盛 瑋 高 翔 薛建平 謝筆鈞

(淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院1，淮北 235000)

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2，武漢 430070)

(資源植物生物學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3，淮北 235000)

超聲－微波協(xié)同提取超級(jí)黑糯玉米芯色素的工藝研究

盛 瑋1，2，3高 翔1，3薛建平1，3謝筆鈞2

(淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院1，淮北 235000)

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2，武漢 430070)

(資源植物生物學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3，淮北 235000)

為確定超級(jí)黑糯玉米芯色素提取的最佳工藝，以超級(jí)黑糯玉米芯為主要原料，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上采用Box－Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面(RSM)分析法，建立超聲－微波協(xié)同提取超級(jí)黑糯玉米芯色素的二次回歸方程，并以色素提取液吸光度為響應(yīng)值繪制響應(yīng)面圖和等高線圖?？疾炝颂崛r(shí)間、微波功率及料液比對(duì)色素提取率的影響。結(jié)果表明:提取時(shí)間、微波功率及料液比對(duì)色素提取率影響極顯著;最佳工藝條件為提取時(shí)間176 s，微波功率356 W，料液比1∶27(g/mL)，在此條件下色素提取率達(dá)93.61%，產(chǎn)率達(dá)16.37%。

超聲－微波協(xié)同萃取 超級(jí)黑糯玉米芯 色素 提取工藝 響應(yīng)面法

食品色素是使食品著色或改善食品色調(diào)和色澤的食品添加劑，它在食品中的含量非常少，但對(duì)食品質(zhì)量及品質(zhì)的影響非常大。近年來(lái)，因天然色素色調(diào)與食品天然色調(diào)接近、色澤自然柔和、安全性比合成色素可靠，并具有一定的生理活性及保健功能［1－2］等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇。因此，天然食用色素的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用日益受到人們的重視。與此同時(shí)，為了充分利用資源、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和降低生產(chǎn)成本，許多食品加工副產(chǎn)物被循環(huán)利用，成為制備天然食用色素及功能性食品添加劑的重要原料［3－6］。

黑糯玉米屬于禾本科玉米屬，原產(chǎn)于秘魯，后引進(jìn)我國(guó)。本研究所用的超級(jí)黑糯玉米芯是濉溪縣農(nóng)科所以美國(guó)普通黑玉米特殊黑色遺傳性狀，導(dǎo)入到自育普通黑糯玉米自交系中，天然黑色素的含量顯著高于普通黑糯玉米，其穗軸亦為深紫黑色［7］，色素屬花色苷類色素［8］。已研究表明超級(jí)黑糯玉米芯色素具有較強(qiáng)的抗氧化性，較好的清除活性氧自由基［9］。

超聲－微波協(xié)同萃取法，因有效地提高了提取率、縮短提取時(shí)間、節(jié)約成本、操作簡(jiǎn)單，使其在提取蛋白質(zhì)、色素、多糖、油脂等方面的應(yīng)用逐漸廣泛［10］。本試驗(yàn)以超級(jí)黑糯玉米芯為原料，采用超聲－微波協(xié)同萃取法提取超級(jí)黑糯玉米芯色素，確定最佳工藝，為超級(jí)黑糯玉米芯色素生產(chǎn)及開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

超級(jí)黑糯玉米芯:安徽省濉溪縣農(nóng)科所提供，干燥、粉碎后過(guò)80目備用。

鹽酸、95%乙醇:分析純，中國(guó)醫(yī)藥上?；瘜W(xué)試劑公司;其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器

UV－4802型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):尤尼科上海儀器有限公司;CW－2000超聲－微波協(xié)同萃取儀:上海新拓微波溶樣測(cè)試技術(shù)有限公司;RE－52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海亞榮生化儀器廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 超級(jí)黑糯玉米芯色素提取工藝

超級(jí)黑糯玉米芯→干燥→粉碎→取一定量的超級(jí)黑糯玉米芯，加一定量的浸提劑，在一定條件下浸提→過(guò)濾→減壓蒸餾濃縮→干燥→色素

1.3.2 超級(jí)黑糯玉米芯色素提取單因素研究

準(zhǔn)確稱取一定量的超級(jí)黑糯玉米芯粉，加一定量的浸提溶劑，在一定的條件下浸提后，將提取液過(guò)濾定容后，在其最大吸收波長(zhǎng)下測(cè)定色素提取液的吸光度。根據(jù)吸光度的大小研究浸提溶劑、超聲－微波協(xié)同提取時(shí)間、微波功率、料液比、提取次數(shù)等因素對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素的提取率的影響。

1.3.3 色素提取率的計(jì)算

式中:A為每級(jí)提取液的吸光度;V為每級(jí)提取液的體積/mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸提溶劑對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取率的影響

按料液比1∶25(g/mL)分別加入不同的浸提劑，在微波功率300 W下萃取150 s，在515 nm處測(cè)定提色素取液吸光值，其結(jié)果如表1。由表1可以看出，極性不同浸提劑的提取效果也不同，極性較小的浸提劑對(duì)色素提取效果較差，隨著浸提劑極性的增大色素提取率也增大，酸性乙醇溶液對(duì)色素提取效果較好，其中95%乙醇與0.1 mol/L HCl按1∶1(體積比)混合時(shí)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取效果最好。

表1 浸提溶劑對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取率的影響

2.2 微波功率對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取率的影響

稱取10.00 g超級(jí)黑糯玉米芯粉，按料液比1∶25(g/mL)加入95%乙醇與0.1 mol/L HCl混合浸提劑，在提取時(shí)間150 s的條件下，分別在50、150、300、450、600 W功率下萃取，其結(jié)果如圖1。

圖1 微波功率對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取率的影響

從圖1中可以看出，與超聲波同時(shí)作用時(shí)，微波功率增至300 W時(shí)，測(cè)得的吸光度最大，則說(shuō)明此種條件下，超級(jí)黑糯玉米芯色素在溶液中含量最大，因此采用這種方法提取，將得到較好的效果，而進(jìn)一步增大微波功率后色素提取率增加減緩甚至引起提取率的下降。而不與超聲波同時(shí)作用時(shí)，微波功率增至450 W時(shí)，吸光度才達(dá)到最大。因?yàn)樵诔曁崛l件下，超聲波能產(chǎn)生高頻振蕩，強(qiáng)化傳質(zhì)，同時(shí)對(duì)植物的細(xì)胞壁有破碎作用，大大降低了傳質(zhì)阻力，另外超聲熱效應(yīng)更加快了活性成分的溶解速度，增大了溶解度，因此超聲與微波協(xié)同更適合色素的提取。

2.3 浸取時(shí)間對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取率的影響

稱取10.00 g超級(jí)黑糯玉米芯粉，按料液比1∶25(g/mL)加入95%乙醇與0.1 mol/L HCl混合浸提劑，微波功率為300 W情況下，分別研究提取時(shí)間為 50、100、150、200、250 s 對(duì)色素提取的影響，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 浸提時(shí)間對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取率的影響

從圖2中可見(jiàn)，色素提取率在150 s內(nèi)與提取時(shí)間呈正相關(guān)，而時(shí)間的延長(zhǎng)可能導(dǎo)致色素降解量的增加，使提取率呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。故使用超聲微波協(xié)同萃取，應(yīng)控制在較短時(shí)間內(nèi)效果較好，從該單因素試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在150 s左右即可。

2.4 料液比對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取率的影響

稱取10.00 g超級(jí)黑糯玉米芯粉，微波功率300 W，提取時(shí)間150 s的條件下，選取料液比1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35 和1∶40(g/mL)為該單因素試驗(yàn)的試驗(yàn)點(diǎn)，得料液比與超級(jí)黑糯玉米芯色素提取率的關(guān)系(圖3)。由圖3可知，隨料液比增加，色素提取率也上升。但當(dāng)料液比超過(guò)1∶25時(shí)，提取率上升變化較小，考慮到成本及后續(xù)處理難度，料液比的選擇以1∶25左右為宜。

圖3 料液比對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取率的影響

2.5 超聲－微波協(xié)同提取超級(jí)黑糯玉米芯色素的工藝優(yōu)化

2.5.1 分析因素的選取以及分析方案

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box－Behnken設(shè)計(jì)對(duì)超聲－微波協(xié)同提取時(shí)間、微波功率和料液比作進(jìn)一步優(yōu)化。Box－Behnken是一種尋找多因素系統(tǒng)中最佳條件的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法。本試驗(yàn)綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取提取時(shí)間、微波功率和料液比對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取影響的3個(gè)主要因素，分別以X1、X2和X3代表，每一個(gè)自變量的低、中、高試驗(yàn)水平分別以－1、0、1進(jìn)行編碼(表2)，根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合，得到包括一次項(xiàng)、二次項(xiàng)、交互項(xiàng)的二次方程，分析各因素的主效應(yīng)和交互效應(yīng)，最后在一定水平范圍內(nèi)求取最佳值，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)因素與水平

表3 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果

2.5.2 模型方程的建立與顯著性檢驗(yàn)

利用Minitab 15統(tǒng)計(jì)軟件，通過(guò)表3中超級(jí)黑糯玉米芯色素提取液吸光度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得超級(jí)黑糯玉米芯色素提取液吸光度對(duì)編碼自變量提取時(shí)間、微波功率和料液比的二次多項(xiàng)回歸。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立的數(shù)學(xué)模型為:Y=1.616+0.158x1+0.072x2+0.079x3－0.142 x12－0.075x22－0.084x32－0.012 x1x2－0.026 x1x3－0.033x2x3式中:Y為色素提取液吸光度;x1=(X1－150)/50，X1為提取時(shí)間/s;x2=(X2－300)/150，X2為微波功能/W;x3=(X3－25)/5，X3為料液比/g/mL。方程中各項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值直接反映了各因素對(duì)色素提取率的影響程度，系數(shù)的正負(fù)反映了影響的方向。

表4 方差分析表

表4的方差分析表明，該回歸方程極顯著(P≤0.01)。R2=99.33%，表明響應(yīng)值色素提取液吸光度實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間具有較好的擬合度，因此該模型可用于預(yù)測(cè)響應(yīng)值色素提取液吸光度的實(shí)際情況。為檢驗(yàn)方程的有效性，對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，一次項(xiàng) X1、X2、和 X3極顯著(P ≤0.01)，說(shuō)明提取時(shí)間、微波功率和料液比對(duì)色素提取率有極顯著影響。交互項(xiàng)X2X3顯著(0.01＜P≤0.05)，說(shuō)明微波功率和液料比交互項(xiàng)對(duì)色素提取率有顯著影響;二次項(xiàng)X12、X22和X32也達(dá)極顯著水平(P≤0.01)。

表5 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

2.5.3 響應(yīng)面分析

響應(yīng)面圖形是響應(yīng)值對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)因素X1、X2和X3所構(gòu)成的三維空間的曲面圖及其在二維平面上的等高線圖，可以直觀地反映各因素及他們之間的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。將一個(gè)因素固定在零水平，利用Minitab 15軟件即可以作出兩因素交互作用的響應(yīng)曲面圖及其等高線圖。從圖4看出，提取時(shí)間對(duì)色素提取率的影響較顯著，曲面較陡，微波功率沒(méi)有提取時(shí)間對(duì)色素提取率的影響顯著，曲面較緩和。由提取時(shí)間和微波功率交互作用的等高線可知，沿提取時(shí)間軸向等高線密集，而微波功率軸向等高線相對(duì)稀疏，說(shuō)明提取時(shí)間對(duì)響應(yīng)值峰值的影響比微波功率大。由圖5可看出，料液比對(duì)色素提取率的影響較顯著，曲面較陡。隨微波功率的增加響應(yīng)值先增大后減小，當(dāng)微波功率小于356 W時(shí)，隨著功率增加，色素提取液吸光度值逐漸增加。等高線呈橢圓形，說(shuō)明微波功率與料液比的交互作用較強(qiáng)，影響顯著。圖6顯示，提取時(shí)間對(duì)色素提取率的影響顯著，曲面較陡，隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)色素提取率先增加后減少，這可能是提取溶劑的提取揮發(fā)及色素的分解，影響了色素提取率。等高線圖表明，沿提取時(shí)間軸向等高線變化密集，說(shuō)明提取時(shí)間對(duì)響應(yīng)值的影響比料液比影響顯著。

圖4 提取時(shí)間(X1)和微波功率(X2)對(duì)色素提取率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖

2.5.4 超級(jí)黑糯玉米芯色素最佳提取條件的確定和試驗(yàn)驗(yàn)證

在選取的各因素范圍內(nèi)，根據(jù)回歸模型通過(guò)Minitab 15軟件分析得出，超級(jí)黑糯玉米芯色素最佳提取條件為超聲－微波協(xié)同提取時(shí)間175.56 s、微波功率 356.06 W、料液比 1∶26.57(g/mL)，色素提取液吸光度的預(yù)測(cè)值為1.682 2?？紤]到實(shí)際操作的便利，確定超級(jí)黑糯玉米芯色素的超聲－微波協(xié)同波提取工藝條件為超聲－微波協(xié)同提取時(shí)間176 s、微波功率356 W、料液比1∶27(g/mL)。為了證實(shí)預(yù)測(cè)的結(jié)果，用試驗(yàn)中得到的最佳提取工藝條件重復(fù)試驗(yàn)3次，平均超級(jí)黑糯玉米芯色素提取液吸光度值為(1.659±0.02)，與預(yù)測(cè)值為 1.682基本一致(相對(duì)誤差1.38%)，說(shuō)明該方程與實(shí)際情況擬合很好，充分驗(yàn)證了所建模型的正確性，說(shuō)明響應(yīng)曲面法適用于對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素的超聲－微波協(xié)同提取工藝進(jìn)行回歸分析和參數(shù)優(yōu)化。

2.6 超級(jí)黑糯玉米芯色素提取次數(shù)的確定

準(zhǔn)確稱取一定量的超級(jí)黑糯玉米芯，每次按料液比1∶27(g/mL)加入浸提劑，微波功率為356 W，超聲－微波協(xié)同提取時(shí)間為176 s，其結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，第1次色素提取率達(dá)已達(dá)到93.61%，產(chǎn)率達(dá)16.37%，第2次色素提取率僅為4.91%，考慮到溶劑成本及濃縮過(guò)程能量的消耗，色素浸提次數(shù)為1次。

表6 提取次數(shù)對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯色素提取率的影響

3 結(jié)論

利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Minitab 15，采用響應(yīng)面法建立了超級(jí)黑糯玉米芯色素提取工藝條件的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型，對(duì)各因子對(duì)響應(yīng)值的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明模型擬合程度高，試驗(yàn)誤差小。優(yōu)化得到的最佳提取工藝為:超聲－微波協(xié)同提取時(shí)間176 s、微波功率356 W、料液比1∶27(g/mL)。在此工藝條件下，對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯提取1次，色素提取率為93.61%，色素得率為16.37%。本研究所提出的超級(jí)黑糯玉米芯色素提取的最佳工藝，是在試驗(yàn)室規(guī)模研究得出的，要在此基礎(chǔ)上，逐步放大，以確定超級(jí)黑糯玉米芯色素工業(yè)化生產(chǎn)的最佳生產(chǎn)工藝。

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Study on Ultrasonic－Microwave Synergistic Extraction of Pigment from Super Black Glutinous Corncob

Sheng Wei1，2，3Gao Xiang1，3Xue Jianping1，3Xie Bijun2
(College of Life Sciences，Huaibei Normal University1，Huaibei235000)
(College of Food Science and Technology，Huazhong Agriculture University2，Wuhan 430070)
(Anhui Key Laboratory of Plant Resources and Biology3，Huaibei235000)

In order to obtain optimum conditions of ultrasonic－microwave synergistic extraction of pigment from super black glutinous corncob，the Box－Behnken experimental design was used to provide experimental data on the basis of single factor investigations，for establishing a regression model describing the extraction of pigment，and the re-sponse surface and contour diagrams with the absorbance of pigment as response were plotted for analyzing the pairwise interactive effects of extraction time，material-to-liquid ratio，and microwave power on the response.The analysis of variances revealed that extraction time，material-to-liquid ratio and microwave power had extremely significant effects on the extraction yield of the pigment.Extraction time of 176 s，microwave power of 356 W and material－ to －liquid ratio of 1∶27(g/mL)were found as the optimum conditions.Under the said optimized conditions，the extraction rate of the pigment was 93.61%and exaction yield of the pigment was 16.37%.

ultrasonic-microwave synergistic extraction，super black glutinous corncob，pigment，extraction technology，response surface methodology

TS201.1

A

1003－0174(2011)09－0038－06

安徽省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(KJ2009B065，KJ2011A253)，資源植物生物學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(KLRB200912)，淮北市產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2009020)

2010－11－30

盛瑋，男，1963年出生，副教授，農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏