響應(yīng)曲面法優(yōu)化牛奶中雌二醇的微波提取工藝

曹玉林，吳林昊，丁郭影，胡琪琳，薛秀恒，*，王志耕

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，安徽農(nóng)產(chǎn)品加工工程實(shí)驗室，安徽合肥230036；2.安徽中青檢驗檢測有限公司，安徽合肥230088）

響應(yīng)曲面法優(yōu)化牛奶中雌二醇的微波提取工藝

曹玉林1，2，吳林昊1，丁郭影1，胡琪琳1，薛秀恒1，*，王志耕1

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，安徽農(nóng)產(chǎn)品加工工程實(shí)驗室，安徽合肥230036；2.安徽中青檢驗檢測有限公司，安徽合肥230088）

為優(yōu)化牛奶中雌二醇的微波提取工藝，在單因素實(shí)驗的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)曲面法考察液料比、微波功率和微波時間對雌二醇提取率的影響，優(yōu)化提取工藝。結(jié)果表明：牛奶中雌二醇微波提取的優(yōu)化工藝條件為：液料比4.1∶1，微波功率475 W，微波時間61 s。在此條件下，雌二醇的最高提取率為92.77%。與超聲提取方法相比，微波提取工藝具有提取時間短，得率高，能耗低，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

牛奶，雌二醇，微波提取，響應(yīng)曲面法

在人類眾多的食品中，牛奶占有特殊的地位，其富含蛋白質(zhì)、脂肪、維生素等多種營養(yǎng)成分，具有很高的營養(yǎng)價值，倍受人們青睞[1-2]。但是在奶牛飼養(yǎng)過程中，來源于飼料或牛體自身分泌的雌激素可能富集于牛奶中，導(dǎo)致牛奶中雌激素超標(biāo)[3]。雌激素是一類可直接影響動物的代謝與繁殖，具有相似化學(xué)結(jié)構(gòu)的類固醇激素。該類物質(zhì)進(jìn)入機(jī)體后，可干擾體內(nèi)正常分泌物的合成、釋放、運(yùn)轉(zhuǎn)、代謝及結(jié)合，激活或抑制內(nèi)分泌系統(tǒng)功能，最終造成機(jī)體代謝調(diào)控紊亂[4-6]。雌激素主要有三種類型：雌酮、雌二醇和雌三醇，其中雌二醇的活性最強(qiáng)[7]。

微波萃取技術(shù)是將被萃取的原料浸于某選定的溶劑中，通過微波反應(yīng)器發(fā)射微波能，使原料中的化學(xué)成分迅速溶出的技術(shù)和方法。微波萃取技術(shù)具有操作簡便、經(jīng)濟(jì)、省時等優(yōu)點(diǎn)，同時可以提高目標(biāo)物質(zhì)的回收率和純度[8-10]。

隨著雌激素殘留問題日益受到重視，各種針對牛奶中雌激素的提取技術(shù)迅速發(fā)展。目前，提取牛奶中雌激素的方法有常規(guī)溶劑法[11]和超聲波法[12]，耗時長、成本高，且尚未見微波法提取牛奶中雌激素的研究報道。為此，本文研究了微波技術(shù)提取牛奶中雌二醇，此方法不僅得率高而且提取時間短，能耗低，可以為今后牛奶中雌激素的研究提供前處理依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

雌二醇標(biāo)準(zhǔn)品 Sigma公司；乙酸乙酯、甲醇、乙腈 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純；乙腈 美國飛世爾科技公司，色譜純；鮮牛奶 安徽新希望白帝乳業(yè)有限公司，初檢不含雌二醇。

Waters1525高效液相色譜系統(tǒng) 配有紫外檢測器2489和Breeze2色譜工作站，美國Waters公司；SAM-255型微波系統(tǒng) 美國CEM公司；MS105DU梅特勒-托利多電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；Allegra-64R型BECKMAN離心機(jī) 美國貝克曼公司；KQ3200DE型數(shù)控超聲清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；R201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海申勝生物技術(shù)有限公司；HH-S恒溫水浴鍋 江蘇國勝實(shí)驗儀器廠。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 樣品的制備 按5 mg/L向牛奶中分別加入雌二醇標(biāo)準(zhǔn)品，攪拌混勻，室溫下靜置30 min，得到樣品牛奶。

1.2.2 雌二醇的微波提取工藝 準(zhǔn)確吸取5 mL樣品牛奶于三角燒瓶中，加入提取溶劑混勻，微波提取，取出后，將樣液轉(zhuǎn)移至離心管，以4000 r/min離心10 min，吸出上清液過無水硫酸鈉后轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶，殘渣用提取溶劑重復(fù)提取2次，上清液過無水硫酸鈉后合并于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶，50℃旋蒸至近干，用5 mL提取溶劑洗滌蒸發(fā)瓶，將樣液轉(zhuǎn)移至濃縮管中，于50℃水浴揮發(fā)至近干，用甲醇定容至1 mL，過0.45 μm微孔濾膜，進(jìn)行HPLC分析，計算提取率。

高效液相色譜條件：色譜柱：Symmetry C18柱（3.5 μm，75 mm×4.6 mm Column）；檢測波長：280 nm；柱溫：40℃；流速：1.0 mL/min；流動相：乙腈∶水（50∶50，V/V）；保持10 min，進(jìn)樣量10 μL[13]。

雌二醇提取率計算：X=S1/S2

式中：X為雌二醇提取率（%）；S1為樣品牛奶中雌二醇標(biāo)準(zhǔn)品經(jīng)微波提取測得的峰面積；S2為與樣品中同等濃度的雌二醇標(biāo)準(zhǔn)品甲醇溶液測得的峰面積。

1.2.3 最佳提取溶劑的選擇 為了選擇雌二醇的最佳提取溶劑，吸取樣品牛奶后，分別加入乙腈、甲醇和乙酸乙酯，按1.2.2操作，計算提取率，將提取率最高者確定為最佳提取溶劑。

1.2.4 單因素實(shí)驗設(shè)計 按1.2.2雌二醇的微波提取工藝，采用乙腈作為提取劑，在固定微波功率為450 W、提取時間60 s的前提下，液料比（mL∶mL）分別為2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1；在固定液料比4∶1、提取時間60 s的前提下，微波功率分別為250、350、450、550、650 W；在固定液料比4∶1、微波功率450 W的前提下，微波時間分別為20、40、60、80、100 s，考察各組實(shí)驗在微波提取結(jié)束后，樣品中雌二醇標(biāo)準(zhǔn)品的提取率，從而確定適宜的取值范圍。

1.2.5 響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計 在單因素實(shí)驗的基礎(chǔ)上，以液料比、微波功率和微波時間為自變量，微波提取結(jié)束后，牛奶中雌二醇標(biāo)準(zhǔn)品的提取率為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化牛奶中雌二醇的微波提取工藝，因素水平如表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of the response surface experiment

1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 所有數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel進(jìn)行統(tǒng)計處理，使用Design Expert 8.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計，對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，繪制響應(yīng)效應(yīng)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳提取溶劑的選擇

由圖1可知，不同種類的提取溶劑對雌二醇的提取率影響顯著（p＜0.05），雌二醇在乙腈中的提取率最高，優(yōu)于甲醇和乙酸乙酯，同時乙腈作為提取劑對被測組分具有良好的溶解性，又是較好的蛋白質(zhì)沉淀劑[14]。因此本實(shí)驗選用乙腈為牛奶中雌二醇的提取劑。

圖1 不同種類提取劑對雌二醇提取率的影響Fig.1 The influence of different extraction agent on extraction yield of extradiol

2.2 單因素實(shí)驗

2.2.1 液料比對雌二醇提取的影響 由圖2可知，雌二醇提取率隨著液料比的增加而增大，當(dāng)液料比從2∶1增加到4∶1時，提取效果明顯提高，這可能是因為溶劑添加量越大，越有利于雌二醇溶出，其提取率就越高。但是繼續(xù)增加液料比時，由于雌二醇的提取逐漸達(dá)到平衡，此時提取率增加緩慢。綜合考慮，選取液料比為4∶1。

2.2.2 微波功率對雌二醇提取的影響 由圖3可知，在微波功率250～450 W范圍內(nèi)，雌二醇提取率隨著功率的增大而提高，微波功率增加導(dǎo)致物質(zhì)加熱程度增加，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，與蛋白質(zhì)結(jié)合的雌二醇被釋放出來進(jìn)入提取溶劑，從而使提取率升高[15]。但是在微波功率達(dá)到450 W之后，提取率呈下降趨勢，這可能是因為高微波功率導(dǎo)致的熱效應(yīng)使雌二醇遭到破壞[4]。綜合考慮，選取微波功率為450 W。

圖3 微波功率對雌二醇提取率的影響Fig.3 The influence of microwave power on extraction yield of extradiol

2.2.3 微波時間對雌二醇提取的影響 由圖4可知，雌二醇提取率在微波處理60 s時達(dá)到最大值。隨著微波時間的延長，雌二醇提取充分，繼續(xù)增加微波時間，溫度升高，破壞雌二醇，提取率下降[4]。綜合考慮，選取微波時間為60 s。

圖4 微波時間對提取率的影響Fig.4 The influence of microwave time on extraction yield of extradiol

2.3 響應(yīng)面實(shí)驗結(jié)果與分析

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗結(jié)果 以液料比、微波功率和微波時間為自變量，牛奶中雌二醇標(biāo)準(zhǔn)品的提取率為因變量，采用Box-Behnken設(shè)計原理對牛奶中雌二醇的微波提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

對表2中實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到響應(yīng)面回歸擬合方程：

Y=92.22＋1.76A＋2.37B-1.26C-2.10AB＋2.40AC＋2.75BC-2.55A2-2.15B2-2.72C2

由表3可知，所得回歸方程極顯著（p＜0.01），方程的決定系數(shù)R2為0.9678，校正決定系數(shù)R2Adj為0.9263，且失擬項不顯著（p＞0.05），說明此方程對實(shí)驗的擬合度比較好。因此所獲得的二次多項模型有效，實(shí)驗方法可靠，可用該回歸方程代替實(shí)驗真實(shí)點(diǎn)對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測。微波時間對雌二醇提取率影響顯著（p＜0.05），液料比與微波功率對雌二醇提取率影響極顯著（p＜0.01）。液料比與微波功率、液料比與微波時間及微波功率與微波時間對雌二醇提取率均有極顯著（p＜0.01）的交互影響。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of variance for the response surface regression equation

2.3.2 實(shí)驗因素交互作用分析 將其中一個因素設(shè)為零水平，其他兩個因素交互作用的響應(yīng)面見圖5～圖7所示。

由圖5可知，當(dāng)微波時間為60 s時，液料比和微波功率的交互作用對雌二醇提取率的影響。微波時間固定不變時，牛奶中雌二醇的提取率隨著液料比的增加而升高，隨著微波功率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；比較曲線的變化程度，微波功率對雌二醇提取率的影響較大，曲面的傾斜度比較陡[16]。

圖5 液料比與微波功率對雌二醇提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plot of liquid-material ratio and microwave power on extraction yield of extradiol

由圖6可知，當(dāng)液料比為4∶1時，微波功率和微波時間的交互作用對雌二醇提取率的影響。液料比固定不變時，牛奶中雌二醇的提取率隨著微波功率與微波時間的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；比較曲線的變化程度，微波功率對雌二醇提取率的影響較大，曲面的傾斜度比較陡。

圖6 微波功率與微波時間對雌二醇提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface plot of microwave power and microwave time on extraction yield of extradiol

圖7 液料比與微波時間對雌二醇提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface plot of liquid-material ratio and microwave time on extraction yield of extradiol

由圖7可知，當(dāng)微波功率為450 W時，液料比和微波時間的交互作用對雌二醇提取率的影響。微波功率固定不變時，牛奶中雌二醇的提取率隨著液料比與微波時間的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；比較曲線的變化程度，液料比對雌二醇提取率的影響較大，曲面的傾斜度比較陡。

2.3.3 模型的驗證 由Design-Expert 8.0軟件分析得到牛奶中的雌二醇的最佳微波提取工藝是：液料比4.1∶1、微波功率475.5 W、微波時間61.5 s，此條件下牛奶中雌二醇提取率的理論值為92.94%?？紤]實(shí)際可操作性，選擇液料比為4.1∶1、微波功率為475 W、微波時間為61 s，對模型進(jìn)行驗證實(shí)驗，3次平行驗證實(shí)驗雌二醇提取率平均值為92.77%，與理論值接近，實(shí)際值和預(yù)測值之間相對誤差較小，在可接受范圍之內(nèi)，說明采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化牛奶中雌二醇微波提取工藝可靠，具有使用價值。

2.4 微波法與超聲波法的比較

超聲波法[12]提取牛奶中雌二醇，提取時間60 min、超聲功率250 W、液料比1∶10、乙醇濃度80%、提取溫度70℃，與本實(shí)驗所得最佳提取工藝進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。與超聲波法相比，利用微波法提取雌二醇，提取率高，而且微波提取法用時短，可能是因為微波法加速破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使雌二醇游離，所以微波法提取牛奶中雌二醇效率高于超聲波法。

表4 微波法與超聲波法的比較Table 4 Contrast of microwave extraction method and ultrasonic extraction method

3 結(jié)論

本實(shí)驗通過微波技術(shù)提取牛奶中的雌二醇，通過單因素實(shí)驗以及響應(yīng)面分析方法對微波提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定微波提取牛奶中雌二醇的最佳工藝為液料比4.1∶1、微波功率475 W、微波時間61 s，在最優(yōu)工藝條件下雌二醇提取率達(dá)到92.77%，該提取工藝可為今后牛奶中雌激素分析檢測前處理方法提供參考。

[1]張彥明，佘銳萍.動物性食品衛(wèi)生學(xué)[M].第4版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2009：374-375.

[2]趙新淮，于國萍，張永忠，等.乳品化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2007：88-89.

[3]袁麗君，徐莊劍，徐祥生.牛奶中的雌激素及其安全性[J].國際內(nèi)科學(xué)雜志，2007，34（3）：217-219.

[4]邵敬於.性雌激素的臨床應(yīng)用[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2003：31-32.

[5]Aninda B，Brian G.Genes related to estrogen action in repreduction and breast cancer[J].Frontiers in Bioscience，2005（10）：2346-2372.

[6]談智，王庭槐.雌激素作用分子機(jī)制研究進(jìn)展[J].中國病理生理雜志，2003，19（10）：1422-1426.

[7]王全林，張愛芝，陳立仁.超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法對乳制品中苯甲酸雌二醇?xì)埩舻臏y定[J].分析測試學(xué)報，2009，28（9）：1069-1073.

[8]宋建紅.微波提取法提取茶葉中茶多酚的工藝研究[D].武漢：武漢工程大學(xué)，2006.

[9]劉永練，鄭成，毛桃嫣.微波提取人參中活性成分人參皂苷的研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，5（6）：52-56.

[10]李建穎，鄧寧.微波提取葉黃素方法的研究[J].食品工業(yè)科技，2004，25（8）：121-125.

[11]包秀萍，郭麗梅，張麗，等.板栗花粉雌二醇提取及分離純化工藝研究[J].食品工業(yè)，2010（1）：79-81.

[12]邢燕，邱芳萍，紀(jì)可，等.林蛙卵雌二醇的超聲波輔助提取及酶聯(lián)免疫分析檢測[J].時珍國醫(yī)國藥，2014，25（5）：1107-1110.

[13]周建科，岳強(qiáng)，宿書芳，等.牛奶中雌性激素的高效液相色譜分析[J].中國乳品工業(yè)，2005，33（11）：56-58.

[14]陳明東，韓光澤.微波輔助萃取中溶劑選擇的節(jié)能機(jī)制[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，24（2）：123-126.

[15]陳衛(wèi)，范大明，馬申嫣，等.微波對蛋白質(zhì)及其衍生物結(jié)構(gòu)和功能的影響[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報，2012，31（3）：232-237.

[16]Chandrika L P，F(xiàn)ereidoom S.Optimization of extraction of phenolic compounds from wheatusing response surface methodology[J].Food Chemistry，2005，93（1）：47-56.

Optimization of microwave extraction of estradiol in milk by response surface methodology

CAO Yu-lin1，2，WU Lin-hao1，DING Guo-ying1，HU Qi-lin1，XUE Xiu-heng1，*，WANG Zhi-geng1
（1.School of Tea and Food Science&Technology，Anhui Agriculture University，Engineering Laboratory of Agricultural Products Processing of Anhui，Hefei 230036，China；2.Auhui Zhongqing Inspection and Testing Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

The extraction process of estradiol from milk was investigated in this paper.Based on single factor experiments，response surface methodology was used to explore the effects of liquid-material ratio，microwave power and microwave time on extraction yield of estradiol.The results showed that the optimal conditions for the extraction of estradiol were the liquid-material ratio of 4.1∶1，microwave power of 475 W，microwave time of 61 s.Under the optimal extraction conditions，the highest extraction rate of estradiol was up to 92.77%.Compared with the ultrasonic extraction method，microwave extraction method had short extraction time，high extraction yield，low energy consumption，environmental protection and other advantages.

milk；estradiol；microwave extraction；response surface methodology

TS252.7

B

1002-0306（2015）22-0252-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.22.044

2015－03－16

曹玉林（1990-），男，在讀碩士研究生，研究方向：動物性食品加工與安全檢測，E-mail：caoyulin0721@163.com。

*通訊作者：薛秀恒（1971-），男，博士，副教授，研究方向：動物性食品加工與安全檢測，E-mail：xuexiuheng@126.com。

安徽省自然科學(xué)基金項目（11040606M91）；安徽省實(shí)驗區(qū)和試點(diǎn)省專項基金項目（12z0102055）。