用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

1.2.9 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測并驗證

根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測出的茄子皮色素的最佳提取工藝條件進(jìn)行試驗，每個樣品做3組平行試驗，比較BP預(yù)測值與試驗驗證值之間的誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 茄子皮紫色素的光譜特征

對茄子皮紫色素溶液在波長300～600 nm下進(jìn)行光譜掃描，結(jié)果見圖 1。

圖1 不同波長下蒸餾水作為提取劑的OD值Fig.1 The OD value with distilled water as extractant at different wavelengths

由圖 1 可知，茄子皮色素在蒸餾水中有著明顯的吸光度，且在波長為380 nm左右有著最大吸收峰。因此，后面的測定均采用波長380 nm。

2.2 熵值法求權(quán)重的結(jié)果

根據(jù)熵值法的求解步驟，用matlab軟件編寫代碼，得到綜合評價公式：y=0.5123×茄子皮色素含量+0.3321×得率+0.1556×色價。熵值法求權(quán)重的結(jié)果見表1。

表1 熵值法求權(quán)重的結(jié)果Table 1 The weights' results with entropy method

2.3 正交試驗結(jié)果

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experiment

由表2可知，若以茄子皮紫色素含量為提取茄子皮紫色素效能的唯一評價指標(biāo)時，4個因素對茄子皮紫色素得率的影響有差別，其重要性依次為D>A>B>C，即：提取劑pH>料液比>提取時間>提取溫度，4個因素的優(yōu)水平組合是A1B1C2D2，即在提取劑為蒸餾水的前提下，料液比為1∶40(g/mL)，提取時間為1 h，提取溫度為50 ℃，提取劑pH為3。

若以得率為提取茄子皮紫色素效能的唯一評價指標(biāo)時，4個因素的重要性依次為C>A>D>B，即：提取溫度>料液比>提取劑pH>提取時間，優(yōu)水平組合是A3B2C2D2，即在提取劑為蒸餾水的前提下，料液比為1∶60(g/mL)，提取時間為2 h，提取溫度為50 ℃，提取劑pH為3。

若以色價為提取茄子皮紫色素效能的唯一評價指標(biāo)時，4個因素的重要性依次為A>D>C>B，即：料液比>提取劑pH >提取溫度>提取時間，優(yōu)水平組合是A1B1C2D3，即在提取劑為蒸餾水的前提下，料液比為1∶40(g/mL)，提取時間為1 h，提取溫度為50 ℃，提取劑pH為4。

2.4 茄子皮色素的最佳提取條件的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

2.4.1 提取茄子皮紫色素的BP網(wǎng)絡(luò)模型的建立

本試驗中僅考慮含有1個隱含層的網(wǎng)絡(luò)，選取提取劑pH、時間、溫度、料液比4個參數(shù)和1個響應(yīng)值分別作為輸入和輸出變量，建立BP網(wǎng)絡(luò)來模擬和預(yù)測提取茄子皮色素的綜合評價。輸入層的節(jié)點數(shù)為4，輸出層的節(jié)點數(shù)為1。采用歸一化處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。本試驗選擇的輸入層與隱含層之間使用S型的正切函數(shù)tansig傳遞函數(shù)，隱含層與輸出層之間使用純線性purelin函數(shù)。

本試驗選擇的學(xué)習(xí)函數(shù)為梯度下降權(quán)值/閾值的learngd，用函數(shù)trainlm來訓(xùn)練(調(diào)整)網(wǎng)絡(luò)，以均方誤差函數(shù)mse=1e-5為訓(xùn)練目標(biāo)，最大訓(xùn)練次數(shù)net.trainparam.epochs為1000，訓(xùn)練時間net.trainparam.time和最小性能梯度net.trainparam.min_grad等為軟件默認(rèn)值[9]。根據(jù)BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立步驟，用matlab軟件編寫代碼。以單因素試驗和正交試驗中每組試驗4個因素的數(shù)值作為輸入，以提取茄子皮紫色素的綜合評價值作為輸出，BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 BP network structure

圖3 提取模型網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練圖Fig.3 Network training diagram of extraction model

由圖3可知，通過有限次嘗試，得到一個恰當(dāng)?shù)腂P網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型。

2.4.2 網(wǎng)絡(luò)模型的仿真與預(yù)測性能

運(yùn)用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型，對提取茄子皮紫色素的綜合評價值進(jìn)行計算，以驗證網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測性能，用matlab軟件編寫代碼，結(jié)果見圖4。

圖4 預(yù)測值與試驗值擬合圖Fig.4 The fit chart of predicted values and experimental values

由圖4可知，網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測值與試驗值能較好地擬合，最大相對誤差為0.000041，表明網(wǎng)絡(luò)模型有良好的預(yù)測性能。

表3 茄子皮紫色素提取正交試驗樣本綜合評價值及ANNs模型仿真結(jié)果Table 3 Comprehensive evaluation values of orthogonal experimental samples of eggplant peel purple pigment and simulation results of ANNs model

由表3可知，提取茄子皮紫色素綜合評價值的正交試驗最優(yōu)的工藝條件是A1B1C1D3，即料液比為1∶40(g/mL)，提取時間為1 h，提取溫度為55 ℃，提取劑pH為4。根據(jù)極差分析可知，4個因素對提取茄子皮紫色素的綜合評價值影響有差別，其重要性依次為D>A>C>B，即：提取劑pH>料液比>提取溫度>提取時間，因此在提取茄子皮紫色素時應(yīng)謹(jǐn)慎選擇提取劑pH和嚴(yán)格控制料液比，以保證最佳提取效果。

2.4.3 利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測并驗證的結(jié)果與分析

表4 試驗驗證結(jié)果Table 4 Experimental verification results

表5 驗證試驗及ANN模型計算結(jié)果Table 5 Verification experiment and ANN model results

由表4和表5可知，在提取茄子皮紫色素綜合評價值的最優(yōu)工藝條件為A1B1C1D3時，茄子皮色素含量、得率、色價、綜合評價值均獲得最大值，優(yōu)于其他以單個效能評價指標(biāo)的結(jié)果。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的綜合評價值與驗證試驗的綜合評價值極其接近，誤差最大僅為0.000041，驗證試驗證明模型的預(yù)測結(jié)果真實可靠。

3 結(jié)論

為了提高茄子皮色素提取的綜合效能，本文首次采用正交試驗結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測了茄子皮色素提取綜合評價的最佳提取工藝條件：在提取劑為蒸餾水的前提下，料液比為1∶40(g/mL)，提取時間為1 h，提取溫度為55 ℃，提取劑pH為4。驗證試驗表明：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果的茄子皮紫色素的綜合評價值為7.25421，優(yōu)于正交試驗7.254的綜合評價值，ANN能夠準(zhǔn)確預(yù)測茄子皮紫色素的綜合評價值，是研究茄子皮紫色素提取工藝的有力工具。