楊 月,謝春陽(yáng)

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130118)

超臨界CO2>萃取豆渣中β-隱黃素

楊 月,謝春陽(yáng)*

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130118)

本文研究了超臨界CO2萃取大豆渣中β-隱黃素的工藝條件。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)篩選萃取溫度、萃取壓力和萃取時(shí)間的工藝水平,通過(guò)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)對(duì)三個(gè)的工藝因素進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化得到的最佳工藝條件:萃取溫度35 ℃、萃取壓力28 MPa、萃取時(shí)間51 min,在此條件下,萃取得率為181.32 μg/100 g。

豆渣,β-隱黃素,超臨界,響應(yīng)面法

β-隱黃素屬于類(lèi)胡蘿卜素中的一種天然色素,分子式為C40H56O,分子量為552.881。是人類(lèi)血液必不可少的色素之一,在人體體內(nèi)不能合成,只能從食物中攝取。β-隱黃素作為維生素A的前體,具有保護(hù)視力的作用,同時(shí)具有清除自由基、美白、促進(jìn)皮膚更新修復(fù)、抗疲勞、抗氧化、預(yù)防骨質(zhì)疏松、降低關(guān)節(jié)炎風(fēng)險(xiǎn)、降低血壓、預(yù)防和抑制癌癥等多種生理功能[1-6]。研究表明,β-隱黃素存在于黃色,橙色,紅色的瓜果蔬菜及微生物中,目前已經(jīng)從番木瓜、溫州蜜柑、辣椒、黃玉米、柿子、南瓜、酸漿等物質(zhì)中提取分離出來(lái)[7]。

目前,我國(guó)不僅是世界上大豆主要種植的國(guó)家,而且還是主要的大豆加工國(guó)家[8]。豆渣是各類(lèi)大豆食品加工工業(yè)所產(chǎn)生的副產(chǎn)物,若按每加工1 t大豆產(chǎn)生2 t濕豆渣來(lái)估算,我國(guó)每年要產(chǎn)生大約幾千萬(wàn)噸濕豆渣。長(zhǎng)期以來(lái),豆渣在所有的農(nóng)業(yè)廢棄物中是一種重要的資源,由于豆渣所含熱能低,口感粗糙,過(guò)去一直沒(méi)有引起人們的足夠重視。此外,因其水分含量大,易腐敗變質(zhì),且運(yùn)輸困難,通常只用作飼料或廢棄,沒(méi)有得到很好的開(kāi)發(fā)利用,這極大地浪費(fèi)了豆渣的實(shí)際應(yīng)用和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[9]。從大豆渣中提取β-隱黃素,不僅使豆渣營(yíng)養(yǎng)成分得以全面開(kāi)發(fā),而且解決了廢棄豆渣所造成的環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)了廢物的循環(huán)利用,符合當(dāng)前的環(huán)保理念和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

目前,關(guān)于利用超臨界CO2萃取β-隱黃素鮮見(jiàn)報(bào)道,從豆渣中萃取β-隱黃素更為少見(jiàn)。因此,本實(shí)驗(yàn)利用超臨界CO2萃取豆渣中的β-隱黃素,并應(yīng)用響應(yīng)面法在萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間三個(gè)因素上進(jìn)行工藝優(yōu)化,以期找到應(yīng)用超臨界CO2萃取法萃取豆渣中β-隱黃素的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

成熟飽滿、無(wú)損傷、無(wú)腐敗、色澤金黃的大豆 吉林省長(zhǎng)春市;乙醇 95%;β-隱黃素標(biāo)準(zhǔn)品 Sigma公司。

18目標(biāo)準(zhǔn)篩 浙江上虞市道墟儀器篩具廠;YP4002電子天平 上海佑科儀器有限公司;FW100高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司;RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠產(chǎn)品;SH2-D III型循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限公司提供;101A-2ET電熱鼓風(fēng)干燥箱 中國(guó)天津市泰斯特儀器有限公司;UV2300紫外-可見(jiàn)分光光度儀 北京普析通用儀器有限公司;HA121-50-02超臨界萃取裝置 南通儀創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1β-隱黃素的測(cè)定 用天平準(zhǔn)確稱(chēng)取1 mgβ-隱黃素標(biāo)準(zhǔn)品物質(zhì),用丙酮至10 mL容量瓶定容。精準(zhǔn)吸取50、100、150、200、250、300 μL,用丙酮定容至10 mL,混合搖勻。以丙酮為空白組,在450 nm處測(cè)定吸光值。以吸光值(Y)為縱坐標(biāo)，濃度(X)為橫坐標(biāo),繪制計(jì)算用的標(biāo)準(zhǔn)曲線[10-11]。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線可知,100 g大豆所得到皮渣中β-隱黃素的萃取得率:

β-隱黃素萃取得率(μg/100 g)=(OD值+0.00195)÷0.33309×V

式中:OD值-吸光值;V-溶液的體積mL。

1.2.2 工藝流程及操作要點(diǎn) 干豆→浸泡(加入5倍清水浸泡12 h)→磨漿→過(guò)濾→晾干(避光,溫度≤30 ℃)→精磨→過(guò)18目篩→選用95%乙醇為夾帶劑進(jìn)行超臨界CO2萃取→紫外分光光度計(jì)測(cè)量。

1.2.3 超臨界CO2萃取工藝優(yōu)化 以萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間為考察因子,根據(jù)β-隱黃素萃取得率為考察指標(biāo)進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)選取95%的乙醇為夾帶劑。

1.2.3.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 以萃取溫度35 ℃、萃取壓力20 MPa、萃取時(shí)間40 min為固定水平。

a.固定萃取壓力20 MPa,萃取時(shí)間40 min,萃取溫度選取25、30、35、40、45 ℃進(jìn)行梯度實(shí)驗(yàn),通過(guò)測(cè)定篩選出最佳的萃取溫度。

b.固定萃取溫度35 ℃,萃取時(shí)間40 min,萃取壓力選取10、15、20、25、30 MPa進(jìn)行萃取壓力的單因素實(shí)驗(yàn),根據(jù)吸光值的大小確定最佳萃取壓力。

c.選用萃取溫度35 ℃,萃取壓力20 MPa,時(shí)間分別20、30、40、50、60 min進(jìn)行萃取時(shí)間的單因素實(shí)驗(yàn),通過(guò)測(cè)定吸光值確定最佳的萃取時(shí)間。

1.2.3.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)選水平的基礎(chǔ),對(duì)萃取壓力、萃取溫度、萃取時(shí)間三個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),應(yīng)用Design Expert軟件對(duì)超臨界CO2萃取豆渣中β-隱黃素的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析水平表Table 1 The response surface experiment design and analysis level table

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)Design-expert軟件進(jìn)行BB(Box-behnken)響應(yīng)面設(shè)計(jì),并根據(jù)設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)條件完成實(shí)驗(yàn),將17組實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入應(yīng)用軟件中,軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1β-隱黃素的測(cè)定

根據(jù)用標(biāo)品繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線得出的回歸方程y=0.33309x-0.00195,R2=0.9989。

圖1 β-隱黃素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Beta-cryptoxanthin standard curve

圖2 不同萃取壓力對(duì)萃取得率的影響Fig.2 Effect of different extraction pressureeffects on extraction yield

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 萃取壓力對(duì)β-隱黃素萃取得率的影響 不同壓力對(duì)萃取得率的影響見(jiàn)圖2。

從圖2中可以看出:整體來(lái)看,萃取得率隨著萃取壓力的增長(zhǎng)而增加。萃取壓力10～20 MPa時(shí),萃取得率呈增長(zhǎng)的趨勢(shì),但增長(zhǎng)緩慢;當(dāng)達(dá)到20～25 MPa時(shí),萃取得率快速增長(zhǎng),當(dāng)萃取壓力再增長(zhǎng)時(shí),萃取得率增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平緩。為了減少生產(chǎn)成本,降低操作難度。所以選擇20、25、30 MPa三個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)面工藝優(yōu)化。

2.2.2 萃取溫度對(duì)β-隱黃素萃取得率的影響 不同溫度對(duì)萃取得率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 不同萃取溫度對(duì)萃取得率的影響Fig.3 Effect of different extraction temperature on the extraction yield

從圖3中可以看出:整體來(lái)看,萃取得率隨著萃取溫度的增長(zhǎng)而呈先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)萃取溫度25～35 ℃時(shí),萃取得率呈增長(zhǎng)的趨勢(shì);在35 ℃時(shí),萃取得率達(dá)到峰值,也就是說(shuō)在萃取溫度為35 ℃的條件下萃取得率達(dá)到最大。而超過(guò)35 MPa后,萃取得率的趨勢(shì)快速下降,這可能是β-隱黃素因溫度過(guò)高而被破壞[12-15],所以選擇30、35、40 ℃三個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)面工藝優(yōu)化。

2.2.3 萃取時(shí)間對(duì)β-隱黃素萃取得率的影響 不同時(shí)間對(duì)萃取得率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 不同萃取時(shí)間對(duì)萃取得率的影響Fig.4 Effect of different extraction time on extraction yield

從圖4中可以看出:整體來(lái)看,萃取得率隨著萃取時(shí)間的增長(zhǎng)而呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)萃取時(shí)間20～40 min時(shí),β-隱黃素逐漸被萃取出來(lái),所以萃取得率呈增長(zhǎng)的趨勢(shì);在超過(guò)40 min時(shí),萃取得率的增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平緩,此時(shí),豆渣中β-隱黃素逐漸被完全的萃取出來(lái)。為了減少成本增加效率,所以選擇40、50、60 min三個(gè)水平進(jìn)行響應(yīng)面工藝優(yōu)化。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 3 The results of variance analysis table

注:*，p<0.05,表示具有顯著差異;**，p<0.01,表示具有極顯著差異。

2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)分析

2.3.1 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分析 對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,選取萃取溫度、萃取壓力、萃取時(shí)間3個(gè)因素做優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The response surface optimization design of experiment and test data

2.3.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析 從表3可以看出:回歸模型F值為222.77,p值<0. 0001,表示著模型差異顯著,表明在統(tǒng)計(jì)學(xué)上該模型有意義,因此該模型可以用來(lái)使用評(píng)價(jià)該實(shí)驗(yàn)。失擬項(xiàng)可以表示模型與實(shí)驗(yàn)的擬合程度,p=0.2262>0.05,表現(xiàn)為不顯著,表明回歸方程可代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

從表3可以看出,A和AC的p值<0.05,表明A因素和AC對(duì)萃取得率有著顯著影響;B、AB、BC、A2、B2、C2的p值均<0.01,表明B、AB、BC、A2、B2、C2對(duì)萃取得率均有極顯著影響。從方差分析可知,各因素對(duì)從大豆渣中萃取β-隱黃素的影響從大到小的順序依次為:萃取壓力>萃取溫度>萃取時(shí)間,其中萃取壓力和萃取溫度對(duì)萃取得率的影響顯著,而萃取時(shí)間對(duì)萃取得率的影響表現(xiàn)不顯著。

由表4可知:信噪比(AdeqPrecision)為39.634>4,說(shuō)明該模型可用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè),而且對(duì)相關(guān)性系數(shù)(R2=0.9774)和調(diào)整相關(guān)系數(shù)(R2(Adj)=0.9483)分析表明,模型的擬合性和預(yù)測(cè)性較好。回歸方程如下:

萃取得率=-3776.35000+130.09000A+55.45000B+36.20000C-0.38000AB-0.100000AC+0.16000BC-1.64200A2-0.90200B2-0.36550C2

表4 實(shí)驗(yàn)變異系數(shù)表Table 4 Test the variation coefficient table

2.3.3 交互作用分析 從Design-Expert 實(shí)驗(yàn)軟件中得到響應(yīng)曲面圖,響應(yīng)面的曲面圖是某兩個(gè)實(shí)驗(yàn)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果交互影響的反映,通過(guò)對(duì)曲面坡度的陡峭程度表現(xiàn)變化進(jìn)行分析,反映出這兩個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度。

從圖5看出,3D曲面表現(xiàn)出上升并到達(dá)頂點(diǎn)后又下降的趨勢(shì),曲面坡度的陡峭程度表現(xiàn)顯著,說(shuō)明萃取溫度和萃取壓力對(duì)響應(yīng)值交互作用明顯。固定萃取溫度,β-隱黃素萃取得率隨萃取壓力的升高而逐漸增加后趨于平緩,在25～30 MPa之間萃取得率最大;固定萃取壓力,β-隱黃素萃取得率隨萃取溫度的升高先升后降,在32.5～37.5 ℃之間萃取得率最大。由萃取溫度與萃取壓力相互作用的等高線為橢圓得兩者交互作用極顯著,與上述方差分析結(jié)果相符。

圖5 溫度因素與壓力因素交互3D曲面圖Fig.5 Temperature and stress factors interactive 3 d surface figure

從圖6看出,固定萃取溫度,β-隱黃素萃取得率隨萃取時(shí)間的升高而先增加后減少,在45～55 min之間萃取得率最大;固定萃取時(shí)間,β-隱黃素萃取得率隨萃取溫度的升高而下降,隨夾帶劑用量的增加先增加后減少,在32.5～37.5 ℃之間萃取得率最大。由萃取溫度與萃取時(shí)間相互作用的等高線為橢圓得兩者交互作用顯著,與上述方差分析結(jié)果相符。

圖6 溫度因素與時(shí)間因素交互3D曲面圖Fig.6 The temperature factor and time factor interactive 3 d surface figure

從圖7看出,固定萃取壓力,β-隱黃素萃取得率隨萃取時(shí)間的升高而逐漸增加后減少,在萃取時(shí)間為45～55 min之間萃取得率最大;固定萃取時(shí)間,β-隱黃素萃取得率隨萃取壓力的升高趨于平緩,當(dāng)萃取壓力在25～30 MPa之間萃取得率最大。由萃取壓力與萃取時(shí)間相互作用的等高線為橢圓得兩者交互作用極顯著,與上述方差分析結(jié)果相符。

圖7 壓力因素與時(shí)間因素交互3D曲面圖Fig.7 Pressure factor and time factor interactive 3 d surface figure

2.3.4β-隱黃素最優(yōu)萃取條件的確定與驗(yàn)證 通過(guò)使用Design expert軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化并結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件,優(yōu)化得到超臨界CO2萃取豆渣中β-隱黃素工藝研究的最佳工藝條件為:萃取溫度34.83 ℃、萃取壓力27.91 MPa、萃取時(shí)間50.86 min,萃取得率為183.961 μg/100 g。由于實(shí)際條件,選取萃取溫度35 ℃、萃取壓力28 MPa、萃取時(shí)間51 min進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),β-隱黃素萃取得率為(181.32±3.98) μg/100 g,與理論值(183.961 μg/100 g)相差2.641 μg/100 g,吻合性較好,因而具有較高的可信性。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用CO2超臨界萃取法萃取豆渣中β-隱黃素,通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)并使用Design Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，結(jié)果表明:萃取溫度35 ℃、萃取壓力28 MPa、萃取時(shí)間51 min下，β-隱黃素萃取得率可達(dá)(181.32±3.9) μg/100 g,與理論值平均誤差為2.641,實(shí)驗(yàn)與理論值的結(jié)論吻合性較好,具有較高的可信性。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為在天然物質(zhì)的萃取生產(chǎn)上提供一定的實(shí)際意義。

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Supercritical CO2extraction of soybean dregs in beta-cryptoxanthin

YANG Yue,XIE Chun-yan*

(College of Food Science and Engineering,Jilin Agriculture University,Changchun 130118,China)

This experiment studied the supercritical CO2extraction of soybean dregs beta-cryptoxanthin process conditions. By single factor experiment,screening of extraction temperature,extraction pressure and extraction time the state of the art,applied the response surface affecting the beta-cryptoxanthin extraction yield of three technological factors of optimization. Optimization to got the best technological conditions were as follows:extraction temperature 35 ℃,extraction pressure 28 MPa,extraction time 51 min. On this condition,the extraction yield was 181.32 μg/100 g.

bean dregs;β-cryptoxanthin;supercritical;the response surface method

2016-05-04

楊月(1990-),女,在讀碩士研究生,研究方向:果蔬貯藏加工工程,E-mail:18704492485@163.com。

*通訊作者:謝春陽(yáng)(1965-),男,碩士,副教授,主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏方面的研究,E-mail:xiechunyang@163.com。

TS202.3

B

1002-0306(2017)02-0257-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.041