響應(yīng)面法優(yōu)化黑變紅棗棗皮類黑精細(xì)胞破碎和水浴聯(lián)動提取工藝

時川 高琳 孫欣 張仁堂

摘?要：研究表明，黑變紅棗棗皮類黑精的最大吸收波長為280nm，本試驗以黑變紅棗棗皮為原料，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化水浴與細(xì)胞破碎聯(lián)動對黑變紅棗棗皮類黑精提取工藝并建立回歸模型。結(jié)果表明：最佳提取工藝條件為水浴時間100min、水浴溫度78℃、細(xì)胞破碎時間為53min、細(xì)胞破碎功率66%。在此工藝條件下，測得黑變紅棗棗皮吸光度為1.072。與理論值1.031相比，相對誤差約3.9%。與常規(guī)水浴法和細(xì)胞破碎提取黑變紅棗棗皮類黑精相比，聯(lián)動水浴和細(xì)胞破碎提取效果更好。最佳提取級數(shù)為3級，提取率為91.38%。

關(guān)鍵詞：黑變紅棗棗皮;類黑精;響應(yīng)面法;水浴;細(xì)胞破碎;聯(lián)動;提取率

中國是紅棗的原產(chǎn)地，已經(jīng)有4 000多年的栽種歷史，資源十分豐富，年產(chǎn)量達(dá)400 t[1]。紅棗營養(yǎng)含量豐富，尤其是糖類、礦物質(zhì)、維生素和氨基酸更是高于蘋果、柑橘等常見水果。紅棗還具有抗腫瘤、抗衰老、保肝護(hù)脾、提高機(jī)體免疫力等作用，隨著對紅棗功能成分與藥理的深入研究，紅棗還具有富含多糖、環(huán)磷酸腺苷、皂貳類物質(zhì)、黃酮類等具有很高生理活性的特殊的功能成分[2]。目前我國紅棗產(chǎn)量連年增長，但紅棗產(chǎn)品加工企業(yè)大多處于初級階段，沒有高科技高附加值的產(chǎn)品，因此需要繼續(xù)拓寬紅棗深加工領(lǐng)域。

黑變紅棗是指將紅棗經(jīng)過控溫控濕高溫熟化發(fā)生美拉德反應(yīng)而形成的一種棗制品，黑變紅棗與未經(jīng)黑變的紅棗相比，5-羥甲基糠醛含量增加，總糖、還原糖、抗壞血酸和氨基酸態(tài)氮含量減少[3]。黑變紅棗由于其獨(dú)特的高溫熟化工藝，使得黑變紅棗富含有美拉德反應(yīng)產(chǎn)物—類黑精。類黑精是一種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，顏色呈深褐色的糖類與氨基酸等含氮化合物之間發(fā)生美拉德反應(yīng)后期所形成的一種大分子含氮化合物，具有抗氧化活性、促進(jìn)鐵吸收、抑菌、降壓等生理作用[4-5]。對于類黑精的提取和功能方面的研究，國際上研究的比較少，有關(guān)研究表明，在對食品進(jìn)行加熱處理的過程中產(chǎn)生的類黑精可以顯著地改善食品的某些物理性能，如賦予食品顏色、香味和質(zhì)地同時增加食品的適口性[6-8]。紅棗棗皮經(jīng)美拉德反應(yīng)黑變后棗皮含有大量的類黑精物質(zhì)，通過適當(dāng)?shù)姆绞綄⑵鋸脑牧现刑崛〕鰜?，才能更好的加以利用。?xì)胞破碎技術(shù)是指通過轉(zhuǎn)化化學(xué)、物理和生物法破壞細(xì)胞釋放胞內(nèi)有機(jī)物的技術(shù)，以機(jī)械破碎為主[9]。水浴提取則是傳統(tǒng)的提取目標(biāo)物的方法，Box-Behnken響應(yīng)面法是一種優(yōu)化工藝條件的有效方法，該法不僅可以建立連續(xù)變量曲面模型，對影響生物過程的因子及其交互作用進(jìn)行評價，確定最佳水平范圍，而且所需的試驗組數(shù)相對較少，可節(jié)省人力物力[10-12]。本文以黑變紅棗棗皮為原料，通過細(xì)胞破碎與水浴聯(lián)動提取黑變紅棗棗皮類黑精，通過響應(yīng)面法確定出最佳的提取工藝條件，目的是進(jìn)一步發(fā)掘黑變紅棗棗皮的可利用程度，為紅棗的綜合利用提供技術(shù)依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?材料與儀器

1.1.1?材料?寧陽圓鈴棗，泰安市大潤發(fā)超市。蒸餾水。

1.1.2?儀器?101-2ES 電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京市永光明醫(yī)療儀器廠;JYL-C19V 廚房機(jī)械料理機(jī);AX1242H 電子天平，奧豪斯儀器（常州）有限公司;UV-755B 紫外分光光度計，上海佑科儀器儀表有限公司;VCX150 超聲波破碎儀，上海思伯明儀器設(shè)備有限公司;HH-6 數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司。

1.2?方法

1.2.1?原料預(yù)處理?紅棗選擇寧陽圓鈴棗（干棗），將一定量的紅棗按一定的比例覆水1h，然后按照比例加水裝袋放入烘箱黑變72h，取出黑變紅棗將棗肉清洗干凈，棗皮放入80℃的烘箱內(nèi)烘干，粉碎過100目篩，放置于密閉容器中備用。

1.2.2?黑變紅棗棗皮類黑精最佳吸收波長的測定?精準(zhǔn)稱取2g黑變紅棗棗皮粉末，無損的轉(zhuǎn)移到燒杯中，加入150mL蒸餾水，在水浴時間30min、水浴溫度60℃、細(xì)胞破碎時間20min、細(xì)胞破碎功率30%的條件下聯(lián)動提取，過濾備用，取1mL粗提液加蒸餾水適當(dāng)稀釋，取蒸餾水作為空白對照，在200～400nm波長處測定類黑精的吸光度，確定黑變紅棗棗皮類黑精的最大吸收波長。

1.2.3?單因素試驗

（1）細(xì)胞破碎功率對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響：精確稱取0.5g黑變紅棗棗皮粉末，無損的轉(zhuǎn)移到燒杯中，加入150mL蒸餾水，在細(xì)胞破碎時間為10min的條件下，分別考察不同的細(xì)胞破碎功率下（20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%）對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響。

（2）細(xì)胞破碎時間對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響：精確稱取0.5g黑變紅棗棗皮粉末，無損的轉(zhuǎn)移到燒杯中，加入150mL蒸餾水，在細(xì)胞破碎功率20%的條件下，分別考察不同的細(xì)胞破碎時間下（10、20、30、40、50、60min）對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響。

（3）水浴時間對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響：精確稱取0.5g黑變紅棗棗皮粉末，無損的轉(zhuǎn)移到燒杯中，加入150mL蒸餾水，在水浴溫度50℃的條件下，分別考察不同的水浴時間下（40、50、60、70、80、90、100、110、120min）對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響。

（4）水浴溫度對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響：精確稱取0.5g黑變紅棗棗皮粉末，無損的轉(zhuǎn)移到燒杯中，加入150mL蒸餾水，在水浴時間40min的條件下，分別考察不同水浴溫度下（50、60、70、80、90、100℃）對黑變紅棗棗皮類黑精提取的影響。

1.2.4?黑變紅棗棗皮類黑精提取條件優(yōu)化?根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，綜合考慮各因素對黑變紅棗棗皮類黑精吸光度值的影響，選取對黑變紅棗棗皮類黑精吸光度影響較為顯著的水浴時間、水浴溫度、細(xì)胞破碎時間、細(xì)胞破碎功率4個因素，以黑變紅棗棗皮類黑精提取液吸光度值為為響應(yīng)值，建立四因素三水平的試驗設(shè)計，通過試驗確定最優(yōu)提取工藝。響應(yīng)面分析因素及水平見表1。

1.2.5?提取率與提取級數(shù)的測定?在確定最佳提取條件下，多次的浸提一定量的經(jīng)粉碎的黑變紅棗棗皮，直至浸提液接近于無色，分別收集各次的浸提液并測定其體積Ai與Vi，最后合并各次提取液得到總體積V與總吸光度A，計算各次的提取率，確定提取級數(shù)，提取率計算公式為式（1）：

提取率（%）=AiVi/AV×100%（1）

2?結(jié)果與分析

2.1?黑變紅棗棗皮類黑精最佳吸收波長的測定

由圖1可以看出，黑變紅棗棗皮類黑精吸收峰在250～300nm之間，本試驗確定黑變紅棗棗皮類黑精的最佳吸收波長為280nm。

2.2?細(xì)胞破碎輔助提取黑變紅棗棗皮類黑精的單因素試驗結(jié)果

2.2.1?細(xì)胞破碎功率對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響?由圖2可以看出，細(xì)胞破碎功率為20%～100%，隨著功率的不斷增加，黑變紅棗棗皮類黑精的吸光度值也隨之提高，當(dāng)功率到達(dá)70%時達(dá)到峰值，之后黑變紅棗棗皮類黑精的吸光度值提高的功率開始減小，對黑變紅棗棗皮類黑精吸光度無顯著性影響（P<0.05），這是由于功率的不斷增加，細(xì)胞破碎儀所產(chǎn)生的空化作用所帶來的沖擊波與局部高溫隨之增加，對于棗皮破碎的力度不斷加大[13]，類黑精的提取效果也隨之提高。綜合考慮細(xì)胞破碎功率對吸光度值的影響，選取60%、70%、80%做響應(yīng)面分析以確定最佳的提取功率。

2.2.2?細(xì)胞破碎時間對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響?由圖3可以看出，細(xì)胞破碎時間為10～60min，隨著時間的不斷增加，黑變紅棗棗皮類黑精的吸光度值也隨之提高，當(dāng)時間達(dá)到50min時達(dá)到峰值，顯著高于其他時間的吸光度（P<0.05），之后黑變紅棗棗皮類黑精的吸光度值提高的幅度開始減小，吸光度值降低，可能由于隨著細(xì)胞破碎時間的延長，細(xì)胞破碎儀所產(chǎn)生的超聲波具有強(qiáng)大的機(jī)械剪切作用，長時間的作用下使得類黑精結(jié)構(gòu)里高分子化合物結(jié)構(gòu)破壞[14]，使得吸光度值下降，而且長時間的細(xì)胞破碎還會造成大量雜質(zhì)成分的溶出，綜合考慮細(xì)胞破碎時間對吸光度值的影響，選取40、50、60min做響應(yīng)面分析以確定最佳的提取時間。

2.3?水浴輔助提取黑變紅棗棗皮類黑精的單因素試驗結(jié)果

2.3.1?水浴時間對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響?由圖4可以看出，水浴的時間為40～120min，隨著水浴時間的不但增加，黑變紅棗棗皮類黑精的吸光度值呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)水浴時間到達(dá)100min時達(dá)到最大值，顯著高于其他時間的吸光度（P<0.05），并且在100min后形成拐點(diǎn)，吸光度值下降，這是由于隨著水浴時間的增加，黑變紅棗棗皮里面的類黑精得到充分溶解，吸光度值增大。當(dāng)水浴時間達(dá)到100min時達(dá)到最大值后隨著時間延長，雜質(zhì)含量增多，有效成分下降，也可能由于溶出的類黑精隨著時間延長而發(fā)生降解[15]。綜合考慮水浴時間，選取80、10、120min做響應(yīng)面分析以確定最佳水浴提取時間。

2.3.2?水浴溫度對黑變紅棗棗皮類黑精提取效果的影響?由圖5可以看出，在水浴溫度在50～80℃之間，黑變紅棗棗皮類黑精的吸光度隨溫度的增大而顯著增加（P<0.05）。繼續(xù)增加溫度，吸光度無顯著性差異（P>?0.05），這是由于隨著水浴溫度的不斷增加，分子熱運(yùn)動加劇，分子的擴(kuò)散速度也隨之加快，使得黑變紅棗棗皮里面的類黑精加速進(jìn)入水中，使得吸光度不斷增加[16]。綜合考慮水浴溫度，選取70、80、90℃做響應(yīng)面分析以確定最佳水浴提取溫度。

2.4?細(xì)胞破碎水浴聯(lián)動提取黑變紅棗棗皮類黑精的響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

2.4.1?響應(yīng)模型的建立與分析?在單因素試驗的基礎(chǔ)上，綜合考慮各因素對黑變紅棗棗皮提取效果的影響，依據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，通過響應(yīng)面法對水浴時間、水浴溫度、細(xì)胞破碎功率、細(xì)胞破碎時間4個因素分析得到試驗方案和結(jié)果。對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得黑變紅棗棗皮類黑精對編碼自變量水浴時間、水浴溫度、細(xì)胞破碎時間、細(xì)胞破碎功率的二次多項回歸方程：吸光度=-26.86+0.018A+0.015B+0.048C-0.084D-?003AB-003AC+0.013AD-0.024BC+0.048BD-0.023CD-0.08A?2-0.045B?2-0.097C?2-0.1D?2

表3方差分析可以看出，P模型<0.000 1，表明回歸模型極顯著;黑變紅棗棗皮類黑精吸光度失擬項P=0.588 6，表明失擬不顯著，所選用的二次回歸模型是適當(dāng)?shù)?試驗?zāi)Ｐ偷臎Q定系數(shù)R?2=92.69%，說明黑變紅棗棗皮類黑精吸光度的結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果有著良好的一致性，試驗?zāi)Ｐ偷男Ｕ禂?shù)R?2Adj=85.38%，說明試驗結(jié)果有85.38%受試驗因素的影響，因此，結(jié)果可靠，此模型可以對結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測。回歸方程各項方差分析中F檢驗可以判斷自變量對因變量的影響，一次項中C和D即細(xì)胞破碎時間與細(xì)胞破碎功率的影響極為顯著，交互項中BD的影響顯著，說明水浴溫度與細(xì)胞破碎功率對黑變紅棗棗皮類黑精吸光度的影響顯著，二次項中A?2、B?2、C?2、D?2的影響都極為顯著。各個因素對黑變紅棗棗皮類黑精吸光度影響的大小順序為：D（細(xì)胞破碎功率）>C（細(xì)胞?破碎時間）>A（水浴時間）>B（水浴溫度）。

2.4.2?黑變紅棗棗皮類黑精的響應(yīng)面分析?利用Design-Expert 8.0.6軟件對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合。如圖6所示，響應(yīng)面坡度越陡峭，表明響應(yīng)值對于操作條件的改變越敏感，該因素對黑變紅棗棗皮類黑精吸光度值影響越大;反之則表明因素對吸光度的影響越小。等高線圖反映了存在極值的條件在圓心處。在交互項對吸光度的影響中，水浴溫度和細(xì)胞破碎時間交互作用明顯，其他因素之間交互作用不明顯，這與方差分析的結(jié)果一致。

2.4.3?確定最佳提取條件與驗證回歸模型?通過響應(yīng)面法得到黑變紅棗棗皮類黑精最佳提取工藝參數(shù)為水浴時間101.24min、水浴溫度78.17℃、細(xì)胞破碎時間為53.25min、細(xì)胞破碎功率為65.05%，此工藝條件下黑變紅棗棗皮類黑精理論吸光度值為1.031，實(shí)際操作過程中調(diào)整工藝參數(shù)為水浴時間10min、水浴溫度78℃、細(xì)胞破碎時間53min、細(xì)胞破碎功率66%，在此條件下進(jìn)行驗證試驗，得到類黑精吸光度平均值為1.072，其相對誤差約為3.9%，說明回歸方程模型比較可靠，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

2.5?提取級數(shù)的確定

在確定最佳提取黑變紅棗棗皮類黑精工藝條件下，多次的浸提一定量的棗皮，按照1.2.4中的方法計算計算提取率。通過表4可以看出，隨著提取次數(shù)的增加，提取效率也隨之增加，2次提取的提取率為80.75%，3次提取的提取率為91.38%，可以看出3次提取就可以提取出黑變棗皮中的大多數(shù)類黑精，所以選擇3次提取作為最佳提取級數(shù)。

3?討論

細(xì)胞破碎儀是將電能通過換能器轉(zhuǎn)換為聲能，這種能量通過液體介質(zhì)而變成一個個密集的小氣泡，這些小氣泡迅速炸裂，產(chǎn)生的象小炸彈一樣的能量，從而起到破碎細(xì)胞等物質(zhì)的作用。通過聯(lián)動水浴與細(xì)胞破碎提取黑變紅棗棗皮類黑精，相比單一法提取類黑精其提取的吸光度值明顯更高，更能將類黑精從黑變紅棗棗皮中提取出來。但是細(xì)胞破碎單次破碎紅棗棗皮量有限制，對以后大批量提取破碎提取黑變紅棗棗皮類黑精有一定的影響，如何對黑變紅棗進(jìn)行大批量細(xì)胞破碎提取類黑精是將來試驗研究的重點(diǎn)。

4?結(jié)論

本試驗以寧陽圓鈴棗為原料，采用聯(lián)動水浴細(xì)胞破碎輔助提取黑變紅棗棗皮類黑精，并且通過響應(yīng)面法優(yōu)化了黑變紅棗棗皮類黑精提取工藝，聯(lián)動水浴細(xì)胞破碎提取黑變紅棗棗皮類黑精的最佳提取工藝為水浴時間101min、水浴溫度78℃、細(xì)胞破碎時間53min、細(xì)胞破碎功率66%，在此條件下進(jìn)行驗證試驗測得類黑精的吸光度為1.072，與預(yù)測值的吸光度1.031相對誤差為3.9%，擬合良好，在此條件下最佳提取級數(shù)為3級，提取率為91.38%?！?/p>

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Optimization of Ultrasound-Assisted Extraction and Combined Water Bath and Cell Disruption of Blacken Jujube Peel Melanoidin

SHI Chuan，GAO Lin，SUN Xin，ZHANG Ren-tang

（College of Food Science and Engineering，Shandong Agricultural University，Taian 271018，China）

Abstract：Study shows that the maximum absorption wavelength of melanin in blacken jujube peel melanoidin is 280nm.With black jujube peel as raw material，on the basis of single factor experiment，response surface methodology was used to optimize the extraction process of melanosperm from blacken jujube peel melanoidin by linkage water bath and cell breakage and establish regression model.The results showed that the optimum extraction conditions were water bath time of 100min，water bath temperature 78℃，cell fragmentation time of 53min，and cell fragmentation amplitude of 66%.Under this technological condition，the absorbance of black jujube peel was 1.072.Compared with the theoretical value of 1.031，the relative error was about 3.9%.Compared with the conventional water bath method and cell crushing method，the combined water bath and cell crushing extraction effect were better.The optimum extraction stage was 3 and the extraction rate was 91.38%.

Keywords：blacken jujube peel;melanoidin;response surface methold;water bath;cell disruption;linkage;extraction efficiency

（責(zé)任編輯?唐建敏）