表面活性劑輔助提取超級(jí)黑糯玉米色素工藝的研究

盛 瑋 宮 坤 毛德悅 薛建平，3 謝筆鈞

表面活性劑輔助提取超級(jí)黑糯玉米色素工藝的研究

盛 瑋1，2，3宮 坤4毛德悅1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）
（淮北普豪生物科技有限公司4，淮北 234100）

單因素試驗(yàn)中考察表面活性劑種類及濃度、提取溫度、提取時(shí)間、料液比以及提取次數(shù)對(duì)超級(jí)黑糯玉米色素提取率的影響。在此基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立提取超級(jí)黑糯玉米色素提取率的二次回歸方程。方差分析結(jié)果表明：提取溫度、提取時(shí)間及液料比對(duì)色素提取率影響極顯著；最佳工藝條件為提取溫度60.9℃，提取時(shí)間74.9 min，液料比23（mL／g）。在此條件下提取2次，色素提取率達(dá)92.04%，產(chǎn)率達(dá)18.36%。

超級(jí)黑糯玉米 色素 表面活性劑

超級(jí)黑糯玉米是濉溪縣農(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（Zea mays L．ceretina kulesh）自交系中，培育出的超級(jí)黑糯玉米新品種［1］，其穗軸（芯）為深紫黑色，鮮穗籽粒中硒、鋅、天然黑色素的含量均顯著高于普通黑糯玉米，因此，超級(jí)黑糯玉米具有更高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值［2］。研究表明超級(jí)黑糯玉米色素主要化學(xué)組分為花色苷［3］，而花色苷類物質(zhì)具有抗氧化，清除活性氧自由基、抗變異、抗腫瘤、抗過敏、降血脂、保護(hù)胃黏膜等多種生物活性［4-7］。超級(jí)黑糯玉米芯中黑色素含量高達(dá)7%以上，是提取天然食用色素及功能性食品添加劑的極好原料。

表面活性劑可顯著降低固-液相的界面張力，增加大分子有機(jī)物質(zhì)的溶解滲出能力，在提取過程中具有縮短浸潤(rùn)時(shí)間、提高浸提率等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有研究者利用表面活性劑的增溶、潤(rùn)濕作用，開展了表面活性劑協(xié)同提取天然產(chǎn)物活性成分的研究［8-12］，用溶有少量表面活性劑的溶劑代替高濃度溶劑提取天然產(chǎn)物活性成分，提高提取率，以降低提取成本。本研究以溶有少量表面活性劑的酸化水替代高濃度的有機(jī)溶劑進(jìn)行超級(jí)黑糯玉米色素提取，在單因素試驗(yàn)中分別考察了表面活性劑的種類及用量、提取溫度、提取時(shí)間、料液比以及提取次數(shù)對(duì)色素提取率的影響。在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上以提取溫度、提取時(shí)間和料液比3個(gè)因素與超級(jí)黑糯玉米色素提取率進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化超級(jí)黑糯玉米色素提取條件，為開發(fā)和利用超級(jí)黑糯玉米色素提供科學(xué)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，干燥、粉碎后過40目篩備用。

吐溫-20、吐溫-40、吐溫-60、吐溫 -80、司班 -20、司班-85、單硬脂酸甘油酯、95%乙醇、濃鹽酸等均為分析純：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

W21-420型三用電熱恒溫水浴鍋：天津市秦斯特儀器有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠；UV-4802型紫外可見分光光度計(jì)：尤尼科上海儀器有限公司；FDV超微粉碎機(jī)：北京環(huán)亞天元機(jī)械技術(shù)有限公司；FD5-3凍干機(jī)：美國(guó)SIM公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 超級(jí)黑糯玉米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，將提取液過濾定容后，在最大吸收波長(zhǎng)515 nm處測(cè)定色素提取液的吸光度。根據(jù)吸光度的大小研究不同濃度、不同表面活性劑、提取溫度、提取時(shí)間、液料比、提取次數(shù)等因素對(duì)超級(jí)黑糯玉米色素提取率的影響。

1.3.2 超級(jí)黑糯玉米色素提取率的計(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。

1.3.3 超級(jí)黑糯玉米色素提取工藝的響應(yīng)面優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定表面活性劑吐溫-20體積分?jǐn)?shù)為2.5%，提取次數(shù)為1次，以提取溫度（x1）提取時(shí)間（x2）和液料比（x3）為試驗(yàn)因素，以超級(jí)黑糯玉米色素提取液的吸光度為響應(yīng)值，進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素水平及編碼如表1。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平

1.3.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Minitab 15、Excel和SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，所有樣品均平行測(cè)定3次，測(cè)定結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（ˉx±SD）表示，顯著性界值P≤0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同表面活性劑對(duì)超級(jí)黑糯玉米色素提取效果的影響

按料液比1∶20（g／mL）加入0.1 mol／L的鹽酸溶液為浸提劑，分別加入2.0%的不同表面活性劑，在60℃浸提60 min后，將提取液過濾定容后，在最大吸收峰515 nm處測(cè)定提取液吸光度A值，其結(jié)果見表2。

由表2可知，表面活性劑都能顯著提高超級(jí)黑糯玉米色素的提取率，以加入吐溫-20提取的色素得率最高。與空白對(duì)照相比，吐溫-20的加入使色素提取率提高了1.4倍，同時(shí)吐溫-40、吐溫-60、吐溫-80也分別將色素的得率提高了1.3倍、1.18倍和1.15倍，司班-20、司班-85將色素得率提高了0.68倍和0.28倍，而單硬脂酸甘油酯使色素利率僅提高了0.31倍。

表2 不同表面活性劑對(duì)色素提取效果的影響

2.2 不同濃度表面活性劑對(duì)超級(jí)黑糯玉米色素提取效果的影響

按料液比1∶20（g／mL）加入0.1 mol／L的鹽酸溶液為浸提劑，分別加入不同量的吐溫-20，在60℃浸提60 min，其結(jié)果如表3。

由表3可知，當(dāng)表面活性劑體積分?jǐn)?shù)小于2.5%，隨著表面活性劑濃度的增加色素提取液的吸光度值顯著增大。在表面活性劑體積分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，超級(jí)黑糯玉米色素提取效果已達(dá)到較好水平，再增加表面活性劑的濃度，色素提取液的吸光度變化不顯著。表面活性劑用量太大，不僅增加生產(chǎn)成本，并且會(huì)使過濾過程中產(chǎn)生較多的泡沫，增加過濾難度，因此表面活性劑的用量在1.5%～2.5%之間為宜。

2.3 浸提溫度對(duì)超級(jí)黑糯玉米色素提取效果的影響

按料液比1∶20（g／mL）加入0.1 mol／L的鹽酸溶液為浸提劑，加入2.5% 吐溫-20，分別在不同溫度下浸提60 min。其結(jié)果如表4。

由表4可知，在40～60℃范圍內(nèi)，隨著溫度升高，吸光值及色素提取率顯著增加，但超過80℃，色素提取率下降。提取率下降的主要原因是隨著溫度的升高浸提劑揮發(fā)加快，故提取溫度不超過80℃為宜。

表3 不同濃度表面活性劑對(duì)色素提取效果的影響

表4 浸提溫度對(duì)色素提取效果的影響

2.4 浸提時(shí)間對(duì)超級(jí)黑糯玉米色素提取效果的影響

按料液比1∶20（g／mL）加入0.1 mol／L的鹽酸溶液為浸提劑，加入2.5% 吐溫-20，在60℃ 浸提不同時(shí)間，其結(jié)果如表5。

表5 浸提時(shí)間對(duì)色素提取效果的影響

由表5可知，在60 min時(shí)間內(nèi)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，吸光值及色素提取率迅速增加。超過120 min后，吸光值不再增加，反而出現(xiàn)下降，這可能是由于超級(jí)黑糯玉米色素降解及提取劑揮發(fā)所致。從生產(chǎn)成本考慮，提取時(shí)間越長(zhǎng)，能耗越大，故提取時(shí)間以60 min左右為宜。

2.5 料液比對(duì)超級(jí)黑糯玉米色素提取效果的影響

準(zhǔn)確稱取一定量的超級(jí)黑糯玉米芯粉，按不同的料液比加入含有2.5% 吐溫-20的0.1 mol／L HCl浸提劑，在60℃ 保溫浸提60 min，過濾、離心，取上清液定容后測(cè)定吸光度值，結(jié)果見表6。由表6可知，料液比在1∶10～1∶20范圍內(nèi)，色素提取率顯著提高，其原因可能是隨著料液比的增加色素的傳質(zhì)動(dòng)力也增加，使得原料中更多的色素融入提取劑中。當(dāng)料液比超過1∶20時(shí)，色素的提取率沒有顯著變化，因此，超級(jí)黑糯玉米色素提取料液比為1∶20左右為宜。

表6 料液比對(duì)色素提取效果的影響

2.6 響應(yīng)面法優(yōu)化超級(jí)黑糯玉米色素的提取工藝

2.6.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)，以含有2.5% 吐溫-20的0.1 mol／L的鹽酸溶液為浸提劑，以提取溫度（x1）、提取時(shí)間（x2）和液料比（x3）作自變量，以超級(jí)黑糯玉米色素提取液的吸光度值為響應(yīng)值設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表7。

表7 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果

表7 （續(xù)）

2.6.2 回歸模型建立及方差分析

利用Minitab 15統(tǒng)計(jì)軟件，通過對(duì)表7中超級(jí)黑糯玉米色素提取液吸光度數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得超級(jí)黑糯玉米色素提取液吸光度對(duì)編碼自變量提取溫度、提取時(shí)間和液料比的二次多項(xiàng)回歸方程：y＝2．212+0．045x1+0．441x2+0．165x3-0．059x12-0．418x22-0．132x32+0．024x1x2-0．022x1x3-0．045x2x3。

表8 方差分析表

表9 回歸方程偏回歸系數(shù)的估計(jì)值

對(duì)上述回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表8。由表8可知，模型是極顯著的（P≤0.01），R2和R2Adj分別為99.83% 和99.51%，說明該模型擬合度良好；為97.24%，說明該模型預(yù)測(cè)性良好。為檢驗(yàn)方程的有效性，對(duì)黑糯玉米色素提取的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表9。由表9可知，一次項(xiàng)x1、x2和x3極顯著（P≤0.01），說明提取溫度、提取時(shí)間和液料比對(duì)色素提取率有極顯著影響。交互項(xiàng)中x2x3對(duì)色素提取率有顯著影響（0.01＜P≤0.05）；二次項(xiàng)和達(dá)極顯著水平達(dá)顯著水平。

2.6.3 響應(yīng)面分析

利用Minitab 15軟件對(duì)表7數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，所得的二次回歸方程的響應(yīng)面及其等高線見圖1。從圖1c看出，提取時(shí)間對(duì)色素提取率的影響較顯著，曲面較陡，提取溫度對(duì)色素提取率的影響不太顯著，曲面較緩和。由提取時(shí)間和提取溫度交互作用的等高線可知，提取溫度和提取時(shí)間的交互作用對(duì)色素提取效果的影響非常顯著。沿提取時(shí)間軸向等高線密集，而提取溫度軸向等高線相對(duì)稀疏，說明提取時(shí)間對(duì)響應(yīng)值峰值的影響比提取溫度大。由圖1a可看出，提取溫度和液料比的交互作用對(duì)色素提取效果的影響也非常顯著。等高線的形狀反映交互效應(yīng)的強(qiáng)弱大小，圓形表示兩因素交互作用不顯著，而橢圓形則表示兩因素交互作用顯著［13］。

圖1 各因素交互作用對(duì)色素提取率影響的響應(yīng)面圖及等高線圖

2.7 最佳提取工藝的確定和試驗(yàn)驗(yàn)證

在選取的各因素范圍內(nèi)，根據(jù)回歸模型通過Minitab 15軟件分析得出，超級(jí)黑糯玉米色素最佳提取工藝為提取時(shí)間60.9℃、提取時(shí)間74.9 min、液料比23∶1（mL／g），色素提取液吸光度的預(yù)測(cè)值為2.37。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（2.323±0.071），與預(yù)測(cè)值基本一致。

2.8 浸提次數(shù)對(duì)超級(jí)黑糯玉米色素提取效果的影響

準(zhǔn)確稱取一定量的超級(jí)黑糯玉米芯粉，每次在最佳條件下提取。其色素提取率結(jié)果如表10。由表10可知，第1次色素提取率高達(dá)78.02%，第2次色素提取率為14.02%，第3次僅為5.17%，3次的提取率達(dá)到97.21%?？紤]到溶劑成本及濃縮過程能量的消耗，色素浸提次數(shù)以2次為宜，色素提取率為92.04%，色素得率為18.26%。

表10 提取次數(shù)對(duì)色素提取率的影響

3 結(jié)論

以含有2.5%吐溫-20的0.1 mol／L HCl溶液作為提取劑，通過單因素試驗(yàn)對(duì)影響超級(jí)黑糯玉米色素提取率的因素研究表明，色素提取率受到許多因素的影響。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：提取時(shí)間60.9℃，提取時(shí)間74.9 min，液料比23（mL／g）。在此工藝條件下，對(duì)超級(jí)黑糯玉米芯提取 2次，色素提取率為92.04%，色素得率為18.26%。

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Extraction of Pigment in Super Black Glutinous Corn by Surfactant

Sheng Wei1，2，3Gong Kun4Mao Deyue1Xue Jianping1，3Xie Bijun2
（College of Life Sciences，Huaibei Normal University1，Huaibei 235000）
（College of Food Science and Technology，Huazhong Agriculture University2，Wuhan 430070）
（Anhui Key Laboratory of Plant Resources and Biology3，Huaibei 235000）
（Huaibei Puhao Biological Technology Co.，Ltd4，Huaibei 234100）

Effects of surfactant species，surfactant concentration，extracting temperature，extracting time，liquid-tomaterial ratio and extracting times on the yield of pigment of super black glutinous corn have been investigated through single factor experiments in the paper.On the basis of single factor investigations，Box-Behnken core combination experimental design was adopted to provide experimental data in order to establish a regression model describing the extraction of pigment.The analysis of variances revealed that extracting temperature，extracting time and liquid-to-material ratio have a significant effect on the extraction yield of pigment.Extracting temperature of 60.9℃，extracting time of 74.9 min and liquid-to-material ratio of 23（mL／g）were found to be the optimum.On the optimized condition，the extraction rate of the pigment was 92.04%and exaction yield of the pigment was 18.36%after extracting for 2 times.

super black glutinous corn，pigment，surfactant

TS202

A

1003-0174（2014）03-0090-06

安徽省教育廳自然科學(xué)研究（KJ2012A255，KJ2011 Z327），安徽省科技攻關(guān)（12070303032），淮北市科技攻關(guān)（20110216）

2013-05-03

盛瑋，男，1963年出生，教授，農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工