于偉，李朝陽(yáng)，賈鵬禹，李良玉（國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心/黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶163319）

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響應(yīng)面法優(yōu)化小米糠黃色素的超聲波提取工藝研究

于偉，李朝陽(yáng)，賈鵬禹，李良玉
（國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心/黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶163319）

摘要：以小米副產(chǎn)物小米糠為原料，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法優(yōu)化小米糠黃色素的超聲波提取工藝，研究超聲功率、超聲液料比、提取溫度、提取時(shí)間對(duì)提取效果的影響。結(jié)果表明：超聲功率384 W，液料比30∶1 mL·g-1，提取溫度42℃，提取時(shí)間34.6 min，小米糠黃色素OD值達(dá)到3.5±0.2。

關(guān)鍵詞：小米糠；黃色素；響應(yīng)面；超聲波提取

谷子禾本科黍族狗尾草屬，是我國(guó)傳統(tǒng)的糧食作物在我國(guó)具有悠久的種植歷史[1-2]。小米是谷子去殼后的一種產(chǎn)品，具有重要的營(yíng)養(yǎng)保健作用[3-4]。小米糠是由谷子加工生產(chǎn)小米過程中的加工廢棄物，占谷子總重量的5%～7%[5]。小米糠營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，有的活性組分甚至高于小米，具有重要的生理作用，降血壓、降血脂、抗疲勞等多種生理功能[6-9]。由于我國(guó)每年小米產(chǎn)量巨大，因此會(huì)產(chǎn)生大量的小米糠，大部分小米糠被用作飼料甚至直接燃燒沒有得到足夠的重視和利用[10]。小米糠中還含有大量的黃色素，天然黃色素是一種重要的天然活性物質(zhì)，具有抗氧化、預(yù)防癌癥、增加免疫力等生理作用[11-16]。因此，開發(fā)和利用小米加工廢棄物小米糠，制備黃色素具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

1　材料與方法

1.1原料與試劑

小米糠（市購(gòu)）；無(wú)水乙醇、氫氧化鈉等（分析純），市購(gòu)。

1.2儀器與設(shè)備

Pharo300紫外可見光分光光度計(jì)，默克密理博；恒溫水浴槽DK-450B，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；R-200旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀Bü CHI；MD100-2型電子分析天平，沈陽(yáng)華騰電子有限公司；55&110-4L冷凍干燥機(jī)丹麥Labogene；多頻多功率超聲波處理機(jī)，濟(jì)寧金百特電子有限責(zé)任公司。

2　試驗(yàn)方法

2.1小米糠黃色素的提取工藝流程

小米糠→45℃烘干→粉碎過篩→95%乙醇浸泡→超聲波輔助提取→離心→濃縮→冷凍干燥

2.2小米糠黃色素光譜特性的測(cè)定

取小米糠黃色素乙醇溶液，紫外-可見分光光度計(jì)在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，得到最大吸收波長(zhǎng)，在該波長(zhǎng)下進(jìn)行小米糠黃色素吸光值的測(cè)定，作為評(píng)價(jià)小米糠黃色素穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)[17]。

2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理方法

試驗(yàn)重復(fù)3次，采用SAS8.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2.4單因素試驗(yàn)方法

2.4.1超聲功率對(duì)小米糠黃色素提取的影響

選擇小米糠10 g，95%乙醇為提取劑，超聲頻率24 kHz，提取時(shí)間為30 min、提取溫度30℃、液料比為25∶1（mL·g-1）的條件下，研究100、200、300、400、500 W五個(gè)水平時(shí)功率為對(duì)小米糠黃色素提取的影響，稀釋10倍后測(cè)定吸光度，重復(fù)三次。

2.4.2液料比對(duì)小米糠黃色素提取的影響

選擇小米糠10 g，提取劑為95%乙醇，超聲頻率24 kHz，提取時(shí)間為30 min、提取溫度30℃，以吸光度為指標(biāo)研究不同液料比10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1（mL·g-1）對(duì)小米糠黃色素提取的影響，將液料比統(tǒng)一調(diào)配至25∶1 mL·g-1后測(cè)定吸光度，稀釋10倍后測(cè)定吸光度，重復(fù)三次。

2.4.3超聲溫度對(duì)小米糠黃色素提取的影響

選擇小米糠10 g，95%乙醇為提取劑，超聲頻率24 kHz，超聲功率300 W、提取時(shí)間為30 min、液料比為25∶1（mL·g-1）的條件下，研究20、25、30、35、40、45、50℃七個(gè)水平時(shí)溫度對(duì)小米糠黃色素提取的影響，稀釋10倍后測(cè)定吸光度，重復(fù)三次。

2.4.4超聲時(shí)間對(duì)小米糠黃色素提取的影響

選擇小米糠10 g，95%乙醇為提取劑，超聲頻率24 kHz，超聲功率300 W、提取溫度為30℃、液料比為25∶1（mL·g-1）的條件下，研究超聲時(shí)間分別為10、15、20、25、30、35、40 min時(shí)對(duì)小米糠黃色素提取的影響，稀釋10倍后測(cè)定吸光度，重復(fù)三次。

2.5響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)方法

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)二次回歸組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以小米糠黃色素OD值為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)超聲功率、提取溫度、提取時(shí)間、液料比四個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1　因素水平編碼表Table 1　Coding table of factor levels

3　結(jié)果與分析

3.1小米糠黃色素光譜特性的測(cè)定結(jié)果

小米糠黃色素光譜特性的測(cè)定結(jié)果，見圖1。

由圖1小米糠黃色素溶液的紫外光譜掃描發(fā)現(xiàn)其光譜在315 nm處與445 nm處有吸收峰，經(jīng)查詢資料315 nm處的吸收峰可能是由于其他雜質(zhì)，因此，選擇可見光范圍內(nèi)最大吸收波長(zhǎng)445 nm作為吸光度測(cè)定波長(zhǎng)[18]。

圖1　小米糠黃色素的紫外-可見光吸收光譜曲線Fig.1UV-Vis spectroscopy of pigment of millet bran

3.2單因素試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1超聲波功率對(duì)小米糠黃色素提取的影響

超聲波功率與小米糠黃色素提取的關(guān)系圖，見圖2。

圖2　不同超聲功率與黃色素提取的關(guān)系Fig.2Relation between different ultrasonic power and yellow pigment powder

試驗(yàn)采用SAS 8.2統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行One-Way-ANOVA分析以及Duncan分析，在研究超聲功率的五點(diǎn)三次重復(fù)的因素分析中，P＜0.01，相關(guān)系數(shù)=0.923，說明不同超聲功率對(duì)小米糠黃色素提取有顯著影響。由圖2可以看出，隨著超聲功率的不斷增大，小米糠黃色素的OD值呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這是由于超聲波的空化作用有利于黃色素的溶出；當(dāng)超聲功率為300 W后，OD值趨于平穩(wěn)并有下降的趨勢(shì)。這是由于超聲波具有強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，隨著超聲波功率的增加，可能會(huì)導(dǎo)致部分小米糠黃色素一定程度的破壞，從而導(dǎo)致色素得率的下降[19]。因此，試驗(yàn)選擇超聲功率范圍為在以300 W為中心200 W到400 W之間進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

3.2.2超聲液料比對(duì)小米糠黃色素提取的影響

超聲液料比與小米糠黃色素提取的關(guān)系圖，見圖3。

圖3　不同超聲液料比與黃色素提取的關(guān)系Fig.3　Relation between different the ratio of material to water and yellow pigment powder

試驗(yàn)采用SAS 8.2統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行One-Way-ANOVA分析以及Duncan分析，在研究小米糠黃色素超聲液料比的七點(diǎn)三次重復(fù)的因素分析中，P＜0.01，相關(guān)系數(shù)=0.898，說明不同超聲液料比對(duì)小米糠黃色素提取有顯著影響。由圖3可以看出，隨著超聲液料比的不斷增大，小米糠黃色素的得率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這是由于少量溶劑很快溶解粗色素達(dá)到飽和，當(dāng)溶劑量足夠大時(shí)，對(duì)超聲波的提取基本無(wú)阻礙，得率逐漸增加；當(dāng)超聲液料比達(dá)到30∶1 mL·g-1后，得率趨于平穩(wěn)，并伴有下降趨勢(shì)，分析原因可能是隨著液料比的升高，其他成分的溶出也相對(duì)增多，從而抑制了小米糠黃色素的溶出，還會(huì)使?jié)饪s過程中小米糠黃色素?fù)p失增大，從而導(dǎo)致小米糠黃色素得率有所降低[20]。因此，試驗(yàn)選擇液料比范圍為在以30∶1為中心25∶1到35∶1之間進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

3.2.3超聲溫度對(duì)小米糠黃色素提取的影響

超聲溫度與小米糠黃色素提取的關(guān)系圖，見圖4。

試驗(yàn)采用SAS 8.2統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行One-Way-ANOVA分析以及Duncan分析，在研究超聲溫度的七點(diǎn)三次重復(fù)的因素分析中，P＜0.01，相關(guān)系數(shù)=0.907，說明不同超聲溫度對(duì)小米糠黃色素提取有顯著影響。由圖4可以看出，在40℃時(shí)，得率達(dá)到最大值，之后得率趨于平穩(wěn)，并伴有下降趨勢(shì)。隨著超聲波溫度的升高，溶劑的溶解能力和溶解速度也隨之提高，小米糠的色素分子運(yùn)動(dòng)速度也隨之提高，在曲線中表現(xiàn)出來的是溶劑和色素分子在尋求互相融合的速度及能力的平衡過程，最終到達(dá)40℃時(shí)兩者到達(dá)最佳平衡狀態(tài)[21]。溫度過高可能對(duì)色素結(jié)構(gòu)造成一定的破壞導(dǎo)致色素得率有所下降，影響其藥理活性，因此，試驗(yàn)選擇溫度范圍為在以40℃為中心35℃到45℃之間進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

圖4　不同超聲溫度與黃色素提取的關(guān)系Fig.4Relation between different temperature and yellow pigment powder

3.2.4超聲時(shí)間對(duì)小米糠黃色素提取的影響

超聲時(shí)間與小米糠黃色素提取的關(guān)系圖，見圖5。

試驗(yàn)采用SAS 8.2統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行One-Way-ANOVA分析以及Duncan分析，在研究超聲時(shí)間的七點(diǎn)三次重復(fù)的因素分析中，P＜0.01，相關(guān)系數(shù)=0.931，說明不同超聲時(shí)間對(duì)小米糠色素的提取有顯著影響。由圖5可知隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，OD值總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在20～30 min時(shí)，OD值呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。在30 min時(shí)，OD值達(dá)到最大值這是由于超聲波對(duì)細(xì)胞的破壞作用較大，色素溶出較多，所以得率高；在30 min后OD值趨于平穩(wěn)略有下降趨勢(shì)。這可能是隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲波的空化作用使小米糠組織細(xì)胞達(dá)到足夠破裂，其他成分也同時(shí)被提取出，也會(huì)引起部分色素結(jié)構(gòu)的變化，這些均會(huì)影響到小米糠色素的得率[22]。因此，試驗(yàn)選擇時(shí)間范圍為在以35 min為中心30 min到40 min之間進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

圖5　不同超聲時(shí)間與黃色素提取的關(guān)系Fig.5Relation between different time and yellow pigment powder

3.3響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果確定的最佳條件，以超聲功率/W，液料比/mL·g-1，超聲溫度/℃，超聲時(shí)間/min，這四個(gè)因素為自變量（分別以X1、X2、X3、X4表示），以小米糠黃色素OD值為Y值設(shè)計(jì)試驗(yàn)[23]，運(yùn)用SAS 8.2軟件處理，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖4不同超聲溫度與黃色素提取的關(guān)系

Fig.4Relation between different temperature and yellow pigment powder

表2　試驗(yàn)安排表以及試驗(yàn)結(jié)果Table 2Scheme and results of regression orthogonal rotary design

續(xù)表2　試驗(yàn)安排表以及試驗(yàn)結(jié)果Table 2Scheme and results of regression orthogonal rotary design

采用SAS 8.2統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)優(yōu)化試驗(yàn)進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析（RSREG），回歸方程以及回歸方程各項(xiàng)的方差分析結(jié)果見表3、表4，二次回歸參數(shù)模型數(shù)據(jù)如表5所示。

表3　回歸方程的方差分析表Table 3ANOVA of regession equation

表4　回歸方程各項(xiàng)的方差分析表Table 4ANOVA of regression equations

由表3、表4可以看出：二次回歸模型的F值大于在0.01水平上的F值，失擬項(xiàng)F值小于在0.05水平上的F值，說明該模型擬和結(jié)果好。一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和交互項(xiàng)F值均大于0.01水平上的F值，說明它們對(duì)得率有極其顯著的影響。

表5　二次回歸模型參數(shù)表Table 5Parameters of quadratic regression

以小米糠黃色素的OD值為Y值，得出超聲功率/W，液料比/mL·g-1，超聲溫度/℃，超聲時(shí)間/min的編碼值為自變量的四元二次回歸方程為：Y=-12.301+0.003 5X1+0.271 3X2+0.154 2X3+0.271X4-0.000 003 2X12+0.000 018X1X2-0.000 056X1X3+ 0.000 052X1X4-0.001 95X22-0.001 86X2X3-0.002 02X2X4+ 0.000 03X32-0.002 3X3X4-0.001 93X42

利用方程采用SAS8.2軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，分析結(jié)果見表6。

表6　最優(yōu)提取條件及OD值Table6Optimization extraction condition and OD

OD值最高時(shí)的超聲功率，液料比，超聲溫度，超聲時(shí)間的具體值分別為：384 W，30∶1 mL·g-1，41.9℃，34.6 min。該條件下得到的最大OD值為0.337。

4　結(jié)論

超聲波技術(shù)輔助乙醇提取小米糠黃色素技術(shù)在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝參數(shù)，建立了二次回歸模型，該模型與數(shù)據(jù)擬合程度較高，具有較好的實(shí)用性。經(jīng)優(yōu)化后的工藝參數(shù)為：超聲功率384 W，液料比30∶1，超聲溫度42℃，聲時(shí)間34.6 min值分別為，小米糠黃色素的OD值達(dá)到0.35±0.2，大大提高了小米糠黃色素的提取效率，降低生產(chǎn)成本，增加小米生產(chǎn)副產(chǎn)物的附加值，促進(jìn)我國(guó)雜糧產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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Study on Optimization of Ultrasonic Extraction Process of Millet Bran Yellow Pigment Using Response Surface Method

Yu Wei，Li Chaoyang，Jia Pengyu，Li Liangyu
（National Coarse Cereals Engineering Research Center，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

Abstract:Response surface method was used to optimize ultrasonic extraction process of millet bran yellow pigment.Based on single factor experiment，factors such as ultrasonic power，the ratio of material to water，ultrasonic temperature and time on the extraction of millet bran yellow pigment were tested to study the extraction effect.The conclusion was that under the optimal conditions：ultrasonic power 384 W，material to water ratio 30∶1 mL·g-1，time 29.7 min，temperature 42℃，millet bran yellow pigment OD was 3.5±0.2.

Key words：millet bran；yellow pigment；response surface；ultrasonic extraction

中圖分類號(hào)：TS210.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-2090（2016）01-0046-07

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.011

收稿日期：2015-02-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家工程技術(shù)研究中心組建項(xiàng)目（2011FU125X07）。

作者簡(jiǎn)介：于偉（1977-），女，助理研究員，東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事天然產(chǎn)物提純與應(yīng)用方面的研究工作。