溫度控制對(duì)微波萃取葉黃素酯的影響

張 同，趙 婷，惠伯棣*

(北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100191)

溫度控制對(duì)微波萃取葉黃素酯的影響

張 同，趙 婷，惠伯棣*

(北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100191)

探索溫度控制對(duì)微波輔助萃取葉黃素酯萃取率的影響。首先測(cè)定不同輸出功率對(duì)萃取溶媒升溫的影響，然后以萬(wàn)壽菊干花顆粒為樣品，探討升溫功率、萃取時(shí)間和萃取溫度對(duì)萃取率的影響，并比較相同溫度條件下微波萃取與溶劑法的萃取率。結(jié)果表明：分子中含有O－H鍵的溶媒升溫較快；升溫功率的變化對(duì)萃取率的影響有限。萃取時(shí)間的延長(zhǎng)可導(dǎo)致萃取率下降；在1600W、20min和分別為50、50、40℃條件下，正己烷、乙酸乙酯和四氫呋喃萃取率分別為83%～95.23%、81.44%～96.59%和91.72%～94.40%。在相同溫度條件下，微波萃取可有效地提高葉黃素酯的萃取率。

葉黃素酯；微波萃??；溫度；萃取率

類(lèi)胡蘿卜素(carotenoid)可以分為含氧(xanthophyll)和不含氧(hydrocarbon)兩大類(lèi)。葉黃素(lutein)屬于含氧類(lèi)胡蘿卜素[1]，系統(tǒng)命名為3,3′-二羥基-β,α-胡蘿卜素(3,3′-dihydroxy-β,α-carotene)，化學(xué)式為 C40H56O2，相對(duì)分子質(zhì)量568.88，能溶于大多數(shù)有機(jī)試劑。研究表明，葉黃素在人體內(nèi)可發(fā)揮多種重要功能，其具有清除自由基、阻止脂質(zhì)過(guò)氧化[2]、預(yù)防老年性黃斑衰退、減低藍(lán)光對(duì)視網(wǎng)膜的損傷[3-4]、調(diào)節(jié)人體免疫力[5]等功能。葉黃素廣泛存在于自然界的高等植物中。萬(wàn)壽菊(Tagetes erecta Linn)是菊科(Composite)萬(wàn)壽菊屬(Tagetes Linn)植物，原產(chǎn)于中美洲，其花含有豐富的類(lèi)胡蘿卜素，主要為葉黃素、玉米黃素(zeaxanthin)、β-胡蘿卜素(βcarotene)等。其中葉黃素在萬(wàn)壽菊花中的含量可超過(guò)0.2%(以鮮質(zhì)量計(jì))[6]。萬(wàn)壽菊花中的葉黃素主要存在形式為全反式異構(gòu)體的酯。其可在人體內(nèi)水解為自由態(tài)的單體(free lutein)[7]。萬(wàn)壽菊花瓣是目前生產(chǎn)自由態(tài)葉黃素的主要原料。

目前的萃取方法有亞臨界流體萃取法和有機(jī)溶劑萃取法等。目前我國(guó)制備葉黃素酯的產(chǎn)業(yè)主要采用的是有機(jī)試劑萃取法，這種方法已被采用多年，其產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量相當(dāng)穩(wěn)定。其常用的萃取溶媒為低級(jí)烷烴等[8]。在使用有機(jī)溶劑萃取時(shí)可利用微波來(lái)提高萃取率，但實(shí)際應(yīng)用并不多。

大部分關(guān)于微波輔助萃取葉黃素的研究報(bào)告只闡述了微波功率、萃取時(shí)間等因素對(duì)萃取率的影響[9-11]。近些年來(lái)，有些研究報(bào)告中開(kāi)始提到了在優(yōu)化微波輔助萃取工藝時(shí)溫度因素的影響[12-13]。過(guò)去大部分研究中所使用的微波萃取設(shè)備是通過(guò)調(diào)節(jié)功率來(lái)控制萃取溫度，但這些設(shè)備不能精確控制過(guò)程中的溫度。因此，當(dāng)體系吸收大量微波能量后，萃取溶媒極易過(guò)熱，造成沸騰。這也使得萃取時(shí)間較短，大多在20s以內(nèi)。本研究所使用的微波萃取設(shè)備可以在密閉條件下控制升溫功率和時(shí)間，設(shè)備上配備有較靈敏的溫度和壓力傳感系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)溫度和壓力同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，可以較準(zhǔn)確地控制萃取過(guò)程中的溫度。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

萬(wàn)壽菊干花顆粒(含水量為13%，總類(lèi)胡蘿卜素含量為13.21mg/g，其中96.76%為葉黃素酯[14]) 山東諸城蓮春色素有限公司。

正己烷、乙酸乙酯和四氫呋喃均為AR級(jí)。

MARSX型微波萃取設(shè)備 美國(guó)CEM公司；Multispec-1501型紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì) 日本Shimadzu公司。

本研究所用微波萃取設(shè)備在給樣品控溫時(shí)分為升溫和恒溫兩個(gè)階段，控溫方式有兩種：①使用設(shè)定功率升溫，當(dāng)樣品達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，功率輸出停止。當(dāng)樣品溫度下降時(shí)，負(fù)反饋調(diào)節(jié)功率輸出，使用功率與升溫功率相同；②升溫時(shí)使用較高功率，當(dāng)樣品達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，功率輸出停止。當(dāng)樣品溫度下降時(shí)，負(fù)反饋調(diào)節(jié)功率輸出，使用較低功率。本研究采用第2種控溫方式，原因是：在恒溫階段，采用這種方式可顯著增加微波功率輸出的時(shí)間，使微波破壞細(xì)胞壁的作用增強(qiáng)，從而獲得較高的萃取率。

1.2 方法

1.2.1 萬(wàn)壽菊干花顆粒的粉碎

取一定量的萬(wàn)壽菊干花顆粒，用干粉粉碎機(jī)粉碎(咖啡磨亦可)，將其粉碎，粉碎顆粒過(guò)40目標(biāo)準(zhǔn)篩，收集過(guò)篩組分準(zhǔn)備萃取。

1.2.2 微波功率對(duì)萃取溶媒溫度的影響

在密閉反應(yīng)罐中裝入10mL萃取溶媒，分別用400、800、1600W功率的微波對(duì)其持續(xù)加熱，使溶劑由10℃升溫到50℃，記錄每種溶劑的升溫時(shí)間。在本實(shí)驗(yàn)中選擇3種溶劑作為萃取溶媒，分別為正己烷、乙酸乙酯和四氫呋喃。

1.2.3 升溫功率對(duì)萃取率的影響

在密閉反應(yīng)罐中裝入10mL萃取溶媒和0.2g已粉碎好的萬(wàn)壽菊花粉，分別用400、800、1600W功率的微波對(duì)其持續(xù)加熱，使萃取溫度由10℃升溫到50℃后恒溫萃取10min。在恒溫過(guò)程中，同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)萃取罐中溶媒的溫度和壓力，使系統(tǒng)能及時(shí)負(fù)反饋調(diào)節(jié)微波功率的輸出，防止溶媒過(guò)熱現(xiàn)象的發(fā)生。萃取完成，以萃取劑為空白迅速測(cè)定吸光度，計(jì)算、比較各升溫功率下的萃取率，確定最適升溫功率。

1.2.4 萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響

在密閉反應(yīng)罐中裝入10mL萃取溶媒和0.2g已粉碎好的萬(wàn)壽菊花，用1.2.3節(jié)所得的最佳微波加熱萃取功率從10℃升至40℃。之后，用功率為400W的微波功率負(fù)反饋調(diào)節(jié)，分別恒溫萃取10、20、30min。萃取完成后測(cè)定各萃取液中總類(lèi)胡蘿卜素的吸光度，計(jì)算、比較各萃取時(shí)間下的萃取率，確定最適的萃取時(shí)間。

1.2.5 萃取溫度對(duì)萃取率的影響

在密閉反應(yīng)罐中裝入10mL萃取劑和0.2g已粉碎好的萬(wàn)壽菊花，用1.2.3節(jié)所得的最佳微波加熱萃取功率微波加熱，使萃取體系從10℃分別升至30、40、50℃。之后，用功率為400W的微波負(fù)反饋調(diào)節(jié)，恒溫萃取一段時(shí)間(1.2.4節(jié)所得的最佳時(shí)間)，其中正己烷恒溫萃取20min、乙酸乙酯和四氫呋喃恒溫萃取10min。萃取完成后測(cè)定各萃取液中總類(lèi)胡蘿卜素的吸光度，計(jì)算、比較各設(shè)定溫度條件下的萃取率，確定最適萃取溫度。

1.2.6 微波輔助萃取法與溶劑萃取法的比較

在試管中裝入10mL萃取劑和0.2g已粉碎好的萬(wàn)壽菊花粉，用試管塞封口。在試管塞上加裝45cm長(zhǎng)的玻璃管作為空氣冷凝管，以防止萃取溶媒的揮發(fā)。將試管置于恒溫水浴中，在1.2.5節(jié)所得最適萃取溫度和1.2.4節(jié)所得最適萃取時(shí)間條件下進(jìn)行恒溫萃取。測(cè)定萃取液中總類(lèi)胡蘿卜素的吸光度，計(jì)算、比較萃取率，并將結(jié)果與1.2.5節(jié)所得結(jié)果比較。

1.2.7 萃取溶媒中葉黃素酯含量的測(cè)定和萃取率的計(jì)算

萃取完成后，以萃取溶媒為空白，測(cè)定萃取液在450nm波長(zhǎng)處的吸光度。因?yàn)槿f(wàn)壽菊干花顆粒所含的類(lèi)胡蘿卜素中絕大部分為葉黃素酯，占總類(lèi)胡蘿卜素的96.76%，所以，本研究使用萃取液中總類(lèi)胡蘿卜素的吸光度作為葉黃素酯的吸光度計(jì)算。根據(jù)朗伯-比爾定律，按式(1)計(jì)算其中葉黃素酯的濃度，之后再用式(2)計(jì)算葉黃素酯的萃取率。

式中：x為樣品中所含的葉黃素類(lèi)化合物質(zhì)量/g；y為樣品溶液的體積/mL；A為樣品在波長(zhǎng)450nm處的吸光度；A1cm1%為吸光系數(shù)(在1cm光程長(zhǎng)的比色杯中1g/100mL質(zhì)量濃度溶質(zhì)的理論吸光度值)，此處為2200。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波功率對(duì)萃取溶媒溫度的影響

圖1 微波功率對(duì)萃取溶媒溫度的影響Fig.1 Effect of microwave power on the time required to heat three solvents from 10 ℃ to 50 ℃

正己烷、乙酸乙酯和四氫呋喃這3種溶劑的介電常數(shù)分別為1.58、6.02和7.58。從圖1可以看出，隨著微波功率的增加，3種溶劑的升溫時(shí)間迅速縮短。介電常數(shù)越高的物質(zhì)對(duì)微波能量的損耗因子也就越大是物質(zhì)對(duì)微波吸收的基本規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果基本符合這個(gè)規(guī)律。但在400W和800W微波作用下，乙酸乙酯的升溫時(shí)間要比四氫呋喃的略短，其原因應(yīng)該是因?yàn)樗臍溥秽酿ざ容^低、熱對(duì)流較快、散熱速度較快造成的。從分子結(jié)構(gòu)上來(lái)看，具有O－H鍵分子結(jié)構(gòu)的溶劑比只具有C－H鍵分子結(jié)構(gòu)的溶劑升溫顯著要快。

2.2 升溫功率對(duì)萃取率的影響

圖2 升溫功率對(duì)萃取率的影響Fig.2 Effect of microwave power on extraction rate of lutein esters

由圖2可見(jiàn)，除了升溫功率為400W時(shí)，以正己烷為萃取劑的萃取率較低，其他條件的試驗(yàn)都取得了較好的萃取率。

當(dāng)升溫功率為400W時(shí)，正己烷吸收微波能量較少，升溫時(shí)間長(zhǎng)。在這種情況下，雖然微波對(duì)細(xì)胞壁的破壞作用時(shí)間也較長(zhǎng)，但與其他兩種溶媒相比萃取率較低。由此可見(jiàn)，這個(gè)功率對(duì)吸收微波能量較少溶媒中萃取物的細(xì)胞壁的破壞作用有限。

當(dāng)微波功率為800W時(shí)，正己烷、四氫呋喃和乙酸乙酯3種萃取劑都獲得了較好的萃取率。但圖2顯示正己烷的升溫時(shí)間明顯長(zhǎng)于其他兩種溶劑。這意味著在正己烷作為萃取溶媒的樣品中微波作用于細(xì)胞壁的時(shí)間比其他兩種溶劑的樣品要長(zhǎng)。

當(dāng)微波功率為1600W時(shí)，葉黃素酯的萃取率略有下降。這是由于其分子的鍵能接受過(guò)多的微波輻射能而引起分子的降解所致。但圖2顯示3種溶劑的升溫時(shí)間基本一致。這表明在3種萃取溶媒的樣品中微波作用于細(xì)胞壁的時(shí)間一樣。因此，在以下的試驗(yàn)中，選定1600W作為升溫功率，以求結(jié)果的可比性。

2.3 萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響

圖3 萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction rate of lutein esters

由圖3可見(jiàn)，使用正己烷為萃取劑時(shí)，最佳萃取時(shí)間是20min，而使用乙酸乙酯和四氫呋喃為萃取劑時(shí)，最佳萃取時(shí)間為10min。其原因是正己烷對(duì)微波的損耗因子較小，吸收微波量較少，無(wú)論是破壞細(xì)胞壁作用還是升溫作用均未達(dá)到最佳效果。因此，在10min時(shí)仍有很多葉黃素酯未被萃取出來(lái)。而20min時(shí)，大部分葉黃素酯被萃取出來(lái)。之后，延長(zhǎng)時(shí)間的微波輻射致使葉黃素酯開(kāi)始降解。

乙酸乙酯和四氫呋喃對(duì)微波的損耗因子較大，吸收微波量較多，因此10min時(shí)就有大量的葉黃素酯被萃取出來(lái)，而隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，微波輻射使葉黃素酯降解。因此，在下面的試驗(yàn)中，正己烷樣品的萃取時(shí)間使用20min，乙酸乙酯和四氫呋喃樣品的萃取時(shí)間為10min。

2.4 萃取溫度對(duì)萃取率的影響

由圖4可見(jiàn)，使用正己烷和乙酸乙酯為萃取劑時(shí)，隨溫度升高萃取率也逐漸升高，在50℃得到最高萃取率。當(dāng)體系溫度從30℃上升到50℃時(shí)，二者的萃取率增幅均超過(guò)10%，較為顯著。使用四氫呋喃為萃取劑時(shí)，在40℃時(shí)萃取率最高，而在50℃時(shí)萃取率有所下降。其原因是隨著溫度升高，萃取劑吸收更多的微波，微波的破壞細(xì)胞壁作用和升溫作用都隨之加大，因此萃取率也隨之提高，而四氫呋喃在溫度過(guò)高時(shí)因吸收大量微波使少部分葉黃素酯降解。

圖4 萃取溫度對(duì)萃取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on extraction rate of lutein esters

2.5 微波輔助萃取法與溶劑萃取法的比較

上述微波輔助萃取實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，3種不同的萃取溶媒在一定升溫功率、萃取時(shí)間和溫度條件下均可獲得較理想的回收率。在1.2.6節(jié)，設(shè)置相同的萃取時(shí)間和溫度，不使用微波能量介入，進(jìn)行萃取，以證明在相同時(shí)間和溫度條件下微波能量介入的影響。

圖5 微波萃取與溶劑萃取的比較Fig.5 Comparison of extraction rates of lutein esters obtained by microwave-assisted extraction and solvent extraction

由圖5可見(jiàn)，在相同萃取時(shí)間和溫度下微波輔助萃取葉黃素酯的萃取率顯著高于溶劑萃取的，增幅均在30%左右。這說(shuō)明在2450MHz的微波作用下，細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞對(duì)提高萃取率有顯著作用。

3 討論與結(jié)論

3.1 本研究的目的是微波輔助萃取葉黃素酯時(shí)萃取溫度的影響，因此，在設(shè)計(jì)上沒(méi)有將升溫溫度、萃取時(shí)間和溫度等因素置于平行的地位而采用多因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，而是將萃取溫度的探索實(shí)驗(yàn)置于核心地位，其他各項(xiàng)試驗(yàn)的目的均是為比較不同溫度下的萃取率而設(shè)計(jì)的。在最后一部分，進(jìn)行了微波輔助萃取和溶劑萃取效果的比較，其目的是證實(shí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞對(duì)提高萃取率的影響，從而可以更加客觀評(píng)價(jià)萃取溫度控制所起的作用。

3.2 通過(guò)對(duì)比2.4節(jié)與2.5節(jié)結(jié)果可以看出，2450MHz頻率的微波使萃取率增加的重要原因?yàn)閇15]，細(xì)胞內(nèi)部水分吸收的微波能使細(xì)胞內(nèi)部溫度將迅速上升，壓力亦隨之上升，細(xì)胞結(jié)構(gòu)隨之破裂，內(nèi)容物擴(kuò)散進(jìn)萃取溶媒中。

3.3 2.4節(jié)結(jié)果表明：萃取時(shí)間的延長(zhǎng)導(dǎo)致了萃取率的下降，而下降的原因只能是葉黃素酯降解，由此可以證明葉黃素酯分子也吸收了2450MHz的微波能量。

3.4 正己烷、乙酸乙酯和四氫呋喃這3種試劑在2450MHz的微波條件下可以被有效地加熱。用這3種試劑作為萃取溶媒，在30～50℃范圍內(nèi)利用微波輔助提取葉黃素酯，隨著萃取溫度升高萃取率也隨之提高，其中正己烷和乙酸乙酯的萃取率可提高10%以上。綜合食品安全性等各種因素考慮，乙酸乙酯可以被考慮作為微波輔助萃取葉黃素酯的溶媒。

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Effect of Temperature Control on Microwave-Assisted Extraction of Lutein Ester

ZHANG Tong，ZHAO Ting，HUI Bo-di*
(College of Applied Arts and Science, Beijing Union University, Beijing 100191, China)

Our present work aimed to investigate the effect temperature control on microwave-assisted extraction of lutein esters.The effect of different levels of microwave power on the time required to heat three different solvents from 10 ℃ to 50 ℃ was explored. Meanwhile, the extraction rate of lutein esters from dried marigold flower powder was investigated with respect to microwave power, extraction time and extraction temperature. In addition, a comparative investigation into the extraction of lutein esters was conducted using one of three different extraction solvents with and without the assistance of microwave treatment at the same temperature. The results obtained showed that solvent media molecules composed of O－H bond revealed rapid warm-up. However, heating power had limited impact on extraction rate of lutein esters. Prolonged extraction time could result in decreased extraction rate. Under the optimal extraction conditions of 1600 W, 20 min and 50, 50 ℃ and 40 ℃, the extraction rates of lutein esters with hexane, ethyl acetate or hydrocarbon furan as the extraction solvent were 83%－95.23%, 81.44%－96.59% and 91.72%－94.40%, respectively. At the same temperature, microwave-assisted extraction greatly improved the extraction rate of lutein esters when compared with solvent extraction alone.

lutein ester；microwave；temperature；extraction rate

TS254.1

A

1002-6630(2012)08-0029-04

2011-03-22

2010年北京聯(lián)合大學(xué)“創(chuàng)新人才建設(shè)計(jì)劃”項(xiàng)目

張同(1985—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯锘钚晕镔|(zhì)制備及生理功能。E-mail：123king@163.com

*通信作者：惠伯棣(1959—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)轭?lèi)胡蘿卜素生物化學(xué)。E-mail：bodi_hui@ygi.edu.cn