微波協(xié)同纖維素酶提取玉米須綠原酸工藝優(yōu)化

關(guān)海寧，喬秀麗，刁小琴，遲彩霞

（1.綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院，黑龍江綏化152061；2.綏化學(xué)院食品分析與檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江綏化152061）

微波協(xié)同纖維素酶提取玉米須綠原酸工藝優(yōu)化

關(guān)海寧1，2，喬秀麗1，2，刁小琴1，遲彩霞1

（1.綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院，黑龍江綏化152061；2.綏化學(xué)院食品分析與檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江綏化152061）

利用響應(yīng)面法對(duì)玉米須綠原酸的微波輔助酶提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以微波時(shí)間、乙醇濃度、浸提時(shí)間為自變量，綠原酸提取量為響應(yīng)值，研究各自變量交互作用及其對(duì)綠原酸提取量的影響。進(jìn)一步得到微波協(xié)同纖維素酶提取玉米須綠原酸的最佳工藝條件：微波功率240W、微波時(shí)間27s、纖維素酶添加量1.4%、乙醇濃度70%、浸提時(shí)間1.25h，在此條件下玉米須綠原酸的提取量8.94mg/g。

玉米須，綠原酸，纖維素酶，微波，響應(yīng)面

玉米須是禾本科作物玉米的花柱和柱頭，是一種傳統(tǒng)的中藥材，可用于治療糖尿病、高血壓、膽結(jié)石、腎炎等多種疾?。?］。玉米須中含有多糖、黃酮、生物堿、綠原酸等活性成分具有調(diào)節(jié)免疫，抗癌細(xì)胞增殖，抑菌、抗氧化等多種作用［2-5］。我國玉米須資源豐富，但由于缺乏有效的利用，大部分被廢棄。

玉米須綠原酸屬酚類化合物，是一種重要的活性物質(zhì)，具有降血壓、降血脂、抑菌、抗氧化、抗腫瘤等多種生理功能。傳統(tǒng)提取綠原酸的方法多為有機(jī)溶劑浸提，該法提取時(shí)間長，提取效果差。微波是近些年廣大科研工作者用于天然植物有效成分提取的一項(xiàng)新技術(shù)，它具有高效、安全、節(jié)能、提取率高等特點(diǎn)［6］。纖維素酶能溫和、有效的破壞植物的細(xì)胞壁，提高有效成分的溶出率［7］。目前國內(nèi)外尚未見有關(guān)微波輔助纖維素酶提取玉米須綠原酸的研究報(bào)道。本文通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化微波協(xié)同纖維素酶提取玉米須綠原酸的工藝，以期為玉米須的合理利用和開發(fā)提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

成熟玉米須綏化市農(nóng)田采集，自然晾干，粉碎，過80目篩；綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品北京中科三捷生物有限公司；纖維素酶（10U/mg） 黑龍江肇東日成酶制劑有限公司；其他試劑均為分析純。

TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計(jì)北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；美的家用微波爐佛山順德美的微波電器制造有限公司；RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上海亞榮生化儀器廠；SHZ-D型循環(huán)水式真空泵鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1纖維素酶-微波提取工藝取3.00g玉米須粉于錐形瓶中，加入6mL蒸餾水?dāng)嚢杈鶆颍谥付ㄎ⒉üβ蕳l件下微波相應(yīng)時(shí)間后，取出晾涼后加入一定量的纖維素酶，并加入無水乙醇和蒸餾水使浸提溶液為一定體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液且料液比1∶20（g/mL），再在50℃的水浴中浸提一定時(shí)間后，沸水浴滅酶5min，過濾除渣，所得濾液減壓濃縮，再用60%的乙醇定容至25mL容量瓶，所得樣待檢測［8-9］。

1.2.2綠原酸提取量的計(jì)算最大吸收波長的確定：用60%的乙醇溶液溶解綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品，得到綠原酸標(biāo)準(zhǔn)液（43mg/L），取適量綠原酸標(biāo)準(zhǔn)液于200～450nm波長范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，在波長327nm處有最大吸收峰，故最大吸收波長選擇327nm。以下實(shí)驗(yàn)以327nm作為測定吸光度的波長。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：精密吸取以上綠原酸標(biāo)準(zhǔn)液0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL，分別置于10mL容量瓶中，加60%乙醇溶液定容，搖勻。用分光光度法在327nm波長條件下測定吸光值，以綠原酸標(biāo)準(zhǔn)樣品質(zhì)量濃度（X，mg/L）為橫坐標(biāo)，吸光度（Y）為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得標(biāo)準(zhǔn)回歸方程Y=0.0556X-0.0134，相關(guān)系數(shù)R2=0.9996。結(jié)果表明綠原酸濃度在5～25mg/L的范圍內(nèi)呈良好的線性相關(guān)性。

綠原酸含量的測定：取不同提取方法所得樣品液0.2mL，于10mL刻度試管中，定容至4mL，按標(biāo)準(zhǔn)曲線制作的步驟進(jìn)行，于波長327nm處比色測定其吸光值，以60%乙醇溶液為空白參比，然后根據(jù)線性回歸方程計(jì)算出每毫升提取液中的綠原酸含量，再根據(jù)下式計(jì)算總綠原酸提取量。

式中：C—依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出測定樣液的質(zhì)量濃度（mg/L）；V2—測定吸光度時(shí)樣液的定容體積（mL）；V1—提取液總體積（mL）；V0—測定吸光度移取樣液的體積（mL）；W—樣品重量（g）。

1.2.3單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1微波作用功率對(duì)綠原酸提取量的影響微波時(shí)間30s，纖維素酶添加量1.0%，浸提劑乙醇濃度60%，料液比1∶20（g/mL），浸提溫度50℃，浸提時(shí)間1.0h，考察微波作用功率（0、80、240、400、640、800W）對(duì)綠原酸提取量的影響。

1.2.3.2微波時(shí)間對(duì)綠原酸提取量的影響微波功率240W，纖維素酶添加量1.0%，浸提劑乙醇濃度60%，料液比1∶20（g/mL），浸提溫度50℃，浸提時(shí)間1.0h，考察微波時(shí)間（0、20、40、60、80、100s）對(duì)綠原酸提取量的影響。

1.2.3.3纖維素酶添加量對(duì)綠原酸提取量的影響微波功率240W，微波時(shí)間20s，浸提劑乙醇濃度60%，料液比1∶20（g/mL），浸提溫度50℃，浸提時(shí)間1.0h，考察纖維素酶添加量（0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.6%）對(duì)綠原酸提取量的影響。

1.2.3.4浸提劑乙醇濃度對(duì)綠原酸提取量的影響微波功率240W，微波時(shí)間20s，纖維素酶添加量1.4%，料液比1∶20（g/mL），浸提溫度50℃，浸提時(shí)間1.0h，考察浸提劑乙醇濃度（40%、50%、60%、70%、80%）對(duì)綠原酸提取量的影響。

1.2.3.5浸提時(shí)間對(duì)綠原酸提取量的影響微波功率240W，微波時(shí)間20s，纖維素酶添加量1.4%，浸提劑乙醇濃度60%，料液比1∶20（g/mL），浸提溫度50℃，考察浸提時(shí)間（0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5h）對(duì)綠原酸提取量的影響。

1.2.4響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取較佳的微波功率和纖維素酶添加量，以綠原酸提取量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，浸提時(shí)間、微波時(shí)間、乙醇濃度3個(gè)因素進(jìn)行Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)［10］，確定最佳提取工藝條件，因素水平編碼見表1。

表1　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素和水平編碼值Table 1　Coded values and corresponding real values of the optimization parameters tested in response surface analysis

1.2.5數(shù)據(jù)處理每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果表示為x± s。采用statistix 8.0（Analystical Software Inc.，USA）的Linear Models程序進(jìn)行，用Tukey HSD程序?qū)Σ町愶@著性（p＜0.05）或差異極顯著性（p＜0.01）進(jìn)行分析，采用Sigmaplot 11.0軟件作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1微波作用功率對(duì)綠原酸提取量的影響不同的微波作用功率對(duì)綠原酸提取量的影響結(jié)果見圖1。

圖1　微波功率對(duì)綠原酸提取量的影響Fig.1　Effect of microwave power on extraction rate of chlorogenic acid

圖1看出，隨著微波功率的提高，綠原酸提取量增加，這是因?yàn)橹饾u增加的熱量使細(xì)胞內(nèi)水分汽化而實(shí)現(xiàn)微波破壁的能力逐漸加強(qiáng)，有效物質(zhì)更易溶出。微波功率為240W時(shí)提取量顯著提高（p＜0.05）。當(dāng)微波功率繼續(xù)提高時(shí)，由于較大的微波功率會(huì)使樣品溫度瞬間升高，使綠原酸變性造成其損失，故微波功率為240W為宜。

2.1.2微波時(shí)間對(duì)綠原酸提取量的影響不同的微波時(shí)間對(duì)綠原酸提取量的影響結(jié)果見圖2。

圖2　微波時(shí)間對(duì)綠原酸提取量的影響Fig.2　Effect of microwave time on extraction rate of chlorogenic acid

由圖2看出，隨著微波時(shí)間的延長，綠原酸提取量逐漸增加，20s時(shí)達(dá)到最大（p＜0.05），再隨著微波時(shí)間的延長，提取量反而下降，這可能是由于微波時(shí)間過短，破壁不完全，而長時(shí)間的微波輻射會(huì)導(dǎo)致樣品溫度升高，使綠原酸變性，故微波時(shí)間選擇20s為宜。

2.1.3纖維素酶添加量對(duì)綠原酸提取量的影響不同纖維素酶添加量對(duì)綠原酸提取量的影響結(jié)果見圖3。

圖3　纖維素酶添加量對(duì)綠原酸提取量的影響Fig.3　Effect of cellulase addition amount on extraction rate of chlorogenic acid

由圖3看出，纖維素酶添加量在0.8%～1.4%的范圍內(nèi)，隨著纖維素酶添加量的增加，綠原酸提取量顯著增加（p＜0.05），這是因?yàn)槔w維素酶能有效分解細(xì)胞壁中的纖維素，使有效物質(zhì)更好的溶出。當(dāng)添加量為1.4%以后，隨著加酶量的增加，綠原酸提取量增加并不顯著（p＞0.05），這可能是由于繼續(xù)添加的酶已經(jīng)沒有足夠的底物與之反應(yīng)，因此綠原酸提取量變化不明顯。故為了節(jié)省酶的用量，纖維素酶的添加量為選擇1.4%為宜。

2.1.4浸提劑乙醇濃度對(duì)綠原酸提取量的影響不同的浸提劑乙醇濃度對(duì)綠原酸提取量的影響結(jié)果見圖4。

由圖4看出，隨著乙醇濃度的增加，綠原酸提取量顯著增加（p＜0.05），當(dāng)乙醇濃度為60%時(shí)，提取量達(dá)到最大。隨后隨著乙醇濃度的繼續(xù)增加，提取量反而顯著（p＜0.05）下降，這可能是由于高濃度的乙醇一方面更易于揮發(fā)，使的乙醇濃度依然會(huì)降低；另一方面可能會(huì)溶出一些雜質(zhì)，導(dǎo)致綠原酸的提取量下降，故乙醇濃度選擇60%為宜。

2.1.5浸提時(shí)間對(duì)綠原酸提取量的影響不同的浸提時(shí)間對(duì)綠原酸提取量的影響結(jié)果見圖5。

圖4　乙醇濃度對(duì)綠原酸提取量的影響Fig.4　Effect of ethanol concentration on extraction rate of chlorogenic acid

圖5　浸提時(shí)間對(duì)綠原酸提取量的影響Fig.5　Effect of extraction time on extraction rate of chlorogenic acid

由圖5看出，隨著浸提時(shí)間的延長，玉米須綠原酸提取量顯著增加（p＜0.05）；當(dāng)浸提時(shí)間大于1.5h后，隨著浸提時(shí)間的延長，綠原酸提取量趨于平緩，差異不顯著（p＞0.05）。這可能是由于當(dāng)時(shí)間為1.5h時(shí)，綠原酸已基本浸出，從節(jié)約能源角度考慮，浸提時(shí)間選擇1.5h為宜。

2.2響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果及方差分析在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)浸提時(shí)間、微波時(shí)間、乙醇濃度進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果見表2。

將表2所得數(shù)據(jù)采用Design Expert軟件進(jìn)行回歸分析，三個(gè)因素經(jīng)擬合得到以綠原酸提取量（Y）為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程：

Y=－19.74542+13.93000X1+0.47808X2+0.34875X3－0.097500X1X2－0.094500X1X3+0.000925X2X3－1.87833X12－0.00779583X22－0.00154583X32。

回歸模型的方差結(jié)果（表3）表明，浸提時(shí)間、微波時(shí)間、乙醇濃度對(duì)綠原酸提取量的影響極顯著（p＜0.01），且大小順序?yàn)槲⒉〞r(shí)間（X2）、乙醇濃度（X3）、浸提時(shí)間（X1）?；貧w模型p=0.0007＜0.01達(dá)到極顯著水平，說明該方程能夠準(zhǔn)確反映綠原酸提取量與各因素之間的關(guān)系。失擬項(xiàng)p=0.1249＞0.05，不顯著，說明方程對(duì)實(shí)驗(yàn)擬合良好，實(shí)驗(yàn)誤差小。相關(guān)系數(shù)R2= 0.9827，表明有98.27%的數(shù)據(jù)可以用此回歸模型來解釋。

2.2.2雙因素交互分析由方差分析（表3）看出，本實(shí)驗(yàn)所建立的數(shù)據(jù)模型中X1X2（浸提時(shí)間與微波時(shí)間）、X1X3（浸提時(shí)間與乙醇濃度）的交互作用均達(dá)到極顯著水平（p＜0.01），即它們的交互作用對(duì)玉米須綠原酸提取量有極顯著影響，其交互作用響應(yīng)面圖如圖6所示。

表2　Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2　Box-Behnken experimental design and results for response surface analysis

表3 回歸模型方差分析Table 3　Results of variance analysis using the regression model

圖6　各因素交互作用對(duì)綠原酸提取量的影響Fig.6 Response surface for the effects of extraction time，microwave time，ethanol concentration on extraction rate of chlorogenic acid

由圖6看出，微波時(shí)間相對(duì)于乙醇濃度、浸提時(shí)間的曲線較陡，等高線沿著微波時(shí)間軸變化相對(duì)密集，說明微波時(shí)間的影響較顯著。微波時(shí)間固定時(shí)，乙醇濃度的曲線比浸提時(shí)間的陡峭，且等高線隨著乙醇濃度值變化相對(duì)密集，說明乙醇濃度的影響比浸提時(shí)間的影響大，這與回歸模型的方差分析結(jié)果一致。

2.2.3最佳提取工藝條件的確定通過軟件分析，得出最優(yōu)的提取工藝條件為浸提時(shí)間1.25h，微波時(shí)間27.03s，乙醇濃度70%，此時(shí)玉米須綠原酸提取量達(dá)到最大值8.98409mg/g。為檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性，考慮到實(shí)驗(yàn)操作的可行性，采用浸提時(shí)間1.25h，微波時(shí)間27s，乙醇濃度70%，在此條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到玉米須綠原酸的實(shí)際提取量為8.94mg/g，與理論預(yù)測的誤差為0.4%，說明響應(yīng)面優(yōu)化得到的提取工藝條件準(zhǔn)確可靠，具有可行性。

3　結(jié)論

利用微波協(xié)同酶法提取玉米須中的綠原酸，具有提取條件溫和，提取效率高，省時(shí)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對(duì)微波-纖維素酶輔助提取玉米須綠原酸的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)浸提溫度、微波時(shí)間、乙醇濃度對(duì)綠原酸提取量影響均極顯著（p＜0.01）；在因素交互作用中，只有微波時(shí)間與乙醇濃度的交互作用不顯著。纖維素酶協(xié)同微波提取的最優(yōu)工藝條件為微波功率240W、微波時(shí)間27s、纖維素酶添加量1.4%、浸提時(shí)間為1.25h、乙醇濃度70%，在此條件下玉米須綠原酸提取量為8.94mg/g。

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Optimization of microwave-assisted cellulase pretreatment extraction for chlorogenic acid from corn silk

GUAN Hai-ning1，2，QIAO Xiu-li1，2，DIAO Xiao-qin1，CHI Cai-xia1
（1.College of Food and Pharmaceutical Engineering，Suihua College，Suihua 152061，China；2.Key Laboratory of Food Analysis and Detection，Suihua College，Suihua 152061，China）

The optimum conditions for the extraction of chlorogenic acid from corn silk were determined using response surface methodology.On the basis of single-factor experiments，selecting microwave time，ethanol concentration and extraction time as independent variables，response surface methodology was applied to investigate the effect of three variables on extraction rate of chlorogenic acid.The optimal extraction conditions were obtained as follows:microwave power 240W，microwave time 27s，cellulase addition amount 1.4%，ethanol concentration 70%，and extraction time 1.25h.Under these conditions，the extraction rate of chlorogenic acid was up to 8.94mg/g.

corn silk；chlorogenic acid；cellulase；microwave；response surface methodology

TS210.1

A

1002-0306（2015）10-0198-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.10.032

2014－07－21

關(guān)海寧（1980-），男，碩士研究生，副教授，主要從事食品營養(yǎng)與分析檢測及副產(chǎn)物綜合利用方面的研究。

綏化學(xué)院2014年科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目［K1401011］。