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响应面法优化微波提取沙果渣多酚工艺的研究
李淑芬 1 , 朱丹 2 , 牛广财 1﹡ , 彭方杰 1 , 魏文毅1
(1.黑龙江八一农垦大学食品学院 , 大庆　163319;
2.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院 , 大庆　163319)
　　摘　要:以沙果渣为原料 , 用乙醇溶液为溶剂提取其中的多酚物质。在单因素试验基础上 , 选择乙醇浓
度 、 料液比 、 微波功率 、 微波时间为自变量 , 多酚提取量为响应值 , 根据 Box-Behnken试验设计原理 , 应用
四因素三水平的响应面分析方法 , 由 SAS软件得到二次多项式回归方程的预测模型 , 通过响应面法优化其提
取工艺。结果表明:乙醇浓度 、 料液比 、 微波功率 、 微波时间等 4个因素对沙果渣多酚的提取都有极显著的
影响 (P<0.01)。响应面分析得到的回归模型能够较好地预测实际提取量 , 微波法提取沙果渣多酚的最佳工
艺条件为:乙醇浓度 52%、 料液比 1 ∶21、 微波功率 540W、 微波时间 123s, 该条件下得到沙果渣多酚提取量
为 4.27mg/g, 达到理论预测值的 97.05%。与常规溶剂提取法相比 , 微波辅助提取法显著提高了沙果渣多酚
提取量 , 大大缩短了提取时间。
关键词:沙果渣;多酚;响应面分析;微波法;提取
中图分类号:TS255　　　文献标识码:A　　　文章编号:1006-2513(2011)02-××××-05
Optimizationofmicrowaveextractionofpolyphenolsfrom
malusasiaticapomacebyresponsesurfacemethodology
LIShu-fen1 , ZHUDan2 , NIUGuang-cai1﹡ , PENGFang-jie1 , WEIWen-yi1
(1.FoodColege, HeilongjiangBayiAgriculturalUniversity, Daqing163319;
2.LifeScienceandTechnologyColege, HeilongjiangBayiAgricultural
University, Daqing163319)
Abstract:Thepolyphenolswereextractedfromthemalusasiaticapomacebyethanol, basedonthesinglefactorexperi-
mentalanalysis, theeffectsofethanolconcentration, material/liquidratio, microwavepowerandmicrowavetimeon
extractionyieldofpolyphenolswereevaluatedbyresponsesurfaceanalysismethodology(RSM).BasedonBox-Be-
hnkenexperimentaldesignprinciple, RSMdesignofthreefactorsandthreelevelswasapplied.Aregressionequation
predictionmodelwasestablishedbySASsoftwarefortheanalysisofresponsesurfacevalues, andtheextractionprocess-
ingparameterswereoptimized.Theresultsshowedthattheabovefourfactorsreachedasignificantlevelontheyield
(P<0.01), thepracticalextractionyieldwaswelpredictedbytheregressionmodel.Theoptimumextractioncondi-
tionswereasfollows:ethanolconcentrationwas52%, material/liquidratio(g/mL)was1 ∶21, microwavepower
was540Wandmicrowavetimewas123s.Undertheseconditions, theextractionyieldofmalusasiaticapomacepoly-
phenolswas4.27mg/g, whichwasconsistentwiththepredictionof97.05%.Comparedwithsolventextraction, appli-
cationofmicrowaveincreasedtheyieldofpolyphenolsgreatlyandalsoshortenedtheextractiontime.
Keywords:malusasiaticapomace;polyphenols;responsesurfacemethodology;microwavemethod;extraction
收稿日期: 2010-11-10　　　　　＊通讯作者
基金项目:黑龙江省大庆市科学技术计划项目。
作者简介:李淑芬 (1983-), 女 , 硕士研究生 , 研究方向为农产品加工及贮藏工程。
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沙果 , 又名文林果 、 海棠果 、 花红果 , 产于
我国东北 。沙果中含有较多的植物多酚类物
质 [ 1] 。植物多酚是一类天然的强还原性物质 , 也
是一类具有独特生理活性和药理活性的天然产
物 。近年来 , 多酚类物质的生物活性及对人体的
保健防病作用日益受到人们的关注 , 其清除体内
自由基 、抗脂质氧化 、 延缓机体衰老 、 预防心血
管疾病 、 防癌 、抗辐射等生物活性功能的发现 ,
使多酚的研究和应用越来越受到重视[ 2] 。目前 ,
东北一些当地企业在生产沙果浓缩汁的同时 , 产
生了数量庞大的废渣 , 既污染环境 , 又造成了浪
费 。由于目前尚未见到有关沙果渣多酚产品和相
关研究的报道 , 本试验以沙果渣为原料 , 提取其
中的多酚类物质 , 对沙果渣进行综合利用 , 提高
产品的附加值。微波提取技术 , 是近年来兴起的
利用微波能来提高生物活性物质提取率的一种新
技术[ 3] 。利用微波处理可以达到深层加热效果 ,
具有回收率高 、 加热速度快 、溶剂消耗低 、 无污
染等优点[ 4] 。本文通过微波辅助提取法 , 通过单
因素试验和响应面分析试验 , 优化了沙果渣多酚
的提取工艺参数 , 为其规模化生产提供参考依
据 。
1　材料与方法
1.1　材料与试剂
沙果渣 (黑龙江省大庆市隆赫达食品有限公
司沙果榨汁后的鲜渣 , 经 50℃干燥后粉碎 , 过 40
目筛备用);没食子酸 (天津科密欧化学试剂开
发中心);福林酚试剂 (上海荔达生物科技有限
公司);无水碳酸钠 (天津市红岩化学试剂厂);
无水乙醇 (天津市红岩化学试剂厂)。
1.2　仪器与设备
MM721AAU-PW型微波炉 (佛山市顺德区
美的微波炉电器制造有限公司);紫外可见分光
光度计 (北京普析通用仪器有限责任公司);RE
52-98型旋转蒸发仪 (上海亚荣生化仪器厂);
TD5A台式多管架离心机 (长沙英泰仪器有限公
司)。
1.3　试验方法
1.3.1　工艺流程
沙果渣※粉碎 、 过筛※微波提取※离心※上
清液※真空浓缩※干燥※沙果渣多酚
1.3.2　福林酚法测定多酚含量
采用 Folin-Ciocalteau法 [ 5] , 选用没食子酸
作为标准品。将准确称取的没食子酸标准品配制
成 100μg/mL的标准溶液 , 精确吸取 0.25mL、
0.50mL、 0.75mL、 1.00mL、 1.25mL、 1.50mL、
1.75mL、 2.00mL于 25mL容量瓶中 , 分别加入
2.5mLFC试剂后 0.5 8min内加入 2.5mL10%
Na2CO3溶液 , 加蒸馏水定容至 25mL, 摇匀后室
温下静置 1h;同时做空白溶液 , 于 785nm下测吸
光度 。测定的标准曲线回归方程为:y=0.0041x
+0.0037, R2 =0.9996, x为浓度 , 单位为 μg/
mL, y为吸光度。
1.3.3　多酚的提取及含量的测定
称取 5.000g干沙果渣 , 以乙醇溶液为溶剂 ,
在一定条件下进行微波辅助提取 , 抽滤后于
4000r/min离心 10min, 取上清液在 50℃下真空旋
转蒸发回收乙醇 , 浓缩液定容至 5mL, 以 FC法
测定其吸光度值 , 计算提取量 (mg/g)。每个试
验做 3次重复 , 取平均值。
沙果渣多酚提取量 (mg/g) =C×N×25 ×
10
-3 /m
式中:C:查标准曲线得到的浓度 (μg/
mL);N:稀释倍数;m:沙果渣取样量 (g)
1.3.4　试验设计
选取乙醇浓度 、料液比 、微波功率 、微波提
取时间进行单因素试验 , 在单因素试验基础上 ,
采用响应面分析试验 , 由 SAS8.2程序分析 , 确
定最优提取工艺参数。
2　结果与分析
2.1　单因素试验分析
2.1.1　乙醇浓度对提取量的影响
选择料液比 1 ∶20、微波功率为 540W、 微波
时间为 60s, 以提取量为评价指标 , 考察乙醇浓
度对沙果渣多酚提取量的影响 。由图 1可知 , 乙
醇浓度较低时 , 随着乙醇浓度的增加 , 沙果渣多
酚的提取量明显提高 , 当乙醇浓度超过 50%后 ,
多酚提取量随着乙醇浓度增加而下降 。这可能是
由于高浓度乙醇溶出较多醇溶性杂质 、 色素 、亲
脂性强的成分 , 这些成分与多酚类化合物竞争提
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取溶剂 , 导致多酚含量下降[ 6] 。
图 1　乙醇浓度对沙果渣多酚提取量的影响
Fig.1　Effectofethanolconcentration
onyieldofpolyphenols
2.1.2　料液比对提取量的影响
选择乙醇浓度 50%, 微波功率为 540W、 微
波时间为 60s, 以提取量为评价指标 , 考察料液
比对沙果渣多酚提取量的影响 。由图 2可知 , 在
1 ∶20之前 , 随着料液比的增加多酚提取量也显
著增加 , 1 ∶20之后 , 随着料液比的增加 , 多酚
提取量反而降低 。因此 , 料液比选择 1 ∶20较为
合适。
图 2　料液比对沙果渣多酚提取量的影响
Fig.2　Effectofmaterial/liquid
ratioonyieldofpolyphenols
2.1.3　微波功率对提取量的影响
选择乙醇浓度 50%、 料液比 1 ∶20、 微波时
间为 60s, 以提取量为评价指标 , 考察微波功率
对沙果渣多酚提取量的影响。由图 3可知 , 随着
微波功率的增强 , 多酚的提取量增加明显 , 但
540W之后 , 随着微波功率的增强 , 多酚的提取
量却略有下降 , 这可能是因为随着微波功率的加
大会使得提取温度有一定的上升 , 多酚物质在高
温条件下发生降解和氧化 [ 7] 。综合考虑 , 微波的
功率选择 540W较为合适 。
图 3　微波功率对沙果渣多酚提取量的影响
Fig.3　Efectofmicrowavepower
onyieldofpolyphenols
2.1.4　微波时间对提取量的影响
选择乙醇浓度 50%、 料液比 1 ∶20、微波功
率为 540W, 以提取量为评价指标 , 考察微波时
间对沙果渣多酚提取量的影响 。由图 4可知 , 随
着时间的增加 , 多酚的提取量呈上升趋势 , 但超
过 120s后 , 多酚的提取量增加不明显 , 这可能是
因为达到 120s时 , 多酚的提取已接近完全 。
图 4　微波时间对沙果渣多酚提取量的影响
Fig.4　Effectofmicrowave
timeonyieldofpolyphenols
2.2　沙果渣多酚提取工艺的优化
在单因素试验基础上 , 根据 Box-Benhnken
中心组合试验设计原理 [ 8-9] , 以提取量为响应值 ,
设计四因素三水平响应面分析试验 , 因素水平编
码见表 1。数据用 SAS8.2程序确定最优提取工
艺参数。
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表 1　因素水平编码表
Table1　Factorsandlevelstable
水平 X1 乙醇浓度 /%
X2料液
比 / (g/mL)
X3 微波
功率 /w
X4 微波
时间 /s
1 40 1∶10 380 90
0 50 1∶20 540 120
-1 60 1∶30 700 150
注:x1 =(X1 -50)/10;x2 =(X2 -20) /10;x3 =(X3
-540) /160;x4 =(X4 -120)/30
2.2.1　回归方程建立与方差分析
试验结果 (见表 2)通过 SAS8.2数据分析
软件进行回归分析 , 由表 3可知二次回归方程为:
y=-23.162337+0.825073x1 +0.110115x2 +
0.007785x3 + 0.048573x4 - 0.007675x21 -
0.000625x2x1 -0.003925x22 +0.000014062x3x1 -
0.000004687x3x2 -0.000008838x23 -0.000217x4x1
+0.000733x4x2 +0.000009896x4x3 -0.000238x24
表 2　响应面分析方案及试验结果
Table2　Designandtestresultsofresponsesurfaceanalysis
序列 X1 乙醇浓度 /%
X
2
料液
比 /g· mL-1
X3功率
/W
X4微波
时间 /s
Y提取
量 /mg·g-1
1 -1 -1 0 0 2.80
2 -1 1 0 0 3.07
3 1 -1 0 0 3.48
4 1 1 0 0 3.50
5 0 0 -1 -1 3.97
6 0 0 -1 1 3.95
7 0 0 1 -1 3.82
8 0 0 1 1 3.99
9 -1 0 0 -1 3.08
10 -1 0 0 1 3.22
11 1 0 0 -1 3.69
12 1 0 0 1 3.57
13 0 -1 -1 0 3.66
14 0 -1 1 0 3.70
序列 X1乙醇浓度 /%
X2料液
比 /g· mL-1
X3 功率
/W
X4 微波
时间 / s
Y提取
量 /mg· g-1
15 0 1 -1 0 3.82
16 0 1 1 0 3.83
17 -1 0 -1 0 3.10
18 -1 0 1 0 3.12
19 1 0 -1 0 3.62
20 1 0 1 0 3.73
21 0 -1 0 -1 3.90
22 0 -1 0 1 3.51
23 0 1 0 -1 3.61
24 0 1 0 1 4.10
25 0 0 0 0 4.36
26 0 0 0 0 4.39
27 0 0 0 0 4.38
表 3　回归系数显著性检验表
Table3　Significancetesttableofregressioncofficient
方差来源 参数估计值 标准误 t值 Pr> t
常数项 -23.162337 0.868082 -26.68 <.0001
x1 0.825073 0.018579 44.41 <.0001
x2 0.110115 0.014469 7.61 <.0001
x3 0.007785 0.001002 7.77 <.0001
x4 0.048573 0.005647 8.60 <.0001
x21 -0.007675 0.000156 -49.28 <.0001
x22 -0.003925 0.000156 -25.20 <.0001
x23 -0.000008838 0.000000608 -14.53 <.0001
x24 -0.000238 0.000017305 -13.72 <.0001
x1x2 -0.000625 0.000180 -3.48 0.0046
x1x3 0.000014062 0.000011240 1.25 0.2347
x1x4 -0.000217 0.000059948 -3.61 0.0036
x2x3 -0.000004687 0.000011240 -0.42 0.6840
x2x4 0.000733 0.000059948 12.23 <.0001
x3x4 0.000009896 0.000003747 2.64 0.0215
161　
该决定系数 R2 =0.9991, 由表 4所示 , 二次
回归模型的 F值为 246.70, 其 P<0.01;而失拟
项的 P>0.05 , 说明该模型的拟和效果良好 。由
表 4可知一次项 , 二次项和交互项的 P<0.01,
说明各个因素对沙果渣多酚的提取都有极显著的
影响。
表 4　方差分析表
Table4　Theanalysisofvariance
方差来源 自由度 平方和 均方和 F值 P值
一次项 4 0.924350 0.2062 178.62 <.0001
二次项 4 3.306592 0.7374 638.95 <.0001
交互项 6 0.237400 0.0529 30.58 <.0001
失拟项 10 0.015058 0.001506 6.45 0.1415
纯误差 2 0.000467 0.000233
误差 12 0.015525 0.001294
回归模型 14 4.468342 0.9965 246.70 <.0001
总和 26 4.48387
为了确定最佳点的值 , 采用 SAS软件的
RSREG程序对试验模型进行分析 , 得到沙果渣多
酚提取最佳工艺条件的理论预测值为:乙醇浓度
51.66%、 料液比 1 ∶21.03、 微波功率 544.52W、
微波时间 122.51s。该条件下 , 沙果渣多酚理论
提取量为 4.40mg/g。
2.2.2　验证试验
为检验试验的可靠性 , 采用上述提取条件进
行沙果渣多酚提取试验 , 同时考虑到实际操作的
便利 , 将最佳条件修正为乙醇浓度 52%、 料液比
1 ∶21、 微波功率 540W、 微波时间 123s, 经过 3
次重复试验 , 实际得到的沙果渣多酚提取量的平
均值为 4.27mg/g, 达到理论预测值的 97.05%,
与理论值吻合较好 , 表明响应面分析所得到的优
化模型是可靠的 , 该数学模型对优化沙果渣多酚
的提取工艺是可行的 。同时 , 与溶剂提取法相
比 , 微波提取法的时间短 , 而且 , 其得率高于通
常条件下乙醇提取的 3.13mg/g[ 10] 。因此 , 微波
提取是一种非常有效的提取沙果渣多酚的方法 。
3　结论
在单因素试验的基础上 , 采用 Box-Behnken
中心组合实验设计 , 以乙醇浓度 (X1)、 料液比
(X2)、 微波功率 (X3)、微波时间 (X4)为试验
因素 , 以沙果渣多酚提取量为指标 , 得到沙果渣
多酚提取的数学回归模型 。通过回归模型分析可
知 , 乙醇浓度 、 料液比 、 微波功率 、 微波时间对
沙果渣多酚提取量的影响是显著的 。同时 , 得到
沙果渣多酚提取的最佳工艺参数为:乙醇浓度
52%、料液比 1 ∶21、微波功率 540W、 微波时间
123s, 该条件下得 到沙果渣多 酚提取量为
4.27mg/g, 说明微波辅助提取技术是沙果渣多酚
提取的一种非常好的新技术 , 具有实际应用价
值。
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