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超声波辅助提取南瓜瓤中隐黄素的响应面工艺优化



全 文 :274
超声波辅助提取南瓜瓤中隐黄素的
响应面工艺优化
王洪洋,谢春阳*
( 吉林农业大学食品科学与工程学院,吉林长春 130118)
摘 要:研究了以超声波为辅助提取南瓜瓤中隐黄素的实验条件。通过单因素实验确定了从南瓜瓤中提取隐黄素的
条件。在此基础上,用 Box-Behnken组合实验设计来优化实验条件。以 3 因素 3 水平的响应面实验优化了隐黄素提
取的最佳工艺条件。最佳条件如下: 提取温度为 38.6℃,料液比为 1∶15,超声波功率为 135W,超声波作用次数为 2 次。
在最佳提取条件下,隐黄素的得率为 0.2354‰。
关键词:南瓜瓤,隐黄素,响应面法,超声波辅助提取
Condition optimization of ultrasonic assisted extraction technology
of crptoxanthin from pumpkin pulp by response surface methodology
WANG Hong-yang,XIE Chun-yang*
( College of Food Science and Engineering,Jilin Agriculture University,Changchun 130118,China)
Abstract: A trial was made to study the optimum technology of crptoxanthin extraction from pumpkin pulp by
ultrasonic assisted methodology.Cryptoxanthin of ultrasonic assisted extraction from pumpkin pulp was assured
through the single factor experiment.On the basis of previous experiments data,the principles of Box-Behnken
design were used to optimize the conditions.Response surface methodology( RSM) with 3 factors and 3 levels was
used to explore the effect of each factor on the yield of crptoxanthin extraction.The optimum conditions were as
follows: extraction temperature was 38.6℃,solid- liquid ratio was 1∶15,ultrasonic power was 135W,and ultrasonic
extraction was twice.Under the optimal conditions above,the cryptoxanthin yield was 0.2354‰.
Key words: pumpkin pulp ; cryptoxanthin; response surface methodology; ultrasonic assisted extraction
中图分类号:TS201.1 文献标识码:B 文 章 编 号:1002-0306(2013)17-0274-05
收稿日期:2013-03-06 * 通讯联系人
作者简介:王洪洋( 1988- ) ,男,在读硕士研究生,研究方向:农产品食
品加工工艺及其应用。
隐黄质(Cryptoxanthin) 又名隐黄素[1],属于类胡
萝卜素中的一种,分为 α 型与 β 型,其系统命名为
3-羟基-β-胡萝卜素[2],其分子式为 C40H56O,其结构
如图 1 所示。在自然界中经常与 α-胡萝卜素、β-胡
萝卜素、叶黄素和玉米黄质共存,其在人体血液中也
有一定含量。在蔬菜水果中[3],如柑桔皮、南瓜[4]、枇
杷果、柿子中呈现浅黄色的部分含量较多,温州蜜柑
皮中含有一定量的 β-隐黄素[5]。南瓜在北方种植比
较广泛且价格便宜,原材料易于获得,在鲜食中,主
要的可食部分是果肉,而南瓜瓤和种子几乎全部废
弃,南瓜瓤较南瓜果肉颜色深,含有一定量的隐黄
素。故选用废弃的南瓜瓤来提取。隐黄素在国外已
经应用广泛,市场前景较好,已经被美国 FDA( 美国
食品药品管理局) 认证为对人体安全的物质。近些
年,科学家在发表科研成果称在温州柑桔中提取出
了 β-隐黄素,且通过动物毒理学实验证明了其多种
的生物功能,如预防肿瘤[6]、抗氧化与疲劳、清除自由
基[7]、降低关节炎风险、降低血压等多重生理功能。
超声波是一种能量波[8],其在食品工业领域已应用到
了提取研究上,应用该技术可以做到高效与节能[9]。
目前应用主要是在天然物质提取,功能性成分提取
等方面。本实验选用超声波作为提取的辅助方法,
通过使用有机溶剂浸提研究了南瓜瓤中隐黄素的提
取工艺,通过 design- expert 软件的响应面优化功能
进行优化,为工业上从南瓜中提取隐黄素,提供一定
的技术参考。
图 1 β-隐黄素分子结构
Fig.1 Molecular structure of β-cryptoxanthin
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
南瓜 购于长春市中东市场; 隐黄素标准
品 Sigma公司;甲醇、乙醇、丙酮、正己烷均为分析纯。
UV2300 紫外分光光度计 上海天美科学仪器
有限公司;TB-214 电子天平 北京赛多利斯天平有
DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2013.17.095
275
限公司;JY92-Ⅱ超声波细胞粉碎机 宁波新芝生物
科技股份有限公司;XMTD - 4000 电热恒温水浴
锅 北京市永先明医疗仪器厂。
1.2 实验方法
1.2.1 样品预处理 选取市购的无机械损伤的新鲜
南瓜,切分后除去种子,研磨成匀浆后放入冰箱中
备用。
1.2.2 标准曲线绘制 用电子分析天平精确称取
1mg隐黄素标准物质,以丙酮为溶剂溶解后,转移至
10mL容量瓶中并定容。使用移液枪精确吸取 50、
100、150、200、250、300μL 分别放置于 10mL 容量瓶
中,用丙酮定容至 10mL,摇匀。以丙酮为空白,在
450nm处测定吸光值。以吸光值(Y) 为纵坐标,浓度
(X) 为横坐标,绘制计算用的标准曲线( 见图2)。
图 2 β-隐黄素标准曲线
Fig.2 Standard curve of β-cryptoxanthin
1.2.3 南瓜瓤中隐黄素得率的测定 取实验中的样
液进行测定,按照下面的公式计算南瓜瓤中隐黄素
含量的得率(‰)。
得率(‰)=(OD 值 + 0.0188)× 500 ÷(0.341 ×
106 × m)
OD:吸光值;m 为样品的质量 g;106 为换算单
位;500 为稀释的倍数;0.0188、0.341 为标准曲线方程
的系数。
1.2.4 提取所用有机溶剂的筛选 根据所要提取的
目标物质的极性[10-11],分别使用甲醇、乙醇、丙酮和正
己烷进行实验。分别称量一定量的南瓜瓤匀浆,以
料液比为 1 ∶ 15,温度为 35℃,超声波作用功率为
135W,超声波作用时间为 30min,浸提 1 次的实验条
件进行实验,通过测定提取液的吸光值来确定提取
情况的好坏,以确定所使用的有机溶剂的种类。
1.2.5 提取次数对提取得率的影响 为了提取出南
瓜瓤中的较多隐黄素,将有机提取次数设为 1、2、3、4
次。最后将所有的提取液合并,总量为所需要的料
液比。最后测定溶液的吸光值以确定最佳的有机溶
剂浸提次数。
1.2.6 超声波作用时间对得率的影响 在超声波功
率一定的条件下,超声波作用时间的多少标示着对
南瓜瓤细胞施加能量的多少。现选取 10、20、30、40、
50min作为梯度进行实验,测定提取溶液的吸光值以
确定最佳的作用时间。
1.2.7 单因素实验条件的梯度实验 选取合适的有
机溶剂后,分别以料液比、温度和超声波功率进行单
因素实验。当温度固定在 40℃ 且超声波功率为
130W时,料液比梯度为 1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25;当
料液比固定在 1∶15 且超声波功率为 130W 时,温度
梯度[12]为 30、35、40、45、50℃; 当温度固定在40℃且
料液比为 1∶15 时,超声波功率梯度为 120、130、140、
150、160W。分别进行单因素实验后得出相对合适的
单因素实验的范围后使用 design- expert 软件进行
优化。
1.2.8 响应曲面实验 将单因素实验的结论数据应
用进行理论分析后,设置合适的范围进行响应曲面
实验[13],选择 BB(Box-Behnken) 组合实验[14],响应
曲面实验的因素与水平情况见表 1。
表 1 响应面实验的因素与水平表
Table 1 Factors and levels of response surface methodology
水平
因素
A温度
(℃)
B料液比
(g∶mL)
C超声波功率
(W)
- 1 30 1∶10 120
0 40 1∶15 135
1 50 1∶20 150
2 结果与分析
2.1 绘制标准曲线
曲线公式为:y = 0.341x-0.018( 其中R2 = 0.998)
2.2 提取溶剂种类的筛选结果
由表 2 可知不同种类溶剂对隐黄素提取效果的
影响,乙醇提取隐黄素溶液的吸光值最高,正己烷溶
液吸光值较低。可推测出乙醇作为提取剂提取的效
果较好,且乙醇的毒性较低,更容易回收。综合权衡
选取乙醇作为提取隐黄素的有机溶剂。
表 2 不同种类有机溶剂提取隐黄素溶液的吸光值
Table 2 Effects of different solvent on crptoxanthin extraction
溶剂种类 甲醇 乙醇 丙酮 正己烷
OD值 0.702 0.735 0.688 0.091
2.3 浸提次数对隐黄素提取的影响
由图 3 可知,从总体数据上看,随着提取次数的
增加,提取溶液的吸光值逐渐增加; 从部分数据上
看,在提取次数由 1 次增加到 2 次时,有机溶液的吸
光值有明显的提高,但是当次数继续增加,提取液的
浓度增加不是特别明显。可能是因为浸提次数少,
隐黄素尚未完全溶解到有机溶剂中,浸提次数为 2
次时,隐黄素则已经大部分溶解在有机溶剂中,因此
选择提取次数为 2 次。
2.4 超声波作用时间对隐黄素提取的影响
从图 4 中可以得出结论,超声波作用时间在
30min左右最佳。作用时间过短,隐黄素提取溶液的
浓度没有达到较高值;提取时间过长,隐黄素溶液的
浓度也基本与 30min持平,作用时间再增加,隐黄素
提取溶液的吸光值增加不明显。故选定超声波作用
时间为 30min。
2.5 以温度为梯度进行单因素实验
从图 5 中可以观测到,在 40℃左右隐黄素的提
取液吸光值最高,高于 40℃的提取液的吸光值都有
276
图 3 提取次数对隐黄素提取效果的影响
Fig.3 Effect of times on crptoxanthin extractions
图 4 超声波作用时间对隐黄素提取效果的影响
Fig.4 Effect of ultra-sonic wave time
on crptoxanthin extractions
降低的趋势,这可能是高温对隐黄素有破坏作用; 当
温度低于 40℃时,提取液的吸光值也有下降的趋势,
这可能是因为过低温不利于细胞的破坏及隐黄素从
细胞中溶解出。因而将 40℃作为最佳的提取条件。
图 5 温度对隐黄素提取的影响
Fig.5 Effect of temperature on crptoxanthin extraction
2.6 以料液比为梯度进行单因素实验
从图 6 中可以观察出在料液比 1 ∶10 与 1 ∶15 之
间,提取溶液的吸光值有较大的提高,但随着料液比
的继续提高,当高于 1∶15 后,提取液的吸光值增加的
不明显。过高的料液比会造成原料的浪费,故选取 1
∶15 作为最佳的提取条件。
2.7 以超声波功率为梯度进行单因素实验
从图 7 可以观察到,超声波功率在 140W时提取
液的吸光值最高,功率低于 140W吸光值有下降的趋
势,可能是由于超声波功率低施加的能量少不足以
使细胞破坏;功率高于140W吸光值同样有下降的趋
势,可能是因为超声波功率过高施加的能量太高对
提取的隐黄素有破坏作用。同时超声波功率过高,
图 6 料液比对隐黄素提取的影响
Fig.6 Effect of solid-liquid ratio on crptoxanthin extraction
会使提取溶液的温度骤然急剧升高,也对隐黄素的
提取不利。
图 7 超声波功率对隐黄素提取的影响
Fig.7 Effect of ultra sonic wave power on crptoxanthin extraction
2.8 响应曲面实验数据分析
通过对上面的实验所得出的数据进行响应面优
化,采用 BB(Box-Behnken) 实验设计。通过软件分
析,模型失拟检验( 表4) 可知,二次模型失拟检验其
结果为不显著,标示着二次模型可以用于该实验的
优化,最后结果选取二次方程作为模型。
表 3 响应面优化实验设计表和实验结果
Table 3 The experimental design and results of RSM
实验号 A B C Y( 吸光值)
1 1 0 - 1 0.596
2 0 0 0 0.785
3 0 0 0 0.781
4 0 1 1 0.731
5 1 - 1 0 0.591
6 0 0 0 0.778
7 0 0 0 0.781
8 - 1 1 0 0.673
9 - 1 0 - 1 0.667
10 - 1 - 1 0 0.654
11 0 - 1 1 0.704
12 0 1 - 1 0.721
13 - 1 0 1 0.663
14 1 1 0 0.601
15 1 0 1 0.613
16 0 - 1 - 1 0.713
17 0 0 0 0.786
277
表 4 模型失拟检验
Table 4 Lack of Fit Test
模型 平方和 自由度 均方 F值 p值
线性模型 0.072 9 7.976E-003 745.45 < 0.0001
交互作用模型 0.072 6 0.012 1114.73 < 0.0001
二次模型 4.700E-005 3 1.567E-005 1.46 0.3507 选择
立方模型 0.000 0
净误差 4.280E-005 4 1.070E-005
表 5 实验结果方差分析表
Table 5 The variance analysis of experimental results
项目 平方和 自由度 均方 F值 p值
模型 0.080 9 8.941E-003 696.95 < 0.0001 **
A-温度 8.192E-003 1 8.192E-003 638.57 < 0.0001 **
B-料液比 5.120E-004 1 5.120E-004 39.91 0.0004 *
C-超声波功率 2.450E-005 1 2.450E-005 1.91 0.2095
AB 2.025E-005 1 2.025E-005 1.58 0.2493
AC 1.103E-004 1 1.103E-004 8.59 0.0220 *
BC 9.025E-005 1 9.025E-005 7.04 0.0328 *
A2 0.058 1 0.058 4529.49 < 0.0001 **
B2 5.151E-003 1 5.151E-003 401.49 < 0.0001 **
C2 3.783E-003 1 3.783E-003 294.90 < 0.0001 **
残差 8.980E-005 7 1.283E-005
失拟项 4.700E-005 3 1.567E-005 1.46 0.3507
净误差 4.280E-005 4 1.070E-005
总离差 0.081 16
R2 = 0.9989 R2Adj = 0.9975
在方差分析中,模型的 F 值为 696.95 标示着
模型差异显著,只有 0.01%的可能模型不可使用,
因此可以使用该模型。p < 0.05 的是模型中的显
著项,p > 0.1 是模型中的不显著项,在这个实验
中,A,B,AC,BC,A2,B2,C2 是显著的项。失拟检
验中的 F 值为 1.46 表明失拟项与标准误相比不
显著,只有 35.07%可能性失拟发生躁动,拟合情
况良好。
最终方程( 以编码形式给出) :吸光度= + 0.78-
0.032A + 8.000E - 003B + 1.750E - 003C - 2.250E -
003AB + 5.250E-003AC + 4.750E- 003BC-0.12A2 -
0.035B2-0.030C2
从 design - expert 软件中得到响应曲面图,从
图 8~图 10可以直观的看到两因素的交互作用对实
验结果的影响,曲面表现出上升并达到一定的顶点
随后又有下降的趋势,曲面坡度的陡峭程度表明变
化的情况,表明出现了最大值,通过使用软件的数据
分析可以优化出最佳的工艺条件。
2.9 响应曲面实验的最佳优化结果及实验验证
通过使用 design expert 软件对实验得到的数据
进行优化得到的最佳工艺条件为: 温度38.6℃,料液
比 1∶15.6,超声波功率 135.4W。为便于实验操作,对
软件优化的结果进行取整调整,温度选取 38.6℃,料
液比选取 1∶15,超声波功率选取 135W。对该结果进
行实验 3 次验证,与软件优化的结论吻合性较好,因
而具有较高的可信性。
图 8 超声波功率与料液比的交互作用
Fig.8 Effect of experimental factors interaction
on solid-liquid ratio and ultrasonic power
图 9 料液比与温度的交互作用
Fig.9 Effect of experimental factors interaction
on extraction temperature and solid-liquid ratio
( 下转第 289 页)
289
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32-36.
( 上接第 277 页)
图 10 超声波功率与温度的交互作用
Fig.10 Effect of experimental factors interaction
on extraction temperature and ultrasonic power
3 结论
本实验通过对南瓜瓤中的隐黄素的提取,通过
使用辅助的超声波能量加速提取,提取后的实验表
明:最佳的提取溶剂为乙醇,提取次数为2 次,超声
波作用时间为 30min。通过单因素实验后,使用
design-expert软件进行响应面优化,验证后取整,温
度选取 38.6℃,料液比选取 1 ∶15,超声波功率选取
135W。对优化的结果进行实验验证,表明预测性较
好,可以用来预测该工艺实验。在最佳工艺条件下
实验,南瓜瓤中的隐黄素得率为 0.2354‰。提取实验
的结果与所见论文的论述结论相吻合。该实验结果
可以为工业生产隐黄素提供一定的技术参考,在天
然物质的提取生产上具有一定的实际意义。
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